Smūginė banga

Smūginė banga (angl. shock wave) – susidaro tada, kai yra viršijamas garso greitis. Smūginės (garsinės) bangos sąvoka dažniausiai naudojama kalbant apie orlaivius ir kitus objektus, kurie geba išvystyti didesnį nei garso greitį.

Garsinio smūgio sudarytą Macho kūgį galima pamatyt plika akimi

Kai objektas juda atmosferoje garso greičiu (Ma<1), tai jis sukuria slėginių bangų seriją priešais save ir už savęs. Pavyzdžiui, laivas plaukiantis vandeniu, suformuoja bangas laivo priekyje ir gale. Kai objektas padidina greitį iki Ma=1, tuomet bangos verčiamos judėti kartu ir yra spaudžiamos, nes negali pasitraukti viena kitai iš kelio. Galiausiai jos susijungia į vieną smūginę bangą. Šis kritinis greitis yra 1225 km/h jūros lygyje. Smūginė banga, prasidėjusi objekto priekyje, nuvilnyja link objekto galo, taip sudarydama Macho kūgį, kuris yra susietas su Macho skaičiumi. Kuo greitis yra didesnis, tuo smailesnis formuojasi kūgis.

Macho skaičius

Stebėtojas girdi garsinį smūgį ir mato susiformuojanti kūgį

Macho kūgio kampas

Sutrumpintai žymimas (Ma), pavadinimas duotas austrų fiziko ir filosofo Ernst Mach garbei. Tai bedimensis greičio matavimo vienetas, rodantis objekto greičio santykį su garso greičiu. 1 Ma yra lygus garso greičiui.

Šis skaičius nėra konstanta, kadangi susietas su garso greičiu, kuris skirtingomis aplinkybėmis yra skirtingas. 15 °C temperatūroje jūros lygyje Žemės atmosferoje vienas Machas (ir garso greitis) atitinka 340,3 m/s. Macho skaičiais dažnai nurodomas orlaivių (ypač – viršgarsinių lėktuvų) greitis.

Smūginių bangų tipai

• Normaliosios: tai statmuo (90⁰) į smūginės bangos dalelių srauto kryptį (Ma<1)
• Įžambiosios: kampu α į smūginės bangos srauto kryptį (Ma=1)
• Palinkusios: kai greitis yra didesnis nei vienas Machas

Kai smūginės bangos greitis sumažėja ir sutampa su garso bangos greičiu, tuomet smūginė banga „miršta“ ir sumažėja iki paprastų garso bangų. Smūginiu bangų pavidalu mechaninė energija gali nueiti ilga kelią. Ši savybė naudojama įvairiose srityse: medžiagos struktūros suardymui, atstumų matavimui. Taip pat smūgine banga yra suspaudžiamos dujos viršgarsiniame sraute.

Smūginės bangos gamtoje

Smūgines bangas galima aptikti ir gamtoje. Žinomiausias šio reiškinio pavyzdys yra okeaninės bangos, kurios suformuoja didžiules bangas krante. Sekliame vandenyje, paviršinių bangų greitis priklauso nuo vandens gylio. Atvilnyjanti okeaninė banga turi šiek tiek didesnį bangos greitį šalia keteros nei šalia lovių tarp bangų. Keteros aplenkia lovius, kol bangos priekinis kraštas neformuoja vertikalaus paviršiaus ir išsilieja, taip sukurdama smūgį, kuris bangos energiją išsklaido kaip garsą ir šilumą.

Smūginės bangos susidaro Žemės drebėjimuose, supernovų sprogimuose, krintant į Žemę meteoroidams, Saulės vėjui susiduriant su magnetosfera. Smūginė banga netenka energijos pakeldama aplinkos temperatūrą.

Smūginė banga ir uraganai

JAV mokslininkai užpatentavo išradimą, kuris galėtų apsaugoti nuo milijardinius nuostolius atnešančių ir daugybę žmonių pražudančių uraganų, skelbia „New Scientist“. Akrono universiteto Ohajaus valstijoje (JAV) profesoriaus Arkadijaus Leonovo vadovaujama mokslininkų grupė išrado būdą, kaip galima gana paprastai sumažinti griaunamąją uraganų galią. Tereikia įkalbėti kariškius, kad šie „paskolintų“ atmosferos fizikams porą viršgarsinių naikintuvų. Akrono universiteto mokslininkai nustatė, kad apskritimo pavidalo trajektorija aplink uragano „akį“ skraidantys viršgarsiniai lėktuvai gali iš esmės sumažinti jo galią. Pasirodo, šioje ramioje išorinėje besisukančio uragano dalyje lėktuvų dėl viršyto garso greičio sukeltos smūginės bangos „dramatiškai“ sumažina „akyje“ oro slėgį ir suardo uraganą stiprinančių šiltų oro srovių srautą. Kadangi smūginės garso bangos plečiasi toldamos nuo lėktuvo, uraganui sutramdyti esą pakaktų vos vieno kito palyginti nedidelio viršgarsinio lėktuvo.

Smūginės bangos pritaikymo galimybės

Šios bangos yra pritaikomos medicinoje kaip smūginės bangos terapijos sistema, tai ūmiam ir lėtiniam skausmui gydyti. Bangos nukreipiamos į skaudamas paciento kūno vietas. Jomis skaldomos kalcio nuosėdos, skatinama kraujotaka – taip sumažinamas skausmas.

Pavyzdžiui: peties sąnario sausgyslių uždegimas, blauzdikaulinių sausgyslių sukeliamas skausmas, plaštakos sąnarių pirmojo laipsnio artrozė ir t. t.

Taip pat skaitykite

• Čerenkovo spinduliavimas
• Magnetopauzė
• Kilio banga (astronomija)

Šaltiniai

1. Anderson, John D. Jr. (1984). Fundamentals of Aerodynamics (3rd ed.). McGraw-Hill Science/Engineering/Math. ISBN 0-07-237335-0.

2. Settles, Gary S. (2006), High-speed Imaging of Shock Wave, Explosions and Gunshots, 94, American Scientist, pp. 22–31

3. Shiva P. Pudasaini, et al., (2007), Rapid Flow of Dry Granular Materials down Inclined Chutes Impinging on Rigid Walls, Physics of Fluids, 19, American Institute of Physics

4. Shiva P. Pudasaini, Christian Kroener (2008), Shock waves in rapid flows of dense granular materials: Theoretical predictions and experimental results, Physical Review E, 78, American Physical Society

Išorinės sąsajos

NASA Glenn Tyrimo centro informacija apie:

• Įžambios smūginės bangos Archyvuota kopija 2011-07-18 iš Wayback Machine projekto.
• Susikertančios smūginės bangos Archyvuota kopija 2011-08-21 iš Wayback Machine projekto.
• Vėduoklės pavidalo srautai Archyvuota kopija 2011-07-05 iš Wayback Machine projekto.

Selkerko kolegija: Aviacijos intranetas: Didelis greitis (viršgarsinis) skrydis:

• Energijos praradimas smūgio bangoje, normaliose ir įžambiose smūgio bangose Archyvuota kopija 2006-04-27 iš Wayback Machine projekto.
• Normalios smūgio bangos sudarymas Archyvuota kopija 2006-04-09 iš Wayback Machine projekto.
• Suspaudžiamo srauto pagrindai, 2007 Archyvuota kopija 2010-09-30 iš Wayback Machine projekto.
• KB Nemokama baigtinių elementų mokomoji programa smūginių bangų ir sprogimų modeliavimui Archyvuota kopija 2012-12-09 iš Archive.is projekto.