ударні хвилі При русі тіл в середовищах зі швидкостями, рівними або більше швидкості звуку, спостерігається різка зміна параметрів, що характеризують стан речовини через сильні збурень середовища.
Такі явища спостерігаються, наприклад, при русі тіл в газах з надзвуковими швидкостями, при найпотужніших електричних розрядах під час удару їх об перешкоду, при польотах надзвукових літаків, при вибухах наднових зірок і т.д. У всіх таких випадках швидкість поширення обурення вже залежить від його величини через виникнення ударних хвиль.
Ударною називають хвилю, що поширюється з надзвуковою швидкістю, в якій відбувається стрибок фізичних величин, що характеризують стан речовини - щільності, тиску, температури, швидкості руху частинок.
Ударні хвилі виникають в середовищах: рідких, твердих, газоподібних.
Розглянемо механізм виникнення ударної хвилі. Нехай тіло рухається в газі з надзвуковою швидкістю. Якщо швидкість руху тіла v менше швидкості звуку в газі vзв (v <vзв), то тіло при своєму русі випромінює хвилі стиснення вперед у напрямку руху. Газ плавно розходиться, пропускаючи тіло, огинаючи його.
Щодо системи відліку, пов'язаної з тілом, на великих відстанях від початку координат потік газу є плоскопаралельним, а поблизу тіла лінії потоку газу плавно викривляються, огинаючи його. Якщо тіло має обтічну форму, то за ним не виникає завихрень.
Картина руху різко змінюється при надзвуковому русі тіла. Газ не встигає розходитися перед тілом, його наздоганяють стиснення (ущільнення) і виникає головний ударний фронт. У хвостовій частині тіла також утворюється ударна хвиля. Газ, спочатку стислий в головний хвилі, потім розширюється до тиску менше початкового. Перехід до первісного тиску і здійснюється в хвостовій хвилі. На деякій відстані від тіла фронт ударної хвилі (головний і хвостовій) має форму конусів (рис. 7.15).
Мал. 7.15
Через ущільнення газу в ударній хвилі відбувається зміна його показника заломлення, що дозволяє сфотографувати ударну хвилю. Крім того, газ в ударній хвилі нагрівається, тому що потік газу, капи на тіло, різко гальмується, аж до повної зупинки.
Кінетична енергія газового потоку переходить у внутрішню енергію. Навіть після проходження ударної хвилі газ продовжує нагріватися, аж до температури гальмування, що може викликати світіння газу, але не через тертя тіла в газі. Причина світіння викликана тільки його нагріванням в ударній хвилі. Наприклад, багато хто спостерігав світіння при падінні метеоритів або метеорів.
Через високу температуру поверхню тіл навіть ОПЛАН ляется (падаючі ступені ракет-носіїв і посадочні капсули).
Всі ці процеси вимагають витрати енергії з боку тіла, велика частина якої йде на освіту ударних і звичайних хвиль. Природно тіло при цьому відчуває хвильовий опір. Природа хвильового опору в разі ударних хвиль інша, ніж при русі тіл з до звукової швидкістю. Для зменшення хвильового опору (zсвзв> z зв) тілу надають стріловидну форму. Тому в передній частині тіла утворюється конічної форми ударна хвиля, яка переломлює лінії набігаючого потоку газу. У хвостовій ударної хвилі вони також відчувають заломлення, переходячи знову в паралельний потік.
Обидві ударні хвилі помітні на значних відстанях від тіла, більш ніж 20 км. Їх існування проявляється, наприклад, у вигляді різких ударів (акустичний удар) від пролітають надзвукових літаків.
Ударна хвиля являє собою вузьку область хвильового поля порядку середньої відстані між частинками газу, в якій щільність стрибком змінюється.
Потужні ударні хвилі, що виникають при термоядерних вибухах або при вибухах наднових зірок, супроводжуються яскравим спалахом, яка дозволяє судити про наближення ударної хвилі.
В інших випадках (коли спалах не виникає) про наближення ударної хвилі можна дізнатися заздалегідь, тим вони і підступні (вибиті стекла, зірвані дахи будівель і т.д.).
Мал. 7.16
Якщо тіло рухається зі швидкістю менше (рис. 7.16, а) або рівною звуковий (рис. 7.16, б), то поширення звукових хвиль відбувається так, як показано на рис. 7.16, а, б, і супроводжується ефек т ом Д Оплер .
Мал. 7.17
Для знаходження кута надзвукового конуса ударної хвилі (рис. 7.17) можна використовувати принци п Г ю й Генса .
З кожної точки середовища, через яку рухається тіло, поширюється вторинна хвиля як від точкового джерела. Перед тілом фронт хвилі точковий, тому що тіло обганяє хвилю.
Позаду тіла радіуси вторинних хвиль зростають зі швидкістю звуку. Що огинає всіх фронтів вторинних хвиль є ударною хвилею у вигляді конуса. Ударна хвиля віддаляється від тіла зі швидкістю його руху. Кут розчину ударного фронту визначається відношенням швидкості звуку і швидкості тіла (рис. 7.17):
sin b = Vзв / v тіла.
