УДАРНАЯ ВОЛНА
- движущаяся
по веществу поверхность разрыва непрерывности скорости течения, давления,
и др. величин. У. в. возникают при взрывах, детонации, при сверхзвуковых движениях
тел (см. Сверхзвуковое течение
), при мощных электрич. разрядах
и т. д. Напр., при
воздушном взрыве взрывчатых веществ (BB) образуются
высоконагретые продукты, находящиеся под большим давлением. Продукты взрыва
под действием давления расширяются, приводя в движение и сжимая сначала ближайшие,
а затем всё более далёкие слои воздуха. Поверхность, к-рая отделяет сжатый воздух
от невозмущённого, представляет собой У. в.
Простейший пример возникновения
и распространения У. в.- сжатие газа в трубе поршнем. Если первоначально покоившийся
поршень мгновенно приходит в движение с пост. скоростью и
, то сразу же
непосредственно перед ним возникает У. в. Скорость её распространения D
по
невозмущённому газу постоянна и больше и
. Поэтому расстояние между поршнем
и У. в. увеличивается пропорц. времени движения. Скорость газа за У. в. совпадает
со скоростью поршня (рис. 1). Если поршень разгоняется до скорости и
постепенно,
то У. в. образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывным распределением
плотности и давления. С течением времени крутизна волны сжатия нарастает, т.
к. возмущения от ускоряемого поршня догоняют её и усиливают, приводя в итоге
к разрыву непрерывности всех гидродинамич. величин и к образованию У. в. (см.
базовая динамика)
.
Рис. 1. Распределения
плотности r в последовательные
моменты
времени t
= 0, t
1 , t
2 в
ударной волне, возбужда
емой
поршнем, движущимся с постоянной скоростью и
(D
-скорость
ударной волны; D>u)
.
Существуют п р я м ы е
У. в., в к-рые вещество втекает по нормали к поверхности, и к о с ы е У. в.
Последние возникают, напр., при сверхзвуковом движении тел - ракет, спускаемых
космич. аппаратов, снарядов и др., когда перед телом движется У. в. Геометрия
У. в. зависит от формы тела и от др. параметров. Поэтому в системе координат,
где У. в. покоится, газ втекает в каждый элемент её поверхности под своим углом.
Если этот угол не прямой, то элемент поверхности представляет собой косую У.
в. На косой У. в. претерпевает разрыв нормальная составляющая скорости вещества,
но тангенциальная составляющая непрерывна. Следовательно, на косой У. в. линии
тока преломляются (о косых У. в. см. Уплотнения скачок
).Путём перехода
к новой системе координат, движущейся параллельно поверхности разрыва, косую
У. в. всегда можно свести к прямой. Поэтому первостепенный интерес представляют
прямые У. в., и далее речь идёт только о них.
Законы ударного сжатия
. Состояния вещества по обе стороны У. в.: давление р
, плотность r,
скорость течения относительно У. в. u и уд. внутр. энергия e
связаны
т. н. с о о тн о ш е н и я м и Р е н к и н а - Г ю г о н ь о:
к-рые выражают законы сохранения массы, импульса
и энергии. Индексы 1 и 2 относятся соответственно к величинам перед У. в. и
за ней. Кроме того, величины Е, р
исвязаны
уравнением состояния
. Скорость распространения У. в. по невозмущённому
веществу равна
Т. о., при заданных параметрах вещества перед волной Р
1
ишесть
величин:связаны
пятью ур-ниями, т. е. У. в. при заданных
р
1 и r 1
характеризуется всего одним независимым параметром, напр. D
или р
2
, через к-рый могут быть выражены все остальные величины.
Интенсивность У. в. обычно характеризуют относительным
скачком давления
или Маха числом
где a
1 - в веществе перед У. в. Для У. в. малой
и большой интенсивности соответственно
Если
Из системы (1) получаются следующие выражения дляии
для скорости течения и
относительно вещества перед У. в. (скорость газа
в лаб. системе координат на рис. 1):
(где-уд.
объём), а также соотношение
Рис. 8. Распределения
относительной плотности ионов n = N/N
0 , степени ионизации
a, безразмерных электрон
ной
и ионной температур q e = kT e /M A D 2
, q i =kT i /M A D
2
(M А
- масса атома) в ударной волне в воздухе при D
= 58
км/с;
плотность атомов перед ударной волной r 1 =3,5 . 10 15
см -3
.
Измерение яркости У. в.
