Τι είναι τα κρουστικά κύματα και πώς δημιουργούνται;

Τα κρουστικά κύματα συμβαίνουν όταν κάτι κινείται ταχύτερα από την ταχύτητα του ήχου, προκαλώντας ξαφνικές διακυμάνσεις στις ιδιότητες του υγρού.

Όταν ακούτε τη λέξη shockwave, σας έρχονται στο μυαλό αρκετές εικόνες. Το αποτέλεσμα της έκρηξης μιας βόμβας είναι ίσως το πιο σημαντικό. Συχνά λέμε ότι τα μεγάλα γεγονότα, όπως οι εκλογές, προκάλεσαν «σοκ» σε όλη τη χώρα, αλλά αυτά είναι μόνο μεταφορικά κρουστικά κύματα. Μπορεί ακόμη και να σκέφτεστε τον ομώνυμο υπερήρωα της Marvel, αλλά τώρα ξεφεύγουμε από το θέμα…

Ας εξερευνήσουμε τι σημαίνουν τα ωστικά κύματα στη φυσική και πώς ακριβώς δημιουργούνται.

Τι είναι το ωστικό κύμα;

Ένα κρουστικό κύμα, όπως κάθε κύμα, είναι μια διαταραχή που κινείται μέσα από ένα μέσο. Είναι λεπτά μέτωπα κύματος που προκαλούν ξαφνικές αλλαγές στην πίεση, τη θερμοκρασία και την πυκνότητα του μέσου.

Τα κρουστικά κύματα προκαλούνται σε υπερηχητικές ροές. Αυτό συμβαίνει όταν κάτι ταξιδεύει με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου στο μέσο. Όταν μια σφαίρα ταξιδεύει με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου στον αέρα, έχουμε κρουστικά κύματα.

Για να απεικονίσουμε τα κρουστικά κύματα, χρειαζόμαστε ειδικές τεχνικές απεικόνισης όπως η απεικόνιση Schlieren για να τα καταγράψουμε.

Κρουστικό κύμα από σφαίρα που καταγράφηκε χρησιμοποιώντας απεικόνιση Schlieren. (Φωτογραφία:Nathan Boor /Wikimedia commons)

Εάν το κρουστικό κύμα παράγεται σε κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση της ροής, ονομάζονται κανονικά κρούσεις. Εάν εμφανίζονται υπό γωνία, ονομάζονται λοξά κρουστικά κύματα.

Πώς σχηματίζονται τα κρουστικά κύματα;

Πριν φτάσουμε στο πώς, ας δούμε τον αριθμό Mach. Αυτή είναι η αναλογία της ταχύτητας ενός αντικειμένου που κινείται μέσα από ένα μέσο προς την ταχύτητα του ήχου σε αυτό το μέσο. Ως εκ τούτου, η ταχύτητα 1 Mach αναφέρεται όταν ένα αντικείμενο κινείται με την ταχύτητα του ήχου, που ονομάζεται επίσης υπερηχητική ταχύτητα.

Ο αριθμός Mach.

Σκεφτείτε ένα σκάφος που κινείται μέσα στο νερό. Το σκάφος κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα των κυμάτων στο νερό, επομένως τα κύματα πρέπει να απομακρυνθούν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον απόηχο που βλέπουμε.

Ένα σκάφος που κινείται με μεγάλη ταχύτητα αφήνει ένα μακρύ ξύπνημα. (Πιστωτική φωτογραφία :freevidephotoagency/Shutterstock)

Όταν ένα αντικείμενο κινείται μέσα από ένα μέσο με χαμηλή ταχύτητα, ο αριθμός mach είναι μικρότερος από ένα. Σε αυτήν την περίπτωση, τα κύματα στο μέσο που κινούνται προς τα έξω από αυτό θα είναι συμμετρικά ή σχεδόν συμμετρικά προς όλες τις κατευθύνσεις.

Όταν ανεβάσει ταχύτητα, τα κύματα μπροστά του θα συμπιεστούν. Θα έχουν μεγαλύτερη συχνότητα και τα κύματα πίσω από αυτό θα έχουν μικρότερη συχνότητα. Τα κύματα μπροστά σφίγγουν όσο πιο γρήγορα κινείται το αντικείμενο, μέχρι να φτάσουμε στην ταχύτητα του ήχου.

