Автор: Александр Грибоедов
Вам кажется невыносимым звук соседской дрели? Или вы ощущали, как мощные басы на концерте буквально сотрясают тело? Поверьте, это лишь лёгкие раздражители. Звук может быть не просто громким, а обладать разрушительной силой, способной менять ландшафты и историю. Речь идёт об ударных волнах — физическом феномене, стоящем на грани звука и ударного воздействия.
Индонезия, 1883 год: самый громкий звук в истории
«...у половины экипажа лопнули барабанные перепонки. Мои последние мысли были о моей дорогой жене. Я был убеждён, что настал Судный день» — так описывал свои ощущения капитан британского судна Norham Castle, находившегося в 64 километрах от эпицентра событий. Рано утром 27 августа 1883 года планету потрясли три чудовищных взрыва. Проснувшийся вулкан Кракатау достиг апогея своего извержения. Мощность третьего, самого сильного взрыва, более чем в десять тысяч раз превысила энергию атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. За сутки северная часть острова исчезла с карты, а тридцатиметровое цунами унесло жизни около 36 тысяч человек, смыв 295 населённых пунктов. Но ещё до того, как водяные валы достигли берега, многие поселения были уже разрушены четвёртой стихией — колоссальной воздушной ударной волной. Это был самый громкий документально зафиксированный звук, когда-либо рождавшийся на Земле.
Извержение вулкана Хунга-Тонга в 2022 году. Примерно так же выглядело и извержение Кракатау.
Европа, конец XIX века: рождение теории
Пока Индонезию сотрясали вулканические взрывы, в Европе учёные ломали голову над загадками баллистики. Во время франко-прусской войны было замечено, что ранения от новых французских винтовок имеют странную воронкообразную форму. Возникли подозрения в использовании запрещённых разрывных пуль. Артиллеристы же сообщали о «двойных хлопках» при стрельбе на высоких скоростях.
Бельгийский баллист Мельсенс предложил элегантное объяснение: он предположил, что снаряд, движущийся быстрее звука, «закручивает» и сжимает воздух перед собой, создавая мощный фронт. Этот фронт, по его мнению, и наносил повреждения до того, как приходила сама пуля. Таким образом, Мельсенс предсказал существование ударной волны.
Идеей заинтересовался выдающийся физик Эрнст Мах. Вместе с экспериментатором Петером Зальхером в 1886 году они впервые в истории сфотографировали ударную волну от летящей пули.
На снимке чётко виден волновой фронт, опережающий пулю.
Работы Маха не только подтвердили гипотезу Мельсенса, но и объяснили «двойные хлопки»: первый — это звук выстрела, второй — звуковой удар от самого снаряда. Мах заложил основы нового раздела газовой динамики. Его знаменитая формула (sin α = c/v) связывает скорость объекта (v) со скоростью звука в среде (c) и углом образующегося конуса (α). Именем учёного было названо безразмерное число Маха, ставшее ключевой характеристикой для описания ударных волн и сверхзвукового движения.
От звука к удару: немного физики
Обычный звук — это чередующиеся области сжатия и разрежения в среде (воздухе, воде, твёрдом теле). Молекулы, словно в пружине, сближаются и расступаются. Частота этих колебаний определяет высоту тона, а амплитуда — громкость.
Что происходит, если источник звука начинает двигаться? Волны впереди него сближаются, а сзади — растягиваются. Это известный эффект Доплера, из-за которого гудок приближающегося поезда звучит выше.
А теперь представьте, что объект разгоняется до скорости звука. Волны впереди него уже не успевают разбежаться и сливаются в единый, чрезвычайно плотный фронт. В этот момент возникает звуковой барьер, а сам фронт и есть ударная волна. Это уже не просто звук — это скачкообразное изменение давления, плотности и температуры среды. Газ после прохождения ударной волны остаётся более горячим и сжатым, что нехарактерно для обычных звуковых колебаний.
Обратите внимание: В космосе были обнаружены следы ударных волн Второй мировой войны.
Россия, 1897 год: ударная волна в воде
Ударные волны возникают не только в воздухе. В 1897 году профессору Московского университета Николаю Жуковскому поручили расследовать причины частых и загадочных разрушений московского водопровода. После двух лет исследований он опубликовал фундаментальный труд «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах», принёсший ему мировую славу.
Вода, хотя и плохо, но сжимаема. Если резко остановить её поток в замкнутой трубе (например, быстро закрыв кран), в точке остановки возникает область колоссального давления — гидравлический удар. Эта ударная волна в жидкости могла выбивать задвижки и разрывать трубы. Жуковский предложил решения, актуальные до сих пор: медленное перекрывание кранов, использование специальных демпферов и обратных клапанов.
Гидроудар — опасное явление не только в трубах, но и, например, в поршневых двигателях при попадании воды в цилиндр.
Эпилог: ударные волны вокруг нас
Говоря о «громкости» Кракатау (около 310 дБ), важно понимать: на таких уровнях волна воспринимается не как звук, а как физический удар. Для сравнения: болевой порог для человека — около 140 дБ, ядерный взрыв создаёт волну в ~280 дБ, а падение Челябинского метеорита в 2013 году вызвало ударную волну, выбившую стёкла по всему городу.
Одним из самых известных и эстетичных проявлений ударных волн является преодоление звукового барьера самолётами. Сопутствующий конденсационный конус (эффект Прандтля-Глоерта) — хоть и не сама ударная волна, а следствие перепада давления, — стал символом сверхзвукового полёта.
Эффект Прандтля-Глоерта. Облачный конус возникает при околозвуковых скоростях и является визуализацией зоны низкого давления, а не самой ударной волны. Зрелище захватывающее.
Таким образом, ударные волны — это грозное и многогранное физическое явление, связывающее вулканические взрывы прошлого с технологическими вызовами современности. Они напоминают нам, что даже такая привычная субстанция, как воздух, при определённых условиях может стать мощной разрушительной силой.
Любите физику, цените тишину и помните о силе невидимых волн.
Оригинал: https://vk.com/wall-130222883_8030?w=wall-130222883_8030
Подпишитесь, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Звуки смерти или пара слов об ударных волнах.