Paineaalto

Iskuaalto on epäjatkuvuuspinta , joka  liikkuu väliaineen sisällä, kun taas paine , tiheys , lämpötila ja nopeus hyppäävät [1] .

Iskuaaltojen yleiset makroskooppiset ominaisuudet

Iskuaaltojen termodynamiikka

Makroskooppisesta näkökulmasta iskuaalto on kuvitteellinen pinta, jolla väliaineen termodynaamiset suuret (jotka yleensä muuttuvat jatkuvasti avaruudessa) kokevat irrotettavia piirteitä: äärellisiä hyppyjä [2] . Kun se kulkee iskuaallon etuosan läpi , paine , lämpötila , väliaineen aineen tiheys sekä sen liikkeen nopeus suhteessa iskuaallon etuosaan muuttuvat. Kaikki nämä suureet eivät muutu itsenäisesti, vaan liittyvät iskuaallon ainoaan ominaisuuteen, Mach -lukuon . Matemaattista yhtälöä, joka yhdistää termodynaamiset suureet ennen ja jälkeen iskuaallon kulkua, kutsutaan shokkiadiabaatiksi tai Hugoniotin adiabaatiksi .

Iskuaalloilla ei ole additiivisuuden ominaisuutta siinä mielessä, että väliaineen termodynaamista tilaa, joka tapahtuu yhden iskuaallon kulumisen jälkeen, ei voida saavuttaa lähettämällä peräkkäin kahta alhaisemman intensiteetin iskuaaltoa.

Iskuaaltojen alkuperä

Ääni on väliaineen tiheyden, nopeuden ja paineen vaihtelua, joka etenee avaruudessa. Tavallisten väliaineiden tilayhtälö on sellainen, että korkean paineen alueella pienen amplitudin häiriöiden etenemisnopeus kasvaa. Tämä johtaa väistämättä ilmiöön "käänteinen" äärellisen amplitudin häiriöiden, jotka synnyttävät shokkiaaltoja.

Tämän mekanismin ansiosta iskuaalto tavallisessa väliaineessa on aina puristusaalto (eikä jännitys , kuten esimerkiksi maanjäristyksen aikana).

Kuvattu mekanismi ennustaa minkä tahansa ääniaallon väistämättömän muuttumisen heikoksi shokkiaaltoksi. Arkioloissa tämä kuitenkin kestää liian kauan, jotta ääniaalto ehtii vaimentua ennen kuin epälineaarisuus tulee havaittavaksi. Tiheyden vaihtelun nopeaan muuntamiseen iskuaaltoksi tarvitaan voimakkaita alkupoikkeamia tasapainosta. Tämä voidaan saavuttaa joko luomalla erittäin voimakas ääniaalto tai mekaanisesti, siirtämällä esineitä transonisesti väliaineessa. Siksi iskuaallot syntyvät helposti räjähdysten aikana, kappaleiden lähi- ja yliääniliikenteessä, voimakkaiden sähköpurkausten aikana jne.

Iskuaallon mikroskooppinen rakenne

Korkean intensiteetin iskuaaltojen paksuus on suuruusluokkaa kaasumolekyylien keskimääräisen vapaan reitin mukaan (tarkemmin sanottuna ~10 keskimääräistä vapaata polkua, eikä se voi olla pienempi kuin 2 keskimääräistä vapaata polkua; tämän tuloksen sai Chapman 1950-luvun alussa ). Koska makroskooppisessa kaasudynamiikassa keskimääräisen vapaan reitin on katsottava olevan nolla, puhtaasti kaasudynaamiset menetelmät eivät sovellu korkean intensiteetin shokkiaaltojen sisäisen rakenteen tutkimiseen [3] .

Kineettistä teoriaa käytetään teoreettiseen iskuaaltojen mikroskooppisen rakenteen tutkimiseen . Iskuaaltorakenteen ongelmaa ei ratkaista analyyttisesti, vaan käytetään useita yksinkertaistettuja malleja. Yksi tällainen malli on Tamm -Mott-Smithin malli [4] [5] .

Iskuaallon nopeus

Iskuaallon etenemisnopeus väliaineessa ylittää äänen nopeuden tässä väliaineessa. Ylimäärä on sitä suurempi, mitä suurempi on iskuaallon intensiteetti (paineiden suhde aaltorintaman edessä ja takana): (p shokkiaalto  - p sp.medium ) / p sp.medium [6] .

Esimerkiksi lähellä ydinräjähdyksen keskustaa iskuaallon etenemisnopeus on monta kertaa suurempi kuin äänen nopeus. Kun iskuaalto poistetaan heikkenemällä, sen nopeus laskee nopeasti ja pitkällä matkalla iskuaalto rappeutuu ääniaalloksi (akustiseksi) ja sen etenemisnopeus lähestyy ympäristön äänen nopeutta. Iskuaalto ilmassa ydinräjähdyksen aikana, jonka teho on 20 kilotonnia , kattaa etäisyydet: 1000 m 1,4 sekunnissa, 2000 m 4 sekunnissa, 3000 m 7 sekunnissa, 5000 m 12 sekunnissa. Siksi räjähdyksen välähdyksen näkevällä on jonkin verran aikaa piiloutua (taittuu maastossa, ojat jne.) ja siten vähentää iskuaallon haitallisia vaikutuksia [7] .

