Понятие об ударных волнах

Ударные волны возникают при взрывах, сверхзвуковом движении тел. В ударной волне наблюдается скачок всех величин, характеризующих состояние вещества, – давления, плотности, температуры, скорости движения и т. п. На рисунке 31.1 изображен характер изменения давления в ударной волне. Передний фронт ударной волны представляет собой очень тонкий (порядка нескольких длин свободного пробега молекул газа) переходной слой, в котором происходит резкое изменение давления от до . Это увеличение давления ведет к скачкообразному росту плотности, температуры и скорости. Скачок давления происходит очень быстро: время нарастания составляет с. Скорость распространения ударной волны больше скорости звука и сильно зависит от перепада давления . Например, для "слабой" ударной волны, характеризуемой четырехкратным увеличением давления, плотность газа увеличивается на 30 %, температура – на 35 °С, а скорость такой волны составляет ~ 400 м/с. Однако ударная волна с давлением 100 атм. сжимает воздух почти в 8 раз и распространяется со скоростью более 3 км/с, т. е. в 10 раз быстрее звука. Температура в ней достигает °С.

Ударная волна является основным источником сопротивления при движении тел со сверхзвуковой скоростью (снарядов, летательных аппаратов), поэтому для снижения лобового сопротивления они имеют заостренную форму. На рисунке 31.2 показано несколько последовательных положений тела в пространстве в различные моменты времени. В каждом из этих положений от тела исходят звуковые волны, волновой фронт которых имеет форму сферы, и они изображены на рисунке окружностями. Так как тело движется со сверхзвуковой скоростью, то оно обгоняет эти волновые фронты. В результате огибающая этих волновых фронтов имеет форму конуса с углом при вершине . Это и есть фронт ударной волны. Угол при вершине конуса можно определить из соотношения

, (31.1)

где – скорость звука в среде; – скорость движения тела.

Ударные волны образуются также при взрыве. Вследствие резкого и значительного увеличения давления они оказывают мощное механическое воздействие (вплоть до разрушения) на объекты, оказавшиеся на пути волны. Так, при взрыве атомной бомбы значительная часть энергии взрыва приходится на ударную волну, и она является одним из основных поражающих факторов атомного оружия. Кроме того, ударная волна, распространяясь в самом взрывчатом веществе в момент подрыва, приводит к гораздо более быстрому протеканию взрывной реакции. Это явление называется детонацией. Ускорение взрывной реакции объясняется тем, что скорость ударной волны намного превышает скорость распространения обычной (медленной) взрывной реакции, которая поддерживается главным образом за счет процесса теплопередачи. Детонация взрывчатых веществ может иметь как положительные, так и отрицательные последствия. Большинство боеприпасов имеют специальные детонаторы, которые осуществляют подрыв основной массы взрывчатого вещества. Однако самопроизвольная детонация в результате неосторожного обращения или преднамеренного воздействия на боеприпасы может привести к нежелательным последствиям.

Сходящиеся ударные волны образуют кумулятивные струи. В военной технике уже давно применяются кумулятивные снаряды. Результат воздействия кумулятивного снаряда на броневую плиту схематически показан на рисунке 31.3. Снаряд имеет коническую выемку, облицованную металлом 1. При подрыве снаряда возникает взрывная волна 2, которая, доходя до оболочки конуса, вызывает ее ударное схлопывание. При этом энергия взрыва концентрируется (кумулируется) вдоль оси конуса. Металл переходит в жидкое состояние и происходит выброс кумулятивной жидкометаллической струи 3, распространяющейся с космической скоростью (~ 10 км/с). Кумулятивные снаряды обладают значительно большей пробивной силой по сравнению с обычными снарядами.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение основных характеристик волнового процесса (амплитуда, частота, длина волны, волновой вектор, фазовая скорость).

2. Запишите уравнения плоской и сферической волн: а) в векторном виде; б) в декартовой системе координат.

3. Опишите механизм распространения упругих волн.

4. Почему и как изменяется амплитуда сферической волны в непоглощающей среде?

5. Дайте определение: а) вектора Умова; б) интенсивности волны; в) объемной плотности энергии. В каких единицах измеряются эти величины?

6. Объясните причины возникновения эффекта Доплера для упругих волн.

7. От чего и как зависит коэффициент отражения упругих волн от границы раздела двух сред?

8. Дайте классификацию различных видов волн.

Глава 4. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОЛЯ