موجة صدمية

في علم الميكانيكا ، وتحديدًا في علم الصوتيات ، تُعرف الموجة الصدمية بأنها نوع من الاضطرابات المنتشرة التي تتحرك بسرعة تفوق سرعة الصوت المحلية في الوسط . ومثل الموجة العادية ، تحمل الموجة الصدمية طاقة وتنتشر عبر الوسط، ولكنها تتميز بتغير مفاجئ، شبه متقطع، في ^الضغط ودرجة الحرارة وكثافة الوسط . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} [ ^{5 ] [ 6 ]}

للمقارنة، في التدفقات فوق الصوتية ، يمكن تحقيق تمدد إضافي متزايد من خلال مروحة التمدد ، والمعروفة أيضًا باسم مروحة تمدد براندتل-ماير . قد تقترب موجة التمدد المصاحبة من موجة الصدمة وتصطدم بها في النهاية، مما يُحدث عملية تداخل هدّام. يُعدّ دويّ الصوت المصاحب لمرور طائرة أسرع من الصوت نوعًا من الموجات الصوتية الناتجة عن التداخل البنّاء .

على عكس السوليتونات (نوع آخر من الموجات غير الخطية)، تتلاشى طاقة وسرعة الموجة الصدمية بسرعة نسبية مع المسافة. عندما تمر موجة صدمية عبر المادة، تُحفظ الطاقة ولكن تزداد الإنتروبيا . يتجلى هذا التغير في خصائص المادة في انخفاض الطاقة التي يمكن استخلاصها كشغل، وفي قوة مقاومة تؤثر على الأجسام الأسرع من الصوت ؛ فالموجات الصدمية عمليات لا رجعة فيها .

يمكن أن تكون الموجات الصدمية:

طبيعي

بزاوية 90 درجة (عمودية) على اتجاه تدفق وسط الصدمة.

منحرف

بزاوية مع اتجاه التدفق.

قَوس

يحدث ذلك في الجزء الأمامي ( قوس ) من جسم غير حاد عندما تتجاوز سرعة التدفق في الجزء الأمامي سرعة ماخ 1.

بعض المصطلحات الأخرى:

• جبهة الصدمة: هي الحد الذي تخضع عنده الظروف الفيزيائية لتغير مفاجئ بسبب موجة الصدمة.
• جبهة التلامس: في الموجة الصدمية الناتجة عن غاز دافع (على سبيل المثال، "اصطدام" مادة شديدة الانفجار بالهواء المحيط)، هي الحد الفاصل بين الغاز الدافع (نواتج الانفجار) والغاز المدفوع (الهواء). وتتبع جبهة التلامس جبهة الصدمة.

يمكن اعتبار التغير المفاجئ في خصائص الوسط، الذي يميز الموجات الصدمية، بمثابة انتقال طوري : يوضح مخطط الضغط والزمن لجسم فوق صوتي ينتشر كيف أن الانتقال الناجم عن موجة صدمية مماثل لانتقال طوري ديناميكي .

عندما يتحرك جسم (أو اضطراب) بسرعة تفوق سرعة انتشار المعلومات في السائل المحيط، لا يستطيع السائل القريب من الاضطراب التفاعل أو "الابتعاد" قبل وصوله. في الموجة الصدمية، تتغير خصائص السائل ( الكثافة ، والضغط ، ودرجة الحرارة ، وسرعة التدفق ، ورقم ماخ ) بشكل شبه فوري. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وقد أسفرت قياسات سُمك الموجات الصدمية في الهواء عن قيم تقارب 200  نانومتر (حوالي 10⁻⁵ ^بوصة )، ^{[ 9 ]} وهي من نفس رتبة مقدار متوسط ​​المسار الحر لجزيئات الغاز. وبالرجوع إلى الوسط المتصل، فإن هذا يعني أنه يمكن اعتبار الموجة الصدمية خطًا أو مستوىً إذا كان مجال التدفق ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد، على التوالي.

