En física, una onda de choque (también deletreada 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. Como una onda ordinaria, una onda de choque transporta energía y puede propagarse a través de un medio, pero se caracteriza por un cambio brusco, casi discontinuo, en la presión , temperatura y densidad del medio. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
A efectos de comparación, en los flujos supersónicos, se puede lograr una mayor expansión adicional a través de un ventilador de expansión , también conocido como ventilador de expansión Prandtl-Meyer . La onda de expansión acompañante puede acercarse y eventualmente chocar y recombinarse con la onda de choque, creando un proceso de interferencia destructiva. El boom 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 disipa relativamente rápido con la distancia. Cuando una onda de choque atraviesa 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 los 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 con la dirección del flujo.
- Inclinarse
- Ocurre aguas arriba del frente ( proa ) de un objeto contundente cuando la velocidad del flujo aguas arriba excede Mach 1.
Algunos otros términos:
- Frente de choque: El límite sobre el cual las condiciones físicas experimentan un cambio abrupto debido a una onda de choque.
- Frente de contacto: en una onda de choque causada por un gas conductor (por ejemplo, el "impacto" de un explosivo alto en el aire circundante), el límite entre el conductor (productos explosivos) y los gases impulsados (aire). El Frente de Contacto sigue al Frente de Choque.
En flujos supersónicos
La brusquedad del cambio en las características del medio, que caracterizan las ondas de choque, puede verse 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 cercano a la perturbación no puede reaccionar o "salirse 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. 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 pulgadas ), [7] 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. [8] En la región donde esto ocurre, las ondas sonoras que viajan en contra del flujo alcanzan un punto en el que no pueden viajar más aguas 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 ruido fuerte 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 boom sónico , comúnmente creado por el vuelo supersónico de un avión.
La onda de choque es una de las diferentes formas en que se puede comprimir un gas en un flujo supersónico. Algunos 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 de onda de choque da como resultado una pérdida de presión total, lo que significa que es un método menos eficiente de comprimir gases para algunos propósitos, por ejemplo, en la entrada de un scramjet . La aparición de arrastre de presión en aviones supersónicos se debe principalmente al efecto de la compresión del impacto 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 en una región casi infinitesimal. 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 en paralelo a la onda de choque (con una superficie en el lado previo al choque del medio fluido y otra en el lado posterior al choque). lado de 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 pueden modelarse como la introducción de calor a través de una onda de choque. Se asume que el sistema es adiabático (no entra ni sale calor al sistema) y no se está realizando ningún trabajo. Las condiciones de Rankine-Hugoniot surgen de estas consideraciones.
Teniendo en cuenta los supuestos establecidos, en un sistema donde 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 corriente abajo.
Otros choques
Choques oblicuos
Cuando se analizan ondas de choque en un campo de flujo, que todavía están adheridas al cuerpo, la onda de choque que se desvía en algún ángulo arbitrario de la dirección del flujo se denomina choque oblicuo . Estos choques requieren un análisis de vector de componentes del flujo; hacerlo permite el tratamiento del flujo en una dirección ortogonal al choque oblicuo como un choque normal.
Amortiguadores de arco
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 amortiguadores 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 debido a un empinamiento no lineal
Las ondas de choque pueden formarse debido al aumento de las ondas ordinarias. El ejemplo más conocido de este fenómeno son las olas del océano que forman rompientes en la orilla . 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 más alta 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 los valles hasta que el borde de ataque de la ola forma una cara vertical y se desborda para formar un choque turbulento (un rompedor) que disipa la energía de la ola en forma de sonido y calor.
Fenómenos similares afectan fuertes ondas sonoras en gas o 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 correspondientes canales de presión. Existe la teoría de que los niveles de presión sonora en los 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. [9] Si bien la formación de choque por este proceso normalmente no ocurre con las ondas sonoras no encerradas en la atmósfera de la Tierra, se cree que es un mecanismo por el cual la cromosfera solar y la corona se calientan a través de ondas que se propagan desde el interior solar.
Analogías
Una onda de choque puede describirse como el punto más alejado corriente 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 sobre el evento de conducción de choque y la zona consciente del evento de conducción de choque, 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 una aeronave que viaja a alta velocidad subsónica, las regiones de aire alrededor de la aeronave pueden viajar exactamente a la velocidad del sonido, de modo que las ondas sonoras que salen de la aeronave se amontonan unas sobre otras, de manera similar a un atasco 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 como una explosión cuando se escucha a distancia (no por casualidad, ya que las explosiones crean ondas de choque).
Se conocen fenómenos análogos fuera de la mecánica de fluidos. Por ejemplo, las partículas aceleradas más allá de la velocidad de la luz en un medio refractivo (donde la velocidad de la luz es menor que en el vacío , como el agua ) crean efectos de choque visibles, un fenómeno conocido como radiación de Cherenkov .
Tipos de fenómenos
A continuación se muestran una serie de ejemplos de ondas de choque, agrupadas en términos generales con fenómenos de choque similares:
Choque en movimiento
- Por lo general, consiste en una onda de choque que se propaga a un medio estacionario.