позволяет судить о темп-ре T
2 . При T 2
10000
К прогретый слой воздуха частично экранирует видимое излучение газа, идущее
из-за У. в., к-рое в холодном воздухе распространялось бы практически без поглощения.
Эффект экранировки не позволяет регистрировать очень высокие значения T
2 . В воздухе нормальной плотности яркостная темп-pa никогда не превышает 50000
К, сколь бы велика не была темп-pa T
2 .
Экспериментальные (в осн.
в опытах с ударными трубами) и теоретич. исследования излучения У. в. имеют
большое практич. значение в связи с проблемами защиты сверхзвуковых летательных
аппаратов от радиац. перегрева, создания мощных импульсных источников эл--магн.
излучения и др.
Магнитогидродинамические
У. в
. распространяются в электропроводящем (ионизованном) газе в присутствии
внеш. магн. поля. Их теория строится на основе ур-ний магнитной гидродинамики
. Соотношения типа (1) с учётом магн. сил дополняются условиями, к-рым подчиняются
электрич. и магн. поля на границе двух сред. Магн. эффекты проявляются тем сильнее,
чем больше отношение магн. давления H 2 /
8p к давлению
газа, где H
-напряжённость магн. поля. Благодаря дополнит. параметрам
и переменным, характеризующим величину и направление магн. поля по обе стороны
разрыва, магнитогидродинамич. У. в. отличаются большим разнообразием свойств
по сравнению с обычными У. в.
Бесстолкновительные
У. в
. В чрезвычайно разреженной плазме (лабораторной, космической), где
частицы практически не сталкиваются между собой, также возможны У. в. При этом
ширина У. в. оказывается гораздо меньше длин пробега частиц. Механизм диссипации,
приводящей к превращению части кинетич. энергии направленного движения невозмущённого
газа (в системе координат, движущейся вместе с У. в.) в энергию теплового движения,
связан с коллективными взаимодействиями в плазме и возбуждением плазменных колебаний.
В присутствии магн. поля в бесстолкновительных ударных волнах
существенны
также эффекты закручивания ионов и индуцирования электрич. полей при вытеснении
магн. поля движущейся плазмой. Масштабом ширины бесстолкновительных У. в. служит
величина с/
w р
, где с
- скорость света, w p
= =(4
pе
2 п е /т
) 1/2 -
плазменная частота.
У. в. в газовзвесях
. При распространении У. в. по газу с малой объёмной концентрацией пыли в
СУ ускоряется, сжимается и нагревается только газовая компонента, т. к. макроскопич.
частицы пыли очень редко сталкиваются между собой, а при взаимодействии с газом
их скорость и темп-pa изменяются сравнительно медленно, и за СУ в релаксац.
зоне происходит постепенное выравнивание скоростей течения и темп-р компонент.
При этом относительная массовая концентрация пыли проходит через максимум, т.
к. в СУ она была понижена, а в среднем по всему объёму должна быть такой же,
как перед У. в. Часто пыль бывает горючей (в угольных шахтах, на мельницах,
элеваторах и т. д.). Изучение условий возгорания пыли в У. в. с возможным переходом
горения в детонацию - одна из важных научных и прикладных проблем.
У. в. в конденсированных
средах
. В конденсированных средах (твёрдых телах и жидкостях) в У. в., получаемых, в лаб. условиях, достижим чрезвычайно широкий диапазон давлений. При детонации
конденсированных BB возникают и затем переходят в контактирующее с BB исследуемое
вещество - твёрдое тело или жидкость - У. в. с давлением до неск. сотен кбар.
С помощью кумулятивных зарядов достигаются давления порядка мегабар. Для получения
У. в. очень большой интенсивности используются также спец. газовые и др. пушки,
к-рыми разгоняются снаряды- пластины, ударяющие затем по преграде из исследуемого
вещества. Благодаря разработанным в 1940-50-х гг. методам получения и диагностики
У. в. стали могучим и во многом незаменимым средством эксперим. исследования
физ--хим. и др. свойств веществ в экстремальных условиях. Особенно широко У.
в. используются для определения ур-ний состояния твёрдых тел и жидкостей при
высоких давлениях и темп-pax, не достижимых в статич. экспериментах. Измерив
две скорости-D
и и
, можно вычислить p
2 и
u 2
по ф-лам
к-рые следуют из (2), и
найти затем e
2 из (3). (Скорость и
измеряется
эл--магн. методом или т. н. методом откола- путём измерения скорости откалывающейся
пластины, образующейся при выходе У. в. на свободную поверхность исследуемого
образца.) Произведя измерения и расчёты при разл. интенсивностях У. в., находят
зависимость р 2
и e
2 от u 2
на УA. Иногда вместо или дополнительно к скорости и
измеряют давление
(пьезодатчиком), плотность (рентген) или темп-ру (в прозрачных веществах). (Применительно
к конденсир. средам такие измерения менее универсальны и обычно технически более
сложны.) В табл. 2 приведены данные для УA свинца:
, 
.
