En dinámica de fluidos , una onda expansiva es el aumento de presión y flujo resultante de la deposición de una gran cantidad de energía en un volumen pequeño y muy localizado. El campo de flujo se puede aproximar como una onda de choque principal , seguida de un campo de flujo subsónico similar. En términos más simples, una onda expansiva es un área de presión que se expande supersónicamente hacia afuera desde un núcleo explosivo. Tiene un frente de choque principal de gases comprimidos. La onda expansiva es seguida por un viento de explosión de presión manométrica negativa , que succiona los elementos hacia el centro. La onda expansiva es dañina especialmente para los objetos muy cercanos al centro o en una ubicación de interferencia constructiva. Los explosivos de alta potencia que detonan generan ondas expansivas.
Los explosivos de alto orden (HE) son más poderosos que los explosivos de bajo orden (LE). Los HE detonan para producir una onda de choque de sobrepresión supersónica definitoria . Las fuentes de HE incluyen trinitrotolueno ( TNT ), C-4 , Semtex , nitroglicerina y fueloil de nitrato de amonio ( ANFO ). Los LE deflagran para crear una explosión subsónica y carecen de la onda de sobrepresión de los HE. Las fuentes de LE incluyen bombas de tubo , pólvora y la mayoría de las bombas incendiarias basadas en petróleo puro , como cócteles Molotov o aviones improvisados como misiles guiados. Los HE y los LE inducen diferentes patrones de lesiones. Solo los HE producen verdaderas ondas explosivas. [1]
La solución clásica de flujo, la llamada solución de onda expansiva de Taylor-von Neumann-Sedov , fue ideada independientemente por John von Neumann [2] [3] y el matemático británico Geoffrey Ingram Taylor [4] [5] durante la Segunda Guerra Mundial . Después de la guerra, la solución de similitud fue publicada por otros tres autores: LI Sedov [6] , R. Latter [7] y J. Lockwood-Taylor [8] , quienes la habían descubierto de forma independiente. [9] Desde los primeros trabajos teóricos, se han realizado estudios tanto teóricos como experimentales de las ondas expansivas. [10] [11]
La forma más simple de una onda expansiva ha sido descrita y denominada forma de onda de Friedlander. [12] Ocurre cuando un explosivo de alta potencia detona en un campo libre: es decir, sin superficies cercanas con las que pueda interactuar. Las ondas expansivas tienen propiedades predichas por la física de las ondas . Por ejemplo, pueden difractarse a través de una abertura estrecha y refractarse al atravesar materiales. Al igual que las ondas de luz o sonido, cuando una onda expansiva alcanza un límite entre dos materiales, parte de ella se transmite, parte se absorbe y parte se refleja. Las impedancias de los dos materiales determinan cuánto ocurre de cada una.
La ecuación para una forma de onda de Friedlander describe la presión de la onda expansiva en función del tiempo:
donde P s es la presión máxima y t* es el tiempo en el que la presión cruza por primera vez el eje horizontal (antes de la fase negativa).
Las ondas expansivas envuelven objetos y edificios. [13] Por lo tanto, las personas u objetos que se encuentran detrás de un gran edificio no están necesariamente protegidos de una explosión que se origina en el lado opuesto del edificio. Los científicos utilizan sofisticados modelos matemáticos para predecir cómo responderán los objetos a una explosión con el fin de diseñar barreras eficaces y edificios más seguros. [14]
La formación de un vástago de Mach se produce cuando una onda expansiva se refleja en el suelo y la reflexión alcanza al frente de choque original, creando así una zona de alta presión que se extiende desde el suelo hasta un punto determinado llamado punto triple en el borde de la onda expansiva. Todo lo que se encuentre en esta zona experimenta presiones máximas que pueden ser varias veces superiores a la presión máxima del frente de choque original.
En física, la interferencia es el encuentro de dos ondas correlacionadas y el aumento o la disminución de la amplitud neta , dependiendo de si es una interferencia constructiva o destructiva. Si una cresta de una onda se encuentra con una cresta de otra onda en el mismo punto, entonces las crestas interfieren de manera constructiva y la amplitud de la onda cresta resultante aumenta, formando una onda mucho más potente que cualquiera de las ondas iniciales. De manera similar, dos valles forman un valle de mayor amplitud. Si una cresta de una onda se encuentra con un valle de otra onda, entonces interfieren destructivamente y la amplitud general disminuye, formando así una onda que es mucho más pequeña que cualquiera de las ondas originales.
La formación de un vástago de Mach es un ejemplo de interferencia constructiva. Siempre que una onda expansiva se refleja en una superficie, como la pared de un edificio o el interior de un vehículo, diferentes ondas reflejadas pueden interactuar entre sí para provocar un aumento de la presión en un punto determinado (interferencia constructiva) o una disminución (interferencia destructiva). De esta manera, la interacción de las ondas expansivas es similar a la de las ondas sonoras o las ondas de agua.
Las ondas expansivas causan daños por una combinación de la compresión significativa del aire frente a la onda (formando un frente de choque ) y el viento posterior que sigue. [15] Una onda expansiva viaja más rápido que la velocidad del sonido , y el paso de la onda expansiva generalmente dura solo unos pocos milisegundos. Al igual que otros tipos de explosiones, una onda expansiva también puede causar daños a cosas y personas por el viento de la explosión, los escombros y los incendios. La explosión original enviará fragmentos que viajan muy rápido. Los escombros y, a veces, incluso las personas pueden ser arrastrados por una onda expansiva, lo que causa más lesiones, como heridas penetrantes, empalamiento y huesos rotos. El viento de la explosión es el área de baja presión que hace que los escombros y los fragmentos regresen rápidamente hacia las explosiones originales. La onda expansiva también puede causar incendios o explosiones secundarias por una combinación de las altas temperaturas que resultan de la detonación y la destrucción física de objetos que contienen combustible.
