Onda de choque - Shock wave

Fotografia de Schlieren de um choque colado em um corpo supersônico de nariz afilado
USS Iowa disparando de lado durante os exercícios de treinamento em Porto Rico, 1984. Marcas circulares são visíveis onde as ondas de choque atmosféricas esféricas em expansão do disparo do canhão encontram a superfície da água.

Na física, uma onda de choque (também conhecida como onda de choque ), ou choque , é um tipo de distúrbio de propagação que se move mais rápido do que a velocidade local do som no meio. Como uma onda comum, uma onda de choque carrega energia e pode se propagar através de um meio, mas é caracterizada por uma mudança abrupta, quase descontínua, na pressão , temperatura e densidade do meio.

Para fins de comparação, em fluxos supersônicos, a expansão adicional aumentada pode ser obtida por meio de um ventilador de expansão , também conhecido como ventilador de expansão Prandtl-Meyer . A onda de expansão que a acompanha pode se aproximar e eventualmente colidir e se recombinar com a onda de choque, criando um processo de interferência destrutiva. O estrondo sônico associado à passagem de uma aeronave supersônica é um tipo de onda sonora produzida por interferência construtiva.

Ao contrário dos solitons (outro tipo de onda não linear), apenas a energia e a velocidade de uma onda de choque se dissipam com relativa rapidez com a distância. Quando uma onda de choque passa pela matéria, a energia é preservada, mas a entropia aumenta. Esta mudança nas propriedades da matéria se manifesta como uma diminuição na energia que pode ser extraída como trabalho e como uma força de arrasto em objetos supersônicos ; ondas de choque são processos fortemente irreversíveis .

Terminologia

As ondas de choque podem ser:

Normal
A 90 ° (perpendicular) à direção do fluxo do meio de choque.
Oblíquo
Em ângulo com a direção do fluxo.
Arco
Ocorre a montante da frente ( arco ) de um objeto contundente quando a velocidade do fluxo a montante excede Mach 1.

Alguns outros termos:

  • Frente de choque: a fronteira sobre a qual as condições físicas sofrem uma mudança abrupta devido a uma onda de choque.
  • Frente de contato: Em uma onda de choque causada por um gás condutor (por exemplo, o "impacto" de um alto explosivo no ar circundante), o limite entre o condutor (produtos explosivos) e os gases conduzidos (ar). A frente de contato segue a frente de choque.

Em fluxos supersônicos

Diagrama de pressão-tempo em um ponto de observação externo para o caso de um objeto supersônico se propagando pelo observador. A borda anterior do objeto causa um choque (esquerda, em vermelho) e a borda posterior do objeto causa uma expansão (direita, em azul).
Onda de choque cônica com sua zona de contato com o solo em forma de hipérbole em amarelo

A abrupta mudança nas características do meio, que caracterizam as ondas de choque, pode ser vista como uma transição de fase : o diagrama pressão-tempo de um objeto supersônico em propagação mostra como a transição induzida por uma onda de choque é análoga a uma transição de fase dinâmica .

Quando um objeto (ou distúrbio) se move mais rápido do que a informação pode se propagar no fluido circundante, o fluido próximo ao distúrbio não pode reagir ou "sair do caminho" antes que o distúrbio chegue. Em uma onda de choque, as propriedades do fluido ( densidade , pressão , temperatura , velocidade de fluxo , número de Mach ) mudam quase instantaneamente. As medições da espessura das ondas de choque no ar resultaram em valores em torno de 200 nm (cerca de 10-5 pol.), Que está na mesma ordem de magnitude que o caminho livre médio das moléculas de gás. Em referência ao contínuo, isso implica que a onda de choque pode ser tratada como uma linha ou um plano se o campo de fluxo for bidimensional ou tridimensional, respectivamente.

As ondas de choque são formadas quando uma frente de pressão se move em velocidades supersônicas e empurra o ar ao redor. Na região onde isso ocorre, as ondas sonoras que viajam contra o fluxo chegam a um ponto em que não podem viajar mais rio acima e a pressão aumenta progressivamente naquela região; uma onda de choque de alta pressão se forma rapidamente.

As ondas de choque não são ondas sonoras convencionais; uma onda de choque assume a forma de uma mudança muito brusca nas propriedades do gás. As ondas de choque no ar são ouvidas como um ruído de "estalo" ou "estalo" alto. Em distâncias mais longas, uma onda de choque pode mudar de uma onda não linear para uma onda linear, degenerando em uma onda sonora convencional à medida que aquece o ar e perde energia. A onda sonora é ouvida como o familiar "baque" ou "baque" de um estrondo sônico , comumente criado pelo vôo supersônico de uma aeronave.

A onda de choque é uma das várias maneiras diferentes pelas quais um gás em um fluxo supersônico pode ser comprimido. Alguns outros métodos são compressões isentrópicas , incluindo compressões de Prandtl –Meyer. O método de compressão de um gás resulta em diferentes temperaturas e densidades para uma dada razão de pressão que pode ser calculada analiticamente para um gás que não reage. Uma compressão por onda de choque resulta em uma perda de pressão total, o que significa que é um método menos eficiente de compressão de gases para alguns fins, por exemplo, na entrada de um scramjet . O aparecimento de arrasto de pressão em aeronaves supersônicas é principalmente devido ao efeito da compressão de choque no fluxo.

Choques normais

Na mecânica de fluidos elementar que utiliza gases ideais, uma onda de choque é tratada como uma descontinuidade onde a entropia aumenta em uma região quase infinitesimal. Uma vez que nenhum fluxo de fluido é descontínuo, um volume de controle é estabelecido em torno da onda de choque, com as superfícies de controle que ligam este volume paralelas à onda de choque (com uma superfície no lado pré-choque do meio fluido e outra no lado pós lado do choque). As duas superfícies são separadas por uma profundidade muito pequena, de modo que o próprio choque fica inteiramente contido entre elas. Em tais superfícies de controle, o momento, o fluxo de massa e a energia são constantes; dentro da combustão, as detonações podem ser modeladas como introdução de calor através de uma onda de choque. Presume-se que o sistema é adiabático (nenhum calor sai ou entra no sistema) e nenhum trabalho está sendo executado. As condições Rankine-Hugoniot surgem dessas considerações.

Levando em consideração as premissas estabelecidas, em um sistema onde as propriedades a jusante estão se tornando subsônicas: as propriedades de fluxo a montante e a jusante do fluido são consideradas isentrópicas . Uma vez que a quantidade total de energia dentro do sistema é constante, a entalpia de estagnação permanece constante em ambas as regiões. Porém, a entropia está aumentando; isso deve ser explicado por uma queda na pressão de estagnação do fluido a jusante.

Outros choques

Choques oblíquos

Ao analisar as ondas de choque em um campo de fluxo, que ainda estão presas ao corpo, a onda de choque que está se desviando em algum ângulo arbitrário da direção do fluxo é chamada de choque oblíquo . Esses choques requerem uma análise vetorial de componentes do fluxo; isso permite o tratamento do fluxo em uma direção ortogonal ao choque oblíquo como um choque normal.

Choques de proa

Quando um choque oblíquo tende a se formar em um ângulo que não pode permanecer na superfície, surge um fenômeno não linear em que a onda de choque formará um padrão contínuo ao redor do corpo. Estes são denominados choques de arco . Nestes casos, o modelo de fluxo 1d não é válido e uma análise mais aprofundada é necessária para prever as forças de pressão que são exercidas na superfície.

Ondas de choque devido ao aumento não linear

Ondas de choque podem se formar devido ao aumento de ondas comuns. O exemplo mais conhecido desse fenômeno são as ondas do mar que formam ondas na costa . Em águas rasas, a velocidade das ondas de superfície depende da profundidade da água. Uma onda oceânica que se aproxima tem uma velocidade de onda ligeiramente maior perto da crista de cada onda do que perto dos vales entre as ondas, porque a altura da onda não é infinitesimal em comparação com a profundidade da água. As cristas ultrapassam as depressões até que a ponta da onda forme uma face vertical e se espalhe para formar um choque turbulento (um rompedor) que dissipa a energia da onda na forma de som e calor.

Fenômenos semelhantes afetam ondas sonoras fortes em gás ou plasma, devido à dependência da velocidade do som da temperatura e pressão . Ondas fortes aquecem o meio próximo a cada frente de pressão, devido à compressão adiabática do próprio ar, de modo que as frentes de alta pressão ultrapassam as calhas de pressão correspondentes. Existe uma teoria de que os níveis de pressão sonora em instrumentos de sopro, como o trombone, tornam-se altos o suficiente para que ocorra uma inclinação, formando uma parte essencial do timbre brilhante dos instrumentos. Embora a formação de choque por esse processo não aconteça normalmente com ondas sonoras não fechadas na atmosfera da Terra, acredita-se que seja um mecanismo pelo qual a cromosfera solar e a coroa são aquecidas, por meio de ondas que se propagam do interior solar.

