En física, una onda de choque (también escrita como onda de choque ), o choque , es un tipo de perturbación que se propaga y se mueve más rápido que la velocidad local del sonido en el medio. Al igual que una onda ordinaria, una onda de choque transporta energía y puede propagarse a través de un medio, pero se caracteriza por un cambio abrupto, casi discontinuo, en la presión , temperatura y densidad del medio. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
A modo de comparación, en flujos supersónicos se puede lograr una mayor expansión adicional mediante un ventilador de expansión , también conocido como ventilador de expansión Prandtl-Meyer . La onda de expansión que la acompaña puede acercarse y eventualmente colisionar y recombinarse con la onda de choque, creando un proceso de interferencia destructiva. El boom sónico asociado al paso de un avión supersónico es un tipo de onda sonora producida por interferencia constructiva .
A diferencia de los solitones (otro tipo de onda no lineal), la energía y la velocidad de una onda de choque por sí solas se disipan relativamente rápido con la distancia. Cuando una onda de choque atraviesa la materia, la energía se conserva pero la entropía aumenta. Este cambio en las propiedades de la materia se manifiesta como una disminución de la energía que puede extraerse como trabajo y como una fuerza de arrastre sobre los objetos supersónicos ; Las ondas de choque son procesos fuertemente irreversibles .
Las ondas de choque pueden ser:
Algunos otros términos:
La brusquedad del cambio en las características del medio, que caracterizan a las ondas de choque, puede verse como una transición de fase : el diagrama de presión-tiempo de un objeto supersónico que se propaga muestra cómo la transición inducida por una onda de choque es análoga a una transición de fase dinámica. .
Cuando un objeto (o perturbación) se mueve más rápido de lo que la información puede propagarse hacia el fluido circundante, entonces el fluido cercano a la perturbación no puede reaccionar o "quitarse del camino" antes de que llegue la perturbación. En una onda de choque las propiedades del fluido ( densidad , presión , temperatura , velocidad del flujo , número de Mach ) cambian casi instantáneamente. [7] Las mediciones del espesor de las ondas de choque en el aire han dado como resultado valores de alrededor de 200 nm (aproximadamente 10 −5 pulgadas), [8] que está en el mismo orden de magnitud que el camino libre medio de las moléculas de gas. En referencia al continuo, esto implica que la onda de choque puede tratarse como una línea o un plano si el campo de flujo es bidimensional o tridimensional, respectivamente.
Las ondas de choque se forman cuando un frente de presión se mueve a velocidades supersónicas y empuja el aire circundante. [9] En la región donde esto ocurre, las ondas sonoras que viajan contra la corriente llegan a un punto en el que no pueden viajar más aguas arriba y la presión aumenta progresivamente en esa región; Se forma rápidamente una onda de choque de alta presión.
Las ondas de choque no son ondas sonoras convencionales; una onda de choque toma la forma de un cambio muy brusco en las propiedades del gas. Las ondas de choque en el aire se escuchan como un fuerte "crujido" o "chasquido". En distancias más largas, una onda de choque puede pasar de una onda no lineal a una onda lineal, degenerando en una onda sonora convencional a medida que calienta el aire y pierde energía. La onda sonora se escucha como el familiar "ruido sordo" o "golpe sordo" de un boom sónico , comúnmente creado por el vuelo supersónico de un avión.
La onda de choque es una de las varias formas en que se puede comprimir un gas en un flujo supersónico. Algunos otros métodos son las compresiones isentrópicas , incluidas las compresiones de Prandtl -Meyer. El método de compresión de un gas da como resultado diferentes temperaturas y densidades para una relación de presión determinada que puede calcularse analíticamente para un gas que no reacciona. La compresión de una onda de choque produce una pérdida de presión total, lo que significa que es un método menos eficiente para comprimir gases para algunos propósitos, por ejemplo en la entrada de un scramjet . La aparición de presión-arrastre en aviones supersónicos se debe principalmente al efecto de la compresión del impacto sobre el flujo.
En la mecánica de fluidos elemental que utiliza gases ideales , una onda de choque se trata como una discontinuidad donde la entropía aumenta abruptamente a medida que pasa el choque. Dado que ningún flujo de fluido es discontinuo, se establece un volumen de control alrededor de la onda de choque, con las superficies de control que limitan este volumen paralelas a la onda de choque (con una superficie en el lado previo al choque del medio fluido y otra en el lado posterior al choque). lado de choque). Las dos superficies están separadas por una profundidad muy pequeña, de modo que el choque mismo queda completamente contenido entre ellas. En dichas superficies de control, el impulso, el flujo de masa y la energía son constantes; Dentro de la combustión, las detonaciones pueden modelarse como la introducción de calor a través de una onda de choque. Se supone que el sistema es adiabático (no entra ni sale calor) y no se realiza ningún trabajo. Las condiciones de Rankine-Hugoniot surgen de estas consideraciones.