En respuesta a una consulta del Comité MAUD británico , GI Taylor estimó la cantidad de energía que se liberaría por la explosión de una bomba atómica en el aire. Postuló que para una fuente puntual idealizada de energía, las distribuciones espaciales de las variables de flujo tendrían la misma forma durante un intervalo de tiempo dado, difiriendo las variables solo en escala (de ahí el nombre de "solución de similitud"). Esta hipótesis permite transformar las ecuaciones diferenciales parciales en términos de r (el radio de la onda expansiva) y t (tiempo) en una ecuación diferencial ordinaria en términos de la variable de similitud:
donde es la densidad del aire y es la energía liberada por la explosión. [16] [17] [18] Este resultado le permitió a Taylor estimar el rendimiento nuclear de la prueba Trinity en Nuevo México en 1945 usando solo fotografías de la explosión, que habían sido publicadas en periódicos y revistas. [9] El rendimiento de la explosión se determinó usando la ecuación:
donde es una constante adimensional que es función de la relación entre el calor específico del aire a presión constante y el calor específico del aire a volumen constante. El valor de C también se ve afectado por las pérdidas radiativas, pero para el aire, los valores de C de 1,00-1,10 generalmente dan resultados razonables. En 1950, Taylor publicó dos artículos en los que reveló el rendimiento E de la primera explosión atómica, [4] [5] que previamente había sido clasificado y cuya publicación fue, por lo tanto, una fuente de controversia. [ cita requerida ]
Si bien las explosiones nucleares se encuentran entre los ejemplos más claros del poder destructivo de las ondas expansivas, las ondas expansivas generadas por la explosión de bombas convencionales y otras armas fabricadas con explosivos de alta potencia se han utilizado como armas de guerra debido a su eficacia para crear lesiones politraumáticas. Durante la Segunda Guerra Mundial y la Guerra de Vietnam , la neumonía por explosión era una lesión común y a menudo mortal. Las mejoras en los equipos de protección personal y de vehículos han ayudado a reducir la incidencia de la neumonía por explosión. Sin embargo, a medida que los soldados están mejor protegidos de las lesiones penetrantes y sobreviven a exposiciones que antes eran letales, las lesiones en las extremidades, los ojos, los oídos y el cerebro se han vuelto más frecuentes.
El comportamiento estructural durante una explosión depende de los materiales utilizados en la construcción del edificio. Al impactar contra la fachada de un edificio, el frente de choque de una explosión se refleja. Este impacto con la estructura imparte impulso a los componentes exteriores del edificio. La energía cinética asociada de los componentes móviles debe ser absorbida o disipada para que sobrevivan. Generalmente, esto se logra convirtiendo la energía cinética del componente móvil en energía de deformación en elementos resistentes. [19] Normalmente, los elementos resistentes, como ventanas, fachadas de edificios y columnas de soporte, fallan, causando daños parciales hasta el colapso progresivo del edificio.
La llamada solución de Sedov-Taylor se ha vuelto útil en astrofísica . Por ejemplo, se puede aplicar para cuantificar una estimación del resultado de las explosiones de supernovas . La expansión de Sedov-Taylor también se conoce como la fase de "onda explosiva", que es una fase de expansión adiabática en el ciclo de vida de la supernova. [20] : 96 La temperatura del material en una capa de supernova disminuye con el tiempo, pero la energía interna del material es siempre el 72% de E 0 , la energía inicial liberada. Esto es útil para los astrofísicos interesados en predecir el comportamiento de los remanentes de supernova.
Las ondas explosivas se generan en entornos de investigación utilizando tubos de choque impulsados por gas comprimido o explosivos en un esfuerzo por replicar el entorno de un conflicto militar para comprender mejor la física de las explosiones y las lesiones que pueden resultar, y para desarrollar una mejor protección contra la exposición a las explosiones. [21] Las ondas explosivas se dirigen contra estructuras (como vehículos), [22] materiales y muestras biológicas [23] o sustitutos. Los sensores de presión de alta velocidad y/o las cámaras de alta velocidad se utilizan a menudo para cuantificar la respuesta a la exposición a explosiones. Los dispositivos de prueba antropomórficos (ATD o maniquíes de prueba ) desarrollados inicialmente para la industria automotriz se están utilizando, a veces con instrumentación adicional, para estimar la respuesta humana a los eventos de explosión. Por ejemplo, se ha simulado el personal en vehículos y el personal en equipos de desminado utilizando estos ATD. [24]
Combinados con experimentos, se han elaborado modelos matemáticos complejos de la interacción de las ondas expansivas con estructuras inanimadas y biológicas. [25] Los modelos validados son útiles para experimentos hipotéticos (predicciones de resultados para diferentes escenarios). Dependiendo del sistema que se esté modelando, puede ser difícil tener parámetros de entrada precisos (por ejemplo, las propiedades materiales de un material sensible a la velocidad a velocidades de carga de la explosión). La falta de validación experimental limita gravemente la utilidad de cualquier modelo numérico.
