Onda de choque

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En física, una onda de choque (también escrita onda de choque ) o choque , es un tipo de perturbación que se propaga y se mueve más rápido que la velocidad local del sonido en el medio. Al igual que una onda ordinaria, una onda de choque transporta energía y puede propagarse a través de un medio, pero se caracteriza por un cambio abrupto, casi discontinuo, en la presión , la temperatura y la densidad del medio. ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}

A modo de comparación, en los flujos supersónicos , se puede lograr una mayor expansión adicional mediante un abanico de expansión , también conocido como abanico de expansión Prandtl-Meyer . La onda de expansión que lo acompaña puede acercarse y, finalmente, colisionar y recombinarse con la onda de choque, creando un proceso de interferencia destructiva. El estampido sónico asociado con el paso de un avión supersónico es un tipo de onda sonora producida por interferencia constructiva .

A diferencia de los solitones (otro tipo de onda no lineal), la energía y la velocidad de una onda de choque por sí sola se disipan relativamente rápido con la distancia. Cuando una onda de choque pasa a través de la materia, la energía se conserva pero la entropía aumenta. Este cambio en las propiedades de la materia se manifiesta como una disminución de la energía que se puede extraer como trabajo y como una fuerza de arrastre sobre objetos supersónicos ; las ondas de choque son procesos fuertemente irreversibles .

Las ondas de choque pueden ser:

Normal

A 90° (perpendicular) a la dirección del flujo del medio de choque.

Oblicuo

En ángulo respecto a la dirección del flujo.

Arco

Se produce aguas arriba del frente ( proa ) de un objeto romo cuando la velocidad del flujo ascendente excede Mach 1.

Algunos otros términos:

• Frente de choque: Límite sobre el cual las condiciones físicas experimentan un cambio abrupto debido a una onda de choque.
• Frente de contacto: En una onda de choque causada por un gas impulsor (por ejemplo, el "impacto" de un explosivo de alta potencia en el aire circundante), el límite entre el gas impulsor (producto explosivo) y el gas impulsado (aire) es el frente de contacto que sigue al frente de choque.

La brusquedad del cambio en las características del medio, que caracteriza a las ondas de choque, puede considerarse como una transición de fase : el diagrama de presión-tiempo de un objeto supersónico que se propaga muestra cómo la transición inducida por una onda de choque es análoga a una transición de fase dinámica .

Cuando un objeto (o perturbación) se mueve más rápido de lo que la información puede propagarse en el fluido circundante, entonces el fluido cerca de la perturbación no puede reaccionar o "salir del camino" antes de que llegue la perturbación. En una onda de choque, las propiedades del fluido ( densidad , presión , temperatura , velocidad de flujo , número de Mach ) cambian casi instantáneamente. ^[7] Las mediciones del espesor de las ondas de choque en el aire han dado como resultado valores de alrededor de 200 nm (aproximadamente 10 ⁻⁵ in), ^[8] que está en el mismo orden de magnitud que el camino libre medio de las moléculas de gas. En referencia al continuo, esto implica que la onda de choque puede tratarse como una línea o un plano si el campo de flujo es bidimensional o tridimensional, respectivamente.

Las ondas de choque se forman cuando un frente de presión se mueve a velocidades supersónicas y empuja el aire circundante. ^[9] En la región donde esto ocurre, las ondas sonoras que viajan contra la corriente alcanzan un punto donde no pueden viajar más río arriba y la presión aumenta progresivamente en esa región; se forma rápidamente una onda de choque de alta presión.

Las ondas de choque no son ondas de sonido convencionales; una onda de choque toma la forma de un cambio muy brusco en las propiedades del gas. Las ondas de choque en el aire se escuchan como un fuerte ruido de "crujido" o "chasquido". En distancias más largas, una onda de choque puede cambiar de una onda no lineal a una onda lineal, degenerando en una onda de sonido convencional a medida que calienta el aire y pierde energía. La onda de sonido se escucha como el familiar "golpe" o "golpe" de un estampido sónico , comúnmente creado por el vuelo supersónico de los aviones.

La onda de choque es una de las distintas formas en que se puede comprimir un gas en un flujo supersónico. Otros métodos son las compresiones isentrópicas , incluidas las compresiones de Prandtl -Meyer. El método de compresión de un gas da como resultado diferentes temperaturas y densidades para una relación de presión dada que se puede calcular analíticamente para un gas que no reacciona. Una compresión por onda de choque da como resultado una pérdida de presión total, lo que significa que es un método menos eficiente de compresión de gases para algunos fines, por ejemplo, en la entrada de un estatorreactor . La aparición de resistencia por presión en los aviones supersónicos se debe principalmente al efecto de la compresión por choque en el flujo.

