何かが音速よりも速く動くと衝撃波が発生し、流体特性が急激に変化します。
衝撃波という言葉を聞くと、いくつかのイメージが思い浮かびます。爆弾が爆発したときの影響は、おそらく最も顕著なものです。選挙のような大きなイベントが全国に「衝撃波」を引き起こしたとよく言いますが、それは比喩的な衝撃波にすぎません。同じ名前の無名の Marvel スーパーヒーローについて考えているかもしれませんが、今は話題から外れています…
物理学における衝撃波の意味と、衝撃波がどのように正確に作成されるかを調べてみましょう。
衝撃波とは?
衝撃波は、他の波と同様に、媒体を移動する妨害です。それらは、媒質の圧力、温度、および密度に急激な変化を引き起こす薄い波面です。
超音速の流れでは衝撃波が発生します。これは、何かが媒質中を音速よりも速い速度で移動しているときです。弾丸が空気中の音速を超える速度で移動すると、衝撃波が発生します。
衝撃波を視覚化するには、シュリーレン イメージングなどの特別なイメージング技術が必要です。
シュリーレン画像で捉えた弾丸の衝撃波。 (写真提供:Nathan Boor /Wikimedia commons)
衝撃波が流れの方向に対して垂直な方向に発生する場合、それらは垂直衝撃と呼ばれます。斜めに発生する場合は、斜め衝撃波と呼ばれます。
衝撃波はどのように形成されるのですか?
その方法に入る前に、マッハ数を見てみましょう。これは、媒質中を移動する物体の速度とその媒質中の音速の比です。そのため、マッハ 1 の速度は、物体が音速 (遷音速とも呼ばれます) で移動しているときを指します。
マッハ数。
水の中を移動するボートを考えてみましょう。ボートは水中の波の速度よりも速い速度で移動しているため、波が邪魔にならないように移動する必要があります。これにより、私たちが目にする航跡が生じます。
高速で移動するボートは長い航跡を残します。 (写真提供:freevideophotoagency/Shutterstock)
物体が媒質中を低速で移動する場合、マッハ数は 1 未満になります。この場合、媒質から外側に移動する媒質内の波は、すべての方向で対称またはほぼ対称になります。
速度が上がると前方の波が圧縮されます。それらはより多くの周波数を持ち、その後ろの波はより少なくなります。音速に達するまで、前方の波は物体の動きが速くなるほど引き締まります。
音速では、マッハ数は 1 に等しくなり、その時点で波は引き締まり、オブジェクトの前面で重なります。
では、動く物体が音速を超えるとどうなるでしょうか?波は順応も追いつかず、いわば取り残される。後続の波は、拡大する円錐の形状を作成します。
衝撃波は超音速で形成されます。
私たちの周りの衝撃波
衝撃波を生み出すものは何ですか？超音速機はマッハ 1 を超える速度で移動することが多いため、その答えは明らかです。下の画像では、音速の壁を破る超音速機を見ることができます。蒸気円錐は、衝撃波による温度と圧力の低下によって発生します。衝撃波が私たちに届くと、ジェット機の通過を連想させるソニック ブームが聞こえます。
音速の壁を破る超音速機。 (写真提供:Katerina_S/Shutterstock)
下の図は、亜音速、マッハ 1、および超音速の条件で波がどのように振る舞うかを示しています。
超音速機がどのように衝撃波を発生させるか (写真提供者:Fouad A. Saad/Shutterstock)
超音速で飛ぶ弾丸は衝撃波を発生させます。これが、誰かのそばを通過するときに聞こえる弾丸の「亀裂」の原因です。以下の素晴らしいビデオでは、シュリーレン イメージングでそのような波がキャプチャされ、分析されている様子を見ることができます。
ムチを割ったときに聞こえる音は、高速で移動する先端によって発生する弱い衝撃波の結果です。はい、そうです。鞭の先は音速よりも速く移動し、その亀裂を作ります!
鞭を鳴らす。 (写真提供:Bernd Zillich/Shutterstock)
雷鳴も衝撃波現象です。爆竹の破裂は衝撃波の結果です。爆弾の爆発は同様の、しかしより大きな球形の衝撃波を発生させ、爆発が十分に強い場合、建物を倒してしまう可能性があります。隕石の衝突もそのような波を引き起こします.
航空機と爆弾を超えて
超音速の流れでは衝撃波が発生します。航空機のような例で衝撃波について話すと、視覚化が制限されることがあります。ここでは、超音速で移動する物体を考えていますが、何かの変化 (たとえば、パイプの形状や寸法の変化) に直面しているパイプを通って超音速で流れる流体についても考えることができます。その場合、衝撃波も発生します!