Табл. 2.
* Значения T 2 вычислены по ур-нию состояния .
УА жидкостей и (с
точностью до сравнительно малых отклонений, связанных с изменением характера
деформации при переходе через предел упругости) твёрдых тел при малых степенях
сжатия, 
, мало
отличаются от изоэнтропы и обычно хорошо аппроксимируются ф-лой
где А
и n
-параметры,
определяемые при аппроксимации. Напр., для воды А
3000
атм, n
7-8,
для металлов n
4,
для железа, меди и дюралюминия значения А
соответственно равны 500, 250
и 200 кбар. Более информативные данные об ур-ниях состояния получаются в тех
случаях, когда для одного и того же вещества удаётся измерить не одну, а две
или неск. УА. Для этого нужно изменять параметры нач. состояния вещества.
Это достигается: а) путём отражения У. в. от жёсткой преграды. Отражённая У.
в. распространяется по веществу, сжатому и нагретому в падающей У. в.; б) путём
спец. приготовления вещества в сильно пористом состоянии. Напр., естественным
пористым состоянием воды или льда является рыхлый снег. При ударноволновом сжатии
до одного и того же уд. объёма пористое вещество всегда нагревается сильнее
и давление в нём обычно больше. Поскольку ур-ние состояния определяет связь
между e, p
и V
на плоскости р, V
, а не только на отд. линиях,
таким эмпирич. способом получить ур-ние состояния нельзя. Но можно найти или
существенно уточнить"парамстры аналитич. ур-ния состояния, полученного
к--л. др. приближённым способом. Это особенно важно, поскольку теория ур-ний
состояния кон-денсир. сред базируется на весьма приближённых моделях и её возможности
количественных предсказаний ограниче-ны. Таким полуэмпирич. путём найдены ур-ния
состояния MH. элементов и соединений - металлов, сплавов, минералов, горных
пород, полимеров, воды и др. жидкостей. Данные об ур-нии состояния элементов,
минералов и горных пород, полученные в опытах с У. в., нашли широкое применение
в науке о Земле и др. планетах Солнечной системы и позволили перейти в изучении
внутр. строения планет и их спутников на качественно новую ступень.
Ширина СУ в У. в. большой
интенсивности в конденсир. средах примерно в 1000 раз меньше, чем в газах нормальной
плотности. Столь же сильно сокращается зона коле-бат. релаксации в молекулярных
жидкостях и кристаллах при одинаковой темп-ре T
2 . Плавление
происходит настолько быстро, что в структуре У. в. очень редко удаётся наблюдать
твёрдое тело в метастабильном, перегретом состоянии. Скорость полиморфных превращений
изменяется в чрезвычайно широких пределах в зависимости от механизма перестройки
кристаллич. решётки и от интенсивности У. в. Если новая кристаллич. модификация
может быть получена путём упорядоченного малого смещения атомов, обусловленного
объёмной и сдвиговой деформацией исходной решётки (механизм т. н. мартенситного
типа), то после нек-рого пересжатия (относительно термо-динамич. границы фаз)
превращение идёт очень быстро - за времена порядка 10 -8 с или менее.
Необходимая степень пересжатия зависит от кол-ва и распределения дефектов исходной
решётки (начальных и возникающих в процессе ударноволнового сжатия) и от концентрации
новой фазы. Поэтому диапазон давлений, в к-ром сосуществуют обе кристаллич.
модификации, обычно велик по сравнению с термодинамически равновесным. Быстрая
перестройка решётки наблюдается, напр., в железе и галогени-дах калия. Если
для построения новой кристаллич. решётки нужны сложные перестановки атомов,
осуществимые путём термодиффузии с преодолением огромных активац. барьеров от
неск. эВ до десятков эВ, новая кристаллич. модификация либо не образуется вовсе
(вплоть до таких интенсивностей У. в., при к-рых область её термодинамич. устойчивости
заканчивается и образуется др. кристаллич. фаза более высокого давления или
вещество плавится), либо образование новой кристаллич. модификации происходит
путём термодиффузии в местах сильного неоднородного разогрева исходной решётки
при пластич. течении (т.
