موجة انفجارية

يتشكل جذع ماخ عندما تنعكس موجة الانفجار عن الأرض، ويلحق الانعكاس بجبهة الصدمة الأصلية، مما يُنشئ منطقة ضغط مرتفع تمتد من الأرض إلى نقطة معينة تُسمى النقطة الثلاثية على حافة موجة الانفجار. أي شيء في هذه المنطقة يتعرض لضغوط قصوى قد تفوق الضغط الأقصى لجبهة الصدمة الأصلية بعدة مرات.

في الفيزياء، التداخل هو التقاء موجتين مترابطتين، مما يؤدي إما إلى زيادة أو نقصان في السعة الكلية ، وذلك بحسب ما إذا كان التداخل بناءً أو هدامًا. إذا التقت قمة موجة بقمة موجة أخرى عند النقطة نفسها، فإن القمتين تتداخلان تداخلاً بناءً، فتزداد سعة الموجة الناتجة، مُكَوِّنةً موجةً أقوى بكثير من أيٍّ من الموجتين الأصليتين. وبالمثل، فإن قاعين يُكَوِّنان قاعًا ذا سعة أكبر. أما إذا التقت قمة موجة بقاع موجة أخرى، فإنهما تتداخلان تداخلاً هدامًا، فتنقص السعة الكلية، مُكَوِّنةً موجةً أصغر بكثير من أيٍّ من الموجتين الأصليتين.

يُعدّ تكوّن ساق ماخ مثالاً على التداخل البنّاء. فعندما تنعكس موجة انفجارية عن سطح ما، كجدار مبنى أو داخل مركبة، تتفاعل الموجات المنعكسة المختلفة مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى زيادة الضغط عند نقطة معينة (تداخل بنّاء) أو انخفاضه (تداخل هدّام). وبهذا، يُشابه تفاعل الموجات الانفجارية تفاعل الموجات الصوتية أو موجات الماء.

استجابةً لاستفسار من لجنة MAUD البريطانية ، قدّر جي آي تايلور كمية الطاقة المنبعثة من انفجار قنبلة ذرية في الهواء. وافترض أنه بالنسبة لمصدر طاقة نقطي مثالي، فإن التوزيعات المكانية لمتغيرات التدفق ستتخذ الشكل نفسه خلال فترة زمنية محددة، مع اختلاف المتغيرات فقط في المقياس (ومن هنا جاء اسم "حل التشابه"). تسمح هذه الفرضية بتحويل المعادلات التفاضلية الجزئية بدلالة r (نصف قطر موجة الانفجار) و t (الزمن) إلى معادلة تفاضلية عادية بدلالة متغير التشابه.

$${\displaystyle {\frac {r^{5}\rho _{o}}{t^{2}E}}}$$

أين${\displaystyle \rho _{o}}$هي كثافة الهواء و${\displaystyle E}$هي الطاقة المنبعثة من الانفجار. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} سمحت هذه النتيجة لتايلور بتقدير القوة النووية لتجربة ترينيتي في نيو مكسيكو عام 1945 باستخدام صور الانفجار فقط، والتي نُشرت في الصحف والمجلات. ^{[ 9 ]} تم تحديد قوة الانفجار باستخدام المعادلة التالية:

$${\displaystyle E={\frac {\rho _{o}}{t^{2}}}\left({\frac {r}{C}}\right)^{5}}$$

أين${\displaystyle C}$هو ثابت عديم الأبعاد، وهو دالة لنسبة الحرارة النوعية للهواء عند ضغط ثابت إلى الحرارة النوعية للهواء عند حجم ثابت. تتأثر قيمة C أيضًا بالفقد الإشعاعي، ولكن بالنسبة للهواء، فإن قيم C التي تتراوح بين 1.00 و1.10 تعطي عمومًا نتائج معقولة. في عام 1950، نشر تايلور مقالتين كشف فيهما عن ناتج E لأول انفجار ذري، ^{[ 4 ] [ 5 ]} والذي كان مصنفًا سابقًا، ولذلك كان نشره مصدرًا للجدل. ^{[ 19 ]}

رغم أن الانفجارات النووية تُعدّ من أوضح الأمثلة على القوة التدميرية لموجات الانفجار، فقد استُخدمت موجات الانفجار الناتجة عن انفجار القنابل التقليدية وغيرها من الأسلحة المصنوعة من المتفجرات شديدة الانفجار كأسلحة حرب نظرًا لفعاليتها في إحداث إصابات متعددة. خلال الحرب العالمية الثانية وحرب فيتنام ، كان التهاب الرئة الانفجاري إصابة شائعة وغالبًا ما تكون مميتة. وقد ساهمت التحسينات في معدات الحماية الشخصية ومعدات المركبات في الحد من انتشار هذا الالتهاب. مع ذلك، ومع تحسّن حماية الجنود من الإصابات النافذة ونجاتهم من التعرضات المميتة سابقًا، أصبحت إصابات الأطراف والعين والأذن والدماغ أكثر شيوعًا.

يعتمد السلوك الإنشائي أثناء الانفجار على المواد المستخدمة في بناء المبنى. عند اصطدام جبهة الصدمة الناتجة عن الانفجار بواجهة المبنى، تنعكس هذه الصدمة. يُكسب هذا الاصطدام الهيكل زخمًا للمكونات الخارجية للمبنى. يجب امتصاص أو تبديد الطاقة الحركية المصاحبة لهذه المكونات المتحركة لضمان بقائها. ويتحقق ذلك عادةً بتحويل الطاقة الحركية للمكون المتحرك إلى طاقة إجهاد في العناصر المقاومة. ^{[ 20 ]} في الغالب، تنهار العناصر المقاومة - كالنوافذ وواجهات المباني والأعمدة الداعمة - مما يُسبب أضرارًا جزئية قد تصل إلى الانهيار التدريجي للمبنى.

أصبح ما يُعرف بحل سيدوف-تايلور مفيدًا في الفيزياء الفلكية . على سبيل المثال، يُمكن تطبيقه لتقدير نتائج انفجارات المستعرات العظمى . يُعرف تمدد سيدوف-تايلور أيضًا بمرحلة "الموجة الصدمية"، وهي مرحلة تمدد أديباتي في دورة حياة المستعر الأعظم. ^{[ 21 ] : 96} تنخفض درجة حرارة المادة في غلاف المستعر الأعظم مع مرور الوقت، لكن الطاقة الداخلية للمادة تظل دائمًا 72% من E₀ _، وهي الطاقة الأولية المنبعثة. يُفيد هذا علماء الفيزياء الفلكية المهتمين بالتنبؤ بسلوك بقايا المستعرات العظمى.

تُولَّد موجات الانفجار في بيئات البحث باستخدام أنابيب الصدمة التي تعمل بالمتفجرات أو الغاز المضغوط ، وذلك بهدف محاكاة بيئة الصراع العسكري لفهم فيزياء الانفجارات والإصابات التي قد تنجم عنها بشكل أفضل، وتطوير وسائل حماية أفضل ضد التعرض للانفجارات. ^{[ 22 ]} تُوجَّه موجات الانفجار نحو الهياكل (مثل المركبات)، ^{[ 23 ]} والمواد، والعينات البيولوجية ^{[ 24 ]} أو بدائلها. غالبًا ما تُستخدم مستشعرات الضغط عالية السرعة و/أو الكاميرات عالية السرعة لقياس الاستجابة للتعرض للانفجار. تُستخدم أجهزة الاختبار البشرية (ATDs أو دمى الاختبار )، التي طُوِّرت في الأصل لصناعة السيارات، أحيانًا مع إضافة أجهزة قياس، لتقدير استجابة الإنسان لأحداث الانفجار. على سبيل المثال، تمت محاكاة الأفراد داخل المركبات وأفراد فرق إزالة الألغام باستخدام هذه الأجهزة. ^{[ 25 ]}

بالإضافة إلى التجارب، تم تطوير نماذج رياضية معقدة لمحاكاة تفاعل موجات الانفجار مع الهياكل الجامدة والبيولوجية. ^{[ 26 ]} تُعدّ النماذج المُثبتة مفيدةً لإجراء تجارب "ماذا لو" - أي التنبؤ بنتائج سيناريوهات مختلفة. اعتمادًا على النظام الذي يتم نمذجته، قد يكون من الصعب الحصول على معايير إدخال دقيقة (على سبيل المثال، خصائص مادة حساسة لمعدل التحميل عند معدلات الانفجار). يُحدّ بشدة غياب التحقق التجريبي من جدوى أي نموذج عددي.