衝撃波 単語

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ショウゲキハ

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衝撃波英: shock wave)とは、流体(空気等)の圧が非常に急に変化するような面である。

概要

流体の圧を急に増加させるような波を「圧縮波」と呼ぶが、衝撃波というのは大雑把に言えば圧縮波のうち、その圧変動が急で不連続(徐々に圧があがっていくのではではなく、低圧状態からいきなり高圧になる)なものを言う。

音も圧の波だが圧変動が微小なため、衝撃波とは区別される。また圧変動が微小ではなくとも圧変動が十分に緩やかな圧縮波は衝撃波とは区別される。

衝撃波の説明のため、空気中を衝撃波が通過するような状況を考える。衝撃波が気体を通過するということは、気体が衝撃波を通過するということでもある。気体が衝撃波を通過すると急かつ断熱的に圧縮され密度(単位体積あたりの質量)と温度が上昇する(これを断熱圧縮と言う)。十分に緩やかに断熱圧縮された気体は十分に緩やかに断熱膨張させることによって圧、密度、温度が元の状態に戻る。このような断熱圧縮や断熱膨張を断熱可逆過程もしくは準静的断熱過程と言うが、衝撃波により断熱圧縮された気体は断熱膨張だけでは元の状態に戻すことができない。

これはエントロピーと言われる不可逆性の標が断熱可逆過程では一定に保たれるのに対し、衝撃波による断熱圧縮では増大するためである。緩やかな圧波では圧波内部での摩擦や熱伝導の無視できるのに対し、衝撃波による大きな速度変化や温度勾配(間的な温度変化の急さ)は衝撃波の内部で摩擦や熱伝導といった不可逆的な変化を発生させ、その結果エントロピーが増加する。

気体のエントロピー変化は、変化の前後の圧率、密度の率、温度率のうちいずれか2つがわかれば計算することができる。また衝撃波前後の密度と圧の関係を表すランキンユゴニオ方程式という数式があり、衝撃波通過前後の圧から密度を計算できる。そこでランキンユゴニオ方程式を満たすような圧と密度エントロピーの計算式に代入すると、必ずエントロピーは増大する。逆に言えば衝撃波を逆再生したような波(不連続的に膨する波)はエントロピーが減少することを意味するが、断熱された物体のエントロピーが減少することは起こらないため、この事実は衝撃波を逆再生したような波つまり膨衝撃波は実現不可能なことを表している。

また衝撃波の速度は衝撃波前後の圧が大きいほど、また衝撃波が通る気体の温度が高いほど大きい。

十分に微弱な衝撃波は音速と同じ速度で進行する。

衝撃波の形成

衝撃波の形成原因として典的なのが「圧縮波が重なる」ことであり、有名な例では戦闘機等が音速で飛行する時である。

戦闘機が飛行することによって戦闘機前面は圧が大きくなるが、この変化は圧縮波として音速で伝わっていく。戦闘機が音速未満の時は移動により発生した圧縮波は時間の経過とともに戦闘機から離れていくが、音速飛行する戦闘機の前面に発生した圧縮波のうち戦闘機の進行方向に伝わるものは、圧縮波の進行に戦闘機が追いつきそこで新たな圧縮波が発生するため、圧縮波が重なり続けた状態になり、これが衝撃波になる。

また爆弾爆発した時も衝撃波が発生する。

爆弾爆発すると爆発地点の周囲の空気圧縮し次々に圧縮波を発生させるが、空気圧縮されると断熱圧縮により温度があがり、温度があがると圧縮波の進行速度が速くなる。その結果、圧縮波を圧縮波が追いかけるとき後続の圧縮波のほうが進行速度が速いため手前の圧縮波に追いつくことになり、衝撃波を発生させる。

弊害

特に強なものでは騒音難聴というレベルではなく
近隣のガラス割れたり、の防犯アラームが作動するほどの威がある。
爆薬の起爆、戦車など強な火の発射、音速で低飛行する戦闘機など。

間的であっても多大な圧や振動が襲うため
特に衝撃波にされる機械や部位においては強度設計等が必要となったり
土嚢や防といった物理的な防護で周囲への被害軽減を図る必要がある。

水中においては音や衝撃波が効率的に伝搬するため、爆発物によるダメージが甚大となる。
水中への手榴弾投下や、ダイナマイト漁などが良い例。(弾などは抵抗で急停止してしまう)

人体では鼓膜やが特に衝撃波に弱く、内臓ではや腸等の空気を含んだ臓器が衝撃波のダメージを受けやすい。

爆弾爆発三次元的に広がる衝撃波の強さ(圧)は爆心地からの距離の3乗に反例し減衰するが、地形によっては衝撃波が重なり局所的に強くなることがある。

フィクションにおける衝撃波

アニメ漫画映画ゲームにおいては

技を放った後、衝撃波により地面が破壊される描写やキャラクターが吹っ飛ぶ等の描写でその技(必殺技)の威を表現する事がある。

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最終更新:2024/04/21(日) 14:00

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