н. гетерогенный механизм фазового перехода). При этом остальная масса вещества
находится в метастабильном состоянии. Напр., при распространении У. в. по кварциту
не наблюдается образования более плотной фазы высокого давления - коэсита, а
переход в ещё более плотную модификацию - стишовит (или стишовитоподобную аморфную
фазу) продолжается вплоть до давлений ~400-450 кбар, тогда как в термодинамич.
равновесных условиях образование стишовита в У. в. начиналось и заканчивалось
бы в относительно узком интервале давлений в окрестности точки с давлением ~
100 кбар. Не претерпевший фазового превращения кварцит теряет устойчивость и
аморфизуется при давлениях 230-300 кбар.
Образовавшиеся в У. в.
кристаллич. и аморфные структуры нередко сохраняются сколь угодно долго в метаста-бильных
состояниях после снятия давления. Исходное вещество тоже может быть в метастабильном
состоянии. Такое многообразие возможностей используется для получения в У. в.
известных и новых модификаций веществ с заданными, часто уникальными физико-хим.
и механич. свойствами, напр. техн. алмаза и высокотвёрдой модификации нитрида
бора -боразона. Уникальность свойств ме-тастабильных веществ, получаемых в У.
в., обусловлена тем, что воздействие У. в. на конденсир. вещество не эквивалентно
медленному сжатию и нагреву. Важна кинетика процессов в У. в. и при последующей
разгрузке.
У. в. используются в наукоёмких
технол. процессах упрочнения машиностроительных деталей, резки и сварки металлов,
прессования порошков и др.
Лит.:
1) Ландау
Л. Д., Лифшиц E. M., Гидродинамика, 4 изд., M., 1988; 2) Зельдович Я. Б., Райзер
Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений,
2 изд., M., 1966; 3) Кузнецов H. M., Термодинамические функции и ударные адиабаты
воздуха при высоких температурах, M., 1965; 4) Ступоченко E. В., Лосев С. А.,
Осипов А. И., Релаксационные процессы в ударных волнах, M., 1965; 5) Be-ликовичА.
Л., Либерман M. А., Физика ударных волн в газах и плазме, M., 1987; 6) Арцимович
Л. А., Сагдеев P. 3., Физика плазмы для физиков, M, 1979; 7) Ландау Л. Д.,
Лифшиц E. M., Электродинамика сплошных сред, 2 изд., M., 1982; 8) Кузнецов H.
M., Устойчивость ударных волн, "УФН", 1989, т. 159, в. 3, с. 493;
9) Альтшулер Л. В., Применение ударных волн в физике высоких давлений, "УФН",
1965, т. 85, в. 2, с. 197; 10) Динамические исследования твердых тел при высоких
давлениях, Сб., пер. с англ., M., 1965; 11) Аврорин E. H. [и др.], Мощные
ударные волны и экстремальные состояния вещества, "УФН", 1993, т.
163, № 5, с. 1.
H. M. Кузнецов, Ю. П. Райзер .
Изучив основные соотношения в скачке уплотнения, вернемся теперь к рассмотрению явления распространения ударной волны в пространстве.
Задаваясь интенсивностью ударной волны, которую в случае движущейся волны лучше всего характеризовать отношением давления устанавливаемого волной, к давлению в газе до прихода
волны, определим прежде всего скорость распространения ударной волны в невозмущенном, в частности, покоящемся газе. Для этого вернемся от стационарного движения газа по отношению к "остановленной" ударной волне обратно к нестационарному явлению распространения ударной волны в неподвижном газе. Вспомним принятые в начале § 29 обозначения:
где О - скорость распространения ударной волны в покоящемся газе, V - абсолютная скорость частиц газа, следующего заударной волной; эту скорость естественно назвать скоростью спутного движения газа за волной.
Воспользуемся первым равенством системы (59), которое предварительно перепишем в виде
и заменим в нем, согласно (61),
тогда, разрешая предыдущее равенство относительно получим искомую формулу скорости распространения ударной волны:
Из этой формулы вытекают два важные следствия:
1°. Скорость распространения ударной волны в невозмущенном газе тем больше, чем интенсивнее волна, т. е. чем больше устанавливаемое ею сжатие
2°. При уменьшении интенсивности ударной волны скорость ее распространения стремится к скорости звука в певозмущенном газе:
Звуковую волну можно, таким образом, рассматривать как ударную волну очень малой интенсивности. Отсюда следует, что ударная волна всегда опережает распространение звука в невозмущенном газе; так, ударная волна, образовавшаяся вследствие взрыва (ее называют обычно взрывной волной), обгоняет звук взрыва.
