Что такое ударная волна?

Определение ударной волны в Википедии в значительной степени суммирует все, что я нашел в Интернете о том, что такое ударная волна:

Ударная волна представляет собой тип распространяющегося возмущения. Как и обычная волна, она несет энергию и может распространяться через среду (твердую, жидкую, газовую или плазму) или, в некоторых случаях, при отсутствии материальной среды, через поле, такое как электромагнитное поле. Ударные волны характеризуются резким, почти скачкообразным изменением характеристик среды. Поперек ударной волны всегда происходит чрезвычайно быстрое повышение давления, температуры и плотности потока... Ударная волна проходит через большинство сред с большей скоростью, чем обычная волна.

Мне, однако, это не кажется очень строгим определением, которое позволило бы мне взглянуть на группу распространяющихся возмущений и иметь возможность четко классифицировать ее как ударную волну или (как выражается Википедия) «нормальную волну». " волна. Хотя это определение дает качественное определение того, что отличает ударную волну от нормальной волны, мне интересно, есть ли определенная разница между ударной волной и нормальными волнами, которая позволила бы мне окончательно классифицировать волну как одну или другую или если существует непрерывный спектр волновых свойств между нормальными волнами и ударными волнами без четкой границы между ними (например, электромагнитный спектр, где между различными классами электромагнитных волн проводятся только произвольные границы).

В приведенной вами цитате в самом конце говорится, что ударная волна проходит через большинство сред с большей скоростью, чем обычная волна. Если вы знаете скорость звука в среде, то относительно легко говорить, что любая волна, движущаяся быстрее, чем эта, является ударной волной.
Лучшее определение этого термина можно найти на сайте britannica.com/EBchecked/topic/541339/shock-wave . В общем, для возникновения ударной волны обычно требуется явление, превышающее локальную скорость звука.
Перефразируя Верховный суд США: сегодня я не буду пытаться дальше определять виды материалов, которые, как я понимаю, охватываются этим условным описанием ["ударная волна"]; и, возможно, мне никогда не удалось бы сделать это разумно. Но я узнаю это, когда увижу...
Шутки в сторону, какая часть определения, которое вы дали, сбивает вас с толку? Более быстрое распространение, почти прерывистое изменение свойств... Что недостаточно точно для вас, чтобы идентифицировать удар?
@ tpg2114 Как я уже сказал в своем вопросе, мне интересно, есть ли отчетливое изменение свойств волны (таких как давление и температура) при переходе от дозвуковой к сверхзвуковой скорости или это более постепенный переход свойств как один пересекает в знак равно с граница. Иными словами, являются ли ударные волны полностью отличными от обычных волн по свойствам (как кристаллические твердые тела отличаются от жидкостей) или существует спектр свойств при переходе (например, аморфное твердое тело становится жидкостью).
Ответ на ваш вопрос "да". :-)

Ответы (2)

Первое, что отличает ударную волну от «обычной» волны, это то, что начальное возмущение в среде, вызывающее ударную волну, всегда распространяется со скоростью, превышающей фазовую скорость звука (или света) в среде. Обратите внимание, что я сказал свет — это потому, что существует своего рода электромагнитный аналог ударной волны, известный как черенковское излучение (статья в Википедии здесь ), который создается, когда заряженная частица проходит через среду со скоростью, превышающей скорость фазовая скорость света в среде (которая для многих сред составляет некоторую долю c).

Итак, возвращаясь к акустическим волнам в газе, основной характеристикой, которая отличает ударную волну от обычной волны, является термодинамика изменений давления и температуры, вызванных волной. Для обыкновенных волн (возмущение меньше фазовой скорости звука) сжатие и разрежение газа не влечет за собой изменения энтропии газа, поэтому обыкновенная волна термодинамически говоря является обратимым процессом.

Для ударных волн это не так. Процесс сжатия и разрежения, вызванный ударной волной, является необратимым процессом - он приводит к изменению энтропии газа.

Почему это так ? Не вдаваясь слишком глубоко в математику, это относится к вашему вопросу о том, чем отличаются ударные волны от обычных звуковых волн. Зона разрыва между возмущением и ударными волнами довольно резкая, а изменения давления, температуры и плотности достаточно велики, чтобы в игру вступали диссипативные эффекты, такие как теплопередача и трение газа.

Граничные условия, используемые при анализе ударных волн, известны как условия Ренкина-Гюгонио. Статья Википедии об условиях Ренкина-Гюгонио на самом деле более подробно описывает ударные волны, чем сама статья Википедии об ударных волнах.

Основное различие между ударными волнами и волнами сжатия состоит не в изменении энтропии газа. Даже для волн сжатия имеет место изменение энтропии, оно настолько мало, что им часто пренебрегают. Переход, если хотите, это оттенки серого, а не черно-белый. Ударные волны — это нечто большее, чем это.
@user3814483 user3814483 Не стесняйтесь писать более подробный ответ, если хотите - я попытался сопоставить свой с уровнем детализации вопроса.

Что ж, ударные волны названы как-то неуместно, потому что они не колеблются, а на самом деле представляют собой неоднородность . Ударная волна является завершающей стадией нелинейно заостренной волны, достигшей баланса между заострением и диссипацией энергии (т . е. необратимым преобразованием энергии). Контрастным примером могут служить волны на воде, где рассеивание энергии недостаточно, чтобы ограничить увеличение крутизны, приводящее к разрушению волны (например, белые шапки или волны, которые нравятся серферам).

В обычных жидкостях, таких как земная атмосфера, диссипация энергии возникает из -за столкновений двойных частиц , которые преобразуют кинетическую энергию объемного потока в случайную кинетическую энергию (т. е. тепло). Звуковые волны также могут выделять тепло, но основное отличие заключается в резком и устойчивом увеличении скорости объемного потока, плотности и теплового давления поперек ударной волны (очевидно, что если отойти достаточно далеко от ударной волны, система асимптотически вернется в исходное положение). к квазиравновесию с фоном... но это мелочи).

Короче говоря, ударные волны сильно отличаются от «нормальных» волн, если использовать вашу терминологию.

Обновление
У меня есть более исчерпывающий ответ , который дает лучшее объяснение того, что такое ударная волна и как она может образовываться.

Что именно означает «нелинейно нарастающая волна»?
Думаю, простым ответом будет волна, которая удовлетворит В ⋅ ∇ В ≠ 0 .
Что такое ударная волна?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v