Структура ударной волны

Ширина ударных волн большой интенсивности имеет величину порядка длины свободного пробега молекул газа (более точно - ~10 длин свободного пробега, и не может быть менее 2 длин свободного пробега; данный результат получен Чепменом в начале 1950-х). Так как в макроскопической газодинамике длина свободного пробега должна рассматриваться равной нулю, чисто газодинамические методы непригодны для исследований внутренней структуры ударных волн большой интенсивности.

Для теоретического изучения микроскопической структуры ударных волн применяется кинетическая теория. Аналитически задача о структуре ударной волны не решается, но применяется ряд упрощённых моделей. Одной из таких моделей является модель Тамма-Мота-Смита.

Скорость распространения ударной волны

Скорость распространения ударной волны в среде превышает скорость звука в данной среде. Превышение тем больше, чем выше интенсивность ударной волны (отношение давлений перед и за фронтом волны): (p уд.волны - p сп.среды)/ p сп.среды.

Например, недалеко от центра ядерного взрыва скорость распространения ударной волны во много раз выше скорости звука. При удалении с ослаблением ударной волны, скорость её быстро снижается и на большой дистанции ударная волна вырождается в звуковую (акустическую) волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука в окружающей среде. Ударная волна в воздухе при ядерном взрыве мощностью 20 килотонн проходит дистанции: 1000 м за 1,4 с, 2000 м - 4 с, 3000 м - 7 с, 5000 м - 12 с. Поэтому у человека, увидевшего вспышку взрыва, есть какое-то время для укрытия (складки местности, канавы и пр.) и тем самым уменьшения поражающего воздействия ударной волны (если, конечно, человек не ослепнет от вспышки).

Ударные волны в твёрдых телах (например, вызванные ядерным или обычным взрывом в скальной породе, ударом метеорита или кумулятивной струёй) при тех же скоростях имеют значительно большие давления и температуры. Твёрдое вещество за фронтом ударной волны ведёт себя как идеальная сжимаемая жидкость, то есть в нём как бы отсутствуют межмолекулярные и межатомные связи, и прочность вещества не оказывает на волну никакого воздействия. В случае наземного и подземного ядерного взрыва ударная волна в грунте не может рассматриваться, как поражающий фактор, так как она быстро затухает; радиус её распространения невелик и будет целиком в пределах размеров взрывной воронки, внутри которой и без того достигается полное поражение прочных подземных целей.

Детонация

Детонация - это режим горения, в котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной. Фронт детонационной волны - это поверхность гидродинамического нормального разрыва.

Скорость распространения фронта детонационной волны относительно исходного неподвижного вещества называется скоростью детонации . Скорость детонации зависит только от состава и состояния детонирующего вещества и может достигать нескольких километров в секунду как в газах, так и в конденсированных системах (жидких или твёрдых взрывчатых веществах). Скорость детонации значительно превышает скорость медленного горения, которая всегда существенно меньше скорости звука в веществе и не превышает десятков сантиметров в секунду или нескольких метров в секунду (при горении водород-кислородных смесей).

Многие вещества способны как к медленному горению, так и к детонации. В таких веществах для распространения детонации её необходимо инициировать внешним воздействием (механическим или тепловым). В определённых условиях медленное горение может самопроизвольно переходить в детонацию.

Детонацию, как физико-химическое явление, не следует отождествлять со взрывом.

Взрыв - это процесс, в котором за короткое время в ограниченном объёме выделяется большое количество энергии и образуются газообразные продукты взрыва, способные совершить значительную механическую работу или вызвать разрушения в месте взрыва. Взрыв может иметь место и при воспламенении и быстром сгорании газовых смесей или взрывчатых веществ в ограниченном пространстве, хотя при этом детонационная волна не образуется. Так, быстрое (взрывное) сгорание пороха в стволе артиллерийского орудия в процессе выстрела не является детонацией. Стук, возникающий в двигателях внутреннего сгорания при взрывном сгорании топлива, также называют детонацией.