Teniendo en cuenta los supuestos establecidos, en un sistema donde las propiedades aguas abajo se están volviendo subsónicas: las propiedades de flujo aguas arriba y aguas abajo del fluido se consideran isentrópicas. Dado que la cantidad total de energía dentro del sistema es constante, la entalpía de estancamiento permanece constante en ambas regiones. Sin embargo, la entropía está aumentando; esto debe tenerse en cuenta por una caída en la presión de estancamiento del fluido aguas abajo.
Cuando se analizan ondas de choque en un campo de flujo, que todavía están adheridas al cuerpo, la onda de choque que se desvía en algún ángulo arbitrario de la dirección del flujo se denomina choque oblicuo. Estos shocks requieren un análisis de componentes vectoriales del flujo; hacerlo permite tratar el flujo en dirección ortogonal al choque oblicuo como un choque normal.
Cuando es probable que se forme un choque oblicuo en un ángulo que no puede permanecer en la superficie, surge un fenómeno no lineal en el que la onda de choque formará un patrón continuo alrededor del cuerpo. Estos se denominan arcos de choque . En estos casos, el modelo de flujo 1d no es válido y se necesitan análisis adicionales para predecir las fuerzas de presión que se ejercen sobre la superficie.
Se pueden formar ondas de choque debido al aumento de la intensidad de las ondas ordinarias. El ejemplo más conocido de este fenómeno son las olas del océano que forman rompientes en la costa. En aguas poco profundas, la velocidad de las ondas superficiales depende de la profundidad del agua. Una ola oceánica entrante tiene una velocidad de onda ligeramente mayor cerca de la cresta de cada ola que cerca de los valles entre las olas, porque la altura de la ola no es infinitesimal en comparación con la profundidad del agua. Las crestas superan a los valles hasta que el borde de ataque de la onda forma una cara vertical y se desborda para formar un choque turbulento (una rompiente) que disipa la energía de la onda en forma de sonido y calor.
Fenómenos similares afectan a las ondas sonoras fuertes en gas o plasma, debido a la dependencia de la velocidad del sonido de la temperatura y la presión. Ondas fuertes calientan el medio cerca de cada frente de presión, debido a la compresión adiabática del propio aire, de modo que los frentes de alta presión superan a los valles de presión correspondientes. Existe la teoría de que los niveles de presión sonora en los instrumentos de metal, como el trombón, se vuelven lo suficientemente altos como para que se produzca una intensificación, formando una parte esencial del timbre brillante de los instrumentos. [10] Si bien la formación de choques mediante este proceso normalmente no ocurre con las ondas sonoras no encerradas en la atmósfera de la Tierra, se cree que es un mecanismo por el cual la cromosfera y la corona solares se calientan, a través de ondas que se propagan desde el interior solar.
Una onda de choque puede describirse como el punto más alejado de un objeto en movimiento, que "sabe" su aproximación. En esta descripción, la posición de la onda de choque se define como el límite entre la zona que no tiene información sobre el evento que genera el shock y la zona que tiene conocimiento del evento que genera el shock, de manera análoga al cono de luz descrito en la teoría de la relatividad especial .
Para producir una onda de choque, un objeto en un medio determinado (como el aire o el agua) debe viajar más rápido que la velocidad local del sonido. En el caso de un avión que viaja a alta velocidad subsónica, las regiones de aire alrededor del avión pueden viajar exactamente a la velocidad del sonido, de modo que las ondas sonoras que salen del avión se acumulan unas sobre otras, de forma similar a un atasco en una autopista. . Cuando se forma una onda de choque, la presión del aire local aumenta y luego se propaga hacia los lados. Debido a este efecto de amplificación, una onda de choque puede ser muy intensa, más parecida a una explosión cuando se escucha a distancia (no es coincidencia, ya que las explosiones crean ondas de choque).
Fuera de la mecánica de fluidos se conocen fenómenos análogos. Por ejemplo, las partículas cargadas aceleradas más allá de la velocidad de la luz en un medio refractivo (como el agua, donde la velocidad de la luz es menor que la del vacío ) crean efectos de choque visibles, un fenómeno conocido como radiación de Cherenkov .
A continuación se muestran varios ejemplos de ondas de choque, agrupadas en términos generales con fenómenos de choque similares:
Las ondas de choque también pueden ocurrir en flujos rápidos de materiales granulares densos que descienden por canales o pendientes inclinados. Los choques fuertes en flujos granulares densos y rápidos se pueden estudiar teóricamente y analizar para compararlos con datos experimentales. Considere una configuración en la que el material que se mueve rápidamente por el conducto choca contra una pared de obstrucción erigida perpendicularmente al final de un canal largo y empinado. El impacto provoca un cambio repentino en el régimen de flujo de una capa delgada supercrítica que se mueve rápidamente a un montón grueso estancado. Esta configuración de flujo es particularmente interesante porque es análoga a algunas situaciones hidráulicas y aerodinámicas asociadas con cambios de régimen de flujo de flujos supercríticos a subcríticos.
