Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Простая физика - 13. Ударные волны.

     Ударные волны могут распространяться и в твердых телах, и в жидкостях, и в газах. Но обычно мы говорим об ударных волнах в газах. Поскольку в ударных волнах в газах скачком меняются не только давление и температура среды, но и ее плотность. А в ударных волнах в жидкостях и твердых телах скачок плотности чрезвычайно мал. Да и нам, живущим в воздухе, гораздо интересней ударные волны в газах. Рыбы, очевидно, интересовались бы в первую очередь ударными волнами в жидкостях.
     Ударные волны могут возникать в разных процессах. При взрывах бомб и других устройств. При движениях тел быстрее скорости звука в газе (пули, самолеты). И даже очень мощный звук может превращаться в последовательность слабых ударных волн.
     Обычный звук благодаря внутреннему трению в воздухе быстро затухает. Но очень мощный звук не успев затухнуть может успеть превратиться в цепочку слабых ударных волн. Как это происходит? Дело в том, что скорость звука в газе растет с ростом плотности газа. Поэтому уплотнения газа в звуковой волне движутся быстрее разрежений газа. Как это показано на этом рисунке:
звук-уд.волна
     В мощной звуковой волне уплотнение (горб на рисунке) газа движется со скоростью с2, а разрежение (впадина) движется со скоростью с1 < с2. Поэтому горб догоняет впадину и с течением времени в профиле плотности газа ρ возникает довольно крутой участок (в правой части рисунка). Который и является слабой ударной волной. Из этих же соображений следует, что сама ударная волна распространяется по покоящемуся газу с большей скоростью, чем скорость звука в этом газе.
     Если обозначить давление Р, температуру Т и плотность ρ покоящегося газа перед набегающим на него фронтом ударной волны через Р1, Т1 и ρ1, то значения тех же параметров газа за фронтом прошедшей ударной волны (с индексом 2) будут большими, чем перед ударной волной: Р2 > Р1, Т2 > Т1, ρ2 > ρ1.
     В ударной волне предельно большой интенсивности скачки температуры и давления могут быть очень большими. Но скачок плотности всегда будет конечным. Так, в воздухе, состоящем почти полностью из двухатомных молекул, предельный скачок плотности газа в ударной волне не может быть больше 6 (шести).
     Понятно, что слово "скачок" не следует понимать буквально. Поскольку воздух не является сплошной средой, а состоит из свободно движущихся и сталкивающихся молекул. Поэтому "скачок" надо понимать как довольно узкий интервал резкого изменения давления, температуры и плотности газа. Какова же толщина этого интервала?
     Ясно, что любое возмущение в газе передается через столкновения молекул этого газа. Поэтому толщина фронта ударной волны никак не может быть меньше расстояния, пробегаемое молекулой от одного столкновения до другого. Физики называют это расстояние длиной свободного пробега. В нашем воздухе на уровне моря длина свободного пробега молекул составляет примерно тысячную долю миллиметра. Реально предельно интенсивные ударные волны имеют толщину фронта примерно равную 2-3 длинам свободного пробега. И чем слабее ударная волна, тем толще ее фронт.
Tags: Физика на пальцах
Subscribe
promo moralg march 5, 2018 03:01 43
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 12 comments