Органические растворители - химические соединения для растворения твердых веществ (смол, пластмасс, красок и т.д.). В эту группу входят спирты, эфиры, хлорированные углеводороды, кетоны, углеводороды и т.п.

Понятие об ударной волне, ее характеристики

Быстрое и неконтролируемое высвобождение энергии порождает взрыв.

Высвобождаемая энергия проявляется в виде теплоты, света, звука и механической ударной волны. Источником взрыва чаще служит химическая реакция. Но взрывом могут быть высвобождения механической и ядерной энергии (паровой котел, ядерный взрыв). Горючие, пыль, газ и пар в смеси с воздухом (веществом, поддерживающим горение) способны взрываться при зажигании. В технологических процессах невозможно полностью исключить вероятность образования взрывоопасной ситуации. Одним из основных поражающих факторов взрыва является ударная волна.

Ударная волна - это область резкого сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется во все стороны от места взрыва со сверхзвуковой скоростью.

Ударная волна образуется за счет энергии, выделяемой в зоне реакции. Возникшие при взрыве пары и газы, расширяясь, производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до больших давлений и плотностей и нагревают до высоких температур. Эти слои воздуха приводят в движение последующие слои. И так, сжатие и перемещение воздуха происходит от одного слоя к другому, образуя ударную волну. Величина давления изменяется во времени в точке пространства при прохождении через нее ударной волны. С приходом ударной волны в данную точку давление достигает максимального Рф = Ро + ΔРф, где Ро атмосферное давление. Образовавшиеся слои сжатого воздуха называют фазой сжатия. После прохождения волны давление уменьшается, становится ниже атмосферного. Эта зона пониженного давления называется фазой разрежения.

Непосредственно за фронтом ударной волны движутся массы воздуха. Вследствие торможения этих масс воздуха при встрече с преградой возникает давление скоростного напора воздушной ударной волны.

Основными характеристиками поражающего действия ударной волны являются:

- Избыточное давление во фронте ударной волны (Рф) - это разность между максимальным давлением во фронте ударной волны и нормальным атмосферным давлением (Ро), измеряется в Паскалях (Па). Избыточное давление во фронте ударной волны рассчитывается по формуле:

где: ΔРф - избыточное давление, кПа;

qэ - тротиловый эквивалент взрыва (qэ = 0,5q, q - мощность взрыва, кг);

R - расстояние от центра взрыва, м.

- Давление скоростного напора - это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха; скоростной напор Рек зависит от скорости и плотности воздуха.

где V - скорость частиц воздуха за фронтом ударной волны, м/с;

ρ - плотность воздуха, кг/куб.м.

-Длительность фазы сжатия, то есть время действия повышенного давления.

τ = 0,001 q1/6 R1/2,

где R в метрах, q в килограммах и τ - в секундах.

Ударная волна в воде отличается от воздушной тем, что на одних и тех же расстояниях давление во фронте ударной волны в воде гораздо больше, чем в воздухе, а время действия меньше. Волны сжатия в грунте в отличие от ударной волны в воздухе характеризуются менее резким увеличением давления во фронте волны и более медленным ослаблением за фронтом.

Ударная волна может нанести человеку травматические поражения и быть причиной его гибели. Поражение может быть непосредственным или косвенным. Непосредственное поражение возникает от действия избыточного давления и скоростного напора воздуха. Ударная волна подвергает человека сильному сжатию в течение нескольких секунд. Скоростной напор может привести к перемещению тела в пространстве. Косвенное поражение человека может быть результатом ударов обломков, летящих с большой скоростью.