- En este caso, el gas delante del choque está estacionario (en el marco del laboratorio) y el gas detrás del choque puede ser supersónico en el marco del laboratorio. El choque se propaga con un frente de onda que es normal (en ángulo recto) a la dirección del flujo. La velocidad del choque es función de la relación de presión original entre los dos cuerpos de gas.
- Los choques en movimiento generalmente se generan por la interacción de dos cuerpos de gas a presión diferente, con una onda de choque que se propaga al gas de menor presión y una onda de expansión que se propaga al gas de mayor presión.
- Ejemplos: explosión de globo, tubo de choque , onda de choque por explosión .
Onda de detonación
- Una onda de detonación es esencialmente un choque apoyado por una reacción exotérmica final . Se trata de una onda que viaja a través de un medio altamente combustible o químicamente inestable, como una mezcla de oxígeno y metano o un explosivo de alta potencia . La reacción química del medio ocurre después de la onda de choque y la energía química de la reacción impulsa la onda hacia adelante.
- Una onda de detonación sigue reglas ligeramente diferentes de un choque ordinario, ya que es impulsada por la reacción química que ocurre detrás del frente de onda de choque. En la teoría más simple de las detonaciones, una onda de detonación autopropagada sin apoyo procede a la velocidad de flujo de Chapman-Jouguet . Una detonación también provocará una descarga de tipo 1, arriba, que se propagará al aire circundante debido a la sobrepresión inducida por la explosión.
- Cuando una onda de choque es creada por explosivos de alta potencia como el TNT (que tiene una velocidad de detonación de 6900 m / s), siempre viajará a alta velocidad supersónica desde su punto de origen.
Choque de arco (choque separado)
- Estos choques son curvos y forman una pequeña distancia frente al cuerpo. Directamente en frente del cuerpo, se colocan a 90 grados con respecto al flujo que se aproxima y luego se curvan alrededor del cuerpo. Los choques separados permiten el mismo tipo de cálculos analíticos que para el choque adjunto, para el flujo cerca del choque. Son un tema de continuo interés, porque las reglas que gobiernan la distancia del choque por delante del cuerpo contundente son complicadas y dependen de la forma del cuerpo. Además, la distancia de separación del choque varía drásticamente con la temperatura de un gas no ideal, lo que provoca grandes diferencias en la transferencia de calor al sistema de protección térmica del vehículo. Vea la discusión extendida sobre este tema en Reentrada atmosférica . Estos siguen las soluciones de "choque fuerte" de las ecuaciones analíticas, lo que significa que para algunos choques oblicuos muy cercanos al límite del ángulo de deflexión, el número de Mach aguas abajo es subsónico. Ver también choque de arco o choque oblicuo
- Tal choque ocurre cuando se excede el ángulo máximo de deflexión. Un choque desprendido se ve comúnmente en cuerpos contundentes, pero también se puede ver en cuerpos afilados con números de Mach bajos.
- Ejemplos: vehículos de retorno espacial (Apolo, transbordador espacial), balas, el límite ( arco de choque ) de una magnetosfera . El nombre "choque de proa" proviene del ejemplo de una ola de proa , el choque desprendido formado en la proa (frente) de un barco que se mueve a través del agua, cuya velocidad lenta de ola superficial se excede fácilmente (ver ola superficial del océano ).
Choque adjunto
- Estos choques parecen adheridos a la punta de cuerpos afilados que se mueven a velocidades supersónicas.
- Ejemplos: cuñas y conos supersónicos con pequeños ángulos de vértice.
- La onda de choque adjunta es una estructura clásica en aerodinámica porque, para un campo de flujo de gas perfecto y no viscoso, se encuentra disponible una solución analítica, de modo que la relación de presión, la relación de temperatura, el ángulo de la cuña y el número de Mach aguas abajo se pueden calcular sabiendo el número de Mach aguas arriba y el ángulo de choque. Los ángulos de choque más pequeños se asocian con números Mach ascendentes más altos, y el caso especial en el que la onda de choque está a 90 ° del flujo que se aproxima (choque normal), se asocia con un número Mach de uno. Estos siguen las soluciones de "choque débil" de las ecuaciones analíticas.
En rápidos flujos granulares
Las ondas de choque también pueden ocurrir en flujos rápidos de materiales granulares densos por canales o pendientes inclinados. Los choques fuertes en flujos granulares densos rápidos pueden estudiarse teóricamente y analizarse para compararlos con datos experimentales. Considere una configuración en la que el material que se mueve rápidamente por la rampa 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 denso 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 que choca 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 pone fin al viento ultra relativista de los púlsares jóvenes .
Eventos de entrada de meteoros
Las ondas de choque son generadas por meteoroides cuando entran en la atmósfera de la Tierra. [10] El evento de Tunguska y el meteorito ruso de 2013 son la evidencia mejor documentada de la onda de choque producida por un meteoroide masivo .
Cuando el meteoro 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 poderosa que la bomba atómica lanzada sobre Hiroshima , la onda de choque del meteoro produjo daños como en el sobrevuelo de un avión supersónico (directamente debajo la trayectoria del meteoro) y como una onda de detonación , con la onda de choque circular centrada en la explosión del meteoro, causando múltiples instancias de vidrios rotos en la ciudad de Chelyabinsk y áreas vecinas (en la foto).
