Физики оседлали ударную волну

Ударную волну, возникающую при сверхзвуковом движении предметов, можно оседлать. Продемонстрировать это экспериментаторы смогли в специальной аэродинамической трубе.

Ученые обнаружили любопытное свойство ударных волн – явлений, обычно возникающих при сверхзвуковом движении объектов в газе.

Ударные волны — воображаемые поверхности, в которых основные термодинамические характеристики среды — плотность, температура, давление – испытывают скачок. Физики под руководством Ника Парциалеса из Калифорнийского технологического института решили узнать, может ли ударная волна двигать свободно летящее тело. Для этого они использовали нейлоновые шарики, помещенные в аэродинамическую трубу. В трубе создавался ламинарный поток воздуха со сверхзвуковой скоростью четыре Маха. Шарики соединяли вместе и привязывали тонкой нитью, которая при подаче воздуха обрывалась.

Шлирен-фотография

Справка
Метод обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных средах и дефектов отражающих поверхностей. Пучок лучей от источника света направляется через исследуемый объект и фокусируется на непрозрачной ширме с острой кромкой. Изображение источника проектируется на самом краю ширмы. Если исследуемый объект оптически однороден, все лучи задерживаются ширмой. При наличии неоднородности лучи будут рассеиваться, и часть их пройдёт выше края ширмы. Поставив за ширмой проекционный объектив, можно спроектировать на экран эти лучи и получить изображение неоднородностей.

Дальнейшее движение шаров, как и образование вокруг них ударных волн, отслеживалось при помощи метода шлирен-фотографии и высокоскоростной камеры. Метод позволяет фиксировать области сжатия воздуха, фиксируя образование ударных волн.

В случае двух одинаковых шаров после отрыва удерживающей нити шары сразу начинали расходиться друг от друга, продолжая двигаться симметрично. Необычное явление наблюдалось, когда шары различались по размеру. Как и в первом эксперименте, каждый шар образовывал вокруг себя собственную ударную волну. Однако в этот раз меньший шар быстрее увлекался набегающим потоком воздуха, но главное – он всегда оставался в области действия ударной волны, возникающей от большого шара.

Серфинг на сверхзвуке

Ученые назвали этот эффект «surfing» — оседлание ударной волны. В дальнейшем команда Парциаля создала 3−D модель движения шаров на основе расчета аэродинамических сил. Расчет показал, что наблюдаемый эффект очень чувствителен к геометрии системы.

Ученым еще предстоит найти практическое применение открытому эффекту. Они уверены, что подобное скольжение на ударной волне происходит при отделении мелких фрагментов метеоритов в атмосфере. Работа ученых опубликована в журнале Technology Review.