Onda de choque

Fotografía de Schlieren de un shock adjunto en un cuerpo supersónico de punta

USS Iowa disparando a distancia durante los ejercicios de entrenamiento en Puerto Rico, 1984. Las marcas circulares son visibles donde las ondas esféricas crecientes de choque atmosférico de la pistola de fuego encuentran la superficie del agua.

En física, una onda de choque (también llamada 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. Al igual que una onda ordinaria, una onda de choque transporta energía y puede propagarse a través de un medio, pero se caracteriza por un cambio abrupto, casi discontinuo, en la presión, la temperatura y la densidad del medio.

A modo de comparación, en 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 que la acompaña puede acercarse y eventualmente chocar y recombinarse con la onda de choque, creando un proceso de interferencia destructiva. El estampido sónico asociado al 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, se conserva la energía pero aumenta la entropía. 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 de flujo del medio de choque.

Oblicua

En un ángulo hacia la dirección del flujo.

Bow

Occurs upstream of the front (bow) of a blunt object when the upstream flow velocity exceeds Mach 1.

Algunos otros términos:

• En frente: El límite sobre el cual las condiciones físicas experimentan un cambio abrupto debido a una onda de choque.
• Contact front: En una onda de choque causada por un gas de conductor (por ejemplo el "impacto" de un explosivo alto en el aire circundante), el límite entre el conductor (productos explosivos) y los gases conducidos (aire). El frente de contacto sigue el frente de choque.

En flujos supersónicos

Diagrama de tiempo de presión en un punto de observación externo para el caso de un objeto supersónico propagando más allá del observador. El borde líder del objeto causa un shock (izquierda, en rojo) y el borde de seguimiento del objeto causa una expansión (derecha, en azul).

Onda de choque cónica con su zona de contacto terrestre en forma de hiperbola en amarillo

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 "quitarse 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 grosor de las ondas de choque en el aire dieron como resultado valores de alrededor de 200 nm (alrededor de 10⁻⁵ pulgadas), que es del 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. En la región donde esto ocurre, las ondas sonoras que viajan contra la corriente alcanzan un punto en el que no pueden viajar más río 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 sonoras 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 fuerte "crack" o "ajustar" ruido. 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 "thud" o "golpe" de un estampido 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 isoentrópicas, 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 admisión de un scramjet. La aparición de presión-arrastre en los aviones supersónicos se debe principalmente al efecto de la compresión del choque 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 abruptamente a medida que pasa el choque. 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 paralelas a la onda de choque (con una superficie en el lado previo al choque del medio fluido y otra en el lado posterior). 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 se pueden modelar como la introducción de calor a través de una onda de choque. Se supone que el sistema es adiabático (no sale ni entra calor del sistema) y no se realiza 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 vuelven 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. Aunque, la entropía está aumentando; esto debe explicarse por una caída en la presión de estancamiento del fluido aguas abajo.

Otros choques

Choques oblicuos

Al analizar las ondas de choque en un campo de flujo, que todavía están unidas al cuerpo, la onda de choque que se desvía en un 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 proa

Cuando es probable que se forme un choque oblicuo en un ángulo que no puede permanecer en la superficie, surge un fenómeno no lineal donde la onda de choque formará un patrón continuo alrededor del cuerpo. Estos se denominan arcos de choque. En estos casos, el modelo de flujo 1d no es válido y se necesita más análisis para predecir las fuerzas de presión que se ejercen sobre la superficie.

Ondas de choque debidas a empinamiento no lineal

Pueden formarse ondas de choque debido al empinamiento de las ondas ordinarias. El ejemplo más conocido de este fenómeno son las olas del mar que forman rompientes en la orilla. En aguas poco profundas, la velocidad de las ondas superficiales depende de la profundidad del agua. Una ola oceánica entrante tiene una velocidad de ola ligeramente mayor cerca de la cresta de cada ola que cerca de los valles entre las olas, porque la altura de la ola no es infinitesimal en comparación con la profundidad del agua. Las crestas superan a los valles hasta que el borde de ataque de la ola forma una cara vertical y se desborda para formar un choque turbulento (un rompeolas) que disipa la energía de la ola en forma de sonido y calor.

Fenómenos similares afectan a las ondas sonoras intensas en gas o plasma, debido a la dependencia de la velocidad del sonido con la temperatura y la presión. Las fuertes olas calientan el medio cerca de cada frente de presión, debido a la compresión adiabática del propio aire, de modo que los frentes de alta presión superan a los valles de presión correspondientes. Existe la teoría de que los niveles de presión del sonido en los instrumentos de metal como el trombón se vuelven lo suficientemente altos como para que se produzca un empinamiento, formando una parte esencial del timbre brillante de los instrumentos. Si bien la formación de choque por este proceso normalmente no ocurre con las ondas de sonido 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" sobre el acercamiento 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 choque y la zona consciente del evento de choque, de forma 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 aire o agua) debe viajar más rápido que la velocidad local del sonido. En el caso de un avión que viaja a alta velocidad subsónica, las regiones de aire alrededor del avión pueden viajar exactamente a la velocidad del sonido, de modo que las ondas de sonido que salen del avión se amontonan unas sobre otras, de forma similar a un atasco de tráfico 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 parecida a 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 cargadas 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 hay una serie de ejemplos de ondas de choque, agrupadas ampliamente con fenómenos de choque similares:

Ola de choque propagando en un medio estacionario, por delante del balón de fuego de una explosión. El choque se hace visible por el efecto sombra (explosión de la Trinidad)

Choque en movimiento

• Generalmente consiste en una onda de choque que se propaga en un medio estacionario
• En este caso, el gas delante del choque es estacionario (en el marco de laboratorio) y el gas detrás del choque puede ser supersónico en el marco de laboratorio. El choque se propaga con una onda que es normal (en ángulos rectos) a la dirección del flujo. La velocidad del choque es una función de la relación de presión original entre los dos cuerpos de gas.
• Los choques en movimiento son generados generalmente por la interacción de dos cuerpos de gas a diferentes presiones, con una onda de choque que se propaga al gas de presión baja y una onda de expansión que se propaga al gas de presión superior.
• Ejemplos: Explosión de globos, tubo de choque, onda de choque de la explosión.

Ola de detonación

• Una ola de detonación es esencialmente un shock apoyado por una reacción exotérmica persistente. Se trata de una ola que viaja a través de un medio altamente combustible o químicamente inestable, como una mezcla de oxígeno-metano o un alto explosivo. 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 shock ordinario ya que es impulsada por la reacción química que ocurre detrás de la onda de choque. En la teoría más simple para las detonaciones, una onda de detonación sin soporte y autopropagación procede a la velocidad de flujo Chapman-Jouguet. Una detonación también causará un shock para propagarse al aire circundante debido a la sobrepresión inducida por la explosión.
• Cuando una onda de choque es creada por explosivos altos como TNT (que tiene una velocidad de detonación de 6,900 m/s), siempre viajará a velocidad alta y supersónica desde su punto de origen.

Schlieren fotografía del choque desprendido en una bala en vuelo supersónico, publicada por Ernst Mach y Peter Salcher en 1887.

Shadowgram of shock waves from a supersonic bullet fired from a rifle. La técnica óptica de Shadowgraph revela que la bala se mueve alrededor de un Mach número de 1.9. Las ondas de arco de izquierda y derecha y las ondas de cola fluyen de la bala y su vela turbulenta también es visible. Los patrones a la derecha son de partículas de pólvora sin quemadura expulsadas por el rifle.

Bow shock (choque separado)

• Estos choques son curvados y forman una pequeña distancia frente al cuerpo. Directamente delante del cuerpo, se colocan a 90 grados en el flujo de entrada y luego curvan alrededor del cuerpo. Los choques separados permiten el mismo tipo de cálculos analíticos que para el shock adjunto, para el flujo cerca del choque. Son un tema de interés continuo, porque las reglas que rigen la distancia del shock por delante del cuerpo contundente son complicadas y son una función de la forma del cuerpo. Además, la distancia de suspensión de choque varía drásticamente con la temperatura de un gas no ideal, causando grandes diferencias en la transferencia de calor al sistema de protección térmica del vehículo. Vea la discusión ampliada sobre este tema en la reentrada atmosférica. Estos siguen las soluciones "fuerte-shock" de las ecuaciones analíticas, lo que significa que para algunos choques oblicuos muy cerca del límite de ángulo de deflexión, el número de Mach es subsónico. Ver también choque de arco o choque oblicuo
• Tal choque ocurre cuando se supera el ángulo máximo de deflexión. Un shock separado es comúnmente visto en cuerpos contundentes, pero también se puede ver en cuerpos agudos en números de Mach bajos.
• Ejemplos: Vehículos de retorno espacial (Apollo, transbordador espacial), balas, el límite (choque corto) de una magnetosfera. El nombre de "choque codo" proviene del ejemplo de una onda de arco, el choque separado formado en el arco (frontera) de un barco o barco que se mueve a través del agua, cuya velocidad de onda de superficie lenta se supera fácilmente (ver onda de superficie del océano).