En la mecánica de fluidos elemental que utiliza gases ideales , una onda de choque se trata como una discontinuidad donde la entropía aumenta abruptamente a medida que pasa el choque. Dado que ningún flujo de fluido es discontinuo, se establece un volumen de control alrededor de la onda de choque, con las superficies de control que limitan este volumen paralelas a la onda de choque (con una superficie en el lado anterior al choque del medio fluido y otra en el lado posterior al choque). Las dos superficies están separadas por una profundidad muy pequeña de modo que el choque en sí está completamente contenido entre ellas. En tales superficies de control, el momento, el flujo de masa y la energía son constantes; dentro de la combustión, las detonaciones se pueden modelar como la introducción de calor a través de una onda de choque. Se supone que el sistema es adiabático (no sale ni entra calor del sistema) y no se realiza ningún trabajo. Las condiciones de Rankine-Hugoniot surgen de estas consideraciones.

Teniendo en cuenta las hipótesis establecidas, en un sistema en el que las propiedades aguas abajo se están volviendo subsónicas, las propiedades de flujo aguas arriba y aguas abajo del fluido se consideran isentrópicas. Dado que la cantidad total de energía dentro del sistema es constante, la entalpía de estancamiento permanece constante en ambas regiones. Sin embargo, la entropía está aumentando; esto debe explicarse por una caída en la presión de estancamiento del fluido aguas abajo.

Al analizar las ondas de choque en un campo de flujo que todavía están adheridas al cuerpo, la onda de choque que se desvía en un ángulo arbitrario con respecto a la dirección del flujo se denomina choque oblicuo. Estos choques requieren un análisis del vector de componentes del flujo; al hacerlo, se puede tratar el flujo en una dirección ortogonal al choque oblicuo como un choque normal.

Cuando es probable que se forme un choque oblicuo en un ángulo que no puede permanecer en la superficie, surge un fenómeno no lineal en el que la onda de choque formará un patrón continuo alrededor del cuerpo. Estos se denominan choques de arco . En estos casos, el modelo de flujo 1d no es válido y se necesitan más análisis para predecir las fuerzas de presión que se ejercen sobre la superficie.

Las ondas de choque se pueden formar debido al empinamiento de las olas ordinarias. El ejemplo más conocido de este fenómeno son las olas oceánicas que forman rompientes en la costa. En aguas poco profundas, la velocidad de las olas superficiales depende de la profundidad del agua. Una ola oceánica entrante tiene una velocidad de ola ligeramente mayor cerca de la cresta de cada ola que cerca de los valles entre olas, porque la altura de la ola no es infinitesimal en comparación con la profundidad del agua. Las crestas superan a los valles hasta que el borde delantero de la ola forma una cara vertical y se desborda para formar un choque turbulento (un rompiente) que disipa la energía de la ola en forma de sonido y calor.

Fenómenos similares afectan a las ondas sonoras fuertes en el gas o el plasma, debido a la dependencia de la velocidad del sonido con la temperatura y la presión. Las ondas fuertes calientan el medio cerca de cada frente de presión, debido a la compresión adiabática del aire mismo, de modo que los frentes de alta presión superan los valles de presión correspondientes. Existe una teoría que sostiene que los niveles de presión sonora en instrumentos de viento metal como el trombón se vuelven lo suficientemente altos como para que se produzca una inclinación, formando una parte esencial del timbre brillante de los instrumentos. ^[10] Si bien la formación de choques mediante este proceso normalmente no ocurre en las ondas sonoras no encerradas en la atmósfera de la Tierra, se cree que es un mecanismo por el cual se calientan la cromosfera solar y la corona , a través de ondas que se propagan hacia arriba desde el interior solar.

Una onda de choque puede describirse como el punto más alejado aguas arriba de un objeto en movimiento que "sabe" acerca de la aproximación del objeto. En esta descripción, la posición de la onda de choque se define como el límite entre la zona que no tiene información acerca del evento que impulsa la onda de choque y la zona que conoce el evento que impulsa la onda de choque, de manera análoga al cono de luz descrito en la teoría de la relatividad especial .