Характер и степень поражения человека зависят от мощности и вида взрыва, расстояния, а также от места нахождения и положения человека. Крайне тяжелые контузии и травмы возникают при избыточном давлении более 100 кПа (1 кгс/кв.см): разрывы внутренних органов, переломы гостей, внутренние кровотечения и т.п. При избыточных давлениях от 60 до 100 кПа (от 0,6 до 1 кгс/кв.см) имеют место тяжелые контузии и травмы: потеря сознания, переломы костей, кровотечение из носа и ушей, возможны повреждения внутренних органов. Средней тяжести поражения возникают при избыточном давлении 40-60 кПа (0,4-0,6 кгс/кв.см): вывихи, повреждения органов слуха и т.п. И легкие поражения при давлении, 20-40 кПа (0,2-0,4 кгс/кв.см). Ударная волна оказывает механическое воздействие на здания, сооружения, может вызвать их разрушение. Здания с металлическим каркасом получают средние разрушения при 20-40 кПа и полные при 60-80 кПа, здания кирпичные при 10-20 кПа и 30-40, здания деревянные при 10 и 20 кПа.

При ядерном взрыве в атмосфере примерно 50% энергии взрыва расходуется на образование ударной волны. В зоне реакции давление достигает миллиардов атмосфер (до 10 млрд. Па). Воздушная ударная волна ядерного взрыва средней мощности проходит 1000 м за 1,4 с, а 5000 за 12 С. Избыточное давление во фронте ударной волны составляет на расстоя­нии от взрыва 2,2 км 100 кПа (1 кгс/кв.см), 5,3 км 30 кПа (0,3 кгс/кв.см).

Защитное заземление

Существуют следующие способы защиты, применяемые отдельно или в сочетании друг с другом: защитное заземление, зануление, защитное отключение, электрическое разделение сетей разного напряжения, применение малого напряжения, изоляция токоведущих частей, выравнивание потенциалов.

В электроустановках (ЭУ) напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и в ЭУ постоянного тока с изолированной средней точкой применяют защитное заземление в сочетании с контролем изоляции или защитное отключение.

В этих электроустановках сеть напряжением до 1000 В, связанную с сетью напряжением выше 1000 В через трансформатор, защищают от появления в этой сети высокого напряжения при повреждении изоляции между обмотками низшего и высшего напряжения пробивным предохранителем, который может быть установлен в каждой фазе на стороне низшего напряжения трансформатора.

В электроустановках напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью или заземленной средней точкой в ЭУ постоянного тока применяется зануление или защитное отключение. В этих ЭУ заземление корпусов электроприемников без их заземления запрещается.

Защитное отключение применяется в качестве основного или дополнительного способа защиты в случае, если не может быть обеспечена безопасность применением защитного заземления или зануления или их применение вызывает трудности.

При невозможности применения защитного заземления, зануления или защитного отключения допускается обслуживание ЭУ с изолирующих площадок.

Ударная волна представляет собой область резкого и сильного сжатия среды, распространяющейся во все стороны от центра взрыва

со сверхзвуковой скоростью.

Ударные волны возникают при взрывах практически в любых средах и передают действие взрыва на значительное расстояние.

В зависимости от среды, в которой распространяется ударная волна, различают волны: воздушные (распространяются в воздушной среде); ударные (распространяются в водной среде); сейсмовзрывные

(распространяются в грунте).

2.3. 1. Основные свойства и механизм образования

ударных волн

Процесс образования ударной волны рассмотрим на примере взрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ).

При взрыве заряда взрывчатого вещества газообразные продукты взрыва, находящиеся под давлением порядка десятков и даже сотен тысяч атмосфер, расширяются, сжимая окружающую среду (воздух, воду, грунт и т. п.). Развитие процесса взрыва в среде схематически показано на рис. 2.2. После прохождения детонационной волны М1 по заряду ВВ (пунктиром обозначена продетонировавшая часть заря­ да) начинается расширение продуктов детонации.

