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 autosimilar. 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 delantero de gases comprimidos. A la onda expansiva le sigue una ráfaga de viento de presión manométrica negativa , que succiona los objetos hacia el centro. La onda expansiva es dañina especialmente cuando uno está muy cerca del centro o en un lugar de interferencia constructiva. Los altos explosivos que detonan generan ondas explosivas.
Los explosivos de alto orden (HE) son más poderosos que los explosivos de bajo orden (LE). HE detona para producir una onda de choque supersónica de sobrepresurización definitoria. Varias fuentes de HE incluyen trinitrotolueno , C-4 , Semtex , nitroglicerina y fueloil de nitrato de amonio ( ANFO ). LE deflagra para crear una explosión subsónica y carece de la onda de sobrepresurización de HE. Las fuentes de LE incluyen bombas caseras, pólvora y la mayoría de las bombas incendiarias basadas en petróleo puro, como cócteles Molotov o aviones improvisados como misiles guiados. HE y LE inducen diferentes patrones de lesión. Sólo ÉL produce verdaderas ondas explosivas. [1]
La solución de flujo clásica, la llamada solución de onda expansiva de Taylor-von Neumann-Sedov , fue ideada de forma independiente 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] , que la habían descubierto de forma independiente. [9]
Desde los primeros trabajos teóricos, se han llevado a cabo estudios tanto teóricos como experimentales sobre las ondas expansivas. [10] [11]
La forma más simple de onda expansiva ha sido descrita y denominada forma de onda de Friedlander. [12] Ocurre cuando un explosivo de gran potencia detona en campo libre, es decir, sin superficies cercanas con las que pueda interactuar. Las ondas explosivas tienen propiedades predichas por la física de las ondas . Por ejemplo, pueden difractar a través de una abertura estrecha y refractarse al atravesar materiales. Al igual que las ondas de luz o de sonido, cuando una onda expansiva alcanza un límite entre dos materiales, parte se transmite, parte se absorbe y parte se refleja. Las impedancias de los dos materiales determinan la cantidad de cada uno que se produce.
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 momento en el que la presión cruza por primera vez el eje horizontal (antes de la fase negativa).
Las ondas explosivas envolverán objetos y edificios. [13] Por lo tanto, las personas u objetos detrás de un edificio grande no están necesariamente protegidos de una explosión que comienza en el lado opuesto del edificio. Los científicos utilizan modelos matemáticos sofisticados para predecir cómo responderán los objetos a una explosión con el fin de diseñar barreras eficaces y edificios más seguros. [14]
La formación del tallo de Mach ocurre cuando una onda expansiva se refleja en el suelo y la reflexión alcanza el frente de choque original, creando así una zona de alta presión que se extiende desde el suelo hasta cierto punto llamado punto triple en el borde de la onda expansiva. . Cualquier cosa en esta área experimenta presiones máximas que pueden ser varias veces mayores que la presión máxima del frente de choque original.
En física, la interferencia es el encuentro de dos ondas correlacionadas y aumenta o disminuye la amplitud neta, dependiendo de si se trata de una interferencia constructiva o destructiva. Si la cresta de una onda se encuentra con la cresta de otra onda en el mismo punto, entonces las crestas interfieren constructivamente y la amplitud de la onda de cresta resultante aumenta; formando una ola mucho más poderosa que cualquiera de las olas iniciales. De manera similar, dos canales forman un canal de mayor amplitud. Si la cresta de una onda se encuentra con el 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 tallo 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 este modo, la interacción de las ondas expansivas es similar a la de las ondas sonoras o a la de las ondas de agua.