Para producir una onda de choque, un objeto en un medio determinado (como el aire o el agua) debe viajar más rápido que la velocidad local del sonido. En el caso de un avión que viaja a alta velocidad subsónica, las regiones de aire alrededor del avión pueden viajar exactamente a la velocidad del sonido, de modo que las ondas sonoras que salen del avión se acumulan unas sobre otras, de manera similar a un atasco de tráfico en una autopista. Cuando se forma una onda de choque, la presión del aire local aumenta y luego se extiende hacia los lados. Debido a este efecto de amplificación, una onda de choque puede ser muy intensa, más parecida a una explosión cuando se escucha a distancia (no es casualidad, ya que las explosiones crean ondas de choque).

Se conocen fenómenos análogos fuera de la mecánica de fluidos. Por ejemplo, las partículas cargadas aceleradas más allá de la velocidad de la luz en un medio refractario (como el agua, donde la velocidad de la luz es menor que en el vacío ) crean efectos de choque visibles, un fenómeno conocido como radiación Cherenkov .

A continuación se presentan varios ejemplos de ondas de choque, agrupadas en términos generales con fenómenos de choque similares:

• Generalmente consiste en una onda de choque que se propaga en un medio estacionario.
• En este caso, el gas que se encuentra delante del choque es estacionario (en el marco de referencia del laboratorio) y el gas que se encuentra detrás del choque puede ser supersónico en el marco de referencia del laboratorio. El choque se propaga con un frente de onda que es normal (en ángulo recto) a la dirección del flujo. La velocidad del choque es una función de la relación de presiones original entre los dos cuerpos de gas.
• Los choques en movimiento generalmente se generan por la interacción de dos cuerpos de gas a diferente presión, con una onda de choque que se propaga hacia el gas de menor presión y una onda de expansión que se propaga hacia el gas de mayor presión.
• Ejemplos: estallido de un globo, tubo de choque , onda de choque de una explosión .

• Una onda de detonación es esencialmente un choque respaldado por una reacción exotérmica posterior . Se trata de una onda que se desplaza a través de un medio altamente combustible o químicamente inestable, como una mezcla de oxígeno y metano o un explosivo de alto poder . La reacción química del medio se produce después de la onda de choque, y la energía química de la reacción impulsa la onda hacia adelante.
• Una onda de detonación sigue reglas ligeramente diferentes a las de una onda de choque normal, ya que está impulsada por la reacción química que ocurre detrás del frente de onda de choque. En la teoría más simple de detonaciones, una onda de detonación autopropagada sin soporte avanza a la velocidad de flujo de Chapman-Jouguet . Una detonación también hará que una onda de choque se propague al aire circundante debido a la sobrepresión inducida por la explosión.
• Cuando una onda de choque es creada por explosivos de alta potencia como el TNT (que tiene una velocidad de detonación de 6.900 m/s), siempre viajará a una velocidad alta y supersónica desde su punto de origen.

• Estos amortiguadores son curvados y forman una pequeña distancia frente al cuerpo. Directamente frente al cuerpo, se encuentran a 90 grados del flujo que se aproxima y luego se curvan alrededor del cuerpo. Los amortiguadores separados permiten el mismo tipo de cálculos analíticos que para el amortiguador unido, para el flujo cerca del amortiguador. Son un tema de interés continuo, porque las reglas que gobiernan la distancia del amortiguador por delante del cuerpo romo son complicadas y son una función de la forma del cuerpo. Además, la distancia de separación del amortiguador varía drásticamente con la temperatura para un gas no ideal, lo que causa grandes diferencias en la transferencia de calor al sistema de protección térmica del vehículo. Vea la discusión extendida sobre este tema en reentrada atmosférica . Estos siguen las soluciones de "choque fuerte" de las ecuaciones analíticas, lo que significa que para algunos choques oblicuos muy cercanos al límite del ángulo de deflexión, el número de Mach aguas abajo es subsónico. Vea también choque de proa o choque oblicuo .
• Este tipo de choque se produce cuando se supera el ángulo de deflexión máximo. Un choque desprendido se observa comúnmente en cuerpos romos, pero también puede observarse en cuerpos afilados a números de Mach bajos.
• Ejemplos: vehículos espaciales de retorno (Apolo, transbordadores espaciales), balas, el límite ( onda de choque ) de una magnetosfera . El nombre "onda de choque" proviene del ejemplo de una onda de proa , la onda de choque desprendida que se forma en la proa (parte delantera) de un barco o embarcación que se desplaza por el agua, cuya velocidad de onda superficial lenta se supera fácilmente (véase onda superficial del océano ).