Analogias

Uma onda de choque pode ser descrita como o ponto mais distante a montante de um objeto em movimento que "sabe" sobre a abordagem do objeto. Nesta descrição, a posição da onda de choque é definida como o limite entre a zona sem nenhuma informação sobre o evento de condução de choque e a zona ciente do evento de condução de choque, análogo ao cone de luz descrito na teoria da relatividade especial .

Para produzir uma onda de choque, um objeto em um determinado meio (como ar ou água) deve viajar mais rápido do que a velocidade local do som. No caso de uma aeronave viajando em alta velocidade subsônica, regiões de ar ao redor da aeronave podem estar viajando exatamente na velocidade do som, de modo que as ondas sonoras que saem da aeronave se acumulam, semelhante a um congestionamento em uma rodovia . Quando uma onda de choque se forma, a pressão do ar local aumenta e se espalha para os lados. Por causa desse efeito de amplificação, uma onda de choque pode ser muito intensa, mais parecida com uma explosão quando ouvida à distância (não por acaso, já que as explosões criam ondas de choque).

Fenômenos análogos são conhecidos fora da mecânica dos fluidos. Por exemplo, partículas aceleradas além da velocidade da luz em um meio refrativo (onde a velocidade da luz é menor do que no vácuo , como a água ) criam efeitos de choque visíveis, um fenômeno conhecido como radiação Cherenkov .

Tipos de fenômeno

Abaixo estão alguns exemplos de ondas de choque, amplamente agrupadas com fenômenos de choque semelhantes:

Onda de choque se propagando em um meio estacionário, à frente da bola de fogo de uma explosão. O choque é tornado visível pelo efeito de sombra (explosão Trinity)

Choque em movimento

  • Normalmente consiste em uma onda de choque se propagando em um meio estacionário
  • Nesse caso, o gás antes do choque é estacionário (na estrutura do laboratório) e o gás atrás do choque pode ser supersônico na estrutura do laboratório. O choque se propaga com uma frente de onda normal (em ângulos retos) à direção do fluxo. A velocidade do choque é função da razão de pressão original entre os dois corpos de gás.
  • Choques em movimento são geralmente gerados pela interação de dois corpos de gás em diferentes pressões, com uma onda de choque propagando-se para o gás de pressão mais baixa e uma onda de expansão se propagando para o gás de pressão mais alta.
  • Exemplos: estouro de balão, tubo de choque , onda de choque de explosão .

Onda de detonação

  • Uma onda de detonação é essencialmente um choque suportado por uma reação exotérmica posterior . Envolve uma onda viajando através de um meio altamente combustível ou quimicamente instável, como uma mistura de oxigênio-metano ou um alto explosivo . A reação química do meio ocorre após a onda de choque, e a energia química da reação impulsiona a onda para a frente.
  • Uma onda de detonação segue regras ligeiramente diferentes de um choque comum, pois é impulsionada pela reação química que ocorre atrás da frente da onda de choque. Na teoria mais simples para detonações, uma onda de detonação autopropagada sem suporte prossegue na velocidade de fluxo de Chapman-Jouguet . Uma detonação também causará um choque do tipo 1, acima, para se propagar no ar circundante devido à sobrepressão induzida pela explosão.
  • Quando uma onda de choque é criada por altos explosivos como o TNT (que tem uma velocidade de detonação de 6.900 m / s), ela sempre viajará em alta velocidade supersônica de seu ponto de origem.
Fotografia de Schlieren do choque desprendido de uma bala em vôo supersônico, publicada por Ernst Mach e Peter Salcher em 1887.
Diagrama de sombra das ondas de choque de uma bala supersônica disparada de um rifle. A técnica óptica do shadowgraph revela que a bala está se movendo a cerca de um número Mach de 1,9. Ondas de proa e ondas de cauda para a esquerda e direita fluem de volta da bala e sua esteira turbulenta também é visível. Os padrões na extrema direita são de partículas de pólvora não queimadas ejetadas pelo rifle.

Choque de arco (choque destacado)

  • Esses choques são curvos e formam uma pequena distância na frente do corpo. Diretamente na frente do corpo, eles ficam a 90 graus em relação ao fluxo que se aproxima e então se curvam ao redor do corpo. Os choques separados permitem o mesmo tipo de cálculos analíticos que para o choque associado, para o fluxo próximo ao choque. Eles são um tópico de interesse contínuo, porque as regras que governam a distância do choque à frente do corpo rombudo são complicadas e dependem da forma do corpo. Além disso, a distância de afastamento do choque varia drasticamente com a temperatura para um gás não ideal, causando grandes diferenças na transferência de calor para o sistema de proteção térmica do veículo. Veja a discussão estendida sobre este tópico em Reentrada atmosférica . Estes seguem as soluções de "choque forte" das equações analíticas, o que significa que para alguns choques oblíquos muito próximos do limite do ângulo de deflexão, o número de Mach a jusante é subsônico. Veja também choque de arco ou choque oblíquo
  • Esse choque ocorre quando o ângulo de deflexão máximo é excedido. Um choque destacado é comumente visto em corpos cegos, mas também pode ser visto em corpos pontiagudos com números de Mach baixos.
  • Exemplos: veículos de retorno ao espaço (Apollo, ônibus espacial), balas, a fronteira ( choque de proa ) de uma magnetosfera . O nome "choque de proa" vem do exemplo de uma onda de proa , o choque destacado formado na proa (frente) de um navio ou barco em movimento na água, cuja lenta velocidade da onda de superfície é facilmente excedida (ver onda de superfície do oceano ).

Choque anexado

  • Esses choques aparecem ligados à ponta de corpos pontiagudos que se movem em velocidades supersônicas.
  • Exemplos: Cunhas e cones supersônicos com pequenos ângulos de vértice.
  • A onda de choque anexada é uma estrutura clássica em aerodinâmica porque, para um gás perfeito e um campo de fluxo invíscido, uma solução analítica está disponível, de modo que a razão de pressão, razão de temperatura, ângulo da cunha e o número de Mach a jusante podem ser calculados sabendo o número de Mach a montante e o ângulo de choque. Ângulos de choque menores estão associados a números Mach a montante mais elevados e o caso especial em que a onda de choque está a 90 ° em relação ao fluxo que se aproxima (choque normal) está associado a um número Mach de um. Estes seguem as soluções de "choque fraco" das equações analíticas.

Em fluxos granulares rápidos

As ondas de choque também podem ocorrer em fluxos rápidos de materiais granulares densos em canais ou encostas inclinadas. Choques fortes em fluxos granulares densos rápidos podem ser estudados teoricamente e analisados ​​para comparar com dados experimentais. Considere uma configuração na qual o material que se move rapidamente pelo chute colide com uma parede de obstrução erigida perpendicularmente no final de um canal longo e íngreme. O impacto leva a uma mudança repentina no regime de fluxo de uma camada fina supercrítica de movimento rápido para uma pilha espessa estagnada. Esta configuração de fluxo é particularmente interessante porque é análoga a algumas situações hidráulicas e aerodinâmicas associadas a mudanças de regime de fluxo de supercrítico para subcrítico.

Em astrofísica

Os ambientes astrofísicos apresentam muitos tipos diferentes de ondas de choque. Alguns exemplos comuns são ondas de choque de supernovas ou ondas de explosão viajando através do meio interestelar, o choque de proa causado pelo campo magnético da Terra colidindo com o vento solar e as ondas de choque causadas por galáxias colidindo umas com as outras. Outro tipo interessante de choque na astrofísica é o choque reverso quase constante ou choque de terminação que termina o vento ultrarrelativístico dos jovens pulsares .

Eventos de entrada de meteoros

Danos causados ​​por uma onda de choque de meteoro .

As ondas de choque são geradas por meteoróides quando entram na atmosfera da Terra. O evento de Tunguska e o evento do meteoro russo de 2013 são as evidências mais bem documentadas da onda de choque produzida por um enorme meteoróide .

Quando o meteoro de 2013 entrou na atmosfera da Terra com uma liberação de energia equivalente a 100 ou mais quilotons de TNT, dezenas de vezes mais poderosa do que a bomba atômica lançada em Hiroshima , a onda de choque do meteoro produziu danos como em um voo de jato supersônico (diretamente abaixo a trajetória do meteoro) e como uma onda de detonação , com a onda de choque circular centrada na explosão do meteoro, causando várias ocorrências de vidro quebrado na cidade de Chelyabinsk e áreas vizinhas (foto).

Aplicações tecnológicas

Nos exemplos abaixo, a onda de choque é controlada, produzida por (ex. Aerofólio) ou no interior de um dispositivo tecnológico, como uma turbina .

Choque de recompressão

Choque de recompressão em um aerofólio de fluxo transônico, no número Mach crítico e acima dele .
  • Esses choques aparecem quando o fluxo sobre um corpo transônico é desacelerado para velocidades subsônicas.
  • Exemplos: asas transônicas, turbinas
  • Onde o fluxo sobre o lado de sucção de uma asa transônica é acelerado a uma velocidade supersônica, a recompressão resultante pode ser por compressão de Prandtl-Meyer ou pela formação de um choque normal. Este choque é de particular interesse para fabricantes de dispositivos transônicos porque pode causar a separação da camada limite no ponto onde ela toca o perfil transônico. Isso pode então levar à separação total e estol no perfil, maior arrasto ou choque-buffet, uma condição em que a separação e o choque interagem em uma condição de ressonância, causando cargas de ressonância na estrutura subjacente.

Fluxo de tubulação

  • Este choque aparece quando o fluxo supersônico em um tubo é desacelerado.
  • Exemplos:
    • Em propulsão supersônica: ramjet , scramjet , unstart .
    • No controle de fluxo: válvula de agulha, venturi bloqueado.
  • Neste caso, o gás antes do choque é supersônico (no quadro do laboratório), e o gás por trás do sistema de choque é supersônico ( choques oblíquos ) ou subsônicos (um choque normal ) (embora para alguns choques oblíquos muito próximos do limite do ângulo de deflexão, o número de Mach a jusante é subsônico.) O choque é o resultado da desaceleração do gás por um duto convergente ou pelo crescimento da camada limite na parede de um duto paralelo.

Motores de combustão

O motor de disco de ondas (também denominado "Rotor de onda de combustão interna radial") é um tipo de motor rotativo sem pistão que utiliza ondas de choque para transferir energia entre um fluido de alta energia para um fluido de baixa energia, aumentando assim a temperatura e a pressão do fluido de baixa energia.

Memristors

Em memristores , sob campo elétrico aplicado externamente, ondas de choque podem ser lançadas através dos óxidos de metal de transição, criando mudanças de resistividade rápidas e não voláteis.

Captura e detecção de choque

Dois aviões em um fundo azul
A NASA tirou sua primeira fotografia Schlieren de ondas de choque interagindo entre duas aeronaves em 2019.

Técnicas avançadas são necessárias para capturar ondas de choque e detectar ondas de choque em cálculos numéricos e observações experimentais.

A dinâmica de fluidos computacional é comumente usada para obter o campo de fluxo com ondas de choque. Embora as ondas de choque sejam descontinuidades agudas, em soluções numéricas de fluxo de fluido com descontinuidades (onda de choque, descontinuidade de contato ou linha de deslizamento), a onda de choque pode ser suavizada por método numérico de baixa ordem (devido à dissipação numérica) ou existem oscilações espúrias próximo à superfície de choque por método numérico de alta ordem (devido ao fenômeno de Gibbs).

Existem algumas outras descontinuidades no fluxo de fluido além da onda de choque. A superfície de deslizamento (3D) ou linha de deslizamento (2D) é um plano através do qual a velocidade tangente é descontínua, enquanto a pressão e a velocidade normal são contínuas. Ao longo da descontinuidade de contato, a pressão e a velocidade são contínuas e a densidade é descontínua. Uma forte onda de expansão ou camada de cisalhamento também pode conter regiões de alto gradiente que parecem ser uma descontinuidade. Algumas características comuns dessas estruturas de fluxo e ondas de choque e os aspectos insuficientes das ferramentas numéricas e experimentais levam a dois problemas importantes nas práticas: (1) algumas ondas de choque não podem ser detectadas ou suas posições são detectadas incorretamente, (2) algumas estruturas de fluxo que não são ondas de choque são erroneamente detectadas como ondas de choque.

Na verdade, a captura e detecção corretas de ondas de choque são importantes, pois as ondas de choque têm as seguintes influências: (1) causando perda de pressão total, o que pode ser uma preocupação relacionada ao desempenho do motor scramjet, (2) fornecer sustentação para a configuração do wave-rider , como a onda de choque oblíqua na superfície inferior do veículo pode produzir alta pressão para gerar elevação, (3) levando ao arrasto da onda do veículo de alta velocidade que é prejudicial ao desempenho do veículo, (4) induzindo carga de pressão severa e fluxo de calor, por exemplo, a interferência choque-choque Tipo IV pode produzir um aumento de 17 vezes no aquecimento na superfície do veículo, (5) interagindo com outras estruturas, como camadas limites, para produzir novas estruturas de fluxo, como separação de fluxo, transição, etc.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos