Ударна вълна, Наука и живот
За въздух при нормална температура и налягане, както е известно, c \u003d 330 m / s; за вода c = 1400 m/s; за стомана с = 5000 m/s.
Ако регистрираме промени в налягането във времето във всяка точка на звуковата вълна, тогава картината, показана на фиг. 1. Ординатата на тази фигура показва свръхналягането, т.е. разликата между налягането във вълната и налягането при липса на вълна. Големината на свръхналягането, дори при силни звуци, обикновено не надвишава една десета от атмосферата.
Подобни наблюдения при ударна вълна разкриват съвсем различна картина (фиг. 2). Ударната вълна има изключително остър и стръмен преден ръб. За наблюдател, който е ударен от ударна вълна, свръхналягането, което е нула преди пристигането на фронта, след това внезапно достига максимална стойност; по-нататъшната промяна в налягането е ясна от фигурата: тя пада и преминава в областта на по-ниските стойности на V. Максималното налягане в ударната вълна може да достигне няколко атмосфери, т.е. няколко килограма на квадратен сантиметър. С отдалечаване от източника интензитетът на вълната бързо намалява (фиг. 2). За разлика от случая на звукова вълна, това обстоятелство се обяснява не само с геометрични причини - увеличаване на площта на фронта на вълната, когато този сферичен фронт се отклонява от източника, но и до голяма степен с поглъщането на енергията на вълната. Това поглъщане на енергия е свързано със силно нагряване на газа в областта зад вълновия фронт. Температурата точно зад предната част може да достигне много стотици градуси. Следователно след преминаването на вълната газът свети, което може да се запише на фотоплака.
Освен това, ако ударна вълна се разпространява в експлозивна смес, тогава при определени условия тя вече не се разпада,тъй като енергията му се възстановява поради топлината, отделена при изгарянето на сместа. В този случай се говори за "детонационна вълна" или "взривна вълна".
Скоростта на разпространение на фронта на ударната вълна винаги е по-голяма от скоростта на звука в дадена среда и може да достигне стойности от 2000–3000 m/s в газ.
Без да се спираме по-подробно на теорията за ударните вълни, разработена от Риман, Югоно, Жуге и други, нека преминем към описание на разрушителните действия, свързани с тези вълни 1 .
Действието на ударната вълна във въздуха обяснява повечето от "малките" ефекти, които съпътстват експлозията. Най-важното от тях е екструдирането на прозоречни стъкла. Повечето чаши се разбиват, когато върху тях падне вълна със свръхналягане по-малко от една атмосфера. Човек с такъв удар не е застрашен. Само налягане от няколко (5-6) атмосфери, което може да възникне в близост до експлодираща бомба, е в състояние да причини значителна вреда на хората. Основният ефект на вълната, проникваща в гръдния кош, оказва върху белите дробове, които са силно притиснати.
Много от ефектите на експлозията, понякога изглеждащи много странни, се обясняват с условията на разпространение на ударни вълни по улицата. Подобно на други вълни, ударните вълни отскачат от препятствия и по-специално от стените на къщите. Следователно, в резултат на многобройни отражения от различен тип, вълна тече по улицата с известна периодичност. Далеч от мястото на експлозията, където интензитетът на вълната е недостатъчен за екструдиране на стъклата, поради тази периодичност отделните стъкла все още се разлитат. Чупят се именно тези стъкла, чиято собствена честота е близка до честотата на вълната.
Зад фронта на ударната вълна въздухът не е неподвижен, но има известна скорост. Вятърът, свързан с това движение на газ, може да събори хората от краката им, да изхвърли белите дробовепредмети и др.
Третият вторичен ефект, свързан с разпространението на ударни вълни, се наблюдава в тесни улици. Вълна от компресия, разпространяваща се по улицата, изхвърля въздуха от нея. В резултат на това разреждането на въздуха на улицата води до разкъсване на прозорци и врати и това действие на вълната може да бъде по-разрушително от първоначалното въздействие на фронта на вълната.
Много интересно е поведението на ударната вълна при заобляне на различни обекти. Обикновените звукови вълни често имат дължина на вълната, равна на няколко метра или дори десетки метри. Такива дълги вълни са в състояние да заобикалят препятствия и следователно зад малки стени и къщи звукът, падащ върху тези препятствия, се чува. Звуковите вълни се огъват около ръбовете на препятствията и по този начин не произвеждат груба звукова „сянка“. Късите звукови вълни и в още по-голяма степен така наречените ултразвукови вълни, напротив, дават "сянка" от обекти с обикновени размери, точно както светлинните вълни 2 . Ударната вълна няма определена дължина. Въпреки това, може да се докаже строго математически, че част А (фиг. 2) от ударната вълна, в която въздухът се компресира, може да бъде представена като резултат от наслагването на доста къси вълни (ширината на областта на компресия, а оттам и дължината на вълните, образуващи тази област, е от порядъка на метър или по-малко). Част В на вълната, в която се извършва разреждане, се характеризира със значително по-дълги дължини на вълната. От казаното по-горе следва, че само част В от ударната вълна прониква дори през относително малки препятствия. Действието на тази разредена част от ударната вълна е много по-малко от ефектите, свързани с част А. Следователно практически вече малки стени, ями и т.н. предпазват от действието на ударните вълни. В съответствие с това понякога се издига допълнителна стена пред вратите на приютите в Англия.
По-горе говорихме само за ударни вълни, разпространяващи се във въздуха. Вълни от донякъде подобен тип също се разпространяват в земята и други твърди тела. Тяхното действие е в много отношения подобно на това, което се случва по време на земетресения.
Коментари към статията
1 Във връзка с войната интересът към действието на ударните вълни значително се увеличи. Ето защо, например, в Англия бяха предприети специални изследвания по този въпрос. Някои от техните резултати са дадени в статия на видния английски физик Бернал (Nature, No 3733, 1941), от която Фиг. 2 и серии от данни.
2 Когато оркестър се приближи зад ъгъла, първо се чуват ниски звуци (дълги вълни).