• Estos choques aparecen como si estuvieran adheridos a las puntas de cuerpos afilados que se mueven a velocidades supersónicas.
• Ejemplos: Cuñas y conos supersónicos con ángulos de vértice pequeños.
• La onda de choque adjunta es una estructura clásica en aerodinámica porque, para un campo de flujo no viscoso y de gas perfecto, se dispone de una solución analítica, de modo que la relación de presiones, la relación de temperaturas, el ángulo de la cuña y el número de Mach aguas abajo se pueden calcular todos conociendo el número de Mach aguas arriba y el ángulo de choque. Los ángulos de choque más pequeños se asocian con números de Mach aguas arriba más altos, y el caso especial en el que la onda de choque está a 90° con respecto al flujo que se aproxima (choque normal), se asocia con un número de Mach de uno. Estos siguen las soluciones de "choque débil" de las ecuaciones analíticas.

Las ondas de choque también pueden ocurrir en flujos rápidos de materiales granulares densos que descienden por canales o pendientes inclinadas. Los choques fuertes en flujos granulares densos y rápidos se pueden estudiar teóricamente y analizar para compararlos con datos experimentales. Considere una configuración en la que el material que se mueve rápidamente por el canal choca contra una pared de obstrucción erigida perpendicularmente al final de un canal largo y empinado. El impacto conduce a un cambio repentino en el régimen de flujo de una capa delgada supercrítica de rápido movimiento a un montón espeso estancado. Esta configuración de flujo es particularmente interesante porque es análoga a algunas situaciones hidráulicas y aerodinámicas asociadas con cambios de régimen de flujo de flujos supercríticos a subcríticos.

Los entornos astrofísicos presentan muchos tipos diferentes de ondas de choque. Algunos ejemplos comunes son las ondas de choque de las supernovas o las ondas expansivas que viajan a través del medio interestelar, el arco de choque causado por el campo magnético de la Tierra al colisionar con el viento solar y las ondas de choque causadas por las galaxias que chocan entre sí. Otro tipo interesante de choque en astrofísica es el choque inverso cuasi constante o choque de terminación que termina el viento ultrarrelativista de los púlsares jóvenes .

Las ondas de choque son generadas por los meteoroides cuando entran en la atmósfera de la Tierra. ^[11] El evento de Tunguska y el evento meteórico ruso de 2013 son la evidencia mejor documentada de la onda de choque producida por un meteoroide masivo .

Cuando el meteorito de 2013 entró en la atmósfera de la Tierra con una liberación de energía equivalente a 100 o más kilotones de TNT, docenas de veces más potente que la bomba atómica lanzada sobre Hiroshima , la onda de choque del meteorito produjo daños como en el paso de un avión supersónico (directamente debajo de la trayectoria del meteorito) y como una onda de detonación , con la onda de choque circular centrada en la explosión del meteorito, causando múltiples casos de vidrios rotos en la ciudad de Cheliábinsk y áreas vecinas (en la foto).

En los ejemplos siguientes, la onda de choque está controlada, se produce mediante un perfil aerodinámico (por ejemplo) o en el interior de un dispositivo tecnológico, como una turbina .

• Estos choques aparecen cuando el flujo sobre un cuerpo transónico se desacelera a velocidades subsónicas.
• Ejemplos: Alas transónicas, turbinas.
• Cuando el flujo sobre el lado de succión de un ala transónica se acelera a una velocidad supersónica, la recompresión resultante puede ser por compresión de Prandtl-Meyer o por la formación de un choque normal. Este choque es de particular interés para los fabricantes de dispositivos transónicos porque puede causar la separación de la capa límite en el punto donde toca el perfil transónico. Esto puede conducir a una separación total y pérdida de sustentación en el perfil, mayor resistencia o choque-bache, una condición en la que la separación y el choque interactúan en una condición de resonancia, causando cargas resonantes en la estructura subyacente.