Перейдем к определению скорости спутного движения Воспользуемся для этого основным соотношением непрерывности (39), которое в силу (61) перепишется так:
Из этого равенства можно определить V в функции от известной уже величины 6 и отношения плотностей до и за ударной волной:
Заменяя отношение согласно формуле Гюгонио (43), выражением
и используя для О равенство (62), получим:
Как легко заключить из полученного выражения скорости спутного движения, в звуковой волне скорость спутного потока ничтожна, что было показано и ранее. С ростом интенсивности ударной волны скорость спутного потока возрастает (при очень больших интенсивностях, примерно, пропорционально корню квадратному из сжатия
Приведем табл. 5 численных значений относительных сжатий и уплотнений газа ударной волной, распространяющейся в неподвижном воздухе при 15° С (Т = 288°) и нормальном атмосферном давлении; в той же таблице помещены соответствующие этим сжатиям значения 0, V и перепада температур.
Таблица 5 (см. скан)
Таблица составлена в предположении об адиабатичности (но не изэнтропичности!) процесса. В действительности, при столь высоких температурах, как указанные в конце таблицы, станет заметным рассеяние энергии, в частности теплоотдача путем лучеиспускания, что в корне изменит всю картину явления. Кроме того, расчеты сделаны для распространения плоской ударной волны; в сферической ударной волне интенсивность будет падать еще в связи с увеличением
поверхности волны при удалении ее от центра образования. Все же в тенденции указанные числа представляют интерес. Обратим внимание, например, на то, что при отсутствии рассеяния энергии и при относительном сжатии скорость распространения ударной волны должна была бы примерно в три раза превзойти скорость звука, при этом за ударной волной возникало бы мощное спутное движение воздуха со скоростью, более чем вдвое превосходящей скорость распространения звука в невозмущенном воздухе. Надо заметить, что даже при сравнительно небольших сжатиях воздуха ударной волной возникает сильный "звуковой ветер". Так, например, легко подсчитать по предыдущим формулам, что ударная волна, несущая относительное сжатие воздуха распространяясь со скоростью могла бы вызвать "звуковой ветер" со скоростью сильный ураган. Отсюда видно, сколь ничтожные сжатия воздуха несут с собой обычные звуковые волны, почти совершенно не смещающие частицы воздуха.
Образованием ударных волн, как движущихся в пространстве, так и "стоячих" скачков уплотнения, сопровождаются многие важные для техники процессы, связанные с большими около и сверхзвуковыми движениями газа или с распространением местных сжатий (повышений давления) в неподвижном газе.
При полете самолета или снаряда даже с дозвуковыми, но близкими к звуковым, скоростями на поверхности крыла и фюзеляжа образуются зоны сверхзвуковых скоростей, причем обратный переход этих сверхзвуковых скоростей к дозвуковым сопровождается возникновением скачков уплотнения. Сверхзвуковой поток, набегающий на лобовую часть тела, движущегося со скоростью, большей скорости звука, будет тормозиться до нулевой относительной скорости в точке разветвления воздушной струи; переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой будет сопровождаться образованием "головной волны" перед лобовой частью летящего тела. Такого же рода скачки образуются в соплах, когда сверхзвуковой поток переходит в дозвуковой, и др.
Отметим громадную интенсивность ударных волн в тяжелых жидкостях, например в воде. Примером может служить явление гидравлического удара, появляющееся в трубопроводе, если мгновенно остановить движущуюся по нему воду, закрыв кран. Возникающие при этом резкие повышения давления могут служить причиной серьезных аварий в водопроводных сетях, в подводящих аппаратах гидравлических турбин и др.
Гидравлический удар представляет по своей природе не что иное как результат возникновения и распространения ударной волны сжатия в воде. Значительная эффективность гидравлического удара объясняется, во-первых, значительной плотностью воды (в 800 раз превышающей плотность воздуха), а также большими скоростями распространения
возмущений (скорость звука в воде примерно в раза больше чем в воздухе).
Теория гидравлического удара аналогична теории ударной волны и газе, но имеет и некоторые специфические особенности, связанные с существенной деформацией стенок трубы при тех громадных давлениях, которые возникают при гидравлическом ударе.