تتشكل الموجات الصدمية عندما تتحرك جبهة ضغط بسرعات تفوق سرعة الصوت وتدفع الهواء المحيط بها. ^{[ 10 ]} في المنطقة التي يحدث فيها ذلك، تصل الموجات الصوتية التي تسير عكس اتجاه التدفق إلى نقطة لا يمكنها عندها الانتقال أكثر باتجاه المنبع، ويتزايد الضغط تدريجياً في تلك المنطقة؛ فتتشكل موجة صدمية عالية الضغط بسرعة.

الموجات الصدمية ليست موجات صوتية تقليدية؛ فهي تتخذ شكل تغير حاد في خصائص الغاز. تُسمع الموجات الصدمية في الهواء على شكل صوت "فرقعة" أو "طقطقة" عالٍ. وعلى مسافات أطول، قد تتحول الموجة الصدمية من موجة غير خطية إلى موجة خطية، ثم تتلاشى لتصبح موجة صوتية تقليدية مع ارتفاع درجة حرارة الهواء وفقدانها للطاقة. تُسمع هذه الموجة الصوتية على شكل صوت "الخبط" أو "الدوي" المألوف الناتج عن اختراق حاجز الصوت ، والذي يحدث عادةً بسبب تحليق الطائرات الأسرع من الصوت.

تُعدّ الموجة الصدمية إحدى الطرق العديدة لضغط الغاز في التدفق فوق الصوتي. ومن الطرق الأخرى الضغط المتساوي الإنتروبيا ، بما في ذلك ضغط براندتل -ماير. ينتج عن طريقة ضغط الغاز درجات حرارة وكثافات مختلفة لنسبة ضغط معينة، والتي يمكن حسابها تحليليًا لغاز غير متفاعل. يؤدي ضغط الموجة الصدمية إلى فقدان الضغط الكلي، مما يجعله طريقة أقل كفاءة لضغط الغازات في بعض التطبيقات، مثل مدخل محرك سكرامجت . ويعود ظهور مقاومة الضغط على الطائرات الأسرع من الصوت في الغالب إلى تأثير ضغط الموجة الصدمية على التدفق.

في أساسيات ميكانيكا الموائع باستخدام الغازات المثالية ، تُعامل الموجة الصدمية على أنها انقطاعٌ يزداد فيه الانتروبيا فجأةً عند مرورها. ولأن تدفق المائع غير منقطع، يُنشأ حجم تحكم حول الموجة الصدمية، وتكون أسطح التحكم التي تُحيط بهذا الحجم موازيةً للموجة (سطحٌ على جانب المائع قبل الصدمة وآخر على جانب المائع بعد الصدمة). يفصل بين السطحين عمقٌ صغيرٌ جدًا بحيث تكون الصدمة نفسها محصورةً بينهما تمامًا. عند أسطح التحكم هذه، يكون الزخم وتدفق الكتلة والطاقة ثابتة؛ وفي الاحتراق، يمكن نمذجة الانفجارات على أنها إدخال حرارة عبر الموجة الصدمية. يُفترض أن النظام كظومي (لا تخرج حرارة من النظام ولا تدخل إليه) ولا يُبذل أي شغل. تنشأ شروط رانكين-هوغونيو من هذه الاعتبارات.

مع الأخذ في الاعتبار الافتراضات المُثبتة، في نظام تصبح فيه خصائص التدفق في اتجاه المصب دون سرعة الصوت: تُعتبر خصائص تدفق المائع في اتجاهي المنبع والمصب متساوية الإنتروبيا. وبما أن إجمالي الطاقة داخل النظام ثابت، فإن إنثالبي الركود يظل ثابتًا في كلا المنطقتين. ومع ذلك، فإن الإنتروبيا تتزايد؛ ويجب تفسير ذلك بانخفاض ضغط الركود للمائع في اتجاه المصب.

