» » » » » » Unde de șoc

Unde de șoc

postat în: Acustica | 0

Fotografie Schlieren a unui șoc atașat unui corp supersonic ascuțit(Fotografie Schlieren a unui șoc atașat unui corp supersonic ascuțit).

În fizică, o undă de șoc, sau șoc, este un tip de perturbare a propagării. Când o undă se mișcă mai repede decât viteza locală a sunetului într-un fluid, este o undă de șoc. Ca o undă obișnuită, o undă de șoc poartă energie și se poate propaga printr-un mediu; totuși, este caracterizată printr-o schimbare abruptă, aproape discontinuă a presiunii, temperaturii și densității mediului.

În contextul comparării, în fluxurile supersonice se poate ajunge la o extindere suplimentară mărită prin intermediul unui ventilator de expansiune, cunoscut și ca un ventilator de expansiune Prandtl-Meyer. Mai mult, unda de expansiune însoțitoare poate aborda și eventual se poate ciocni și se poate recombina cu unda de șoc, care este un proces de interferență distructivă. Astfel, boom-ul sonic asociat trecerii unei aeronave supersonice este un tip de undă sonoră produsă de interferențe constructive.

Spre deosebire de solitoni (un alt fel de undă neliniară), energia și viteza unei unde de șoc se disipează relativ repede cu distanța.

Prin urmare, atunci când o undă de șoc trece prin materie, energia este păstrată, dar entropia crește. Această schimbare a proprietăților materiei se manifestă ca o scădere a energiei care poate fi extrasă ca lucru mecanic și ca o forță de atracție asupra obiectelor supersonice; undele de șoc sunt procese puternic ireversibile.

USS Iowa (USS Iowa în timpul exercițiilor de antrenament în Puerto Rico, 1984. Șocurile de la armele de foc pot fi văzute clar în apă.)

Terminologie

Undele de undă pot fi:

  • Normale: la 90 ° (perpendicular) pe direcția de curgere a mediului de șoc.
  • Oblice: la un unghi față de direcția de curgere.
  • Frontale: apar în amonte față (frontul) unui obiect bont când viteza de curgere din amonte depășește Mach 1.

Alți termeni

  • Frontul de șoc: limita la care condițiile fizice suferă o schimbare bruscă din cauzaunei unde de șoc.
  • Frontul de contact: într-o undă de șoc cauzată de un gaz condsucător (de exemplu, „impactul” unui explozibil puternic asupra aerului înconjurător), limita dintre conducător (produsele explozive) și gazele (aerul) conduse. Frontul de contact traversează frontul de șoc.

În deplasările supersonice

Diagrama presiune-timp (Diagrama presiune-timp la un punct de observație extern pentru cazul unui obiect supersonic care se propagă dincolo de observator. Marginea anterioară a obiectului provoacă un șoc (stânga, roșu) și marginea din spate a obiectului cauzează o extindere (dreapta, albastru).)

Caracterul brusc al schimbării caracteristicilor mediului, care caracterizează undele de șoc, poate fi privit ca o tranziție de fază: diagrama presiune-timp a unei propagări a unui obiect supersonic arată cum tranziția indusă de o undă de șoc este analogă unei tranziții dinamice de fază.

Atunci când un obiect (sau o perturbație) se mișcă mai repede decât se pot propaga informațiile în lichidul din jur, atunci fluidul din apropierea perturbației nu poate reacționa sau „ieși din drum” înainte de sosirea perturbației. Într-o undă de șoc, proprietățile fluidului (densitatea, presiunea, temperatura, viteza de curgere, numărul Mach) se schimbă aproape instantaneu. Măsurătorile de grosime a undelor de șoc în aer au condus la valori de aproximativ 200 nm, care sunt de aceeași ordine de mărime ca și calea medie a moleculei gazului liber. Referindu-ne la continuum, aceasta implică faptul că undele de șoc pot fi tratate fie ca linie, fie ca plan, dacă câmpul de curgere este bidimensional sau tridimensional.