Зона расширяюшихся продуктов в данный момент времени огра­ ничена кривой СМ1 С 1 , фронт ударной волны, возбужденной взры­ вом, - ВА и А1 В 1 Скорость детонации и связана со скоростями удар­

Волна сжатия, вызывающая заметный разогрев среды, может устойчиво существо­

вать только в форме ударной волны со скач­

кообразным изменением давления во фрон­ те; фронт с плавным нарастанием давления

неустойчив и быстро превращается в скачко­ образный с резким изменением давления.

Вслед за ударной волной идет волна разреже-

Рис npouecca . 2.2. Схе ма развития взры ва в среде

188 Раздел 2. Взры в

ния, которая, двигаясь по сжатому и разогретому воздуху, будет наго­ нять фронт ударной волны.

Схема изменения давления во времени при прохождении удар­ ной волны показана на рис. 2.3.

1 0 l 1 1 е 1 2

Рис. 2.3. Схема изменения давления во времени при прохождении ударной волны:

1 - фаза сжатия; 2 - фаза разрежения (nри взрывах в плотных средах - фаза рас­

тяжения или разгрузки)

В момент прихода волны в определенную точку пространства дав­ ление в прилегающей к ней области скачком увеличивается от р0 (в невозмущенной среде) до р1 (во фронте ударной волны). За фрон­ том давление быстро падает и через время /еж (время действия фазы сжатия), после прихода волны в точку, оказывается меньше р0 - фаза сжатия сменяется фазой разрежения.

Время, в течение которого давление в ударной волне сохраняется выше атмосферного, называется фазой сжатия, а время, в течение ко­ торого давление остается ниже атмосферного, - фазой разрежения.

В момент прихода ударной волны в некоторую точку среда, при­ легающая к этой точке, начинает двигаться со скоростью и в направ­ лении распространения этой волны. Характер изменения и(t) схож с характером изменения p(t). В фазе сжатия среда движется в сторону перемещения ударной волны, в фазе разрежения - в обратном на­ правлении, но с несколько меньшей скоростью.

Фронт ударной волны распространяется со сверхзвуковой скоро­

стью (V> с0), а ее хвостовая часть, где р < -р0, движется со скоростью, близкой к скорости звука с0 в невозмушенной среде, поэтому по мере движения ударная волна растягивается во времени. Давление во фронте ударной волны р 1 , скорость перемешения фронта V и скорость потока среды и не являются постоянными. При удалении удар­ ной волны от очага взрыва она уменьшается, и на больших расстоя-

ниях V приближается к с0, а и - к нулю, т. е. ударная волна вырожда­

ется в акустическую (упругую) волну. Следовательно, ударная волна

имеет как область сжатия, так и разрежения. На практике действие

ударной волны определяется фазой сжатия. Действие фазы разреже­

ния обычно несущественно, поэтому не учитывается, за исключени­

ем некоторых частных эффектов.

2.3.2. Па ра метры ударной волны

Основными параметрами ударной волны являются:

избыточное давление во фронте ударной волны;

скоростной напор ударной волны, действующий на поверхность объекта;

время действия ударной волны;

импульс волны и др.

Избыточное давление во фронте ударной волны характеризуется разностью давления во фронте волны и атмосферного давления.

др = Р1 - Ро,

где р1 - давление во фронте ударной волны;

р 0 - давление в невозмущенной среде (атмосферное давление).

Ударная волна характеризуется скоростью нарастания давления до его максимального значения.

Под максимальным давлением взрыва понимается наибольшее

давление, которое возникает при дефлаграционном сгорании наибо­ лее взрывоопасной газа- , пара-, пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начал ьном давлении 1 0 1 ,3 кПа. Максимальное давление при взрыве аэросмеси можно рассчитать по формуле:

где р0 - начальное давление, при котором находится аэровзвесь, кПа;

Т 0 - начальная температура исходной смеси, К;

Tr - адиабатическая температура горения стехиометрической

смеси с воздухом при постоянном объеме, К; пк - число молей газообразных продуктов сгорания; f/11 - число молей исходной газовой смеси.

