Юный техник 1971-08, страница 29

КЛУБ «XYZ»

Клуб ведут преподаватели,

аспиранты и старшекурсники МФТИ

X Y Z

знания, труд,

смекалка

УДАР Н Ы Е

ВОДНЫ

С. АНИСИМОВ,

донтор физино-математичесних наун

Термин «ударная волна» встречается в самых различных областях науки. Механики и химики говорят об ударных волнах, возникающих при взрывах и сверхзвуковом обтекании, физики — об электромагнитных и магнитогидродинамических ударных волнах, об ударных волнах объемного заряда в полупроводниках. Можно встретить даже статьи, в которых обсуждается распространение волн типа ударных вдоль железнодорожных поездов... Понятие ударной волны, первоначально возникшее в газовой динамике, оказалось полезным во многих других областях науки.

...Длинная колонна автомашин Движется с равными интервалами по шоссе. Что произойдет, если на пути машин вдруг окажется яма — потребуется уменьшить скорость? Передняя машина начнет тормозить. Это заметит водитель второй машины, который также постарается уменьшить скорость. Немного позже начнет притормаживать третий водитель и т. д. По цепи машин как бы побежит сигнал о том, что впереди препятствие. Если машины движутся не слишком быстро, сигнал побежит по всей автоколонне — машины последовательно снизят скорость движения и благополучно минуют препятствие. Иначе получится, если скорость машин будет велика — больше, чем скорость распространения сигнала об опасности. Что тогда произойдет? Не получив своевременно предупреждения, вторая машина налетит на первую, третья — на вторую и т. д. В результате цепь машин резко уплотнится. Внешне это будет выглядеть как распространение волны уплотнения по цепочке машин навстречу их движению.

Это и есть ударная волна. Важное свойство движения с ударной волной состоит в том, что каждый последующий автомобиль налетает на предыдущий «слепо», не будучи своевременно извещен о необходимости снизить скорость.

Вместо потока машин можно было бы говорить о потоке сплошной среды, например газа. В этом случае сигналом об опасности послужат малые возмущения состояния газа, которые распространятся в виде звуковых волн. Если скорость течения относительно препятствия больше скорости звука, то такие возмущения не могут распространяться против течения, и приближающиеся к препятствию частицы газа «не смогут о нем знать». Газ будет слепо натекать на препятствие, и гладкое обтекание станет невозможным. Перед препятствием возникнет ударная волна.

Ударные волны в газах возникают, разумеется, не только при сверхзвуковом обтекании. Причиной их возникновения могут быть взрыв, детонация, электрический разряд, быстрое движение поршня. Но всегда скорость волны относительно покоящегося газа больше местной скорости звука.

При ударном сжатии очень сильно возрастают температура и давление. В то же время плотность воздуха возрастает не так сильно — примерно в десять раз. Причем нет данных, что она стремится вырасти еще вместе с ростом давления. Это важная особенность ударного сжатия: на сколько бы ни возрастало давление плотность ударно-сжатого вещества увеличивается лишь до некоторого предельного значения.

Ударная волна может порождать температуры в десятки тысяч градусов. Молекулы при этом распадаются на атомы, от атомов и молекул отрываются электроны — происходит диссоциация и ионизация. Эти процессы, а также возбуждение колебаний атомов в молекулах могут произойти лишь в результате большого числа столкновений.

Ударная волна в этих случаях обнаруживает сложную структуру: за узкой областью, в которой устанавливается поступательное движение молекул, следует так называемая

ii