Звуки смерти или пара слов об ударных волнах
Автор: Александр Грибоедов Извержение вулкана Хунга Тонга 2022 Извержение Кракатау выглядело так же. Прямо перед шаром виден красивый и четкий фронт. Обратите внимание: В космосе были обнаружены следы ударных волн Второй мировой войны. Гидроудар возникает и в поршневых двигателях при попадании в рабочий цилиндр несжимаемой (слабосжимаемой) жидкости, например воды. Эффект Прандтля-Глорта. Конус пара, который появляется, когда самолет движется с околозвуковой скоростью. Помните, что этот конус не является индикатором ударной волны, даже если он появляется во время ударных волн. Абсолютно великолепно. Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники. Источник статьи: Звуки смерти или пара слов об ударных волнах.
Вы находите звуки соседской дрели невыносимыми? Или вас заметно трясло от мощных битов на концерте и казалось, что громче уже некуда? Поверьте, это все цветы, потому что звук может быть не только "раздражающим" громким, но и "разрушительным" громким...
Пролог: Индонезия. Смертельный звук.
"..у половины экипажа лопнули барабанные перепонки. Мои последние мысли с моей дорогой женой. Я убеждён, что настал судный день" - из рапорта капитана британского корабля Norham Castle в 64 км от места происшествия.
Рано утром 27 августа 1883 года планету потрясли три страшных взрыва: вулкан Кракатау, проснувшийся в мае после долгого сна, наконец достиг апогея извержения. Сила третьего, самого мощного выброса более чем в десять тысяч раз превышала силу взрыва, разрушившего Хиросиму. В течение 24 часов с карты исчезла вся северная часть острова Кракатау, а тридцатиметровое цунами привело к гибели около 36 тысяч человек и смыло 295 городов и деревень. Беспокойная земля породила смертоносный огонь и воду, но еще до того, как волны достигли своих жертв, многие поселения уже были разрушены четвертой стихией — мощной воздушной ударной волной. Это был самый громкий звук в истории.
Действие первое: Европа. Открытие.
Примерно в то же время, что и извержение Кракатау, на другом конце земли кипели страсти. Эксперты-баллисты пытались объяснить странный феномен, обнаруженный во время франко-прусской войны: ранения солдат, нанесенные из новых французских винтовок, имели воронкообразную форму. Французов подозревали в использовании разрывных пуль, что являлось прямым нарушением Санкт-Петербургской декларации, принятой странами в 1868 году. Артиллерийские части также сообщали о необычных «двойных отскоках» при выпуске снаряда на больших скоростях, в то время как на меньших скоростях был слышен только один взрыв.
Для объяснения первого явления бельгийский баллист Мельсенс выдвинул элегантное решение: он предположил, что высокоскоростной снаряд «закручивает» воздух перед собой, и эта сильно сжатая масса может оказывать взрывное воздействие на предметы. Другими словами, Мелсенс предсказал существование ударной волны, которая предшествует сверхзвуковому объекту и вызывает раны в форме кратеров. Сначала корпус повреждается чрезвычайно плотным воздушным фронтом, а уже потом самой пулей.
Знаменитый ученый в области оптики и акустики - Эрнст Мах - настолько проникся идеей Мельзена, что решил подтвердить ее экспериментально, ведь как сказал Крош: "Вокруг одни теоретики! А жизнь – это прежде всего практика. В 1886 году он и его коллега-экспериментатор Питер Салчер первыми сфотографировали ударную волну
Кроме того, опыты Маха и его развернутая теория объяснили второе явление — «двойные хлопки»: первый взрыв производится вылетевшими из оружия пороховыми газами, а второй взрыв — звуковым ударом. Мах настолько увлёкся развитием этого предмета, что основал новый раздел газовой динамики, где наиболее известным его уравнением является угловая формула ударной волны при переходе к сверхзвуковому полёту (конус Маха) sin a = c/v, связывающая скорость снаряда и скорость звука в среде. Ну и, кроме всего прочего, главной характеристикой ударных волн стало известное безразмерное число Маха.
Акт второй: Немного теории. Почему ударная волна больше не является полностью звуковой?
Песня китов, соседская дрель из квартиры через дорогу и процедура УЗИ у врача — все это примеры звуковых волн с разным диапазоном. В воздухе, возмущенном источником звука, начинают распространяться области сжатия и разрежения, где основными изменяющимися параметрами являются давление и плотность. Молекулы спокойно висят, примерно равномерно разбросаны в пространстве, внезапный дисбаланс сближает их, что потом вызывает обратный эффект, и они расплываются, что ненадолго снижает концентрацию. Как воздушная пружина. Частота этих последовательных колебаний плотности воздуха определяет высоту звука. Мы не слышим большую часть инфразвуковой музыки китов из-за того, что человеческое ухо не способно распознавать волны с частотой ниже 16 Гц, а аппарат УЗИ, наоборот, использует слишком высокие для нас частоты. В свою очередь, величина отклонения давления от начального состояния определяет силу распространяющегося звука. Чем плотнее волна, чем сильнее она давит на нашу диафрагму, тем более «странным» кажется нам звук.
Неподвижный объект, излучающий звуковые волны, классически сравнивается с камнем, брошенным в воду: камень возмущает спокойную поверхность воды, вызывая появление кругов, где высота образующихся волн будет амплитудой колебаний — «громкостью» нашей волны. Что делать, если объект начинает двигаться? Очевидно, что расходящиеся от него окружности уже не будут иметь общего центра, а точки окружностей впереди будут ближе друг к другу, чем сзади, а значит, частота их звучания будет выше.
Теперь представьте, что наш объект движется все быстрее и быстрее. Мы знаем, что скорость распространения самих волн — скорость звука — величина постоянная для некоторой среды (для воздуха — каждый «круг» будет отклоняться от центра со скоростью около 343 м/с). Бедные волны впереди вынуждены двигаться все ближе и ближе друг к другу, пока они уже не успевают распространяться по отдельности и сливаться в один мощный фронт, где их плотности перекрываются, а давление достигает огромных величин. Этот фронт образуется, когда скорость объекта равна скорости звука в среде, и называется звуковым барьером или ударной волной. 
То есть в грубом приближении ударная волна является кульминацией эффекта Доплера, его максимальной стадией. Его также сравнивают со скоплением людей в узком проходе, когда скорость прибывающих людей больше или равна скорости тех, кто еще пытается выбраться. При этом, строго говоря, звуковой барьер уже не является полностью прочным. В отличие от звуковой волны, представляющей собой разреженную область сжатия малой амплитуды, не меняющую состояния среды, фронт ударной волны всегда представляет собой просто сжатие, скачкообразное изменение всех параметров среды, особенно давления. Кроме того, газ после того, как он прошел ударную волну (или после того, как ударная волна прошла через газ), обычно имеет более высокую температуру и давление, чего нельзя сказать об обычных звуковых волнах. Вообще ударная волна представляет собой некую аномалию при переходе от дозвуковых к сверхзвуковым скоростям.
Если звук есть только волны сжатия и разрежения среды, то он, очевидно, может распространяться не только в газах, но и в жидкостях и даже в твердых телах. На самом деле киты поют где-то в глубинах океанов. А как же ударные волны в жидкости?
Действие третье: Россия. Гидравлический удар.
В 1897 году профессору Московского государственного университета Николаю Егоровичу Жуковскому было поручено исследовать причины внезапного разрушения московского водопровода. Появление прорывов труб в самых неожиданных местах было проблемой не только в России, но и в других странах. После почти двух лет опытов и исследований Жуковский в 1899 г опубликовал свой фундаментальный труд «О гидроударах в водопроводных трубах», принесший ему всемирную известность, переведенный на многие языки и до сих пор являющийся основой для решения проблемы гидроудара.
Как уже было сказано, ударная волна — это резкая ударная волна в среде, параметры которой во много раз превышают нормальные отклонения, например звуковые волны. В то же время, как говорил сам Мах, по принципу относительности не обязательно ускорять предмет в среде, чтобы вызвать такой скачок, можно ускорить саму среду (здесь Галилей совсем перевернулся в гробу на другой бок). Вода, по сравнению с газом, крайне плохо сжимается, но все же сжимается, поэтому при резкой остановке потока в герметичной емкости, в точке, где скорость слишком быстро обращается в нуль, образуется ударный фронт большой плотности и давления. Это происходило при внезапном закрытии шарового крана или остановке циркуляционного насоса, когда давление в трубе достигало таких значений, что выбивало сами вентили или просто расширяло трубу (!), часто с последующим разрушением.
В своей работе Жуковский предлагал разные пути решения проблемы, такие как медленное закрывание вентиля, замена шаровых кранов винтовыми задвижками или вентилями. До сих пор по его совету во всем мире применялись демпферы (гидроудары), деструктивные мембраны и обратные клапаны.
Эпилог. Еще несколько ударных волн.
Извержение вулкана Кракатау, по многим источникам, было самым высоким событием в нашей истории. Правда, слово «громко» здесь следует воспринимать скорее как давление, ведь по приблизительным подсчетам на тот момент оно составляло около 310 децибел, а наши мембраны выдерживают максимальную «громкость» всего в 140–145 дБ. Так что такие волны на самом деле воспринимаются человеком не как звук, а как удар (отсюда и название), и термин «громкость» здесь означает силу этого удара.
Менее мощные, но не менее опасные ударные волны возникают при ядерных взрывах (280 дБ) или при падении метеорита. Например, Тунгусский взрыв оценивается в 300 дБ, что ненамного меньше, чем у Кракатау, а падение метеорита в Челябинске в 2013 году вызвало ударную волну, выбившую окна в большинстве городских зданий. Кроме того, помимо атмосферного фронта, крупные метеориты могут вызывать ударные волны непосредственно в земной коре - т.е в твердом теле.
Подобных примеров можно привести еще много, но я все же закончу своей любимой классикой — ударной волной самолета при переходе на сверхзвук, сила которой обычно составляет около 160 дБ. Так что, конечно, мощные ударные волны могут нанести серьезный ущерб людям и зданиям, но даже небольшие ударные волны крайне нежелательны, особенно в таком тонком деле, как авиация. Явление ударной волны, которое Мах объяснил еще в 19 веке, впоследствии испортило жизнь авиаторам в ХХ веке. Хотя. это совсем другая история.
В общем, любите физику и не бегайте на сверхзвуковых скоростях.
Оригинал: https://vk.com/wall-130222883_8030?w=wall-130222883_8030
Подпишитесь, чтобы не пропустить новые интересные посты!