Ударная волна характеризуется пиком. Пик - это участок ударной

волны от момента ударного сжатия до завершения химической реакции,

где формируется самое высокое давление.

Параметром ударной волны является импульс волны. Величина имnульса волны будет различной в зависимости от среды, в которой nротекает взрыв. В общем виде имnульс волны оnисывается законом

где G R - масса взрывчатого (горючего) вещества; - расстояние действия ударной волны;

<р - угол отражения волны.

Расnространение ударной волны зависит от множества факторов, оnределяющих ее действие и силу.

Для оценки действия ударной волны необходимо знать характер нагрузки и nараметры системы, на которую эта нагрузка действует. Характер нагрузки обычно оnисывается функцией изменения давле­ ния ударной волны во времени p(t) в nределах от нуля до времени фазы сжатия tсж· Однако во многих частных случаях действие ударной волны с достаточной точностью оnределяется либо значением избы­

Характер воздействия ударной волны на заданную систему зави­ сит от соотношения между временем действия фазы сжатия tсж и вре-

менем релаксации системы "t, а для уnругих систем - nериодом коле­ баний Т.

Если fсж >> "t, то действие ударной волны оnределяется величи­ ной избыточного давления на ее фронте, так как в этом случае систе­ ма будет деформирована за такой nромежуток времени (nорядка

(1/4- 1/З}t}, в течение которого давление во фронте не усnеет сущест­

венно уnасть. Если, наnротив, tсж << "t, то давление за фронтом волны

снижается за столь малый nромежуток времени, что система nракти­

чески не усnевает деформироваться и дальнейшие деформации ее оn­ ределяются nриобретенным ею количеством движения, а следова­ тельно, удельным имnульсом ударной волны.

Время фазы сжатия зависит от множества факторов: размеров и формы заряда ВВ, среды, в которой nротекает взрыв, nрироды взрыв-

чатого вещества, энергии взрыва и др. Время действия фазы сжатия tсж nри использовании соответствующих форм законов подобия выразит­

ся формулами (2.4).

		fсж = г0
		r fсж = WF (}
		fс ж = VE F3
где г0	Радиус заряда;
G - масса заряда;
	Расстояние действия ударной волны;
Е - энергия взрыва;

F1 , F2, F3 - функциональная зависимость.

Огромное значение для оценки параметров ударных волн и их действия имеет закон подобия при взрывах, позволяющий сравнивать характеристики ударных волн, возбужденных взрывами зарядов раз­ личной массы, состоящих из разных ВВ, а также взрывами, вызван­ ными горением взрывоопасных смесей.

Детонационное горение возникает во взрывоопасной среде при прохождении по ней достаточно сильной ударной волны (или волны ударного сжатия). Например, если в замкнутом объеме с горючей га­ зовой смесью взорван точечный заряд взрывчатого вещества, либо произошло возгорание от источника зажигания, то по всей газовой смеси от точки расположения заряда распространится ударная волна, в которой происходит внезапное скачкообразное повышение пара­ метров состояния газовой смеси - давления, температуры, плотно­ сти. Повышение температуры газа при сжатии в ударной волне зна­ чительно больше, чем при аналогичном адиабатическом сжатии. По­ этому абсолютная температура газа, сжатого ударной волной,

прr.торциональна давлению ударной волны.

Следовательно, если ударная волна достаточно сильна, то темпе­

ратура газа под действием ударной волны может повыситься до темпе­ ратуры самовоспламенения. Ударная волна характеризуется скоростным напором. Скоростной

напор образуется в результате торможения о какую-либо преграду

движущихся масс воздуха в ударной волне. Скорость движения рас-

ширяющихся газов, образующих скоростной напор, зависит от степе­ ни сжатия газов и нагревания их ударной волной. Напор вызывает опрокидывание и отбрасывание различных объектов на значительные расстояния.

