Ударная волна
В. Гинф
Для воздуха при нормальных температуре и давлении, как известно, с = 330 м/сек; для воды с = 1400 м/сек; для стали с = 5000 м/сек.
Если регистрировать в какой-либо точке звуковой волны изменения давления с течением времени, то будет наблюдаться картина, изображенная на рис. 1. По ординате на этом рисунке отложено избыточное давление, т. е. разность между давлением в волне и давлением при отсутствии волны. Величина избыточного давления даже для сильных звуков не превосходит обычно десятой доли атмосферы.
Аналогичные наблюдения в случае ударной волны обнаруживают совершенно другую картину (рис. 2). Ударная волна имеет чрезвычайно резкий и крутой передний фронт. Для наблюдателя, на которого набегает ударная волна, избыточное давление, равное нулю до прихода фронта, затем внезапно достигает максимального значения; дальнейшее изменение давления ясно из рисунка: оно падает и переходит в область пониженных значений В. Максимальное давление в ударной волне может достигать нескольких атмосфер, т. е. нескольких килограммов на квадратный сантиметр. При удалении от источника интенсивность волны быстро убывает (рис. 2). В отличие от случая звуковой волны, это обстоятельство объясняется не только геометрическими причинами — увеличением площади фронта волны по мере того как этот сферический фронт расходится от источника, но и в большой степени поглощением энергии волны. Это поглощение энергии связано с сильным нагреванием газа в области за волновым фронтом. Температура непосредственно за фронтом может достигать многих сотен градусов. Поэтому газ после прохождения волны светится, что может быть зафиксировано на фотопластинке.
Далее, если ударная волна распространяется во взрывчатой смеси, то, при известных условиях, она уже не затухает, так как ее энергия восстанавливается за счет теплоты, выделяемой при сгорании смеси. В этом случае говорят о «детонационной волне», или «взрывной волне».
Скорость распространения фронта ударной волны всегда больше скорости звука в данной среде и может достигать в газе значений в 2000 — 3000 м/сек.
Не останавливаясь подробнее на теории ударных волн, развивавшейся Риманом, Гюгоньо, Жуге и др., перейдем к описанию разрушительных действий, связанных с этими волнами1.
Действием ударной волны в воздухе объясняется большинство «малых» эффектов, сопровождающих взрыв. Важнейшим из них является выдавливание оконных стекол. Большинство стекол разлетается при падении на них волны с избыточным давлением, меньшим одной атмосферы. Человек при таком ударе не подвергается опасности. Только давления в несколько (5—6) атмосфер, могущие иметь место вблизи разорвавшейся бомбы, способны принести существенный вред людям. Основное действие волна, проникая в грудную клетку, производит на легкие, которые при этом сильно вдавливаются.
Многие эффекты взрыва, иногда кажущиеся очень странными, объясняются условиями распространения ударных волн вдоль улицы. Подобно другим волнам, ударные волны отражаются от препятствий и, в частности, от стен домов. Поэтому в результате многократных отражений различных типов вдоль улицы бежит волна с известной периодичностью. Вдалеке от места взрыва, где интенсивность волны недостаточна для выдавливания стекол, в силу этой периодичности отдельные стекла все же разлетаются. Именно разбиваются те стекла, собственная частота колебаний которых близка к частоте волны.
За фронтом ударной волны воздух не неподвижен, а имеет некоторую скорость. Связанный с этим движением газа ветер может сбивать людей с ног, сбрасывать легкие предметы и т. п.
Третий вторичный эффект, связанный с распространением ударных волн, наблюдается в узких улицах. Волна, сжатия, распространяясь вдоль улицы, выгоняет из нее воздух. Образующееся таким образом разрежение воздуха на улице вызывает вырывание окон и дверей наружу, причем это действие волны может быть более разрушительным, чем первичный удар волнового фронта.
Весьма интересно поведение ударной волны при огибании различных предметов. Обычные звуковые волны имеют часто длину волны, равную нескольким метрам или даже десяткам метров. Такие длинные волны способны огибать препятствия, и потому позади небольших стен и домов звук, падающий на эти препятствия, слышен. Звуковые волны загибаются вокруг краев препятствий и таким образом не дают резкой звуковой «тени». Короткие звуковые, а в еще большей мере так называемые ультразвуковые волны, напротив, дают «тень» от предметов обычных размеров, так же как и световые волны2. Ударная волна не имеет какой-либо определенной длины. Однако можно доказать строго математически, что часть А (рис. 2) ударной волны, в которой имеет место уплотнение воздуха, может быть представлена как результат наложения довольно коротких волн (ширина области сжатия, а следовательно и длина образующих эту область волн — порядка метра и меньше). Часть В волны, в которой имеет место разрежение, характеризуется значительно большими длинами волн. Из сказанного выше следует, что уже за сравнительно небольшие препятствия проникает лишь часть В ударной волны. Действие этой разреженной части ударной волны значительно меньше эффектов, связанных с частью А. Поэтому практически уже небольшие стенки, ямы и т. п. предохраняют от действия ударных волн. В соответствии с этим в Англии перед дверьми убежищ иногда возводится дополнительная стенка.
Выше мы говорили только об ударных волнах, распространяющихся в воздухе. Волны в некотором смысле сходного типа распространяются также в земле и других твердых телах. Их действие во многом подобно имеющему место при землетрясениях.
Комментарии к статье
1 В связи с войной интерес к действию ударных волн сильно повысился. Поэтому, например, в Англии были предприняты специальные исследования этого вопроса. Некоторые их результаты приведены в статье видного английского физика Бернала (Nature, № 3733, 1941 Г.), из которой заимствован рис. 2 и ряд данных.
2 Когда из-за угла приближается оркестр, то сначала слышны низкие звуки (длинные волны).
Читайте в любое время
