Ударна хвиля

Зі словом «хвиля» в життєвій практиці пов'язане уявлення про періодичне процесі, наочним прикладом якого є хвилювання на морі. Погойдатися на «хвилях» - улюблена розвага купальщиків.

У фізиці користуються словом «хвиля» в більш широкому сенсі і говорять про поширення хвилі і в тому випадку, коли місцеве підвищення або зниження тиску викликано одноразовим ударом, вибухом або засосом повітря.

Дуже своєрідно виглядає повітряна хвиля, створювана вибухом. (Ми вже говорили, що повітряну хвилю можна сфотографувати, тому слово «виглядає» цілком підходить до хвилі тиску.)

На рис. 128 зображений миттєвий профіль такої вибухової хвилі - крива зображує розподіл тиску вздовж будь-якого напрямку поширення хвилі. Профіль хвилі складається поступовим підйомом, що завершується стрімких спуском. Напрямок руху хвилі показано на схемі зліва направо. Ділянки повітря, розташовані правіше фронту, в аналізованих мить покояться - до них хвиля ще добереться.

Основна особливість описуваної вибуховий або, як її називають, ударної хвилі - це різкий стрибок тиску на «фронті»; точки, що знаходяться в спокої, захоплюються максимумом тиску практично миттєво: частка повітря тільки що перебувала при атмосферному тиску, а в наступну мить тиск в цьому місці максимально. Потім у міру подальшого просування ударної хвилі тиск в точці, на якій ми зупинили увагу, буде поступово падати відповідно до профілю лівого пологого схилу гори.

На рис. 128 зображено розподіл тиску вздовж будь-якої лінії поширення хвилі. Хвиля поширюється в просторі, і фронтом є поверхню.

Фронт ударної хвилі несе з собою стрибок не тільки тиску, але також і щільності і температури.

Крім зміни тиску і температури ударна хвиля несе з собою і рух. І в звуковій хвилі повітря починає рухатися уздовж лінії поширення хвилі, але там це явище мало помітно. В ударної хвилі повітря захоплюється настільки сильно, що «захоплення» стає занадто м'яким словом. Ударна хвиля створює сильний вітер, ураган ... Для руху в потужних ударних хвилях, мабуть, і взагалі не підбереш відповідного слова.

Стрибок властивостей, про який ми говоримо, виключно різкий - перехід від повного спокою до максимальної швидкості руху відбувається на відрізку шляху, що дорівнює кільком довжинах вільного пробігу газової молекули. Для повітря це субмікроскопічна величина порядку стотисячних часток сантиметра. Час стрибка вимірюється десятимільярдна (10? 10) частками секунди. Таке справді миттєва зміна стану тиску, щільності, температури, швидкості руху і є ознака ударної хвилі.

Залежно від сили вибуху стрибок тиску, який несе з собою ударна хвиля, або, іншими словами, висота фронту, може бути дуже різною: в момент приходу ударної хвилі може зрости тиск від декількох відсотків до десятків разів.

Значення стрибків всіх величин на фронті ударної хвилі пов'язані одне з іншим. Знаючи величину стрибка тиску, можна розрахувати також і величину стрибка щільності, температури і швидкості руху. Висота фронту визначає також і швидкість поширення ударної хвилі. Швидкість слабких ударних хвиль не відрізняється від швидкості поширення звичайної звукової хвилі. У міру зростання висоти фронту зростає і швидкість поширення ударної хвилі.

Наведемо цифрові дані для «скромною» ударної хвилі, що збільшує тиск в півтора рази. Виявляється, що таке зростання тиску тягне за собою збільшення щільності повітря на 30% і підвищення температури на 35 °. Швидкість фронту такої ударної хвилі близько 400 м / с. Уже при відносно невеликому стрибку тиску в 1,5 рази ударна хвиля буде захоплювати з собою повітря зі швидкістю близько 100 м / с, тобто 360 км / год. Такої швидкості вітру не дасть жоден ураган.

Однак можливі вибухи, здатні створити незрівнянно сильніші ударні хвилі. Якщо хвиля несе з собою десятикратне зростання тиску, то на фронті хвилі відбувається стрибкоподібне збільшення щільності в чотири рази і зростання температури на 500 °. Швидкість вітру досягає при цьому 725 м / с. Швидкість поширення такої ударної хвилі дорівнює вже 1 км / с.

Ударні хвилі, породжувані сильними вибухами, поширюються на десятки кілометрів. Стрибок властивостей, який несе з собою ударна хвиля, діє як різкий удар на перешкоди, що зустрічаються на шляху хвилі. Слабкі ударні хвилі вибивають шибки, руйнують стіни будинків, виривають з корінням дерева. Руйнівна дія мінометів багато в чому грунтується на дії ударних хвиль.

Руйнівна дія ударних хвиль різко залежить від багатьох обставин і особливо від тривалості дії хвилі. Щоб все ж дати деяке уявлення про зв'язок руйнівної дії хвилі з основним її параметром - підвищенням тиску, вкажемо, що ударна хвиля з фронтом висотою всього лише 2% здатна вибивати скла, а хвиля, несуча збільшення тиску вдвічі, ламає товсті стіни.

Поділіться на сторінці