Los entornos astrofísicos presentan muchos tipos diferentes de ondas de choque. Algunos ejemplos comunes son las ondas de choque de supernovas u ondas explosivas que viajan a través del medio interestelar, el arco de choque causado por el campo magnético de la Tierra que choca con el viento solar y las ondas de choque causadas por la colisión de galaxias entre sí. Otro tipo interesante de choque en astrofísica es el choque inverso casi constante o choque de terminación que pone fin al viento ultra relativista de los púlsares jóvenes .
Las ondas de choque son generadas por los meteoritos cuando ingresan a la atmósfera terrestre. [11] El evento de Tunguska y el evento de un meteorito ruso de 2013 son la evidencia mejor documentada de la onda de choque producida por un meteoroide masivo .
Cuando el meteoro de 2013 entró en la atmósfera terrestre con una liberación de energía equivalente a 100 o más kilotones de TNT, docenas de veces más poderosa que la bomba atómica lanzada sobre Hiroshima , la onda de choque del meteoro produjo daños como en el sobrevuelo de un avión supersónico (directamente debajo trayectoria del meteoro) y como una onda de detonación , con la onda de choque circular centrada en la explosión del meteorito, causando múltiples casos de vidrios rotos en la ciudad de Chelyabinsk y áreas vecinas (en la foto).
En los ejemplos siguientes, la onda de choque se controla, se produce (por ejemplo, en un perfil aerodinámico) o en el interior de un dispositivo tecnológico, como una turbina .
El motor de disco ondulado (también llamado "rotor de onda de combustión interna radial") es un tipo de motor rotativo sin pistón que utiliza ondas de choque para transferir energía entre un fluido de alta energía a un fluido de baja energía, aumentando así tanto la temperatura como la presión del fluido de baja energía.
En los memristores , bajo un campo eléctrico aplicado externamente, se pueden lanzar ondas de choque a través de los óxidos de los metales de transición, creando cambios de resistividad rápidos y no volátiles. [12]
Se necesitan técnicas avanzadas para capturar ondas de choque y detectarlas tanto en cálculos numéricos como en observaciones experimentales. [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]
La dinámica de fluidos computacional se utiliza comúnmente para obtener el campo de flujo con ondas de choque. Aunque las ondas de choque son discontinuidades agudas, en soluciones numéricas de flujo de fluido con discontinuidades (onda de choque, discontinuidad de contacto o línea de deslizamiento), la onda de choque se puede suavizar mediante un método numérico de orden inferior (debido a la disipación numérica) o hay oscilaciones espurias. cerca de la superficie de choque mediante un método numérico de alto orden (debido al fenómeno de Gibbs [20] ).
Existen otras discontinuidades en el flujo de fluido además de la onda de choque. La superficie de deslizamiento (3D) o línea de deslizamiento (2D) es un plano a través del cual la velocidad tangente es discontinua, mientras que la presión y la velocidad normal son continuas. A través de la discontinuidad del contacto, la presión y la velocidad son continuas y la densidad es discontinua. Una fuerte onda de expansión o capa de corte también puede contener regiones de alto gradiente que parecen ser una discontinuidad. Algunas características comunes de estas estructuras de flujo y ondas de choque y los aspectos insuficientes de las herramientas numéricas y experimentales conducen a dos problemas importantes en la práctica: (1) algunas ondas de choque no se pueden detectar o sus posiciones se detectan incorrectamente, (2) algunas estructuras de flujo que no son ondas de choque se detectan erróneamente como ondas de choque.
De hecho, la captura y detección correctas de las ondas de choque son importantes ya que las ondas de choque tienen las siguientes influencias: (1) provocan una pérdida de presión total, lo que puede ser un problema relacionado con el rendimiento del motor scramjet, (2) proporcionan sustentación para la configuración del wave-rider , ya que la onda de choque oblicua en la superficie inferior del vehículo puede producir alta presión para generar sustentación, (3) provocando un arrastre de onda del vehículo de alta velocidad que es perjudicial para el rendimiento del vehículo, (4) induciendo una carga de presión y un flujo de calor severos, por ejemplo, la interferencia de choque-choque de Tipo IV podría producir un aumento de calentamiento de 17 veces en la superficie del vehículo, (5) interactuando con otras estructuras, como capas límite, para producir nuevas estructuras de flujo como separación de flujo, transición, etc.
{{citation}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Nikonov, V. Un método semi-lagrangiano de tipo Godunov sin viscosidad numérica para choques. Fluidos 2022, 7, 16. https://doi.org/10.3390/fluids7010016
