Fala uderzeniowa

Fala uderzeniowa – cienka warstwa, w której następuje gwałtowny wzrost ciśnienia ośrodka, rozchodząca się szybciej niż dźwięk. Fale uderzeniowe powstają podczas silnego wybuchu lub ruchu ciała (np. samolotu) z prędkością naddźwiękową[1].

USS Iowa (BB-61) strzela pełną salwą burtową w czasie manewrów w pobliżu wyspy Vieques Portoryko) 1 lipca 1984 – obserwowane fale na powierzchni oceanu

W powietrzu, przelotowi intensywnej fali uderzeniowej w małej odległości od źródła towarzyszy wytworzenie się charakterystycznej mgiełki wskutek kondensacji pary wodnej, jest to tzw. chmura Wilsona. Zjawisko to jest zauważalne gołym okiem przy wybuchu ładunków materiałów wybuchowych o masie większej niż 0,5 kg i średniej sile (TNT). Podobne zjawisko, występujące w bezpośrednim otoczeniu obiektu poruszającego się z prędkością nad- i okołodźwiękową nosi nazwę obłoku Prandtla-Glauerta.

Powstawanie fali uderzeniowejEdytuj

Gdy w gazie porusza się ciało, to nadaje ono cząsteczkom zderzającym się z nim dodatkową prędkość. Jeżeli prędkość tego ciała jest mniejsza od średniej prędkości cząsteczek gazu, to cząsteczki przekazują sobie w wyniku zderzeń pęd, po zderzeniu powracają i zderzają się z cząsteczkami z drugiej strony. Rozchodzące się w ten sposób zaburzenie jest obserwowane jako dźwięk. Jeżeli ciało ma prędkość większą od średniej prędkości cząsteczek gazu, to cząsteczki nie "nadążają z przekazywaniem" energii poprzedzającym je cząsteczkom. W ten sposób powstaje obszar, w którym gwałtownie rośnie prędkość cząsteczek (szczególnie w jednym kierunku), co odpowiada wzrostowi ciśnienia. Gdy ciało przestanie gwałtownie się poruszać, następuje natychmiastowy spadek ciśnienia.

Jeżeli czynnik wywołujący falę trwa długo – wywołuje ruch gazu w kierunku rozchodzenia się fali (podmuch). Po ustaniu przyczyny, fala uderzeniowa rozchodząc się szybko zanika, wywołując wzrost temperatury ośrodka, w którym się rozchodzi (np. powietrza). Po zwolnieniu do prędkości poddźwiękowej staje się zwykłą falą akustyczną o dużej amplitudzie.

Silne fale dźwiękowe, słyszalne jako grzmot lub też fale powstałe w wyniku uderzenia niekiedy bywają mylnie nazywane falami uderzeniowymi.

Fala uderzeniowa w ciałach stałychEdytuj

W przypadku ciał stałych termin „fala uderzeniowa” jest zwykle rozumiany jako fala naprężeń ściskających o wielkiej amplitudzie lub impuls ciśnienia, który powoduje niemal natychmiastowy wzrost naprężeń lub ciśnienia w ośrodku – przechodząca fala zwiększa gęstość ciała w kierunku swojego ruchu (zob. detonacja).

Fale o wielkiej amplitudzie powstają w Ziemi, w wyniku takich zjawisk, jak podziemna eksplozja, trzęsienie ziemi lub uderzenie meteorytu. W laboratorium mogą być one wytwarzane pod kontrolą i są bardzo użyteczne zarówno w geofizyce, jak i badaniach ciał stałych.

Przejście fali uderzeniowej przez ciało stałe powoduje zmiany w stanie fizycznym materiału. Może ona np. spowodować przesunięcia atomów, zmiany poziomów energetycznych elektronów i zmienić bilans energii wewnętrznej. Pomiary zachowania się ciał stałych poddanych silnym impulsom ciśnienia rzuciły nowe światło na podstawowe właściwości ciał stałych i doprowadziły do zastosowania fali uderzeniowej w medycynie – poprzez ogniskowanie wiązki ultradźwięków na kamieniach nerkowych można spowodować ich skruszenie (metoda litotrypsji) – czy do rozwoju takich użytecznych metod przemysłowych, jak wybuchowe platerowanie i zgrzewanie, wybuchowe cięcie i kształtowanie, uderzeniowe wprasowywanie proszków w stałe części maszyn, wybuchowe roboty ziemne (np. wykopy) i wytwarzanie nowych materiałów o szczególnych właściwościach.

Eksperymentatorzy zwykle wytwarzają fale uderzeniowe w materiałach za pomocą eksplozji przyłożonego materiału wybuchowego albo przez uderzenie pocisku o dużej prędkości, wystrzelonego z działa lub przyspieszonego przez eksplozję.

Fala uderzeniowa wybuchu jądrowegoEdytuj

Fala uderzeniowa i wywołane nią wtórne zjawiska, takie jak podmuch, wahania ciśnienia, grzmot, to jeden z najważniejszych czynników niszczących wybuchu jądrowego (z wyjątkiem bomb neutronowych). Oddziałuje bezpośrednio na ludzi, przedmioty i inne obiekty w trakcie wybuchu, wywołując burzenie budynków, przewracanie, deformowanie, rozrywanie, łamanie, porywanie sprzętu, wyrywanie drzew itp. Na ludzi działa jako uderzenie bezpośrednie lub pośrednie uderzenie poprzez przedmioty niesione podmuchem.

PrzypisyEdytuj

  1. Fala uderzeniowa, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2021-07-29].

BibliografiaEdytuj

  • Andrzej Ciepliński, Ryszard Woźniak: Encyklopedia współczesnej broni palnej (od połowy XIX wieku). Warszawa: Wydawnictwo WiS, 1994, s. 67. ISBN 83-86028-01-7.