衝撃波

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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、主に空気中を伝播する、圧力などの不連続な変化のことであり、圧力波の一種である。

詳細[編集]

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[編集]

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
θがθmax 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[編集]

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。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]

研究[編集]

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[編集]

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、荷電粒子が光速を超えていた場合、放出された光子の速度を超えて他の光子が放出されるため、追いつけず打ち消し合わない。この結果、光子は外部に放射され、チェレンコフ放射として観測される。

太陽風の衝撃波[編集]

太陽系の果てでは、太陽風銀河系星間物質などの抵抗で超音速から亜音速に減速され、ゆがんだ球状の末端衝撃波面が形成される。一方、星間物質側から見ると太陽風によって減速されて傘型の衝撃波面を形成することになり、こちらはボウショックと呼ばれる。

脚注[編集]

  1. ^ 前田弘 『翼のはなし』 養賢堂、2000年、52頁。ISBN 4-8425-0056-5 
  2. ^ http://www.youtube.com/watch?v=dNkP4WwJInE tomcat f-14 supersonic 衝撃波により機体下で海面が波立っている
  3. ^ http://www.engineering-eye.com/rpt/c007_shockwave/01_05.html テクニカルレポート:衝撃波の科学
  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 

関連項目[編集]