Undele de șoc se formează atunci când un front de presiune se mișcă la viteze supersonice și împinge aerul înconjurător. În regiunea în care se întâmplă acest lucru, undele sonore care se deplasează împotriva fluxului ating un punct în care nu pot călători în amonte, iar presiunea se dezvoltă progresiv în acea regiune; se formează rapid o undă de șoc de presiune înaltă.

Undele de undă nu sunt unde de sunet convenționale; o undă de șoc are forma unei modificări foarte clare a proprietăților gazului. Undele de șoc în aer sunt auzite ca un zgomot puternic. Pe distanțe mai lungi, o undă de șoc se poate schimba de la o undă neliniară într-o undă liniară, degenerând într-o undă de sunet convențional, deoarece încălzește aerul și își pierde energia. Unda sonoră este ascultată ca o „bătaie” familiară a unui boom sonic, creat în mod obișnuit de zborul supersonic al avioanelor.

Unda de șoc este una din mai multe moduri diferite în care un gaz într-un flux supersonic poate fi comprimat. Alte metode sunt comprimările izentropice, incluzând compresiile Prandtl-Meyer. Metoda de comprimare a gazului are ca rezultat temperaturi și densități diferite pentru un anumit raport de presiune care poate fi calculat în mod analitic pentru un gaz care nu reacționează. O compresie a undelor de șoc are ca rezultat o pierdere a presiunii totale, ceea ce înseamnă că este o metodă mai puțin eficientă de comprimare a gazelor în anumite scopuri. Apariția presiunii la aeronave supersonice se datorează în principal efectului compresiei șocurilor asupra curgerii.

Undele de șoc datorate stării abrupte neliniare

Undele de șoc se pot forma datorită accentuării stării abrupte a undelor obișnuite. Exemplul cel mai cunoscut al acestui fenomen este valurile oceanelor care se sparg la mal.

Fenomenele similare afectează valurile sonore puternice în gaz sau în plasmă, datorită dependenței vitezei sonore de temperatură și presiune. Undele puternice încălzesc mediul în apropierea fiecărei zone de presiune, datorită comprimării adiabatice a aerului însuși, astfel încât fronturile de presiune ridicată să depășească jgheaburile de presiune corespunzătoare. Există o teorie conform căreia nivelurile de presiune acustică din instrumentele de alamă, cum ar fi trombonul, devin suficient de mari pentru a avea loc o stare abruptă mai mare, formând o parte esențială a timbrului luminos al instrumentelor. În timp ce formarea șocurilor prin acest proces nu se întâmplă în mod normal cu unde sonore neînchise în atmosfera Pământului, se crede că este un mecanism prin care cromosfera solară și corona sunt încălzite, prin unde care se propagă din interiorul solar.

Tipuri de fenomene

Fotografia Schlieren a șocului detașat pe un glonț(Fotografia Schlieren a șocului detașat pe un glonț în zbor supersonic, publicat de Ernst Mach și Peter Salcher în 1887.)