Создателем современной теории гидравлического удара по праву может быть назван наш великий ученый Н. Е. Жуковский, который исследовал распространение ударных волн вдоль труб, наполненных гюдой, и провел замечательные наблюдения гидравлического удара в трубах по заданиям московского водопровода. . Жуковским предложена простая формула повышения давления при гидравлическом ударе:
где потерянная скорость воды, - скорость распространения ударной волны, равная
Здесь плотность и модуль упругости воды, радиус и толщина стенки трубы, модуль упругости материала трубы.
При взрыве фугасной бомбы вблизи нее в воздухе образуется область высокого давления, распространяющаяся затем в виде так называемой ударной волны. Свойства и особенности ударных волн представляют большой интерес, так как их действием объясняются многие разрушительные эффекты, сопровождающие взрыв. Ударные волны во многих отношениях отличаются от гораздо более известных звуковых волн. Звуковые волны представляют собой последовательность периодически повторяющихся уплотнений и разрежений среды, распространяющихся со «скоростью звука» с.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Для воздуха при нормальных температуре и давлении, как известно, с = 330 м/сек; для воды с = 1400 м/сек; для стали с = 5000 м/сек.
Если регистрировать в какой-либо точке звуковой волны изменения давления с течением времени, то будет наблюдаться картина, изображенная на рис. 1. По ординате на этом рисунке отложено избыточное давление, т. е. разность между давлением в волне и давлением при отсутствии волны. Величина избыточного давления даже для сильных звуков не превосходит обычно десятой доли атмосферы.
Аналогичные наблюдения в случае ударной волны обнаруживают совершенно другую картину (рис. 2). Ударная волна имеет чрезвычайно резкий и крутой передний фронт. Для наблюдателя, на которого набегает ударная волна, избыточное давление, равное нулю до прихода фронта, затем внезапно достигает максимального значения; дальнейшее изменение давления ясно из рисунка: оно падает и переходит в область пониженных значений В. Максимальное давление в ударной волне может достигать нескольких атмосфер, т. е. нескольких килограммов на квадратный сантиметр. При удалении от источника интенсивность волны быстро убывает (рис. 2). В отличие от случая звуковой волны, это обстоятельство объясняется не только геометрическими причинами - увеличением площади фронта волны по мере того как этот сферический фронт расходится от источника, но и в большой степени поглощением энергии волны. Это поглощение энергии связано с сильным нагреванием газа в области за волновым фронтом. Температура непосредственно за фронтом может достигать многих сотен градусов. Поэтому газ после прохождения волны светится, что может быть зафиксировано на фотопластинке.
Далее, если ударная волна распространяется во взрывчатой смеси, то, при известных условиях, она уже не затухает, так как ее энергия восстанавливается за счет теплоты, выделяемой при сгорании смеси. В этом случае говорят о «детонационной волне», или «взрывной волне».
Скорость распространения фронта ударной волны всегда больше скорости звука в данной среде и может достигать в газе значений в 2000 - 3000 м/сек.
Не останавливаясь подробнее на теории ударных волн, развивавшейся Риманом, Гюгоньо, Жуге и др., перейдем к описанию разрушительных действий, связанных с этими волнами .
Действием ударной волны в воздухе объясняется большинство «малых» эффектов, сопровождающих взрыв. Важнейшим из них является выдавливание оконных стекол. Большинство стекол разлетается при падении на них волны с избыточным давлением, меньшим одной атмосферы. Человек при таком ударе не подвергается опасности. Только давления в несколько (5-6) атмосфер, могущие иметь место вблизи разорвавшейся бомбы, способны принести существенный вред людям. Основное действие волна, проникая в грудную клетку, производит на легкие, которые при этом сильно вдавливаются.
Многие эффекты взрыва, иногда кажущиеся очень странными, объясняются условиями распространения ударных волн вдоль улицы. Подобно другим волнам, ударные волны отражаются от препятствий и, в частности, от стен домов. Поэтому в результате многократных отражений различных типов вдоль улицы бежит волна с известной периодичностью. Вдалеке от места взрыва, где интенсивность волны недостаточна для выдавливания стекол, в силу этой периодичности отдельные стекла все же разлетаются. Именно разбиваются те стекла, собственная частота колебаний которых близка к частоте волны.
За фронтом ударной волны воздух не неподвижен, а имеет некоторую скорость. Связанный с этим движением газа ветер может сбивать людей с ног, сбрасывать легкие предметы и т. п.
Третий вторичный эффект, связанный с распространением ударных волн, наблюдается в узких улицах. Волна, сжатия, распространяясь вдоль улицы, выгоняет из нее воздух. Образующееся таким образом разрежение воздуха на улице вызывает вырывание окон и дверей наружу, причем это действие волны может быть более разрушительным, чем первичный удар волнового фронта.
Весьма интересно поведение ударной волны при огибании различных предметов. Обычные звуковые волны имеют часто длину волны, равную нескольким метрам или даже десяткам метров. Такие длинные волны способны огибать препятствия, и потому позади небольших стен и домов звук, падающий на эти препятствия, слышен. Звуковые волны загибаются вокруг краев препятствий и таким образом не дают резкой звуковой «тени». Короткие звуковые, а в еще большей мере так называемые ультразвуковые волны, напротив, дают «тень» от предметов обычных размеров, так же как и световые волны . Ударная волна не имеет какой-либо определенной длины. Однако можно доказать строго математически, что часть А (рис. 2) ударной волны, в которой имеет место уплотнение воздуха, может быть представлена как результат наложения довольно коротких волн (ширина области сжатия, а следовательно и длина образующих эту область волн - порядка метра и меньше). Часть В волны, в которой имеет место разрежение, характеризуется значительно большими длинами волн. Из сказанного выше следует, что уже за сравнительно небольшие препятствия проникает лишь часть В ударной волны. Действие этой разреженной части ударной волны значительно меньше эффектов, связанных с частью А. Поэтому практически уже небольшие стенки, ямы и т. п. предохраняют от действия ударных волн. В соответствии с этим в Англии перед дверьми убежищ иногда возводится дополнительная стенка.
Выше мы говорили только об ударных волнах, распространяющихся в воздухе. Волны в некотором смысле сходного типа распространяются также в земле и других твердых телах. Их действие во многом подобно имеющему место при землетрясениях.
Взрывная волна
порожденное взрывом движение среды. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, первоначально невозмущённая среда испытывает резкое сжатие и приобретает большую скорость. Состояние движения передаётся от одного слоя среды к другому так, что область, охваченная В. в., быстро расширяется. На фронте расширяющейся области среда скачком переходит из исходного невозмущённого состояния в состояние движения с более высокими давлением, плотностью и температурой. Происходящее скачком изменение состояния среды - Ударная волна -
распространяется со сверхзвуковой скоростью. В. в. характеризуется изменением давления, плотности и скорости среды с течением времени в различных точках пространства или распределением этих величин в пространстве в фиксированные моменты времени. Одним из важных параметров, определяющих механическое действие В. в., служит создаваемое волной максимальное давление. При взрывах в газообразных и жидких средах максимальное давление достигается в момент сжатия среды в ударной волне. Др. важным параметром является интервал времени действия В. в. По мере удаления от места взрыва максимальное давление уменьшается, а время действия увеличивается (рис. 1
). При распространении В. в. в твердых средах ударный фронт сравнительно быстро исчезает, и В. в. превращается в ряд последовательных быстро затухающих колебаний, распространяющихся со скоростью упругих волн. В. в. обладают свойством подобия. В соответствии с этим свойством при взрывах зарядов химического взрывчатого вещества одинаковой формы, но различной массы, расстояния, на которых максимальное давление во В. в. имеет одно и то же значение, относятся между собой как кубические корни из масс зарядов. В том же отношении изменяется интервал времени действия В. в. Например, если увеличить расстояния и интервал времени, приведённые на рис.
1
, в 10 раз, то такая В. в. будет соответствовать взрыву уже не 1 кг,
а 1 т
тринитротолуола (тротила). В. в. имеет тенденцию к быстрой утрате особенностей, обусловленных природой взрыва, так что её последующее движение в основном определяется лишь величиной энергии, передаваемой окружающей среде. Благодаря этому обстоятельству В. в., порожденные в одной и той же среде взрывами разного типа, в основных чертах оказываются подобными, что позволяет ввести для характеристики взрывов так называемый Тротиловый эквивалент . Распространяющаяся В. в. затрачивает на нагревание среды вблизи очага взрыва значительную часть своей механической энергии. Например, на расстоянии 10 км
воздушная В. в., порожденная взрывом 1000 т
химического взрывчатого вещества, содержит примерно 10% первоначальной энергии взрыва, а при ядерном взрыве той же энергии - вдвое меньше (из-за бо́льших потерь на нагревание воздуха). Максимальное повышение давления в волне для указанных значений расстояния и энергии взрыва измеряется сотнями н/м
2 (тысячными долями кгс/см
2). На больших расстояниях В. в. представляет собой звуковую волну (или упругую волну в твёрдой среде). Звуковые волны в атмосфере (или упругие волны в земной коре), порождённые взрывами достаточно большой энергии, могут быть зарегистрированы специальными приборами (микробарографами, Сейсмограф ами и др.) на очень больших расстояниях. Например, при взрывах с энергией порядка 10 13 дж
(несколько тысяч т
тринитротолуола) волны регистрируются на расстояниях в нескольких тысяч км,
а при энергиях взрывов Взрывная волна 10 16 дж
(нескольких млн. т
) - практически в любой точке земного шара. На таких больших расстояниях В. в. представляет собой длинную последовательность колебаний атмосферного давления (или колебаний почвы - при подземных взрывах) очень низкой частоты (рис. 2
). Лит.:
Расчет точечного взрыва с учетом противодавления, М., 1957; Седов Л. И., Методы подобия и размерности в механике, 4 изд., М., 1957; Ляхов Г. М., Покровский Г. И., Взрывные волны в грунтах, М., 1962; Губкин К. Е., Распространение взрывных волн, в сб.: Механика в СССР за 50 лет, т. 2, М., 1970. К. Е. Губкин.
Изменение давления со временем в воздушной взрывной волне на расстояниях 1 м
, 2,7 м
и 11 м
от центра взрыва сферического заряда тринитротолуола массой 1 кг
. Запись колебаний атмосферного давления в воздушной волне на расстоянии 11 500 км от места взрыва с энергией 1016 дж. Волна пробегает такое расстояние примерно за 10 ч.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Взрывная волна" в других словарях:
Порождённое взрывом движение среды. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, окружающая очаг взрыва среда испытывает сжатие и приобретает большую скорость. Движение передаётся от одного слоя к другому, так что область … Физическая энциклопедия
Современная энциклопедия
Взрывная волна - ВЗРЫВНАЯ ВОЛНА, возникающее в результате взрыва движение среды. Скачкообразное изменение состояния вещества на фронте взрывной волны распространяется со сверхзвуковой скоростью (смотри Ударная волна). Поверхность фронта взрывной волны непрерывно… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (a. blast wave, blast air, explosive wave; н. Explosionswelle; ф. onde explosive; и. onda explosiva) процесс кратковременного нарушения равновесного состояния среды (газообразной, жидкой или твёрдой), распространяющийся из взрывного… … Геологическая энциклопедия
Ударная волна, возникающая при взрыве. Фронт взрывной волны движется от центра взрыва со скоростью, превышающей скорость звука, при этом поверхность фронта взрывной волны монотонно увеличивается, а скорость ее движения и интенсивность убывают … Большой Энциклопедический словарь
Порожденное взрывом движение среды, при котором происходит резкое повышение ее плотности, давления и температуры. Происходящее скачком изменение состояния среды ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью. На больших расстояниях… … Морской словарь
Взрывная волна - порождаемая взрывом область сильного сжатия среды (газообразной, жидкой или твердой), быстро распространяющаяся во все стороны от места взрыва. Импульс от одного слоя к др. передается за счет ударного сжатия, вызывающего в среде скачок уплотнения … Российская энциклопедия по охране труда
ВЗРЫВНАЯ ВОЛНА - (ударная волна) упругая деформация среды, в которой произошёл (см.) В. в. представляет собой область сильного сжатия среды (воздуха, воды, земли), распространяющуюся от места взрыва со сверхзвуковой скоростью. Образуется в результате расширения… … Большая политехническая энциклопедия
Область сжатой продуктами взрыва среды, распространяющаяся от места взрыва со сверхзвуковой скоростью. На внешней границе этой области, представляющей собой фронт ударной волны, среда скачком переходит в состояние движения с более высокими… … Словарь черезвычайных ситуаций
взрывная волна - — Тематики нефтегазовая промышленность EN detonation waveexplosion waveblast wave … Справочник технического переводчика
Ударная волна, возникающая при взрыве. Фронт взрывной волны движется от центра взрыва со скоростью, превышающей скорость звука, при этом поверхность фронта взрывной волны монотонно увеличивается, а скорость её движения и интенсивность убывают. *… … Энциклопедический словарь
Книги
- Криминальные войны РУОП , П. Дашкова , А. Молчанов , С. Устинов , Б. Руденко , А. Волос , А. Сергеев , Кто самый серьезный противник РУОП? Как разрабатываются операции по внедрению в организованные преступные группировки? Какова специфика работы для настоящих мужчин? Кто такие бойцы в масках?… Категория: Отечественный мужской детектив Издатель:
