stringtranslate.com

Onda de choque

Fotografía de Schlieren de un amortiguador adherido a un cuerpo supersónico de nariz afilada
El USS Iowa dispara de costado durante ejercicios de entrenamiento en Puerto Rico, 1984. Se ven marcas circulares donde las ondas de choque atmosféricas esféricas en expansión provenientes de los disparos del cañón se encuentran con la superficie del agua.
La onda expansiva del meteorito de Cheliábinsk que atravesó el cielo matutino ruso el 15 de febrero de 2013

En física, una onda de choque (también escrita 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 , la temperatura y la densidad del medio. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

A modo de comparación, en los flujos supersónicos , se puede lograr una mayor expansión adicional mediante un abanico de expansión , también conocido como abanico de expansión Prandtl-Meyer . La onda de expansión que lo acompaña puede acercarse y, finalmente, colisionar y recombinarse con la onda de choque, creando un proceso de interferencia destructiva. El estampido sónico asociado con el 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 sola se disipan relativamente rápido con la distancia. Cuando una onda de choque pasa a través de 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 se puede extraer como trabajo y como una fuerza de arrastre sobre objetos supersónicos ; las ondas de choque son procesos fuertemente irreversibles .

Terminología

Las ondas de choque pueden ser:

Normal
A 90° (perpendicular) a la dirección del flujo del medio de choque.
Oblicuo
En ángulo respecto a la dirección del flujo.
Arco
Se produce aguas arriba del frente ( proa ) de un objeto romo cuando la velocidad del flujo ascendente excede Mach 1.

Algunos otros términos:

En flujos supersónicos

Diagrama de presión-tiempo en un punto de observación externo para el caso de un objeto supersónico que se propaga más allá del observador. El borde delantero del objeto provoca un choque (izquierda, en rojo) y el borde trasero del objeto provoca una expansión (derecha, en azul).
Onda de choque cónica con su zona de contacto con el suelo en forma de hipérbola en amarillo

La brusquedad del cambio en las características del medio, que caracteriza a las ondas de choque, puede considerarse 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 en el fluido circundante, entonces el fluido cerca de la perturbación no puede reaccionar o "salir del camino" antes de que llegue la perturbación. En una onda de choque, las propiedades del fluido ( densidad , presión , temperatura , velocidad de 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 in), [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 alcanzan un punto donde no pueden viajar más río 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 de sonido 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 ruido de "crujido" o "chasquido". En distancias más largas, una onda de choque puede cambiar de una onda no lineal a una onda lineal, degenerando en una onda de sonido convencional a medida que calienta el aire y pierde energía. La onda de sonido se escucha como el familiar "golpe" o "golpe" de un estampido sónico , comúnmente creado por el vuelo supersónico de los aviones.

La onda de choque es una de las distintas formas en que se puede comprimir un gas en un flujo supersónico. 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 dada que se puede calcular analíticamente para un gas que no reacciona. Una compresión por onda de choque da como resultado una pérdida de presión total, lo que significa que es un método menos eficiente de compresión de gases para algunos fines, por ejemplo, en la entrada de un estatorreactor . La aparición de resistencia por presión en los aviones supersónicos se debe principalmente al efecto de la compresión por choque en el flujo.

Choques normales

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 anterior al choque del medio fluido y otra en el lado posterior al choque). Las dos superficies están separadas por una profundidad muy pequeña de modo que el choque en sí está completamente contenido entre ellas. En tales superficies de control, el momento, el flujo de masa y la energía son constantes; dentro de la combustión, las detonaciones se pueden modelar como la introducción de calor a través de una onda de choque. Se supone que el sistema es adiabático (no sale ni entra calor del sistema) y no se realiza ningún trabajo. Las condiciones de Rankine-Hugoniot surgen de estas consideraciones.

Teniendo en cuenta las hipótesis establecidas, en un sistema en el que 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 explicarse por una caída en la presión de estancamiento del fluido aguas abajo.

Otros shocks

Choques oblicuos

Al analizar las ondas de choque en un campo de flujo que todavía están adheridas al cuerpo, la onda de choque que se desvía en un ángulo arbitrario con respecto a la dirección del flujo se denomina choque oblicuo. Estos choques requieren un análisis del vector de componentes del flujo; al hacerlo, se puede tratar el flujo en una dirección ortogonal al choque oblicuo como un choque normal.

Amortiguadores de proa

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 choques de arco . En estos casos, el modelo de flujo 1d no es válido y se necesitan más análisis para predecir las fuerzas de presión que se ejercen sobre la superficie.

Ondas de choque debidas al empinamiento no lineal

Las ondas de choque se pueden formar debido al empinamiento de las olas ordinarias. El ejemplo más conocido de este fenómeno son las olas oceánicas que forman rompientes en la costa. En aguas poco profundas, la velocidad de las olas superficiales depende de la profundidad del agua. Una ola oceánica entrante tiene una velocidad de ola ligeramente mayor cerca de la cresta de cada ola que cerca de los valles entre 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 delantero de la ola forma una cara vertical y se desborda para formar un choque turbulento (un rompiente) que disipa la energía de la ola en forma de sonido y calor.

Fenómenos similares afectan a las ondas sonoras fuertes en el gas o el plasma, debido a la dependencia de la velocidad del sonido con la temperatura y la presión. Las ondas fuertes calientan el medio cerca de cada frente de presión, debido a la compresión adiabática del aire mismo, de modo que los frentes de alta presión superan los valles de presión correspondientes. Existe una teoría que sostiene que los niveles de presión sonora en instrumentos de viento metal como el trombón se vuelven lo suficientemente altos como para que se produzca una inclinación, formando una parte esencial del timbre brillante de los instrumentos. [10] Si bien la formación de choques mediante este proceso normalmente no ocurre en las ondas sonoras no encerradas en la atmósfera de la Tierra, se cree que es un mecanismo por el cual se calientan la cromosfera solar y la corona , a través de ondas que se propagan hacia arriba desde el interior solar.

Analogías

Una onda de choque puede describirse como el punto más alejado aguas arriba de un objeto en movimiento que "sabe" acerca de la aproximación del objeto. En esta descripción, la posición de la onda de choque se define como el límite entre la zona que no tiene información acerca del evento que impulsa la onda de choque y la zona que conoce el evento que impulsa la onda de choque, 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 manera similar a un atasco de tráfico en una autopista. Cuando se forma una onda de choque, la presión del aire local aumenta y luego se extiende 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 casualidad, ya que las explosiones crean ondas de choque).

Se conocen fenómenos análogos fuera de la mecánica de fluidos. Por ejemplo, las partículas cargadas aceleradas más allá de la velocidad de la luz en un medio refractario (como el agua, donde la velocidad de la luz es menor que en el vacío ) crean efectos de choque visibles, un fenómeno conocido como radiación Cherenkov .

Tipos de fenómenos

A continuación se presentan varios ejemplos de ondas de choque, agrupadas en términos generales con fenómenos de choque similares:

Onda de choque que se propaga en un medio estacionario, delante de la bola de fuego de una explosión. El choque se hace visible por el efecto de sombra (explosión Trinity).

Choque en movimiento

Onda de detonación

Fotografía de Schlieren del amortiguador desprendido de una bala en vuelo supersónico, publicada por Ernst Mach y Peter Salcher en 1887
Sombregrama de las ondas de choque de una bala supersónica disparada desde un fusil. La técnica óptica del sombregrama revela que la bala se mueve a una velocidad de Mach de aproximadamente 1,9. Las ondas de proa y de cola que se desplazan hacia la izquierda y hacia la derecha se reflejan en el aire desde la bala y también se puede ver su estela turbulenta. Los patrones del extremo derecho son partículas de pólvora sin quemar expulsadas por el fusil.

Amortiguador de proa (amortiguador separado)

Choque adjunto

En flujos granulares rápidos

Las ondas de choque también pueden ocurrir en flujos rápidos de materiales granulares densos que descienden por canales o pendientes inclinadas. 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 canal choca contra una pared de obstrucción erigida perpendicularmente al final de un canal largo y empinado. El impacto conduce a un cambio repentino en el régimen de flujo de una capa delgada supercrítica de rápido movimiento a un montón espeso 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.

En astrofísica

Los entornos astrofísicos presentan muchos tipos diferentes de ondas de choque. Algunos ejemplos comunes son las ondas de choque de las supernovas o las ondas expansivas que viajan a través del medio interestelar, el arco de choque causado por el campo magnético de la Tierra al colisionar con el viento solar y las ondas de choque causadas por las galaxias que chocan entre sí. Otro tipo interesante de choque en astrofísica es el choque inverso cuasi constante o choque de terminación que termina el viento ultrarrelativista de los púlsares jóvenes .

Eventos de entrada de meteoritos

Daños causados ​​por una onda de choque de meteorito

Las ondas de choque son generadas por los meteoroides cuando entran en la atmósfera de la Tierra. [11] El evento de Tunguska y el evento meteórico ruso de 2013 son la evidencia mejor documentada de la onda de choque producida por un meteoroide masivo .

Cuando el meteorito de 2013 entró en la atmósfera de la Tierra con una liberación de energía equivalente a 100 o más kilotones de TNT, docenas de veces más potente que la bomba atómica lanzada sobre Hiroshima , la onda de choque del meteorito produjo daños como en el paso de un avión supersónico (directamente debajo de la trayectoria del meteorito) 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 Cheliábinsk y áreas vecinas (en la foto).

Aplicaciones tecnológicas

En los ejemplos siguientes, la onda de choque está controlada, se produce mediante un perfil aerodinámico (por ejemplo) o en el interior de un dispositivo tecnológico, como una turbina .

Choque de recompresión

Choque de recompresión en un perfil aerodinámico de flujo transónico, en un número de Mach crítico o superior

Flujo de tuberías

Motores de combustión

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.

Memristores

En los memristores , bajo un campo eléctrico aplicado externamente, se pueden lanzar ondas de choque a través de los óxidos de metales de transición, creando cambios de resistividad rápidos y no volátiles. [12]

Captura y detección de impactos

Ondas de choque que interactúan entre sí desde dos aviones supersónicos
La NASA tomó su primera fotografía Schlieren de ondas de choque interactuando entre dos aeronaves en 2019.

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 bajo (debido a la disipación numérica) o existen oscilaciones espurias cerca de la superficie de choque mediante un método numérico de orden alto (debido al fenómeno de Gibbs [20] ).

Existen otras discontinuidades en el flujo de fluidos 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 de contacto, la presión y la velocidad son continuas y la densidad es discontinua. Una onda de expansión fuerte o una capa de cizallamiento también pueden 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 las prácticas: (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 correcta captura y detección de ondas de choque son importantes ya que las ondas de choque tienen las siguientes influencias: (1) causar pérdida de presión total, lo que puede ser un problema relacionado con el rendimiento del motor estatorreactor, (2) proporcionar sustentación para la configuración wave-rider, ya que la onda de choque oblicua en la superficie inferior del vehículo puede producir alta presión para generar sustentación, (3) provocar un arrastre de onda en un vehículo de alta velocidad que es perjudicial para el rendimiento del vehículo, (4) inducir una carga de presión severa y un flujo de calor, por ejemplo, la interferencia de choque a choque Tipo IV podría producir un aumento de calentamiento de 17 veces en la superficie del vehículo, (5) interactuar con otras estructuras, como capas límite, para producir nuevas estructuras de flujo como separación de flujo, transición, etc.