Aplicaciones tecnológicas
En los ejemplos siguientes, la onda de choque es controlada, producida por (ej. Perfil aerodinámico) o en el interior de un dispositivo tecnológico, como una turbina .
Choque de recompresión
- Estos choques aparecen cuando el flujo sobre un cuerpo transónico se desacelera a velocidades subsónicas.
- Ejemplos: alas transónicas, turbinas
- Cuando el flujo sobre el lado de succión de un ala transónica se acelera a una velocidad supersónica, la recompresión resultante puede ser por compresión de Prandtl-Meyer o por la formación de un choque normal. Este choque es de particular interés para los fabricantes de dispositivos transónicos porque puede causar la separación de la capa límite en el punto donde toca el perfil transónico. Esto puede conducir a una separación completa y a una pérdida en el perfil, una mayor resistencia o un golpe de impacto, una condición en la que la separación y el impacto interactúan en una condición de resonancia, causando cargas resonantes en la estructura subyacente.
Flujo de tubería
- Este choque aparece cuando se desacelera el flujo supersónico en una tubería.
- Ejemplos:
- En propulsión supersónica: ramjet , scramjet , unstart .
- En control de flujo: válvula de aguja, venturi estrangulado.
- En este caso, el gas por delante del choque es supersónico (en el marco del laboratorio), y el gas detrás del sistema de choque es supersónico ( choques oblicuos ) o subsónico (un choque normal ) (aunque para algunos choques oblicuos muy cerca del límite del ángulo de deflexión, el número de Mach aguas abajo es subsónico.) El choque es el resultado de la desaceleración del gas por un conducto convergente, o por el crecimiento de la capa límite en la pared de un conducto paralelo.
Motores de combustión
El motor de disco de ondas (también llamado "rotor de ondas 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.
Memristors
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. [11]
Captura y detección de descargas
Se necesitan técnicas avanzadas para capturar ondas de choque y detectar ondas de choque tanto en cálculos numéricos como en observaciones experimentales. [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
La dinámica de fluidos computacional se usa 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 hay oscilaciones espurias. cerca de la superficie de choque mediante un método numérico de alto orden (debido al fenómeno de Gibbs [19] ).
Existen algunas otras discontinuidades en el flujo de fluidos además de la onda de choque. La superficie de deslizamiento (3D) o la línea de deslizamiento (2D) es un plano a través del cual la velocidad de la 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 captura y detección correctas de las ondas de choque son importantes, ya que las ondas de choque tienen las siguientes influencias: (1) causan la pérdida de presión total, lo que puede ser una preocupación relacionada con el rendimiento del motor scramjet, (2) proporcionan elevación para la configuración de onda-jinete , ya que la onda de choque oblicua en la superficie inferior del vehículo puede producir alta presión para generar sustentación, (3) conduciendo al arrastre de la onda del vehículo de alta velocidad que es perjudicial para el rendimiento del vehículo, (4) induciendo una carga de presión severa y flujo de calor, Por ejemplo, la interferencia choque-choque Tipo IV podría producir un aumento de calentamiento 17 veces mayor en la superficie del vehículo, (5) interactuando con otras estructuras, como capas límite, para producir nuevas estructuras de flujo como separación de flujo, transición, etc.
Ver también
- Onda de choque
- Enfoque atmosférico
- Reentrada atmosférica
- Radiación de Čerenkov
- Explosión
- Salto hidraulico
- Efecto Joule-Thomson [20]
- Principio de minimización de averías de Kerner
- Onda de Mach
- Magnetopausia
- Ola Moreton
- Tablas de choque normales
- Choque oblicuo
- Ventilador de expansión Prandtl-Meyer
- Choques y discontinuidades (MHD)
- Choque (mecánica)
- estampido supersónico
- Teoría del tráfico trifásico
- Reconstrucción de la congestión del tráfico con la teoría de las tres fases de Kerner
- Perfil aerodinámico supercrítico
- Onda de choque subcompresiva
- Unstart
- Diamante de choque
- Patrón de vigilia Kelvin
Referencias
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Otras lecturas
- Krehl, Peter OK (2011), "Física de ondas de choque y física de detonaciones: un estímulo para la aparición de numerosas ramas nuevas en la ciencia y la ingeniería", European Physical Journal H , 36 (1): 85-152, Bibcode : 2011EPJH .. .36 ... 85K , doi : 10.1140 / epjh / e2011-10037-x , S2CID 123074683 .
enlaces externos
- Información del Centro de Investigación Glenn de la NASA sobre:
- Choques oblicuos
- Choques cruzados múltiples
- Ventiladores de expansión
- Selkirk College: Intranet de aviación: vuelo de alta velocidad (supersónico)
- Pérdida de energía en una onda de choque, ondas de choque normales y oblicuas.
- Formación de una onda de choque normal.
- Fundamentos del flujo compresible, 2007
- NASA 2015 Schlieren imagen onda de choque T-38C