衝撃波(ショック・ウエーブ)の誤解。流体力学のお勉強。(その23)

ウエブの質問サイトをみていたら、衝撃波(ショック・ウエーブ)の説明についてトンチンカンな解答にベスト・アンサーのハンコが押されていた。正そう。

1.衝撃波の生成と音波は、第一義的には、関係がない。マッハ・コーンの説明から、これが衝撃波です、というのは誤りである。

2.高速道路の渋滞を考えよう。渋滞の車列の最後尾は衝撃波(の波面)にあたる。渋滞部分のクルマの密度が高く、渋滞していないところの密度が低い。この密度の急激な変化が、衝撃波の基本的な性質。

3.高速で飛行する物体があるとき、周囲の流れは物体により排除される。そのとき、亜音速では流れが加速する場合があるが、超音速では流れが減速する。この減速は連続的にはおこらず、瞬時に不連続的におこる。流体がもつ超音速領域の特性である。この、超音速からの減速現象が衝撃波として表れる。

4.なぜ、超音速のときに特有な現象(衝撃波)がおきるか。それは、物体による流れへの擾乱が音速でした伝播しないから。だから、物体上流へ擾乱(物体が存在するという情報)が伝わらず、一方的な情報となる。流れの方程式で言うと、双曲型の方程式となる。

5.衝撃波により、流れは、超音速から亜音速になる場合もあるし、超音速からすこしおそいがまだ超音速を維持する場合がある。垂直衝撃波とよばれ、流れの方向に直角にできる衝撃波の場合には亜音速に落ちる。斜め衝撃波ができる場合には(物体の影響がより少なくて、流れの偏角がちいさいばあい)、上流の超音速流れは、衝撃波の下流でも、超音速が維持される。

6.衝撃波の前後で密度、圧力、温度、が急激に変化する。衝撃波の上流の値と衝撃波下流の値が、それぞれひとつ決まる。正弦波のような波の形をしているわけではない。階段状に一気に変化するだけである。(その意味で、衝撃「波」という言葉には注意が必要。)

まとめ。物体が超音速で流体のなかを突き進むとき、物体の周辺の流れに急激な階段状の密度・圧力・温度の変化が起る。これが衝撃波である。

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