Véase también

Referencias

  1. ^ Anderson, John D. Jr. (enero de 2001) [1984], Fundamentos de aerodinámica (3.ª ed.), McGraw-Hill Science/Engineering/Math , ISBN 978-0-07-237335-6
  2. ^ Zel'Dovich, YB, y Raizer, YP (2012). Física de ondas de choque y fenómenos hidrodinámicos de alta temperatura. Courier Corporation.
  3. ^ Landau, LD y Lifshitz, EM (1987). Mecánica de fluidos, volumen 6 del curso de física teórica. Curso de física teórica/por LD Landau y EM Lifshitz, 6.
  4. ^ Courant, R., y Friedrichs, KO (1999). Flujo supersónico y ondas de choque (Vol. 21). Springer Science & Business Media.
  5. ^ Shapiro, AH (1953). Dinámica y termodinámica del flujo de fluidos compresibles, vol. 1 (vol. 454). Ronald Press, Nueva York.
  6. ^ Liepman, HW y Roshko, A. (1957). Elementos de dinámica de gases. John Willey & Sons.
  7. ^ Nikonov, V. Un método semilagrangiano de tipo Godunov sin viscosidad numérica para choques. Fluids 2022, 7, 16. https://doi.org/10.3390/fluids7010016
  8. ^ Fox, Robert W.; McDonald, Alan T. (20 de enero de 1992). Introducción a la mecánica de fluidos (cuarta edición). Wiley. ISBN 0-471-54852-9.
  9. ^ Settles, Gary S. (2006). "Imágenes de alta velocidad de ondas de choque, explosiones y disparos". American Scientist . 94 (1): 22–31. doi :10.1511/2006.57.22.
  10. ^ Hirschberg, A.; Gilbert, J.; Msallam, R.; Wijnands, APJ (marzo de 1996), "Ondas de choque en trombones" (PDF) , Journal of the Acoustical Society of America , 99 (3): 1754–1758, Bibcode :1996ASAJ...99.1754H, doi :10.1121/1.414698, archivado desde el original (PDF) el 2019-12-10 , consultado el 2017-04-17
  11. ^ Silber EA, Boslough M., Hocking WK, Gritsevich M., Whitaker RW (2018). Física de las ondas de choque generadas por meteoritos en la atmósfera terrestre: una revisión. Avances en la investigación espacial, 62(3), 489-532 https://doi.org/10.1016/j.asr.2018.05.010
  12. ^ Tang, Shao; Tesler, Federico; Marlasca, Fernando Gomez; Levy, Pablo; Dobrosavljević, V.; Rozenberg, Marcelo (15 de marzo de 2016). "Ondas de choque y velocidad de conmutación de memristores". Physical Review X . 6 (1): 011028. arXiv : 1411.4198 . Código Bibliográfico :2016PhRvX...6a1028T. doi :10.1103/physrevx.6.011028. S2CID  112884175.
  13. ^ Wu ZN, Xu YZ, etc. (2013), "Revisión del método de detección de ondas de choque en el posprocesamiento de CFD", Chinese Journal of Aeronautics , 26 (3): 501–513, Bibcode :2013ChJAn..26..501W, doi : 10.1016/j.cja.2013.05.001{{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  14. ^ Solem, JC; Veeser, L. (1977). "Estudios exploratorios de ondas de choque impulsadas por láser" (PDF) . Los Alamos Scientific Laboratory Report LA-6997 . 79 : 14376. Bibcode :1977STIN...7914376S. doi :10.2172/5313279. OSTI  5313279.
  15. ^ Veeser, LR; Solem, JC (1978). "Estudios de ondas de choque impulsadas por láser en aluminio". Physical Review Letters . 40 (21): 1391. Bibcode :1978PhRvL..40.1391V. doi :10.1103/PhysRevLett.40.1391.
  16. ^ Solem, JC; Veeser, LR (1978). "Estudios de ondas de choque impulsadas por láser". Actas del simposio sobre el comportamiento de medios densos bajo alta presión dinámica. (Éditions du Commissariat à l'Énergie Atomique, Centre d'Études Nucléaires de Saclay, París) (Informe del laboratorio científico de Los Alamos LA-UR-78-1039): 463–476.
  17. ^ Veeser, L.; Solem, JC; Lieber, A. (1979). "Experimentos de adaptación de impedancia utilizando ondas de choque impulsadas por láser". Applied Physics Letters . 35 (10): 761. Bibcode :1979ApPhL..35..761V. doi :10.1063/1.90961.
  18. ^ Solem, JC; Veeser, L.; Lieber, A. (1979). Experimentos de adaptación de impedancia utilizando ondas de choque impulsadas por láser. Vol. 35. págs. 761–763. Bibcode :1979ApPhL..35..761V. doi :10.1063/1.90961. ISBN 9781483148526. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
  19. ^ Veeser, L.; Lieber, A.; Solem, JC (1979). "Estudios de ondas de choque impulsadas por láser con cámara de rayas planas". Actas de la Conferencia Internacional sobre Láseres '79 . 80 : 45. Código Bibliográfico :1979STIN...8024618V. OSTI  5806611.
  20. ^ Smith, Steven W. (2003). Procesamiento de señales digitales: una guía práctica para ingenieros y científicos. San Diego, California: California Technical Publishing. pp. 209–224. ISBN 978-0966017632.
  21. ^ Hoover, Wm. G.; Hoover, Carol G.; Travis, Karl P. (10 de abril de 2014). "Compresión de ondas de choque y expansión de Joule-Thomson". Physical Review Letters . 112 (14): 144504. arXiv : 1311.1717 . Código Bibliográfico :2014PhRvL.112n4504H. doi :10.1103/PhysRevLett.112.144504. PMID  24765974. S2CID  33580985.

Nikonov, V. Un método semilagrangiano de tipo Godunov sin viscosidad numérica para choques. Fluids 2022, 7, 16. https://doi.org/10.3390/fluids7010016

Lectura adicional

Enlaces externos