En la 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 auto-similar. En términos más simples, una onda expansiva es un área de presión que se expande de manera supersónica hacia afuera desde un núcleo explosivo. Tiene un frente de choque principal de gases comprimidos. La onda expansiva es seguida por una ráfaga de presión manométrica negativa , que succiona los elementos hacia el centro. La onda expansiva es dañina, especialmente cuando uno está muy cerca del centro o en un lugar de interferencia constructiva. Los explosivos de alta potencia que detonan generan ondas expansivas.
Fuentes
Los explosivos de alto orden (HE) son más poderosos que los explosivos de bajo orden (LE). HE detonó para producir una onda de choque de sobrepresurización supersónica 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 de tubo, pólvora y la mayoría de las bombas incendiarias a base de petróleo puro, como los cócteles Molotov o los aviones improvisados como misiles guiados. HE y LE inducen diferentes patrones de lesión. Solo ÉL produce verdaderas ondas expansivas.
Historia
La solución de flujo clásica, la llamada solución de onda expansiva Taylor-von Neumann-Sedov , fue ideada independientemente por John von Neumann [1] [2] y el matemático británico Geoffrey Ingram Taylor [3] [4] durante la Segunda Guerra Mundial . Después de la guerra, la solución de la similitud fue publicada por otros tres autores, LI Sedov , [5] R. Latter, [6] y J. Lockwood-Taylor [7], que la habían descubierto de forma independiente. [8]
Desde los primeros trabajos teóricos hace más de 50 años, se han realizado estudios tanto teóricos como experimentales de las ondas expansivas. [9] [10]
Caracteristicas y propiedades
La forma más simple de onda expansiva ha sido descrita y denominada forma de onda de Friedlander. [11] Ocurre cuando un alto explosivo 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 difractar a través de una abertura estrecha y refractarse a medida que atraviesan los 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 de ella se absorbe y parte de ella se refleja. Las impedancias de los dos materiales determinan la cantidad de cada uno.
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 expansivas envolverán objetos y edificios. [12] 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 efectivas y edificios más seguros. [13]
Formación de tallo de Mach
La formación de 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 un 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 más altas que la presión máxima del frente de choque original.
Interferencia constructiva y destructiva
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 ola en el mismo punto, las crestas interfieren de manera constructiva 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 depresiones forman una depresión de mayor amplitud. Si la cresta de una ola se encuentra con el valle de otra ola, interfieren de manera destructiva y la amplitud general disminuye; creando así una onda que es mucho más pequeña que cualquiera de las ondas madre.
La formación de un vástago 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 causar un aumento de la presión en un punto determinado (interferencia constructiva) o una disminución (interferencia destructiva). ). De esta forma, la interacción de las ondas expansivas es similar a la de las ondas sonoras o las ondas de agua.
Daño
Las ondas expansivas causan daños por una combinación de la compresión significativa del aire frente a la ola (formando un frente de choque ) y el viento subsiguiente que sigue. [14] Una onda expansiva viaja más rápido que la velocidad del sonido y el paso de la onda de choque generalmente dura solo unos pocos milisegundos. Al igual que otros tipos de explosiones, una onda expansiva también puede causar daños a las cosas y a las personas debido a la ráfaga de viento, 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, causando más lesiones como heridas penetrantes, empalamiento, huesos rotos o incluso la muerte. La ráfaga de viento es el área de baja presión que hace que los escombros y los fragmentos se apresuren hacia las explosiones originales. La onda expansiva también puede provocar incendios o incluso explosiones secundarias por una combinación de las altas temperaturas que resultan de la detonación y la destrucción física de los objetos que contienen combustible.
Aplicaciones
Bombas
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 de energía idealizada, 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 es la densidad del aire y es la energía que libera la explosión. [15] [16] [17] Este resultado permitió a GI Taylor estimar el rendimiento de la primera explosión atómica en Nuevo México en 1945 utilizando solo fotografías de la explosión, que habían sido publicadas en periódicos y revistas. [8] El rendimiento de la explosión se determinó mediante la ecuación:,
dónde 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, los valores de C de 1,00-1,10 generalmente dan resultados razonables. En 1950, GI Taylor publicó dos artículos en los que revelaba el rendimiento E de la primera explosión atómica, [3] [4] que había sido previamente clasificada y cuya publicación, por tanto, 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 participación de Estados Unidos en la Guerra de Vietnam, el pulmón explosivo fue una lesión común y, a menudo, mortal. Las mejoras en el equipo de protección personal y vehicular han ayudado a reducir la incidencia de explosión pulmonar. Sin embargo, a medida que los soldados están mejor protegidos de lesiones penetrantes y de sobrevivir a exposiciones previamente letales, las lesiones en las extremidades, las lesiones oculares y auditivas y las lesiones cerebrales traumáticas se han vuelto más frecuentes.
Efectos de las cargas explosivas en los edificios
El comportamiento estructural durante una explosión depende completamente 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 de los componentes móviles debe ser absorbida o disipada para que sobrevivan. Generalmente, esto se logra convirtiendo la energía cinética del componente en movimiento en energía de deformación en los elementos resistentes. [18]
Por lo general, los elementos resistentes, como ventanas, fachadas de edificios y columnas de soporte, fallan, causando daños parciales hasta el colapso progresivo del edificio.
Astronomía
La llamada solución de Sedov-Taylor 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 'Ola 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 es útil para los astrofísicos interesados en predecir el comportamiento de los remanentes de supernovas.
ha vuelto útil enInvestigar
Las ondas expansivas se generan en entornos de investigación utilizando tubos de choque explosivos o impulsados por gas comprimido en un esfuerzo por reproducir el entorno de un conflicto militar para comprender mejor la física de las explosiones y lesiones que pueden resultar, y para desarrollar una mejor protección contra la exposición a explosiones. [19] Las ondas expansivas se dirigen contra estructuras (como vehículos), [20] materiales y muestras biológicas [21] 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 las explosiones. Por ejemplo, el personal de los vehículos y el personal de los equipos de desminado se han simulado utilizando estos ATD. [22]
En combinación con experimentos, se han elaborado modelos matemáticos complejos de la interacción de ondas expansivas con estructuras inanimadas y biológicas. [23] Los modelos validados son útiles para experimentos del tipo "qué pasaría si": predicciones de resultados para diferentes escenarios. Dependiendo del sistema que se modele, puede ser difícil tener parámetros de entrada precisos (por ejemplo, las propiedades del material de un material sensible a la velocidad a velocidades de carga de granallado). La falta de validación experimental limita severamente la utilidad de cualquier modelo numérico.
Referencias
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enlaces externos
- "La formación de una onda expansiva por una explosión muy intensa" La solución de GI Taylor