• Este choque aparece cuando se desacelera el flujo supersónico en una tubería.
• Ejemplos:
  • En propulsión supersónica: estatorreactor , estatorreactor de combustión supersónica , desarranque .
  • En control de flujo: válvula de aguja, venturi estrangulado.
• En este caso, el gas delante del choque es supersónico (en el marco del laboratorio), y el gas detrás del sistema de choque es supersónico ( choque oblicuo ) o subsónico (un choque normal ) (aunque para algunos choques oblicuos muy cercanos al límite del ángulo de deflexión, el número de Mach aguas abajo es subsónico). El choque es el resultado de la desaceleración del gas por un conducto convergente, o por el crecimiento de la capa límite en la pared de un conducto paralelo.

El motor de disco ondulado (también llamado "rotor de onda de combustión interna radial") es un tipo de motor rotativo sin pistón que utiliza ondas de choque para transferir energía entre un fluido de alta energía a un fluido de baja energía, aumentando así tanto la temperatura como la presión del fluido de baja energía.

En los memristores , bajo un campo eléctrico aplicado externamente, se pueden lanzar ondas de choque a través de los óxidos de metales de transición, creando cambios de resistividad rápidos y no volátiles. ^[12]

Se necesitan técnicas avanzadas para capturar ondas de choque y detectarlas tanto en cálculos numéricos como en observaciones experimentales. ^{[13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]}

La dinámica de fluidos computacional se utiliza comúnmente para obtener el campo de flujo con ondas de choque. Aunque las ondas de choque son discontinuidades agudas, en soluciones numéricas de flujo de fluido con discontinuidades (onda de choque, discontinuidad de contacto o línea de deslizamiento), la onda de choque se puede suavizar mediante un método numérico de orden bajo (debido a la disipación numérica) o existen oscilaciones espurias cerca de la superficie de choque mediante un método numérico de orden alto (debido al fenómeno de Gibbs ^[20] ).

Existen otras discontinuidades en el flujo de fluidos además de la onda de choque. La superficie de deslizamiento (3D) o línea de deslizamiento (2D) es un plano a través del cual la velocidad tangente es discontinua, mientras que la presión y la velocidad normal son continuas. A través de la discontinuidad de contacto, la presión y la velocidad son continuas y la densidad es discontinua. Una onda de expansión fuerte o una capa de cizallamiento también pueden contener regiones de alto gradiente que parecen ser una discontinuidad. Algunas características comunes de estas estructuras de flujo y ondas de choque y los aspectos insuficientes de las herramientas numéricas y experimentales conducen a dos problemas importantes en las prácticas: (1) algunas ondas de choque no se pueden detectar o sus posiciones se detectan incorrectamente, (2) algunas estructuras de flujo que no son ondas de choque se detectan erróneamente como ondas de choque.

De hecho, la correcta captura y detección de ondas de choque son importantes ya que las ondas de choque tienen las siguientes influencias: (1) causar pérdida de presión total, lo que puede ser un problema relacionado con el rendimiento del motor estatorreactor, (2) proporcionar sustentación para la configuración wave-rider, ya que la onda de choque oblicua en la superficie inferior del vehículo puede producir alta presión para generar sustentación, (3) provocar un arrastre de onda en un vehículo de alta velocidad que es perjudicial para el rendimiento del vehículo, (4) inducir una carga de presión severa y un flujo de calor, por ejemplo, la interferencia de choque a choque Tipo IV podría producir un aumento de calentamiento de 17 veces en la superficie del vehículo, (5) interactuar con otras estructuras, como capas límite, para producir nuevas estructuras de flujo como separación de flujo, transición, etc.

Nikonov, V. Un método semilagrangiano de tipo Godunov sin viscosidad numérica para choques. Fluids 2022, 7, 16. https://doi.org/10.3390/fluids7010016

• Krehl, Peter OK (2011), "Física de ondas de choque y física de detonaciones: un estímulo para el surgimiento de numerosas nuevas ramas en ciencia e ingeniería", European Physical Journal H , 36 (1): 85–152, Bibcode :2011EPJH...36...85K, doi :10.1140/epjh/e2011-10037-x, S2CID  123074683.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Ondas de choque .

• Información del Centro de Investigación Glenn de la NASA sobre:
  • Choques oblicuos
  • Múltiples choques cruzados
  • Ventiladores de expansión
• Selkirk College: Intranet de aviación: Vuelo de alta velocidad (supersónico)
  • Pérdida de energía en una onda de choque, ondas de choque normales y oblicuas
  • Formación de una onda de choque normal
• Fundamentos del flujo compresible, 2007
• Imagen de la NASA tomada en 2015 con la onda de choque del T-38C