تتشكل الموجات الصدمية نتيجة ازدياد انحدار الموجات العادية. وأشهر مثال على هذه الظاهرة هو أمواج المحيط التي تُشكّل حواجز على الشاطئ. في المياه الضحلة، تعتمد سرعة الأمواج السطحية على عمق الماء. وتكون سرعة الموجة القادمة أعلى قليلاً بالقرب من قمتها مقارنةً بالقيعان بين الموجات، لأن ارتفاع الموجة ليس ضئيلاً مقارنةً بعمق الماء. تتجاوز القمم القيعان حتى تُشكّل الحافة الأمامية للموجة سطحًا رأسيًا، ثم تندفع لتُشكّل موجة صدمية مضطربة (حاجزًا) تُبدّد طاقة الموجة على شكل صوت وحرارة.

تؤثر ظواهر مماثلة على الموجات الصوتية القوية في الغاز أو البلازما، نظرًا لاعتماد سرعة الصوت على درجة الحرارة والضغط. تُسخّن الموجات القوية الوسط المحيط بكل جبهة ضغط، نتيجةً للانضغاط الأديباتي للهواء نفسه، بحيث تتجاوز جبهات الضغط العالي قيعان الضغط المقابلة. هناك نظرية تقول إن مستويات ضغط الصوت في الآلات النحاسية، مثل الترومبون، ترتفع إلى درجة كافية لحدوث ظاهرة الانحدار الحاد، مُشكّلةً جزءًا أساسيًا من النبرة الحادة لهذه الآلات. ^{[ 11 ]} في حين أن تكوّن الصدمات بهذه العملية لا يحدث عادةً للموجات الصوتية غير المحصورة في الغلاف الجوي للأرض، يُعتقد أنها إحدى الآليات التي تُسخّن بها الغلاف اللوني الشمسي والهالة الشمسية ، عبر موجات تنتشر صعودًا من باطن الشمس.

يمكن وصف الموجة الصدمية بأنها أبعد نقطة في اتجاه التيار لجسم متحرك، والتي "تعرف" باقتراب هذا الجسم. في هذا الوصف، يُعرَّف موقع الموجة الصدمية بأنه الحد الفاصل بين المنطقة التي لا تملك أي معلومات عن الحدث المُسبِّب للصدمة والمنطقة التي تعرف هذا الحدث، وهو ما يُشابه مخروط الضوء الموصوف في نظرية النسبية الخاصة .

لإحداث موجة صدمية، يجب أن يتحرك جسم ما في وسط معين (كالهواء أو الماء) بسرعة تفوق سرعة الصوت المحلية. في حالة طائرة تسافر بسرعة دون سرعة الصوت، قد تتحرك مناطق من الهواء المحيط بها بسرعة الصوت تمامًا، مما يؤدي إلى تراكم الموجات الصوتية الصادرة منها، كما يحدث في ازدحام مروري على طريق سريع. عند تشكل الموجة الصدمية، يزداد ضغط الهواء المحلي ثم ينتشر جانبيًا. وبسبب هذا التضخيم، يمكن أن تكون الموجة الصدمية شديدة للغاية، أشبه بانفجار عند سماعها من مسافة بعيدة (وهذا ليس من قبيل المصادفة، فالانفجارات تُحدث موجات صدمية).

تُعرف ظواهر مماثلة خارج نطاق ميكانيكا الموائع. على سبيل المثال، تُحدث الجسيمات المشحونة التي تتسارع إلى ما بعد سرعة الضوء في وسط انكساري (مثل الماء، حيث تكون سرعة الضوء أقل من سرعتها في الفراغ ) تأثيرات صدمية مرئية، وهي ظاهرة تُعرف باسم إشعاع تشيرينكوف .

فيما يلي عدد من الأمثلة على الموجات الصدمية، مصنفة بشكل عام مع ظواهر صدمية مماثلة:

موجة الانفجار

• موجة الانفجار هي في الأساس صدمة مدعومة بتفاعل طارد للحرارة لاحق . وهي عبارة عن موجة تنتقل عبر وسط شديد الاشتعال أو غير مستقر كيميائيًا، مثل خليط الأكسجين والميثان أو مادة شديدة الانفجار . يحدث التفاعل الكيميائي للوسط بعد موجة الصدمة، وتدفع الطاقة الكيميائية للتفاعل الموجة إلى الأمام.
• تتبع موجة الانفجار قواعد مختلفة قليلاً عن الصدمة العادية، إذ إنها مدفوعة بالتفاعل الكيميائي الذي يحدث خلف جبهة موجة الصدمة. في أبسط نظرية للانفجارات، تنتشر موجة الانفجار ذاتية الحركة وغير المدعومة بسرعة تدفق تشابمان-جوجيه . كما يتسبب الانفجار في انتشار صدمة في الهواء المحيط نتيجةً للضغط الزائد الناجم عن الانفجار.
• عندما تتولد موجة صدمية بفعل المتفجرات عالية الطاقة مثل مادة تي إن تي (التي تبلغ سرعة انفجارها 6900 متر/ثانية)، فإنها ستنتقل دائمًا بسرعة عالية تفوق سرعة الصوت من نقطة منشئها.

في الفيزياء الفلكية

تتميز البيئات الفيزيائية الفلكية بأنواع عديدة من الموجات الصدمية. من الأمثلة الشائعة عليها موجات الصدمة الناتجة عن المستعرات العظمى أو موجات الانفجار التي تنتقل عبر الوسط بين النجوم، وموجة الصدمة القوسية الناتجة عن اصطدام المجال المغناطيسي للأرض بالرياح الشمسية ، وموجات الصدمة الناتجة عن اصطدام المجرات ببعضها. ومن أنواع الصدمات الأخرى المثيرة للاهتمام في الفيزياء الفلكية موجة الصدمة العكسية شبه المستقرة أو موجة الصدمة النهائية التي تُنهي الرياح فائقة السرعة المنبعثة من النجوم النابضة الفتية .

أحداث دخول النيازك

تتولد موجات الصدمة بفعل النيازك عند دخولها الغلاف الجوي للأرض. ^{[ 12 ]} ويُعد حدث تونغوسكا وحدث النيزك الروسي عام 2013 أفضل دليل موثق على موجة الصدمة الناتجة عن نيزك ضخم .

عندما دخل النيزك الذي سقط عام 2013 إلى الغلاف الجوي للأرض بطاقة تعادل 100 كيلوطن أو أكثر من مادة تي إن تي، أي أقوى بعشرات المرات من القنبلة الذرية التي ألقيت على هيروشيما ، أحدثت الموجة الصدمية للنيزك أضرارًا كما لو كانت تحليق طائرة أسرع من الصوت (مباشرة أسفل مسار النيزك) وكما لو كانت موجة انفجار ، حيث تركزت الموجة الصدمية الدائرية عند انفجار النيزك، مما تسبب في حالات متعددة من تحطم الزجاج في مدينة تشيليابينسك والمناطق المجاورة (في الصورة).

في الأمثلة أدناه، يتم التحكم في الموجة الصدمية، أو إنتاجها بواسطة (على سبيل المثال، جناح الطائرة) أو في الجزء الداخلي من جهاز تكنولوجي، مثل التوربين .

صدمة إعادة الضغط

• تظهر هذه الصدمات عندما يتباطأ التدفق فوق جسم عابر للصوت إلى سرعات دون سرعة الصوت.
• أمثلة: أجنحة عابرة للصوت، توربينات
• عندما يتسارع التدفق فوق جانب الشفط لجناح فوق صوتي إلى سرعة تفوق سرعة الصوت، يمكن أن يحدث إعادة ضغط إما عن طريق ضغط براندتل-ماير أو عن طريق تشكل صدمة عمودية. وتكتسب هذه الصدمة أهمية خاصة لمصنعي الأجهزة فوق الصوتية لأنها قد تتسبب في انفصال الطبقة الحدية عند نقطة تلامسها مع المقطع العرضي فوق الصوتي. وقد يؤدي ذلك إلى انفصال كامل وتوقف على المقطع العرضي، أو زيادة في مقاومة الهواء، أو ما يُعرف بظاهرة الصدمة الارتجاجية، وهي حالة يتفاعل فيها الانفصال والصدمة في حالة رنين، مما يُسبب أحمالًا رنينية على الهيكل الأساسي.