Στην ταχύτητα του ήχου, ο αριθμός mach είναι ίσος με ένα, οπότε τα κύματα θα σφίγγονται και θα επικαλύπτονται στο μπροστινό μέρος του αντικειμένου.

Τι συμβαίνει λοιπόν όταν το κινούμενο αντικείμενο υπερβεί την ταχύτητα του ήχου; Τα κύματα δεν μπορούν να προσαρμοστούν ή να καλύψουν τη διαφορά και μένουν πίσω, ας πούμε έτσι. Τα συρόμενα κύματα δημιουργούν το σχήμα ενός διαστελλόμενου κώνου.

Τα κρουστικά κύματα σχηματίζονται σε υπερηχητικές ταχύτητες.

Shock Waves γύρω μας

Τι δημιουργεί κρουστικά κύματα; Τα υπερηχητικά αεροσκάφη είναι μια προφανής απάντηση, καθώς ταξιδεύουν συχνά με ταχύτητες πάνω από ένα mach. Στην παρακάτω εικόνα, μπορείτε να δείτε ένα υπερηχητικό αεροσκάφος να σπάει το φράγμα του ήχου. Ο κώνος ατμού προκαλείται από την πτώση της θερμοκρασίας και της πίεσης που προκαλείται από τα κρουστικά κύματα. Όταν τα ωστικά κύματα φτάνουν σε εμάς, ακούμε την ηχητική έκρηξη που συνδέουμε με πίδακες που περνούν.

Ένα υπερηχητικό αεροσκάφος σπάει το φράγμα του ήχου. (Photo Credit :Katerina_S/Shutterstock)

Η παρακάτω εικόνα δείχνει πώς συμπεριφέρονται τα κύματα σε υποηχητικές, mach one και υπερηχητικές συνθήκες.

Πώς ένα υπερηχητικό αεροσκάφος δημιουργεί κρουστικά κύματα (Photo Credit :Fouad A. Saad/Shutterstock)

Οι σφαίρες που ταξιδεύουν με υπερηχητικές ταχύτητες δημιουργούν κρουστικά κύματα. Αυτό είναι που προκαλεί το «κράξιμο» της σφαίρας που ακούγεται καθώς περνάει από κάποιον. Στο εκπληκτικό βίντεο παρακάτω, μπορείτε να δείτε τέτοια κύματα να καταγράφονται με απεικόνιση Schlieren και στη συνέχεια να αναλύονται.

Ο ήχος που ακούγεται όταν σπάει ένα μαστίγιο είναι το αποτέλεσμα αδύναμων κρουστικών κυμάτων που παράγονται από το άκρο που κινείται γρήγορα. Ναι, σωστά. Η άκρη ενός μαστιγίου ταξιδεύει πιο γρήγορα από την ταχύτητα του ήχου για να δημιουργήσει αυτή τη ρωγμή!

Σπάσιμο μαστίγιου. (Φωτογραφία:Bernd Zillich/Shutterstock)

Ο ήχος της βροντής είναι επίσης ένα φαινόμενο κρουστικών κυμάτων. Η έκρηξη των κροτίδων είναι αποτέλεσμα κρουστικών κυμάτων. Οι εκρήξεις βομβών δημιουργούν παρόμοια, αλλά μεγαλύτερα σφαιρικά κρουστικά κύματα, τα οποία μπορούν να χτυπήσουν τα κτίρια εάν η έκρηξη είναι αρκετά ισχυρή. Μια πρόσκρουση μετεωρίτη θα προκαλούσε επίσης τέτοια κύματα.

Πέρα από αεροσκάφη και βόμβες

Τα κρουστικά κύματα προκαλούνται σε υπερηχητικές ροές. Το να μιλάμε για κρουστικά κύματα με παραδείγματα όπως αεροσκάφη μπορεί μερικές φορές να περιορίσει τις οπτικοποιήσεις μας. Εδώ σκεφτόμαστε αντικείμενα που κινούνται με υπερηχητικές ταχύτητες, αλλά μπορούμε επίσης να σκεφτόμαστε ένα ρευστό που ρέει με υπερηχητικές ταχύτητες μέσω ενός σωλήνα που αντιμετωπίζει μια αλλαγή σε κάτι - μια παραλλαγή στο σχήμα ή τις διαστάσεις του σωλήνα, για παράδειγμα. Σε μια τέτοια περίπτωση θα δημιουργούνταν και κρουστικά κύματα!