衝撃波について

質問

戦闘機が超音速のスピードでとんでいるときの、
衝撃波の進む方向を求めたいのですがわかりません。
衝撃波は戦闘機が進む時にできる周りの円形の波の
接線と習いましたが、いまいち衝撃波の意味もわかりません。
気体の流れが急激にかわるときに発生する波、
ということでしょうか？

教えていただけるとありがたいです。

回答No.4

R-bit

簡単に言えば，衝撃波は圧力の大きな段差と言えます

手のひらを考えましょう
手をヒラヒラと動かす時，手の表面では手が空気の分子を押しています．
しかし，空気の圧力（密度）はとても速く伝播するので手の表面で空気が圧縮される事はありません．

次に車の窓から手を出すと，手は風の力を受けます．
手の表面では次々に空気の分子がぶつかってきますが，空気が圧縮される程では無く手に沿って流れます．手が風に押されるのはあくまでも流れてきた気体分子が当たっている力なだけであって，空気の密度は変わりません．

次に戦闘機から手を出してみましょう（手術で骨をチタンボルトで強化しておきましょう）
戦闘機はとても速いので，手には次々に空気の分子が当たります．あまりに次々に分子がぶつかってくるので，分子が拡散するよりも早く次の分子がぶつかって来て，手平近くの空気はだんだん密度が高くなっていきます．しかし，指の間からこぼれ落ちて流れる密度の空気は，すぐにすー…っと圧力が落ちて元通りになります．

さあ，戦闘機のパイロットにアフターバーナーを点火して音速を超えてもらいます．（手はターミネーターのものを借りてきましょう）
手にはものすごい勢いで空気の分子がぶつかって，どんどん手の前に水のように重い空気の塊が圧縮されていきます．指の間からこぼれ出た密度の高い空気は分子の圧力伝播の速度（音速）というとても速い速度で急激に元の圧力に戻ります．しかし，音速を超える速い速度で前に進んでいるので，手や指の端から重い空気が急激に軽くなる場所が目で見え，まるで自分の手にまとわりついているようです．その空気が急激に軽くなる所が線となって流れの後ろの方に後を曳いているのが見えます．

これが衝撃波です．
衝撃波は圧縮波と膨張波があります．
どちらも圧力（密度）の段差です．

衝撃波というのは，その流体圧縮などを生じる物体がその圧力の伝播速度（音速）よりも早く移動するために，その擾乱（圧力の段差）が（他の方も言っているように）船の作る波のようにその物体から生じている状態の事を言います．

なので，流れはスムーズなのですが，あまりに流れが速く，音速で伝播する「圧力の急激な変化」が止まって見えている状態です．

圧力は分子の運動で伝播する為，衝撃波の厚さは気体分子の自由行程長さほどです．その間に圧縮された気体の圧力が回復する為圧力の割合がとても大きく，ソニックブームなどでは「ドカン！」という大きな音がします．（音は圧力の波が緩やかなサイン波）

回答No.3

ht1914

船が作る波はお風呂で見ることも出来ます。
水滴をポトンと落とすと円状の波がさっと広がります。水面に指を立てて動かすと動かす速さによって三角形の波が出来ます。船の作る波と同じものです。

回答No.2

Kon1701

衝撃波は、飛行機の場合、音速以上で飛行する場合に発生します。
このイメージですが、船が走る時にできる波を思い浮かべると良いと思います。船が走るとき、波ができますが、その速さは船の速さより遅いです。つまり、船は波より早く走るわけです。衝撃波と似たような感じですね。

この場合、船首でできた波は、船首を頂点とする三角形みたいになりますね。船が早くなると頂点の角度は小さく、尖ってきます。飛行機の衝撃波も似たような形です。
まず、これでイメージしてみてください。

回答No.1

tyyy

いわゆるソニックブームと呼ばれるものです。ソニックブームは、超音速航空機が、マッハ(成層圏で　高度11000以上。音速は295.2m/s　温度-56.5℃)１以上になると、微小な圧力波が蓄積して、最後に円錐状の二つの衝撃波になります。この二つの衝撃波は、超音速航空機の先端に一つ現れ、もう一つは、超音速航空機の後端に発生します。この衝撃波は地面に当たって大気中に反射する。その時、地面にいる人間は爆音を聞くのである。また、円錐状の衝撃波は地面に、馬蹄形の通過面を作ります。
気体の流れが急激にかわるときに発生する波とありますが、これは、大気圧の急激な上昇と云うべきでしょう。大気圧の約100万分の１の音の圧力レベルに相当するのが、普通の会話のときの声で、超音速航空機の作るソニックブームの過剰圧は1000倍も大きく、1000分の1気圧です。鼓膜は、0.35kg/cm2の圧力に耐えることができるので、この衝撃波で損傷することはないですが、ただ不快な感じはしますね。
　ちなみに、雷が落ちたときの聞くガラガラ音は、大気中に電気が通った時の衝撃波の爆音です。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BD%E3%83%8B%E3%83%83%E3%82%AF%E3%83%96%E3%83%BC%E3%83%A0