هناك حاجة إلى تقنيات متقدمة لالتقاط موجات الصدمة والكشف عنها في كل من الحسابات العددية والملاحظات التجريبية. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

تُستخدم ديناميكيات الموائع الحسابية بشكل شائع للحصول على مجال التدفق مع الموجات الصدمية. على الرغم من أن الموجات الصدمية عبارة عن انقطاعات حادة، إلا أنه في الحلول العددية لتدفق الموائع مع الانقطاعات (الموجة الصدمية، أو انقطاع التماس، أو خط الانزلاق)، يمكن تنعيم الموجة الصدمية باستخدام طريقة عددية منخفضة الرتبة (بسبب التبديد العددي)، أو قد تظهر تذبذبات زائفة بالقرب من سطح الصدمة باستخدام طريقة عددية عالية الرتبة (بسبب ظاهرة جيبس ^{​​[ 20 ]} ).

توجد انقطاعات أخرى في تدفق الموائع غير الموجة الصدمية. سطح الانزلاق (ثلاثي الأبعاد) أو خط الانزلاق (ثنائي الأبعاد) هو مستوى تكون فيه السرعة المماسية غير متصلة، بينما يكون الضغط والسرعة العمودية متصلين. عبر انقطاع التماس، يكون الضغط والسرعة متصلين، بينما تكون الكثافة غير متصلة. قد تحتوي موجة التمدد القوية أو طبقة القص أيضًا على مناطق ذات تدرج عالٍ تبدو وكأنها انقطاع. تؤدي بعض السمات المشتركة لهذه البنى التدفقية والموجات الصدمية، بالإضافة إلى أوجه القصور في الأدوات العددية والتجريبية، إلى مشكلتين مهمتين في التطبيقات العملية: (1) عدم إمكانية رصد بعض الموجات الصدمية أو رصد مواقعها بشكل خاطئ، (2) رصد بعض البنى التدفقية التي ليست موجات صدمية بشكل خاطئ على أنها موجات صدمية.

في الواقع، يُعدّ التقاط موجات الصدمة والكشف عنها بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية، نظرًا لتأثيراتها التالية: (1) التسبب في فقدان الضغط الكلي، وهو ما قد يُشكّل مصدر قلق فيما يتعلق بأداء محرك سكرامجت، (2) توفير قوة الرفع لتكوين المركبة ذات الموجة الراكبة، حيث يمكن لموجة الصدمة المائلة على السطح السفلي للمركبة أن تُولّد ضغطًا عاليًا لتوليد قوة الرفع، (3) التسبب في مقاومة الموجة للمركبة عالية السرعة، وهو ما يُضرّ بأدائها، (4) إحداث حمل ضغط شديد وتدفق حراري كبير، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تداخل موجات الصدمة من النوع الرابع إلى زيادة في درجة الحرارة على سطح المركبة بمقدار 17 ضعفًا، (5) التفاعل مع هياكل أخرى، مثل الطبقات الحدية، لإنتاج هياكل تدفق جديدة مثل انفصال التدفق، والانتقال، وما إلى ذلك.

• سمولر، جويل: (1983)، موجات الصدمة ومعادلات التفاعل والانتشار، سبرينغر، رقم ISBN 9780387907529.
• Krehl, Peter OK (2011), "فيزياء الموجات الصدمية وفيزياء الانفجار - حافز لظهور العديد من الفروع الجديدة في العلوم والهندسة"، المجلة الفيزيائية الأوروبية H ، 36 (1): 85-152 ، Bibcode : 2011EPJH...36...85K ، doi : 10.1140/epjh/e2011-10037-x ، S2CID 123074683 . 

• معلومات عن مركز أبحاث غلين التابع لناسا:
  • الصدمات المائلة
  • صدمات متقاطعة متعددة
  • مراوح التمدد
• كلية سيلكيرك: شبكة الطيران الداخلية: رحلات عالية السرعة (أسرع من الصوت)
  • فقدان الطاقة في الموجة الصدمية، والموجات الصدمية العمودية والمائلة
  • تكوّن موجة صدمة عادية
• أساسيات التدفق الانضغاطي، 2007
• صورة شليرين من ناسا 2015 لموجة الصدمة T-38C