УДАРНА ХВИЛЯ
Структура ударної хвилі.
Типова ширина ударної хвилі в повітрі - 10 -4 мм (порядку декількох довжин вільного пробігу молекул). Мала товщина такої хвилі дає можливість у багатьох задачах вважати її поверхнею розриву. Але в деяких випадках має значення структура ударної хвилі. Таке завдання представляє і теоретичний інтерес. Для слабких ударних хвиль хороше згоду експерименту і теорії дає модель, що враховує в'язкість і теплопровідність середовища. Для ударних хвиль досить великої інтенсивності структура повинна враховувати (послідовно) стадії встановлення термодинамічної рівноваги поступальних, обертальних, для молекулярних газів ще й коливальних ступенів свободи, в певних умовах - дисоціацію і рекомбінацію молекул, хімічні реакції, процеси за участю електронів (іонізацію, електронне збудження ).
Контактні розриви.
Ударні хвилі слід відрізняти від контактних розривів, також є поверхнями розділу середовищ з різною щільністю, температурами і, може бути, швидкостями. Але, на відміну від ударних хвиль, через контактний розрив немає протікання речовини і тиск з обох його сторін однаково. Контактні розриви називають також тангенціальними.
Розпад довільного розриву.
Легко уявити практичні випадки, які призводять до завдань такого роду, наприклад, розрив діафрагми, що розділяє гази різного тиску і т.д. Рішення такого завдання актуально для розрахунку роботи ударної труби.
Ударна труба.
Найпростіша ударна труба складається з камер високого і низького тиску, розділених діафрагмою (рис. 2).
Після розриву діафрагми в камеру низького тиску спрямовується штовхає газ з камери високого тиску, формуючи хвилю стиску, яка, швидко збільшуючи свою крутизну, утворює ударну хвилю. За ударною хвилею в камеру низького тиску рухається контактний розрив. Одночасно в камеру високого тиску поширюється хвиля розрідження.
Перші ударні труби з'явилися в кінці 19 ст. з тих пір розвиток техніки ударних труб дозволило перетворити ударні хвилі в самостійний інструмент для досліджень. В ударної трубі можна отримати газ, однорідно нагрітий до 10 000 ° К і вище. Такі можливості широко використовуються при вивченні багатьох хімічних реакцій, різних фізичних процесів. В астрофізичних дослідженнях основними даними є спектри зірок. Точність інтерпретації цих спектрів визначається результатами порівняння зі спектрами, отриманими на ударних трубах.
З кінця 1920-х стала розвиватися надзвукова аеродинаміка. Перша надзвукова аеродинамічна труба в США (в Національному консультативному комітеті з аеронавтики, NACA) була створена до 1927 в СРСР - в 1931-1933 (в Центральному аерогідродинамічному інституті), це відкрило нові можливості експериментального дослідження ударних хвиль. Надзвукове протягом якісно відрізняється від дозвукового, в першу чергу, наявністю ударних хвиль. Виникнення ударних хвиль призводить до значного підвищення опору рухомих тел (настільки значного, що виник термін - хвильової криза), а також до зміни діючих на ці тіла теплових навантажень. Поблизу ударних хвиль ці навантаження дуже великі і, якщо не вжито відповідних заходів захисту, може статися прогоряння корпуса літального апарату і його руйнування. Вкрай важлива проблема в аеродинаміці - запобігання бафтинга (появи нестаціонарних ударних хвиль біля поверхні літального апарату). При бафтинг дію динамічних і теплових навантажень стає змінним за часом і місцем докладання, протистояти таким навантаженням набагато складніше.
Косі і прямі ударні хвилі.
В поле течії ударна хвиля може бути перпендикулярної незбурених течією (пряма ударна хвиля) або складати з необуреним плином деякий кут (коса ударна хвиля). Прямі ударні хвилі зазвичай створюються в спеціальних експериментальних пристроях - ударних трубах. Косі ударні хвилі виникають, наприклад, при надзвуковому обтіканні тіл, при закінченні газу з надзвукових сопел і т.п.
Є ще одна класифікація ударних хвиль. Примикають до твердої поверхні хвилі звуться приєднаних, які не мають точок дотику - відійшли. Відійшли ударні хвилі виникають при надзвуковому обтіканні затуплених тел (наприклад, сфери), приєднані хвилі мають місце в разі гострих тел (клина, конуса); такі хвилі не стільки гальмують протягом, скільки різко розгортають його, так що і за ударною хвилею протягом залишається надзвуковим.
У ряді випадків газодинамическая теорія допускає обидва випадки перебігу за фронтом приєднаної хвилі і надзвукове (в цьому випадку ударна хвиля називається слабкою), і дозвуковое протягом (сильна ударна хвиля).
Експериментально спостерігаються тільки такі ударні хвилі.
Регулярне і Маховської відображення хвиль.
Залежно від кута падіння ударної хвилі на перешкоду хвиля може відображатися безпосередньо на поверхні перешкоди або на деякій відстані від нього. У другому випадку відображення називається трехволновая, оскільки в цьому випадку виникає третя ударна хвиля, що з'єднує падаючу і відбиту хвилі з поверхнею перешкоди.
Вперше зафіксоване австрійським вченим Ернстом Махом в 1878, трехволновая відображення отримало також назву Маховського, для відмінності від двухфронтового (або регулярного) відображення.
Виконаний Махом експеримент, що дозволив виявити трьох хвильовій режим відображення, полягав в наступному (рис. 5): в двох точках, розташованих на деякій відстані один від одного, одночасно проскакували дві іскри, що породжували дві сферичних ударних хвилі.
Поширюючись над поверхнею, зачерненной сажею, ці хвилі залишали виразний слід точок їх перетину, що починається посередині між точками ініціалізації хвиль, а потім йде по серединному перпендикуляру відрізка, що з'єднує ці точки ініціалізації. Далі відрізок на кінцях поділявся на дві симетрично розходяться лінії. Отримана картина відповідає тому, що на ранній стадії взаємодії ударні хвилі відбиваються один від одного так, як ніби відбувається відображення в регулярному режимі від уявної площини, розташованої посередині між точками ініціалізації хвиль. Потім утворюється стрибок Маха, що з'єднує відповідні точки кривих, наведених на рис. 3. Оскільки на зачерненной поверхні залишаються лише траєкторії точок перетину хвиль, Мах продемонстрував вражаючу проникливість, зумівши розшифрувати сенс отриманих слідів.