Ударная волна
В физике ударная волна (также пишется как ударная волна ) или удар — это тип распространяющегося возмущения, которое движется быстрее, чем локальная скорость звука в среде. Как и обычная волна, ударная волна несет энергию и может распространяться в среде, но характеризуется резким, почти прерывистым изменением давления , температуры и плотности среды. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Для сравнения, в сверхзвуковых потоках дополнительное повышенное расширение может быть достигнуто с помощью расширительного вентилятора , также известного как расширительный вентилятор Прандтля-Мейера . Сопутствующая волна расширения может приближаться и в конечном итоге сталкиваться и рекомбинировать с ударной волной, создавая процесс деструктивной интерференции. Звуковой удар, связанный с прохождением сверхзвукового самолета, представляет собой тип звуковой волны, создаваемой конструктивной интерференцией .
В отличие от солитонов (еще один вид нелинейной волны), энергия и скорость ударной волны относительно быстро рассеиваются с расстоянием. Когда ударная волна проходит через вещество, энергия сохраняется, но увеличивается энтропия . Это изменение свойств вещества проявляется в уменьшении энергии, извлекаемой в виде работы, и в силе сопротивления сверхзвуковых тел ; ударные волны являются сильно необратимыми процессами .
Резкость изменения свойств среды, характеризующих ударные волны, можно рассматривать как фазовый переход : диаграмма давление-время при распространении сверхзвукового объекта показывает, что переход, индуцированный ударной волной, аналогичен динамическому фазовому переходу . .
Когда объект (или возмущение) движется быстрее, чем информация может распространяться в окружающую жидкость, тогда жидкость рядом с возмущением не может отреагировать или «уйти с дороги» до прихода возмущения. В ударной волне свойства жидкости ( плотность , давление , температура , скорость потока , число Маха ) изменяются практически мгновенно. [7] Измерения толщины ударных волн в воздухе дали значения около 200 нм (около 10-5 дюймов ), [8]что по порядку величины равно длине свободного пробега молекул газа. Применительно к континууму это означает, что ударную волну можно рассматривать либо как линию, либо как плоскость, если поле течения двумерное или трехмерное соответственно.
Ударные волны образуются, когда фронт давления движется со сверхзвуковой скоростью и давит на окружающий воздух. [9] В области, где это происходит, звуковые волны, распространяющиеся против течения, достигают точки, в которой они не могут двигаться дальше вверх по течению, и давление в этой области постепенно нарастает; быстро формируется ударная волна высокого давления.