Kiinteiden aineiden iskuaallot (esimerkiksi ydinräjähdyksen tai tavanomaisen kallion räjähdyksen, meteoriitin törmäyksen tai kumulatiivisen suihkun aiheuttamat) samoilla nopeuksilla ovat huomattavasti korkeampia paineita ja lämpötiloja. Iskuaaltorintaman takana oleva kiinteä aine käyttäytyy ihanteellisena kokoonpuristuvana nesteenä, eli siltä näyttää puuttuvan molekyylien ja atomien väliset sidokset, eikä aineen lujuudella ole vaikutusta aaltoon. Maan ja maanalaisen ydinräjähdyksen tapauksessa maan iskuaaltoa ei voida pitää vahingollisena tekijänä , koska se hajoaa nopeasti; sen etenemissäde on pieni ja tulee olemaan täysin räjähdyssuppilon koon sisällä [8] , jonka sisällä kiinteiden maanalaisten kohteiden täydellinen tuhoutuminen on jo saavutettu.

Shokkiaallot erikoisolosuhteissa

• Iskuaalto voi lämmittämällä väliainetta aiheuttaa eksotermisen kemiallisen reaktion [9] , joka puolestaan ​​vaikuttaa itse iskuaallon ominaisuuksiin. Tällaista monimutkaista "iskuaalto + palamisreaktiota" kutsutaan räjähdysaalloksi .
• Astrofysikaalisissa kohteissa iskuaalto voi liikkua lähellä valonnopeutta. Tässä tapauksessa iskuadiabaattia muutetaan.
• Magnetoidun plasman iskuaalloilla on myös omat ominaispiirteensä. Epäjatkuvuuden läpi kulkiessaan myös magneettikentän suuruus muuttuu , mihin kuluu lisäenergiaa. Tämä edellyttää suurimman mahdollisen plasman puristuskertoimen olemassaolon mielivaltaisen voimakkaille iskuaalloille.
• Tangentiaaliset iskuaallot ovat sekatyyppistä (normaalia ja tangentiaalista) epäjatkuvuuspintaa .

Ihmisen vaikutus

Iskuaalto voi aiheuttaa vakavia vammoja, kuten raajan repeämän . Lisäksi shokkiaallon heittämä henkilö loukkaantuu yleensä törmäyksessä ympäröiviin esineisiin: puihin, rakennusten seiniin jne. [10] .

Katso myös

• äänivalli
• yliäänivirtausta
• Ydinräjähdyksen vahingolliset tekijät
• Wilsonin pilvi
• Machin levyjä

Muistiinpanot

1. ↑ Loitsyansky L. G. Nesteen ja kaasun mekaniikka. M.: GI TTL, 1950. - 165 s.
2. ↑ Bulat P. V. ja muut / ITMO Scientific and Technical Bulletin. - Maalis-huhtikuu 2015. - UDC 532.529
3. ↑ Landau L. D., Lifshitz E. M. Teoreettinen fysiikka: Oppikirja 10 osana T. VI Hydrodynamiikka. Moskova: Nauka, 1986, s. 494
4. ↑ Mott-Smith, HM Boltzmannin yhtälön ratkaisu shokkiaaltoon // ​​Physical Review  : Journal  . - 1951. - 15. kesäkuuta ( nide 82 , nro 6 ). - s. 885 . - doi : 10.1103/PhysRev.82.885 .  
5. ↑ Tamm I. E. Proceedings of the Physical Institute. Lebedev AN SSSR 29 (1965). Työ tehtiin vuonna 1947.
6. ↑ [bse.sci-lib.com/article113581.html Shock wave in the Great Soviet Encyclopedia] . Haettu 11. syyskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 3. helmikuuta 2012. (määrätön)
7. ↑ Ilman iskuaalto . Haettu 11. syyskuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 3. helmikuuta 2012. (määrätön)
8. ↑ . Isku- ja räjähdyskraatterit. New York, 1977, s. 804
9. ↑ Slinkin Sergey Viktorovich "Erittäin kiihtyneiden molekyylien reaktiot ja rentoutuminen shokkiaalloissa" (2008)
10. ↑ David Nott: Sotakirurgi auttaa lääkäreitä pelastamaan ihmishenkiä Ukrainassa Arkistoitu 24. huhtikuuta 2022 Wayback Machinessa , BBC, 23.04.2022

Kirjallisuus

• Räjähdysaalto // Brockhausin ja Efronin tietosanakirja  : 86 nidettä (82 osaa ja 4 lisäosaa). - Pietari. , 1890-1907.
• Falkovich, G. Fluid Mechanics, lyhyt kurssi fyysikoille  (englanniksi) . - Cambridge University Press , 2011. - ISBN 978-1-107-00575-4 .
• Slinkin S. V. Erittäin kiihtyneiden molekyylien reaktiot ja rentoutuminen shokkiaalloissa, monografia ( 2008 )

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Suuri katalaani iso kiinalainen Hienoa norjalaista Iso venäläinen Brockhaus ja Efron maailman ympäri Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4057760-0 J9U : 987007538965105171 LCCN : sh85121715 NDL : 00572015 NKC : ph125387