уть виникати складні режими з одночасним існуванням і розривів і прилеглих до них розмитих хвиль.
3. Розробка і теоретичне обгрунтування лекційної демонстрації «Вивчення механізму формування ударної хвилі»
3.1 Механізм виникнення ударної хвилі
Як ми вже знаємо, швидкість поширення хвиль звукового діапазону не залежить від їх амплітуди, яка для всіх частот звукових хвиль досить мала. Наприклад, у випадку ідеального газу амплітуди поздовжньої хвилі рівні 5,44 * 10 - 13 м при частоті=20 кГц (L=0) і 6,8 * 10 - 3 м при L=140 дБ і=16 Гц. Якщо ж амплітуда коливань частинок велика, то швидкість хвилі починає залежати і від амплітуди. Це пов'язано з тим, що на ділянках стиснення газ нагрівається, і швидкість хвилі зростає. Тому кожна наступна хвиля стиснення рухається швидше попередньої і наганяє її. В результаті вони утворюють одну потужну результуючу хвилю стиснення газу, що викликає миттєве підвищення тиску газу на значну величину. Дія цієї хвилі на невозмущенная газ і об'єкти, розташовані на шляху цієї хвилі, подібно удару, тому і хвиля називається ударною. Це означає, що ударна хвиля являє собою тонкий шар середовища з підвищеними значеннями щільності і тиску, який переміщається з надзвуковою швидкістю по невозмущенная газу. Товщина ударної хвилі становить величину порядку середньої довжини вільного пробігу молекул газу між послідовними зіткненнями один з одним. Швидкість руху ударної хвилі і температура газу за неї залежать від перепаду тисків, де р - тиск в області хвилі, р 0 - перед нею. Так, при перепаді тисків атм швидкість ударної хвилі 452 м * c - 1; при атм - 3000 м * с - 1, а при атм - 9310 м * с - 1. Різке підвищення тиску в ударній хвилі, висока температура і велика швидкість руху частинок газу є причиною значних механічних руйнувань, спричинених нею. У реальних умовах ударна хвиля утворюється при вибухах (чим потужніший вибух, тим сильніше ударна хвиля), при потужних електричних розрядах, при русі тіл зі швидкостями, близькими до швидкості звуку ().
При знайомстві з ефектом Доплера ми виявили, що при русі джерела звуку змінюється висота звуку, тобто частота, сприйнята нерухомим спостерігачем (попереду - зростає, а позаду - зменшується). При цьому гребені хвилі перед джерелом зближуються (довжина хвилі), що і відображено на малюнку 2.6 (а) для випадку, коли менше швидкості звуку в невозмущенной середовищі.
На цьому малюнку вказані чотири положення джерела хвиль (0, 1, 2, 3), які він послідовно займає через проміжки часу, рівні періоду Т 0 коливань джерела звуку. Там же зображені нові положення гребенів всіх хвиль, які були створені в попередні моменти часу і поширюються з пронумерованих положень рухомого джерела.
Малюнок 3.1 Положення гребенів хвиль, які були створені в попередні моменти часу
При досить великій амплітуді (інтенсивності) хвилі на передньому фронті може сформуватися ударна хвиля, якщо в результаті нагрівання середовища наступні гребені будуть здатні наздогнати попередні і посилити один одного.
3.2 Ударна хвиля при русі з надзвуковими швидкостями
Однак можливий і інший механізм утворення ударної хвилі, який реалізується в процесі збільшення швидкості руху джерела звуку, наприклад літака. Якщо збільшується, то довжина хвилі попереду джерела зменшується і при звертається в нуль, гребені випромінюваних хвиль накладаються прямо перед рухомим тілом (рисунок 3.1 (б)). Літак рухається з тією ж швидкістю, що і хвилі, які він створює при русі в повітрі. Якщо ж, то хвилі нагромаджуються один на одного всередині конуса, що утворюють якого є огинаючої фронтів всіх раніше створених гребенів хвиль (рисунок 3.1 (в)). З малюнка випливає, що
. (3.1)
При русі біля поверхні Землі зі швидкістю, близькою до космічної, тиск в області ударної хвилі наближається до тисячі атм, а температура перевищує 10000 ° С. При цьому форма ударної хвилі і її відстань від летить тіла залежать від форми носовій частині і швидкості польоту об'єкта. Якщо тіло має загострену, добре обтічну форму, то ударна хвиля виникає в основному від передньої частини тіла, «розриває» газ (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 Ударні хвилі від надзвукового літака
Швидкість ударної хвилі на передньому фронті щодо нерухомого газу дорівнює швидкості польоту тіла (), а далеко від тіла в напрямку, перпендикулярному до фронту хвилі, швидкість ударної хвилі близька до швидкості звуку ().
Фактично акустичний удар, який сприймає людина при проходженні ударної хвилі від надзвукового літака, являє собою подвійний удар, оскільки ударна хвиля утворюється як попе...
