Уда́рная волна́ — поверхность разрыва , которая движется внутри среды, при этом давление , плотность , температура и скорость испытывают скачок .

Общие макроскопические свойства ударных волн

Термодинамика ударных волн

С макроскопической точки зрения ударная волна представляет собой воображаемую поверхность, на которой термодинамические величины среды (которые, как правило, изменяются в пространстве непрерывно) испытывают устранимые особенности: конечные скачки . При переходе через фронт ударной волны меняются давление , температура , плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с единственной характеристикой ударной волны — числом Маха . Математическое уравнение, связывающее термодинамические величины до и после прохождения ударной волны, называется ударной адиабатой , или адиабатой Гюгонио .

Ударные волны не обладают свойством аддитивности в том смысле, что термодинамическое состояние среды, возникающее после прохождения одной ударной волны, нельзя получить последовательным пропусканием двух ударных волн меньшей интенсивности.

Происхождение ударных волн

Звук представляет собой колебания плотности, скорости и давления среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость распространения возмущений малой амплитуды возрастает. Это неизбежно приводит к явлению «опрокидывания» возмущений конечной амплитуды, которые и порождают ударные волны.

В силу этого механизма, ударная волна в обычной среде — это всегда волна сжатия (а не растяжения , как, например, при землетрясении).

Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны в слабую ударную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения колебания плотности в ударную волну требуются сильные начальные отклонения от равновесия. Этого можно добиться либо созданием звуковой волны очень большой громкости , либо механически, путём околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому ударные волны легко возникают при взрывах , при около- и сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т. д.

Микроскопическая структура ударной волны

Толщина ударных волн большой интенсивности имеет величину порядка длины свободного пробега молекул газа (более точно — ~10 длин свободного пробега, и не может быть менее 2 длин свободного пробега; данный результат получен Чепменом в начале 1950-х). Так как в макроскопической газодинамике длина свободного пробега должна рассматриваться равной нулю, чисто газодинамические методы непригодны для исследований внутренней структуры ударных волн большой интенсивности .

Для теоретического изучения микроскопической структуры ударных волн применяется кинетическая теория . Аналитически задача о структуре ударной волны не решается, но применяется ряд упрощённых моделей. Одной из таких моделей является модель Тамма -Мота-Смита .

Скорость распространения ударной волны

Скорость распространения ударной волны в среде превышает скорость звука в данной среде. Превышение тем больше, чем выше интенсивность ударной волны (отношение давлений перед и за фронтом волны): (p _{уд.волны} — p _{сп.среды} )/ p _{сп.среды} .

Например, недалеко от центра ядерного взрыва скорость распространения ударной волны во много раз выше скорости звука. При удалении с ослаблением ударной волны, скорость её быстро снижается и на большой дистанции ударная волна вырождается в звуковую (акустическую) волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука в окружающей среде. Ударная волна в воздухе при ядерном взрыве мощностью 20 килотонн проходит дистанции: 1000 м за 1,4 с, 2000 м — 4 с, 3000 м — 7 с, 5000 м — 12 с. Поэтому у человека, увидевшего вспышку взрыва, есть какое-то время для укрытия (складки местности, канавы и пр.) и тем самым уменьшения поражающего воздействия ударной волны .

Ударные волны в твёрдых телах (например, вызванные ядерным или обычным взрывом в скальной породе, ударом метеорита или кумулятивной струёй) при тех же скоростях имеют значительно большие давления и температуры. Твёрдое вещество за фронтом ударной волны ведёт себя как идеальная сжимаемая жидкость, то есть в нём как бы отсутствуют межмолекулярные и межатомные связи, и прочность вещества не оказывает на волну никакого воздействия. В случае наземного и подземного ядерного взрыва ударная волна в грунте не может рассматриваться как поражающий фактор , так как она быстро затухает; радиус её распространения невелик и будет целиком в пределах размеров взрывной воронки , внутри которой и без того достигается полное поражение прочных подземных целей.

Ударные волны в специальных условиях

• Ударная волна, путём нагрева среды, может вызвать экзотермическую химическую реакцию , что, в свою очередь, отразится и на свойствах самой ударной волны. Такой комплекс «ударная волна + реакция горения» носит название волны детонации .
• В астрофизических объектах ударная волна может двигаться со скоростями, близкими к скорости света. В этом случае ударная адиабата модифицируется.
• Ударные волны в замагниченной плазме также обладают своими характерными особенностями. При переходе через разрыв изменяется также и величина магнитного поля , на что тратится дополнительная энергия. Это влечёт за собой существование максимально возможного коэффициента сжатия плазмы при сколь угодно сильных ударных волнах.
• Касательные ударные волны представляют собой поверхность разрыва смешанного (нормального и тангенциального) типа.

Воздействие на человека

Ударная волна способна наносить тяжёлые ранения, такие как отрыв конечностей . Кроме того, отброшенный ударной волной человек обычно получает травмы от столкновений с окружающими предметами: деревьями, стенами зданий и т. п. .

См. также

• Звуковой барьер
• Поражающие факторы ядерного взрыва
• Облако Вильсона
• Диски Маха

Примечания

Литература

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• Falkovich, G. (англ.) . — Cambridge University Press , 2011. — ISBN 978-1-107-00575-4 .
• Слинкин С. В. Реакции и релаксация высоковозбуждённых молекул в ударных волнах» монография ( 2008 год )