Ударная волна
Уда́рная волна́, скачок давления, плотности, скорости течения вещества и других параметров, движущийся по веществу со сверхзвуковой скоростью. Интенсивность ударной волны характеризуют относительным скачком давления : или числом Маха , где – скорость ударной волны относительно вещества, – скорость звука в среде, индексы 1 и 2 относятся соответственно к параметрам перед скачком и за ним. Скачки давления, плотности и скорости связаны законами сохранения массы, импульса и энергии, из которых следуют соотношения: ; , где и – соответственно скорость ударной волны и скорость вещества за скачком в лабораторной системе координат. Скорости и связаны со скоростями течения в системе координат скачка ( и ) соотношениями , .
Ударная волна образуется в различных средах (воздухе, воде, плазме и др.) при взрывах, мощных электрических разрядах, движении снежных лавин, движении летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью и т. п. Например, продукты взрыва, имеющие высокие температуру, давление и плотность, расширяясь, сжимают окружающий воздух. В каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в ограниченном объёме. Поверхность, которая отделяет возмущённый воздух от невозмущённого, представляет собой ударную волну.
Измерив при заданном состоянии вещества перед ударной волной величины и , вычисляют и по приведённым выше формулам. Повторяя такие измерения для ударных волн разных интенсивностей, получают зависимость от в виде кривой, называемой ударной адиабатой или адиабатой Гюгоньо. Внутренняя энергия на ударной адиабате удовлетворяет уравнению Гюгоньо: .
В лабораториях и на полигонах ударные волны используют для изучения термодинамических и кинетических свойств веществ при высоких давлениях и температурах. В газах ударные волны получают в ударной трубе, состоящей из двух секций, разделённых мембраной и заполненных газами высокого и низкого давления. При быстром разрушении мембраны импульсом электрического тока по секции низкого давления распространяется ударная волна. В конденсированных средах (твёрдых телах и жидкостях) сильные ударные волны получают, используя мощные взрывчатые вещества (тротил, гексоген, октоген и др.). При детонации конденсированных взрывчатых веществ возникают и переходят в исследуемое вещество ударные волны с давлением до нескольких сотен кбар. При использовании кумулятивных зарядов (кумулятивный эффект) достигаются давления порядка мегабар. Для получения ударной волны очень большой интенсивности используются также специальные газовые и другие пушки, которыми разгоняют снаряды (пластины), ударяющие по преграде из исследуемого вещества. При помощи ударных волн (используя методы их получения и диагностики, разработанные в 1940–1950-х гг.) исследуют свойства веществ при экстремально высоких давлениях и температурах.
Хотя в гидродинамике ударная волна рассматривается как разрыв, в действительности она представляет собой переходный слой конечной ширины. В этом слое происходят необратимые процессы перехода вещества из начального (перед ударной волной) в конечное (за ней) состояние. В плотных (неразреженных) газах ширина ударной волны обычно пренебрежимо мала́ по сравнению с размерами областей непрерывного течения по обе стороны от ударной волны. Но в разреженных газах возможна другая картина. Например, на больших высотах в атмосфере перед летательным аппаратом, движущимся со сверхзвуковой скоростью, может возникать ударная волна с шириной большей, чем расстояние от начала переходного слоя до поверхности летательного аппарата.
Ударные волны, как и другие волны, можно фокусировать. Это свойство используют для исследования веществ в экстремальных состояниях, возникающих в специальных технических конструкциях (например, при взрывах кумулятивных снарядов мощных взрывчатых веществ). Фокусировка ударных волн применяется и в медицине, например для разрушения камней в почках.