衝撃波

シュリーレン法により撮影された衝撃波

衝撃波(しょうげきは、: shock wave)は、主に流体中を伝播する、圧力などの不連続変化のことであり、圧力波の一種である。

詳細

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主に媒質中を超音速で移動する物体の周りに発生し、媒質中の音速よりも速い速度、すなわち超音速で伝播、急速に減衰して最終的には音波ソニックブーム)となる。

また、波面後方で圧力・温度・密度の上昇する圧縮波であるが、自然界で発生するほとんどの衝撃波は近傍に膨張波を伴っている。

衝撃波の強さは、衝撃波前方と後方の圧力比・温度比・密度比・速度比などで示される。これらの比は衝撃波マッハ数(衝撃波伝播速度を衝撃波前方の音速で割った値)に対してそれぞれ1対1で対応するため、衝撃波マッハ数も衝撃波の強さを示す値として用いられる。なお、理想気体中でのこのような比はランキン・ユゴニオの式によって関係付けられる。

分類

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斜め衝撃波
垂直衝撃波
伝播方向に対して波面が垂直なものを指す。形状が単純であることから、各衝撃波の空気力学的解析によく用いられる。
斜め衝撃波
伝播方向に対して波面が垂直でないものを指す。図のθがある値θmax より小さい曲がり角に超音速の流れが進入する際に発生する。このθmax はマッハ数とともに増加する。なお、θが負の時はプラントル―マイヤー膨張扇英語版と呼ばれる無数に集まったマッハ波が発生する。
超音速で飛行する航空機に発生した円錐形の衝撃波(マッハコーン)も、斜め衝撃波である。このような場合、波面の角度βはマッハ角と呼ばれ、マッハ数M と sinβ = 1/M の関係がある[1]
離脱衝撃波
θθmax より大きくなったときに、曲がり角の手前側に発生する衝撃波。

発生例

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航空機が発する衝撃波

超音速飛行中の戦闘機[2]ロケット隕石大気圏再突入した人工衛星などの周囲で発生する。また弾丸による発生も確認されている。地表に達すると窓ガラスを割るなどの被害を生じ、減衰してもソニックブームと呼ばれる大きな騒音になる。衝撃波を発生させるには大きな力が必要で、造波抵抗という抗力として作用するため、超音速飛行を実現するうえで大きな技術的課題となっている。

爆発によっても発生することがある。爆発の膨張速度が音速を超えると、表面に衝撃波が生じる(爆轟)。自然界の例としては火山噴火やなどが挙げられる。人工的な爆発では、地表核実験などがあげられる。発生した衝撃波は伝播とともに急激に減衰して音波となり、「ドン」という、いわゆる爆発音になる。

ごく小規模なものとして、を振るったときに先端部が音速を超えて発生するものがある。パシッと鳴る音は、衝撃波が減衰したソニックブームによる[3]。 「ヒュウ」と鳴る音はこれとは別の、音速に関係のないエオルス音と言われるものである。

研究

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エルンスト・マッハが撮影した、衝撃波をともなう超音速弾丸の写真(1887年)

衝撃波の理論研究の歴史は、次のようである[4]

光の衝撃波

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音波だけでなく、電磁波)においても衝撃波に似た現象が観測される。 一般に媒質中の光速は真空中より遅く、例えば水中では真空中の3/4である。素粒子などが媒質中を高速で移動する際、これを上回ると発生する。

荷電粒子原子内を通過すると、電子軌道が乱され電子の偏りが生じる。偏りは光子を放出して元に戻るが、通常は光子は打ち消し合って消えてしまう。しかし、荷電粒子の速度がその媒質での光速を超えていた場合、放出された光子の速度を超えて次の光子が放出されるため、追いつけず打ち消し合えない。この結果、光子は外部に飛び出し、チェレンコフ放射として観測される。

脚注

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  1. ^ 前田弘『翼のはなし』養賢堂、2000年、52頁。ISBN 4-8425-0056-5 
  2. ^ AMIR Ha. “tomcat f-14 supersonic”. YouTube. 2020年8月5日閲覧。衝撃波により機体下で海面が波立っている。
  3. ^ 高山和喜 (2005年9月). “テクニカルレポート:コラム:衝撃波の科学 第1回:衝撃波はどこに現れるか 5. 衝撃波はどこに現れるか(その2)”. 伊藤忠テクノソリューションズ. 2020年8月5日閲覧。
  4. ^ 永田雅人『高速流体力学』森北出版、2010年、4-9頁。ISBN 978-4-627-67361-8 
  5. ^ Ground-Based Schlieren Technique Looks to the Sun and Moon - NASA

関連項目

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