Ударная волна распространяется в пространстве со сверхзвуковой скоростью. Например, ударная волна при ядерном взрыве проходит первые 1 000 м за 2 с, 2000 м - за 5 с, 3000 м - за 8 с.

Сила ударной волны очень велика и приводит к значительным разрушениям. Если скорость повышения давления относительно не­ велика, то прежде всего будут разрушаться наименее прочные детали, например, окна и двери. В случае же однородной по прочности кон­ струкции здания подъем крыши и разрушение всех стен произойдут одновременно. Избыточное давление ударной волны приводит при взрыве к сильным повреждениям. В табл. 2.3 содержатся данные, ука­ зывающие на степень повреждений.

Таблица 2.3. Повреждения при взрыве от ударной волны

Дамениер в5, ударной Стеnень nовреЖдения

волне к Па

	Разрушение стекол в окнах при больших площадях ос-
	текпения
	Громкий звук (1 43 дБ) ; поврежден ия стекол; 5%-ное
	разрушение остекления
	Повреждение обшивки домов; разрушение до 1 0 %
	оконных стекол
	Незначительные повреждения конструкций
	90%-ное разрушение остекления, повреждение
	оконных рам
	Незначит льные повреждения конструкций домов
	Частичное разрушение домов до состояния, при кото-
	ром проживанис в них невозможно
	Разрушение гофрированного асбеста. Гофрированные
	стальные ил и алюминиевые паиели ослабля ются в креп-
	лени и и подвергаются изгибу. Деревян ные паиели раз-
2 .3 . Характеристи ка ударн ых вол н
	Окончание табл. 2.3

Степень повреждения

Разрушаются не укреnленные стены из бетона и шлаковых блоков

Н ижни й nредел серьезных nовреждений конструкций

50%-ное разрушение

Тяжелые машины (весом 1 ,35 т) в nромышленных зданиях nодвергаются небольшим nовреждениям. Стальные конструкции изгибаются

		Разрушение бескаркасн ых сооружений, склеnанных из
		стальных nанелей. Разрушение масляных хранилищ
		Отрыв nокрытий легких nромышленных зданий
		Растрескивание деревянных столбов (телеграфных и
		пр.). Повреждаются высокие гидравлические nрессы
		(весом 1 ,8 т)
		Почти nолное разрушение домов
		Перевертывание тяжелогруженых ж/д вагонов
		Кирnичные стены толщи ной 200-300 мм, не укреnлен-
		ньrе, теряют n рочность в результате сдви га или изгиба
		Тяжелые грузовые железнодорожные вагоны nолностью
		разрушаются
		Разрушение более 75 % внутренней кирnичной кладки
		Возможно общее разрушение зданий. Тяжел ые (>3 т)
		машины и станки nередви гаются и сильно nовреждают-
		ся. Очен ь тяжелые (>5 т) машины и станки сохраня ются
		Разрушение с образованием кратера

Ударная волна с P s = 1 9 кПа вызывает значительные разрушения

городских построек, а при Ps = 98 кПа наступает полное разрушение

зданий и гибель живых организмов.

На степень разрушения влияют особенности конструкции соору­ жений, а также рельеф местности.

УДАРНАЯ ВОЛНА

Примером возникновения и распространения У. в. может служить газа в трубе поршнем. Если поршень вдвигается в медленно, то по газу со скоростью звука а бежит акустич. (упругая) волна сжатия. Если же поршня не мала по сравнению со скоростью звука, возникает У. в., скорость распространения к-рой по невозмущённому газу больше, чем скорость движения ч-ц газа (т. н. массовая скорость), совпадающая со скоростью поршня. Расстояния между ч-цами в У. в. меньше, чем в невозмущённом газе, вследствие сжатия газа. Если поршень сначала вдвигают в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряют, то У. в: образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности r и давления р. С течением времени крутизна передней части сжатия нарастает, т. к. возмущения от ускоренно движущегося поршня догоняют её и усиливают, вследствие чего возникает резкий скачок всех гидродинамич. величин, т. е. У. в.

Законы ударного сжатия. При прохождении газа через У. в. его параметры меняются очень резко и в очень узкой области. Толщина фронта У. в. имеет порядок длины свободного пробега молекул, однако при многих теоретич. исследованиях можно пренебречь столь малой толщиной и с большой точностью заменить фронт У. в. поверхностью разрыва, считая, что при прохождении через неё параметры газа изменяются скачком (отсюда назв. « »). Значения параметров газа по обе стороны скачка связаны . соотношениями, вытекающими из законов сохранения массы, импульса и энергии:

r1v1 =r0v0, р1+p1v21 =p0+r0v20, e1+p1/r1 +v21/2=e0+ p0/r0+v20/2, (1)

Ударная волна

Со словом «волна» в житейской практике связано представление о периодическом процессе, наглядным примером которого является волнение на море. Покачаться на «волнах» – излюбленное развлечение купальщиков.

В физике пользуются словом «волна» в более широком смысле и говорят о распространении волны и в том случае, когда местное повышение или понижение давления вызвано однократным ударом, взрывом или засосом воздуха.

Очень своеобразно выглядит воздушная волна, создаваемая взрывом. (Мы уже говорили, что воздушную волну можно сфотографировать, поэтому слово «выглядит» вполне подходит к волне давления.)

На рис. 128 изображен мгновенный профиль такой взрывной волны – кривая изображает распределение давления вдоль какого-либо направления распространения волны. Профиль волны составляется постепенным подъемом, завершающимся отвесным спуском. Направление движения волны показано на схеме слева направо. Участки воздуха, расположенные правее фронта, в рассматриваемое мгновение покоятся – до них волна еще доберется.

Основная особенность описываемой взрывной или, как ее называют, ударной волны – это резкий скачок давления на «фронте»; точки, находящиеся в покое, захватываются максимумом давления практически мгновенно: частица воздуха только что находилась при атмосферном давлении, а в следующее мгновение давление в этом месте максимально. Затем по мере дальнейшего продвижения ударной волны давление в точке, на которой мы остановили внимание, будет постепенно падать в соответствии с профилем левого пологого склона горки.

На рис. 128 изображено распределение давления вдоль какой-либо линии распространения волны. Волна распространяется в пространстве, и фронтом является поверхность.

Фронт ударной волны несет с собой скачок не только давления, но также и плотности и температуры.

Кроме изменения давления и температуры ударная волна несет с собой и движение. И в звуковой волне воздух приходит в движение вдоль линии распространения волны, но там это явление мало заметно. В ударной волне воздух увлекается столь сильно, что «увлечение» становится слишком мягким словом. Ударная волна создает сильнейший ветер, ураган… Для движения в мощных ударных волнах, пожалуй, и вообще не подберешь подходящего слова.

Скачок свойств, о котором мы говорим, исключительно резок – переход от полного покоя к максимальной скорости движения происходит на отрезке пути, равном нескольким длинам свободного пробега газовой молекулы. Для воздуха это субмикроскопическая величина порядка стотысячных долей сантиметра. Время скачка измеряется десятимиллиардными (10 ?10) долями секунды. Такое поистине мгновенное изменение состояния давления, плотности, температуры, скорости движения и есть признак ударной волны.

В зависимости от силы взрыва скачок давления, который несет с собой ударная волна, или, другими словами, высота фронта, может быть весьма различной: в момент прихода ударной волны может возрасти давление от нескольких процентов до десятков раз.

Значения скачков всех величин на фронте ударной волны связаны одно с другим. Зная величину скачка давления, можно рассчитать также и величину скачка плотности, температуры и скорости движения. Высота фронта определяет также и скорость распространения ударной волны. Скорость слабых ударных волн не отличается от скорости распространения обычной звуковой волны. По мере роста высоты фронта растет и скорость распространения ударной волны.

Приведем цифровые данные для «скромной» ударной волны, увеличивающей давление в полтора раза. Оказывается, что такое возрастание давления влечет за собой увеличение плотности воздуха на 30 % и повышение температуры на 35°. Скорость фронта такой ударной волны около 400 м/с. Уже при относительно небольшом скачке давления в 1,5 раза ударная волна будет увлекать с собой воздух со скоростью около 100 м/с, т.е. 360 км/ч. Такой скорости ветра не даст ни один ураган.

Однако возможны взрывы, способные создать несравненно более сильные ударные волны. Если волна несет с собой десятикратное возрастание давления, то на фронте волны происходит скачкообразное увеличение плотности в четыре раза и возрастание температуры на 500°. Скорость ветра достигает при этом 725 м/с. Скорость распространения такой ударной волны равна уже 1 км/с.

Ударные волны, порождаемые сильными взрывами, распространяются на десятки километров. Скачок свойств, который несет с собой ударная волна, действует как резкий удар на препятствия, встречающиеся на пути волны. Слабые ударные волны вышибают оконные стекла, разрушают стены домов, вырывают с корнем деревья. Разрушительное действие минометов во многом основано на действии ударных волн.

Разрушительное действие ударных волн резко зависит от многих обстоятельств и в особенности от длительности действия волны. Чтобы все же дать некоторое представление о связи разрушительного действия волны с основным ее параметром – повышением давления, укажем, что ударная волна с фронтом высотой всего лишь 2 % способна вышибать стекла, а волна, несущая увеличение давления вдвое, ломает толстые стены.

Из книги Революция в физике автора де Бройль Луи

2. Частица и волна, связанная с ней В чем же в основном заключалась задача? По существу в установлении определенного соответствия между распространением некоей волны и движением частицы, причем величины, описывающие волну, должны быть связаны с динамическими

Из книги Откровения Николы Теслы автора Тесла Никола

Из книги Эволюция физики автора Эйнштейн Альберт

Что такое волна? Какая-нибудь сплетня, пущенная в Вашингтоне, очень быстро доходит до Нью-Йорка, несмотря на то что ни одно лицо, принимавшее участие в ее распространении, не передвигалось между этими двумя городами. Имеются два совершенно различных способа передачи или

Из книги Движение. Теплота автора Китайгородский Александр Исаакович

Звуковая волна Если бы звук распространялся мгновенно, то все частицы воздуха колебались бы, как одна. Но звук распространяется не мгновенно, и объемы воздуха, лежащие на линии распространения, приходят в движение по очереди, как бы подхватываются волной, идущей от

Из книги Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей автора Дмитриев Александр Станиславович

Ударная волна Со словом «волна» в житейской практике связано представление о периодическом процессе, наглядным примером которого является волнение на море. Покачаться на «волнах» – излюбленное развлечение купальщиков.В физике пользуются словом «волна» в более

Из книги Атомная проблема автора Рэн Филипп

17 Стоячая волна, или Буря в стакане воды Для опыта нам потребуются: большая пластмассовая миска (можно взять широкую пластиковую бутылку с отрезанным горлышком), миксер. Раз уж мы начали про веревки, подумаем, какие законы физики можно изучить с помощью веревки. Жидкости

Из книги автора

18 Звуковая стоячая волна Для опыта нам потребуются: пустая бутылка, узкий колпачок от фломастера или пустая ручка без стержня. Волна, которую мы пускали по веревке, почти ничем не отличается от волн, которые летают вокруг нас по воздуху и которые мы слышим как звуки.

Из книги автора

I. Ударная волна При определении действия ударной волны обычно руководствуются следующей формулой: механическое действие взрыва, или действие ударной волны, пропорционально корню кубическому из мощности бомбы.Как надо понимать эту формулу?Кубический корень из 2000 равен