Impacto adjunto

• Estos choques aparecen como adjunto a la punta de cuerpos agudos que se mueven a velocidades supersónicas.
• Ejemplos: Hidramas y conos supersónicos con ángulos de ápice pequeños.
• La onda de choque adjunta es una estructura clásica en aerodinámica porque, para un gas perfecto y campo de flujo invisivo, se dispone de una solución analítica, de tal manera que la relación de presión, la relación de temperatura, el ángulo de la cuña y el número de Maquillado aguas abajo pueden ser calculados sabiendo el número de Maquilla arriba y el ángulo de choque. Los ángulos de choque más pequeños se asocian con números de Maquillaje más altos, y el caso especial donde la onda de choque es de 90° al flujo de llegada (conmoción térmica), se asocia con un número de Mach de uno. Estos siguen las soluciones de "remolino" de las ecuaciones analíticas.

En flujos granulares rápidos

Las ondas de choque también pueden ocurrir en flujos rápidos de materiales granulares densos por canales inclinados o pendientes. 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 que se mueve rápidamente a un montón grueso 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 u 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 casi constante o choque de terminación que termina con el viento ultra relativista de los púlsares jóvenes.

Meteorito entrando en eventos

Daño causado por una ola de choque de meteoros.

Los meteoritos generan ondas de choque cuando entran en la atmósfera terrestre. El evento de Tunguska y el evento de meteoritos rusos de 2013 son la evidencia mejor documentada de la onda de choque producida por un meteoroide masivo.

Cuando el meteorito de 2013 entró en la atmósfera terrestre con una liberación de energía equivalente a 100 o más kilotones de TNT, decenas de veces más potente que la bomba atómica lanzada sobre Hiroshima, la onda de choque del meteorito produjo daños como en el sobrevuelo de un jet supersónico (directamente debajo del camino del meteorito) y como una onda de detonación, con la onda de choque circular centrada en la explosión del meteorito, causando múltiples casos de vidrios rotos en la ciudad de Chelyabinsk y áreas vecinas (en la foto).

Aplicaciones tecnológicas

En los ejemplos a continuación, la onda de choque es controlada, producida por (por ejemplo, un perfil aerodinámico) o en el interior de un dispositivo tecnológico, como una turbina.

Choque de recompresión

shock de la recompresión en un flujo transónico de aire fósforo, en y por encima del número de Mach crítico.

• 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 la succión de un ala transónica se acelera a una velocidad supersónica, la re-compresión resultante puede ser por compresión Prandtl-Meyer o por la formación de un shock normal. Este choque es de especial interés para los fabricantes de dispositivos transónicos porque puede causar separación de la capa de límites en el punto donde toca el perfil transónico. Esto puede entonces llevar a la separación completa y a parar en el perfil, arrastre superior o choque-buffet, una condición donde la separación y el choque interactúan en una condición de resonancia, causando cargas resonantes en la estructura subyacente.

Caudal de tubería

• Este choque aparece cuando el flujo supersónico en una tubería se desacelera.
• Ejemplos:
  • En propulsión supersónica: ramjet, scramjet, unstart.
  • Control de flujo: válvula de aguja, venturi ahogado.
• En este caso el gas delante del choque es supersónico (en el marco de laboratorio), y el gas detrás del sistema de choque es supersónico (oblicua shocks) o subsónico (a) shock normal) (Aunque para algunos choques oblicuos muy cerca del límite de ángulo de deflexión, el número de Maquilla abajo es subsónico.) El choque es el resultado de la desaceleración del gas por un conducto convergente, o por el crecimiento de la capa fronteriza 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.

Memristores

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.

Captura y detección de impactos

La NASA tomó su primera fotografía de Schlieren de ondas de choque que interactuaban entre dos aeronaves en 2019.

Se necesitan técnicas avanzadas para capturar ondas de choque y detectar ondas de choque tanto en cálculos numéricos como en observaciones experimentales.

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 pronunciadas, en soluciones numéricas de flujo de fluidos con discontinuidades (onda de choque, discontinuidad de contacto o línea de deslizamiento), la onda de choque se puede suavizar mediante un método numérico de bajo orden (debido a la disipación numérica) o hay oscilaciones espurias cerca de la superficie de choque por método numérico de alto orden (debido al fenómeno de Gibbs).

Existen otras discontinuidades en el flujo de fluido además de la onda de choque. La superficie de deslizamiento (3D) o línea de deslizamiento (2D) es un plano en el que la velocidad 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 fuerte expansión o una capa de corte 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 incorrectamente 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) causando pérdida de presión total, lo que puede ser un problema relacionado con el rendimiento del motor scramjet, (2) proporcionar sustentación para la configuración de wave-rider, ya que la onda de choque oblicua en la superficie inferior del vehículo puede producir una alta presión para generar sustentación, (3) que conduce a la resistencia de las olas del vehículo de alta velocidad que es perjudicial para el rendimiento del vehículo, (4) inducir una carga de presión severa y un flujo de calor, p. la interferencia de choque-choque de Tipo IV podría generar un aumento de calentamiento de 17 veces 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.