Las ondas expansivas causan daños por una combinación de la compresión significativa del aire delante de la ola (formando un frente de choque ) y el viento posterior que la sigue. [15] Una onda expansiva viaja más rápido que la velocidad del sonido y el paso de la onda de choque suele durar sólo unos pocos milisegundos. Al igual que otros tipos de explosiones, una onda expansiva también puede causar daños a cosas y personas por el viento, los escombros y los incendios. La explosión original enviará fragmentos que viajarán muy rápido. Los escombros y, a veces, incluso las personas pueden ser arrastrados por una onda expansiva, causando más lesiones, como heridas penetrantes, empalamiento y huesos rotos. El viento explosivo es el área de baja presión que hace que los escombros y fragmentos regresen rápidamente hacia las explosiones originales. La onda expansiva también puede provocar 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 investigación 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 sólo en escala. (De ahí el nombre de la "solución de similitud"). Esta hipótesis permitió que las ecuaciones diferenciales parciales en términos de r (el radio de la onda expansiva) y t (tiempo) se transformaran en una ecuación diferencial ordinaria en términos de la variable de similitud. ,
¿Dónde está la densidad del aire y la energía liberada por la explosión? [16] [17] [18] Este resultado permitió a GI Taylor estimar el rendimiento de la primera explosión atómica en Nuevo México en 1945 utilizando sólo fotografías de la explosión, que habían sido publicadas en periódicos y revistas. [9] El rendimiento de la explosión se determinó utilizando 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 por radiación, pero para el aire, valores de C de 1,00 a 1,10 generalmente dan resultados razonables. En 1950, GI Taylor publicó dos artículos en los que revelaba el rendimiento E de la primera explosión atómica, [4] [5] que había sido previamente clasificado y cuya publicación fue, por tanto, motivo de controversia. [ cita necesaria ]
Si bien las explosiones nucleares se encuentran entre los ejemplos más claros del poder destructivo de las ondas expansivas, las ondas explosivas generadas por la explosión de bombas convencionales y otras armas fabricadas con explosivos potentes se han utilizado como armas de guerra debido a su eficacia para crear lesiones politraumáticas. Durante la Segunda Guerra Mundial y la participación de Estados Unidos en la Guerra de Vietnam, la explosión pulmonar era una lesión común y a menudo mortal. Las mejoras en los equipos de protección personal y vehicular han ayudado a reducir la incidencia de explosión pulmonar. Sin embargo, a medida que los soldados están mejor protegidos contra lesiones penetrantes y sobreviven a exposiciones previamente letales, las lesiones en las extremidades, los ojos y los oídos y las lesiones cerebrales traumáticas se han vuelto más frecuentes.
El comportamiento estructural durante una explosión depende enteramente de los materiales utilizados en la construcción del edificio. Al golpear la fachada de un edificio, el frente de choque de una explosión se refleja instantáneamente. Este impacto con la estructura imparte impulso a los componentes exteriores del edificio. La energía cinética asociada a los componentes en movimiento debe absorberse o disiparse 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, provocando 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 explosiones de supernovas . La expansión de Sedov-Taylor también se conoce como fase de 'onda explosiva', que es una fase de expansión adiabática en el ciclo de vida de una supernova. 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 resulta útil para los astrofísicos interesados en predecir el comportamiento de los restos de supernovas.
Las ondas explosivas se generan en entornos de investigación utilizando tubos de choque impulsados por explosivos o gas comprimido 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 desarrollar una mejor protección contra la exposición a las explosiones. [20] Las ondas explosivas se dirigen contra estructuras (como vehículos), [21] materiales y especímenes biológicos [22] o sustitutos. A menudo se utilizan sensores de presión de alta velocidad y/o cámaras de alta velocidad para cuantificar la respuesta a la exposición a una explosión. 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 las explosiones. Por ejemplo, utilizando estos ATD se ha simulado personal en vehículos y personal en equipos de desminado. [23]
Combinados con experimentos, se han elaborado modelos matemáticos complejos de la interacción de ondas explosivas con estructuras biológicas e inanimadas. [24] Los modelos validados son útiles para experimentos "qué pasaría si": predicciones de resultados para diferentes escenarios. Dependiendo del sistema que se esté modelando, puede resultar difícil tener parámetros de entrada precisos (por ejemplo, las propiedades de un material sensible a la velocidad a velocidades de carga de voladura). La falta de validación experimental limita gravemente la utilidad de cualquier modelo numérico.
