Sóng xung kích

Sóng xung kích (tiếng Anh: shock wave) là một loại mặt phân cách trong các môi trường vật chất (thường thấy trong môi trường lưu chất như khí, lỏng, plasma,...) nơi các đặc tính khí động, nhiệt động như mật độ, áp suất, nhiệt độ, vận tốc, entropy, v.v. bị gián đoạn với các bước nhảy hữu hạn. Cần phân biệt sóng xung kích với sóng sinh ra từ va chạm, nơi các thông số khí động và nhiệt động không bị gián đoạn trên mặt sóng mà là đạo hàm của chúng.

Các đặc điểm tổng quan của sóng xung kích

Nhiệt động học của sóng xung kích

Từ góc nhìn vĩ mô, sóng xung kích được coi như một mặt phân cách tưởng tượng, nơi các đại lượng nhiệt động lực học của môi trường (các thông số này về nguyên tắc là liên tục theo không gian) có các bước nhảy hữu hạn. Khi đi qua mặt sóng xung kích, áp suất, nhiệt độ, mật độ vật chất và vận tốc của môi trường đều bị biến đổi đột ngột. Những đại lượng này không thay đổi độc lập tuyến tính mà liên hệ qua một đặc tính duy nhất của sóng xung kích - số Mach. Phương trình toán học mô tả mối liên hệ giữa các đại lượng nhiệt động trước và sau mặt sóng xung kích được gọi là hệ thức đẳng áp xung kích hoặc đẳng áp Hugoniot (Hu-gô-ni-ô).

Sóng xung kích không mang tính chất cộng, tức là trạng thái nhiệt động của môi trường sau một sóng xung kích không thể đạt được bằng cách kết hợp hai sóng xung kích yếu hơn.

Cấu trúc vi mô của sóng xung kích

Độ dày của sóng xung kích có cường độ cao thường vào khoảng 10 lần chiều dài bước nhảy tự do của phân tử khí, và không nhỏ hơn 2 lần giá trị này (theo nghiên cứu của Chapman vào đầu thập niên 50). Trong khí động học vĩ mô, chiều dài bước nhảy tự do được coi là rất nhỏ (gần bằng không), do đó các phương pháp khí động học đơn giản không thể áp dụng để nghiên cứu cấu trúc của sóng xung kích mạnh.

Để nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc của sóng xung kích, người ta thường sử dụng lý thuyết động học. Mặc dù bài toán về cấu trúc của sóng xung kích không có lời giải hoàn chỉnh, nhưng có thể sử dụng các mô hình đơn giản hóa, chẳng hạn như mô hình Tamm-Mott-Smith.

Vận tốc lan truyền của sóng xung kích

Vận tốc của sóng xung kích trong một môi trường luôn lớn hơn vận tốc âm thanh trong môi trường đó. Cường độ của sóng xung kích càng cao, tốc độ truyền sóng càng lớn. Cường độ của sóng xung kích được xác định bằng tỉ lệ chênh lệch áp suất trước và sau mặt sóng so với áp suất môi trường.

(p_{trước mặt sóng xung kích}-p_{sau mặt sóng xung kích})/(p_{môi trường})

1. ^ Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: ГИ ТТЛ, 1950. - 165 с.