Șoc de mișcare
  • Se compune, de obicei, dintr-o undă de șoc care se propagă într-un mediu staționar
  • În acest caz, gazul din fața șocului este staționar (în cadrul laboratorului), iar gazul din spatele șocului poate fi supersonic în cadrul laboratorului. Șocul se propagă cu un front de undă care este normal (în unghi drept) față de direcția de curgere. Viteza șocului este o funcție a raportului de presiune originală dintre cele două corpuri ale gazului.
  • Șocurile de mișcare sunt generate, de regulă, prin interacțiunea a două corpuri de gaz la presiune diferită, cu o undă de șoc propagându-se în gazul de presiune inferior și o undă de expansiune care se propagă în gazul de presiune mai mare.
  • Exemple: spargerea balonului, tubul de șoc, unda de șoc de la explozie.
Unde de detonare
  • O undă de detonare este, în esență, un șoc susținut de o reacție exotermă în urmă. Aceasta implică o undă care se deplasează printr-un mediu puternic instabil sau chimic instabil, cum ar fi un amestec de oxigen-metan sau un exploziv puternic. Reacția chimică a mediului are loc după unda de șoc, iar energia chimică a reacției conduce unda înainte.
  • O undă de detonare urmează reguli ușor diferite de un șoc obișnuit, deoarece este condusă de reacția chimică care se produce în spatele frontului undei de șoc. În cea mai simplă teorie pentru detonații, o undă de detonare nesuportată, auto-produsă, are loc la viteza de curgere Chapman-Jouguet. O detonare va provoca, de asemenea, un șoc de tip 1, de mai sus, pentru a se propaga în aerul din jur datorită suprapresiunii induse de explozie.
  • Atunci când o undă de șoc este creată de explozivi puternici, cum ar fi TNT (care are o viteză de detonare de 6.900 m/s), aceasta va călători întotdeauna la viteză mare, supersonică, de la punctul său de origine.
Undele de șoc dintr-un glonț supersonic
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Supersonic-bullet-shadowgram-Settles.tif

(Diagrama de umbre a undelor de șoc dintr-un glonț supersonic tras de la o pușcă. Tehnica optică de tip shadowgraph (grafic de umbre) arată că glonțul se mișcă la un număr Mach de 1.9. Undele frontale care se deplasează spre stânga și spre dreapta, și undele din coadă de la glonte și turbulențele sale sunt de asemenea vizibile. Modelele de la extrema dreaptă sunt din particulele de praf nearse emise de armă.)

Unde frontale (șoc detașat)
  • Aceste șocuri sunt curbate și formează o mică distanță în fața corpului. Direct în fața corpului, ele se poziționează la 90 de grade față de fluxul viitor și apoi se curbează în jurul corpului. Șocurile detașate permit același tip de calcule analitice ca și șocurile atașate, pentru fluxul în apropierea șocului. Ele sunt un subiect de interes continuu, deoarece regulile care reglementează distanța șocului înaintea corpului bont sunt complicate și reprezintă o funcție a formei corpului. În plus, distanța față de șoc variază drastic cu temperatura pentru un gaz ne-ideal, cauzând diferențe mari în transferul de căldură către sistemul de protecție termică a vehiculului.
  • Un astfel de șoc apare atunci când unghiul maxim de deflecție este depășit. Un șoc detașat este frecvent observat pe corpuri boante, dar poate fi văzut și pe corpuri ascuțite la numere Mach mici.
  • Exemple: Vehicule care revin din în spațiu (Apollo, naveta spațială), gloanțe, limita (șoc frontal) unei magnetosfere. Numele „șoc frontal” provine de la exemplul unei unde frontale, șocul detașat format în față (frontal) al unei nave sau vapor care se deplasează prin apă, a cărui viteză de undă lentă este depășită cu ușurință.
Șoc atașat
  • Aceste șocuri apar ca atașate vârfului corpurilor ascuțite care se mișcă la viteze supersonice.
  • Exemple: Pene și conuri supersonice cu unghiuri de vârf mici.
  • Unda de șoc atașată este o structură clasică în aerodinamică deoarece, pentru un câmp de curgere al unui gaz perfect și invizibil, este disponibilă o soluție analitică, astfel încât raportul de presiune, raportul de temperatură, unghiul penei și numărul Mach în aval pot fi calculatecunoscând  numărul Mach din amonte și unghiul de șoc. Unghiurile de șoc mai mici sunt asociate cu numerele Mach mai mari în amonte, iar cazul special în care undele de șoc sunt la 90° față de curgerea viitoare (șocul normal), este asociată cu un număr Mach unu. Acestea urmează soluțiile „șocurilor slabe” ale ecuațiilor analitice.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *