身边的激波.docx

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身边的激波

身边的激波

许秋楠基地班200800100143

摘要：

当能量在介质（气体、液体和固体）中突然释放或沉积，从而引起爆炸时，就可产生激波。

激波是应力（或压强）、密度和温度等物理量在波阵面上发生突跃变化的压缩波。

激波分为正激波、斜激波和锥面激波三大类。

自然界中有很多因素可以导致激波的产生，比如说雷电、地震和火山爆发。

这些激波的产生为人类带来了许多损失重大的自然灾害。

以地震为例，由于剪切作用，地壳被撕裂，聚集起来的应变能突然的释放，引起好几种波在地球内部和地面上传播，大地震动，建筑物倒塌，威胁生物的生存。

不仅自然力可以产生激波，实际上我们身边还有其他的激波产生，并且也影响着人类的生活。

比如现代超声速飞机以2倍声速的速度在15公里的高空飞行，在地面上产生超压，飞机的头部和尾部产生的锥形激波在地面上的交线形如马蹄，由此得到的波产生一种恼人的轰鸣声。

由此看来，全世界的人无时无刻不在受激波影响，这些激波不仅影响着他们的生活，甚至威胁到他们的生命安全。

随着火药、炸弹、核武器的发明，人类还学会了把越来越多的能量在越来越短的时间内沉积起来，因此产生的激波强度不可想象，一场小型的核战争也会成为世界的大灾难。

当然，激波也会有对生命有贡献的一面。

太阳上不断地产生激波，它们是使太阳这个核反应堆保持不断运行的复杂过程的一部分，而没有太阳，地球上就不会有生命存在，因此太阳激波的重要可想而知。

另外，宇宙学家们相信地球上一切生命都起源于一种超新星的爆炸，这种爆炸提供了可能产生生命的物质。

因此激波与我们于整个地球上的生命都息息相关，我们不仅要采取一些有效的措施来预防它给我们带来的灾难，更要深入了解它来预测宇宙中的许多奥秘，研究它使之可以造福人间。

关键字：

激波现象激波产生激波的危害生命

Abstract:

Whentheenergyinmedium（gas,liquidandsolid）wasreleasedordepositedabruptlytocauseexplosions,itcanproduceshockwaves.Shockwaveisacompressionalwavewhosestress（orpressure）,densityandtemperatureinthewavefrontchangedsuddenly.Shockcandividedintothreecategories:

positiveshockwaves,obliqueshockwavesandconeshockwaves.Therearemanyfactorsinnaturethatcancauseshock,suchaslightning,earthquakesandvolcaniceruptions.Theseshockcausedmanyseriousnaturaldisastersforhumanwhichcanbroughtloss.Forexample,whenearthquakehappenthecrustmaybetornbyshearforce.Thesuddenreleaseofthegatheredstrainenergycauseseveralkindsofwavesspreadintheinterioroftheearthandtheground.Thelifeoflivingbeingsarethreatenedbythetremblesoftheearthandthecollapseofthebuildings.Notonlynaturalforcecanproduceshock,butothershockwavescanproducedbesideusandaffectshumanlife.Forexample,whenamodernsupersonicplaneflyingwithaspeedwhichis2timesthanthespeedofsoundintheheightof15kilometers,theoverpressurewillproducedontheground.theheadandthetailoftheairplanemayproducedconeshockwaveonthegroundandshapedashorseshoe.Theshockproduceakindofannoyingroar.Sopeoplearoundtheworldareaffectedbyshocknotonlyontheirlife,andsomeeventhreatentheirsafety.Withtheinventionofgunpowder,bombsandnuclearweapons,thehumanalsolearnedhowtoreleasetheincreasingamountofenergyintheincreasinglyshorttime.Thestrengthoftheshockwavesisunimaginable,andasmallnuclearwarwillbecometheworld’sbiggestdisaster.Ofcourse,shockwavealsohavegoodaspectstolife.Thesunconstantlycreatingshockwaves,andtheycankeepthesunrunning.Ifwedon’thaveasun,therewouldbenolifeonearth,sotheimportantofthesunshockcanbeimagined.Inaddition,cosmologistsbelievealllifeonearthoriginatedinasupernovaexplosion,andtheexplosionprovidethematerialwhichmightcreatealife.Thereforeshockisconcernedwiththewholelifeonearth.Weshouldnotonlytakesomeeffectivemeasurestopreventitbringsthedisaster,butalsolearnmoreaboutittopredictmanymysteriesabouttheuniverse,andmakeitbenefitmankind.

Keywords:

Shockphenomenon,theproductionoftheshock,thedangeroftheshock,life

1引言

激波无处不在，他无时无刻不在影响着人类和所有的生命。

它可以为生命提供益处，也能对生命产生威胁，而且我们也遭受了它所带来的许多危害，比如地震，还有火山喷发。

这些都是自然灾害，我们可以通过对激波的研究，发明对火山喷发和地震的预警系统，设计抗地震的建筑物，减少激波给我们带来的破坏从中受益。

因此，我们知道的越多，拯救的生命就越多。

通过对激波的研究，同样可以获得很多我们不曾得知的奥秘，比如地球之外是否还有生命存在，如果有又是否适合地球生命的生活，这也是我们人类不断探索的。

我们可以利用激波的益处，但是我们制造出的许多武器却可以让激波来危害地球，这些都值得我们去思考。

下面我们就来了解激波，主要是激波产生时带来的危害。

2什么是激波

激波又名冲击波，是一种在介质中以高于声速传播的压缩波。

激波的波阵面十分薄，没有振动频率与波长，仅只表现为波阵面前后物理量是间断的。

设激波后的压强为P2，激波前的压强为P1，则P2P1>1用来描述激波的强度，P2P1越大，激波越强。

对气体而言P2P1≈1时为声波；当P2P1>105时即为激波。

空气中的激波可产生于超音速飞机的飞行，导弹、火炮弹丸的飞行时，此时的偏平值由几到20几。

瓦斯爆炸时形成的激波P2P1值可达十几、二十几。

炸药爆炸、核爆炸情况，P2P1值可达几万到几十万。

在水中进行爆炸P2P1>50时才能算激波，这是因为水的可压缩性较小。

对于金属，由于金属的可压缩性更小，故P2P1要求更高。

气体通过激波这道压缩波时，其压强、密度和温度突跃得上升一个数值，流速相应的下降一个数值，即气体突然压缩。

假定物体不动，气体以超声速吹来时，在物体前可以产生稳定的激波。

当气体一超声波在管道中运动或在喷管中流出时，在一定条件下，也会形成激波。

激波和膨胀波一样，是超声速流动中经常遇到的另一个基本现象。

可以这样说：

超声速气流在加速时通常要通过膨胀波，减速时则要通过激波或等熵压缩波。

当飞行器在气体中作超声速飞行时，或者在超声速进气道、超声速喷管和压气机的超声速叶栅通道中以及其他一切有超声速气体流动的地方，几乎总会遇到激波现象。

因此研究激波问题对于掌握气体的超声速流动规律是非常重要的。

3激波的产生与危害

3.1自然力产生的激波

3.1.1雷电

Earnshaw（1851）发现雷电的超音速传播现象，即雷的响声传播速度快于音速。

而雷鸣正是人一生之中遇到最常见的一种激波。

电弧通道的初始半径只有几毫米，由于瞬间加入的电能使爆炸着的通道里的空气升温、增压和电离，在大约30微秒的时间里，通道半径增长到几厘米。

通道里的温度保持在20,000℃左右，压力在这个时间内则由35个大气压降低到5个大气压左右，峰值压力甚至还要大些。

因为温度很高，空气分子会分裂（离解），形成氮原子和氧原子，有些原子中的电子则又离开了自己的轨道（电离）。

它们形成电子、离子和原子的混合物，成为等离子体，原来非导电的气体现在则成了良导电体，因此有些闪电可能长达几公里，电流大几十万安。

雷电通道的温度高达几千℃至几万℃，空气受热急剧膨胀，并以超声速度向四周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩，形成“激波”。

被压缩空气层的外界称为“激波波前”。

“激波波前”到达的地方，空气的密度、压力和温度都会突然增加。

“激波波前”过去后，该区压力下降，直到低于大气压力。

这种“激波”在空气中传播，会使其附近的建筑物、人、畜受到破坏和伤亡。

这种冲击波的破坏作用就跟炸弹爆炸时附近的物体和人、畜受损害一样。

预防雷电的袭击，我们应当注意雷电将到时，不要握着金属物品，远离金属建筑和栅栏。

靠近大的金属物体很危险，即使没有发生接触，热的空气也能传导对肺部产生伤害的激波。

对雷电的防御还是十分有效的，我们么一个人都应该有预防雷电的常识，在雷电中保护自己。

虽然雷电很常见，幸运的是对雷电有有效的预防措施，比如避雷针的应用，所以雷电并没有对人类造成很大的损失。

3.1.2地震

地震或许是自然界中最可怕的暴力--毫无迹象就会突然发生。

它与别的自然灾害如洪水、火灾等不同，很少能对它采取防范措施。

地震震幅范围很大，小的震动仅精密的测量仪器才能探测出，大的震动使地壳隆起可将整个地面撕开（图二）。

因此，大地震危害是十分大的。

要理解地震的发生，就要先了解地球的结构：

地球由地核、地幔和地壳组成。

地核被认为由镍-铁组成，地核外部是液体，内部是固体，温度可能有4,150℃。

地幔通常被认为是固体，因为它能够传送剪切波，它是地球的第二个最大的组成部分，其温度可能会有3,900℃。

地壳相当薄，约8-64公里（平均约为16公里），它是一层坚硬的外壳。

由于压力和热诱导的力的作用，整个系统都处在不断的运动中，有些部分不过是动的很少而已。

过去认为地震都发生在地壳中，目前倾向于认为地幔是大多数地震的震源。

地幔中的高压所产生的应力，或由地下核爆炸所产生的应力，是地震的震源，它们引起了岩体晃动或地面震动。

1个g的加速度会使30厘米到10米后的地表面产生切向运动。

地震引起的生命财产损失是灾难性的，破坏主要来自建筑物的破裂，是否有来自地下的激波和来自空中的激波直接导致的死亡还不得知。

幸好，地球上每年发生的10万次震动中，只有10次左右是大地震，而一年内一次大地震所释放出的能量往往大大的超过其余各次的总和。

因此这一领域的研究工作极端重要的。

其他许多现象也因地震而生，比如声响。

许多声响是与地震有关的，其性质依赖到震源的远近程度。

在震源附近，给人的印象是尖锐的，就像石块开裂一样；离震源较远的地方，则像巨雷的霹雳声或爆炸的轰隆声；有时则听不到声音。

在多石地区发生滑坡和山崩。

当这一切发生在水下时，会产生巨大的扰动波（海啸）。

当海啸冲到海岸的岩礁上时，他慢了下来，但漫过岩礁的海水却继续往前奔流，产生巨大的“潮波”，海啸冲到海岸上造成巨大的损失。

外海中海啸的高度不超过30厘米，但两个浪峰之间的长度可达160公里，其庞大的水量有时以超过180米/秒的速度运动，使得这类波浪拥有巨大的毁灭性能量。

有许多地震并非自然原因，比如地下核爆炸实验时，就会有和地震一样的现象发生。

百万吨级的地下核爆炸的里氏震级是是7级或7级多，在核爆炸中，高压高温火球在地球中产生一个强激波，它能使周围的岩石化为蒸汽，然后这个激波随距离的增长而迅速衰减。

不过还不能肯定地震震源处是否也产生激波。

虽然一次大地震释放出非常巨大的能量，但与地下核爆炸不一样，这个能量分布在很大的体积内，所以不是每一次大地震都能产生强激波。

但是这两种情况中原始波形都能转化成经典的弹性波和表面波。

假如核爆炸源位于地震区，没有什么绝对确定的方法来区别它们，因此禁止地下核试验对于地震的预防是有有很大贡献的。

3.1.3火山喷发

火山爆发时，伴随着惊天动地的巨大轰鸣，石块飞腾翻滚，炽热无比的岩浆像条条凶残无比的火龙，从地下喷涌而出，吞噬着周围的一切，霎时间，方圆几十里都被笼罩在一片浓烟迷雾之中。

有时候，由于火山爆发，还能使平地顷刻间矗立起一座高高的大山，如赤道附近的乞力马扎罗山和科托帕克希山就是这样形成的；有时候，又能在瞬间吞掉整个村庄和城镇。

火山爆发喷出蒸汽、燃烧着的气体以及固体物质高速运动，产生的激波，在很远很远的地方都能听到。

1883年5月克拉克脱火山喷发时，在至少4,800公里半径范围内都能听到火山喷发。

估计约有0.5-4立方公里的物质被抛向空中，所需要的能量相当于25万个投掷在广岛的原子弹。

这次爆发使该岛的三分之二遭到彻底摧毁并且消失了。

爆发时产生的海啸波及西爪哇海岸，是那里的36,000人丧生。

被地幔中的高温高压物质所熔化的岩石和产生的蒸汽及气体，就像挤压在一个高压气瓶里，一旦形成火山喷发，便释放出巨大的能量。

虽然火山喷发产生的激波听起来很可怕，但还极少见到由这类激波产生的超压和阵风造成灾难的记录，有的只是有炽热岩浆（1,300℃）流过而引起的漫天的大火和惨不忍睹的死亡及破坏的记录。

3.2人造激波

通过对火药、核武器的研究，人类学会了如何产生激波和强化激波，它们可能给地球带来的威胁已超过了自然里产生的激波，这是因为核武器与自然力造成的灾变现象不同，人造爆炸所引起的死亡和破坏是直接来自激波造成的超压和核辐射。

3.2.1火药

火药和现代化学炸药的发明，使人类增加了或和平建设目的的强激波的能力。

最早应用火药或炸药是在十三世纪。

到1627年，有了炸药用于康沃尔煤矿的记录。

到了1831年，用于发明了安全导火索，炸药得到了广泛的应用。

后来各种炸药不断地出现并改进着。

在军用方面，燃速缓慢的炸药和推进剂可以作为引爆剂或加速剂使用于各种武器，例如步枪、机枪、火箭发射器、手榴弹、鱼雷、弹道导弹中以及爆炸作业中。

图四是一张2400吨梯恩梯炸药模拟爆炸的图像，汹涌澎湃的火球驱动着它前面的一个半球形激波。

实际照相中，由于自然光的存在，激波会呈现出阴影照相的效果。

在实际情况下，还有爆炸引起的尾烟和尘土。

做实验时，通常在旁侧放置信号弹，通过观察信号弹白色尾烟，来观察激波的位置和激波后面质点的轨迹。

不仅大型爆炸能产生激波，子弹击发时也会产生激波。

图五为子弹击发时产生的激波。

激波产生了突如其来的劈啪声或“声爆”子弹在枪筒内压缩并加热它前面的空气。

空气喷出枪口时发生绕射，形成球面激波。

经激波压缩并加热的气体，作为超声速射流喷出了枪口。

子弹刚离开枪口时，紧跟在它后面的是一团装药爆炸爆炸产生的高压热气体。

喷出的射流随着时间的增加越来越紊乱，以致在整个流场内形成了弱激波有爆炸气体驱动的强爆炸波迅速向前移动，赶过原来的激波，接着又包住了子弹。

超声速子弹赶过爆炸气体，弹片在其周围产生自己的激波系。

高压爆炸气体从枪口喷出，就像充分膨胀的超声速湍流射流一样，它在爆炸波所包围的整个流场中产生弱激波。

站在相当靠近子弹飞行弹道附近的人，会听到子弹周围由激波系产生的爆裂声，以及继之而来的最初推动子弹的爆炸气体所产生的轰鸣声。

虽然子弹产生头激波和尾激波，但它们之间的距离很小，所以耳朵无法分清这两个劈啪声。

若两者之间的时间间隔约为100微秒，人耳就能听到。

如果人站在子弹飞行弹道之外，它的马蹄形声爆可以衰减到听不见的程度，而只能听到有爆炸产生的轰鸣声。

3.2.2核武器

爆炸核武器的“效率”可以表达为炸药重量（摧毁性能量）与核武器的重量之比。

这个定义忽略了许多重要的因素，如释放能量的难易，生产成本，运输和储存的安全及保护，对目标的杀伤力，以及其他考虑。

首次投掷在广岛和长崎的那种原子弹，相当于2万吨梯恩梯的威力。

原子弹本身重量约5吨，这样原子弹的效率就达4,000。

聚变炸药的研制和武器的不断创新把效率又提高了1,000倍。

把一公斤核炸药与一公斤化学炸药相比，热核武器效率比化学炸弹几乎高1,000万倍。

值得注意的是，化学炸弹的引爆时间以毫秒计算，而核武器的引爆时间还要快1,000万倍。

在浅层水下进行核爆炸实验，产生的激波可以用水面上的油膜显示出来（图六）。

凝结云非常明显，其大小可通过与附近的海船对比来判断。

它的结构与前面类似，即高温高压膨胀气体驱动着它前面的半球形激波。

图六是1946年在比基尼岛进行的浅层水下2万吨级核试验产生的。

由于湿度高和爆炸之后突然减压，所以形成了约1,800米宽的凝结云。

由于火球形成的气泡破裂，在凝结云产生之前，形成了由水沫组成的半圆形穹面。

在它的中心，气体和蒸汽的速度约750米/秒。

他们向上喷出形成高达1,800米的柱体，穹面宽度约600米，壁厚几乎达90米。

核武器的发明正可怕的把人类和大多数生物推上了可能毁灭与核屠杀的边缘。

错用这类发明的可怕后果已经是人类面临着严峻的抉择。

在广岛投掷的两万吨级的原子弹造成了巨大的破坏，它炸毁了钢筋混凝土建筑物的骨架。

据估计，当时有10万到25万人死于辐射、爆炸、大火和水淹，其中辐射所带来的危害绵延久远。

根据对核武器的统计，现在核武器的储量扶摇直上，十分惊人，但是只要找到一些方法来安全的控制致命的核碎片，未来和平利用核爆炸物质是有可能的，这需要我们的不断努力，总有一天是会实现的。

3.3宇宙激波

在星球和我们的太阳内部，大量气体在极高的压力和难以置信的高密度下，由核反应加热到几亿度的高温。

核反应急剧加热所产生的爆炸激波，可由稠密的核心传播到星球外表面的稀薄气体中去，在那里激波可能作为内爆（反向爆炸）波反射回来，这种过程可以反复进行并引起脉动。

压力和引力之间的相互作用也可以出现类似的结果。

下面我们来了解一些宇宙激波。

3.3.1太阳风

太阳反应堆每秒钟辐射4*1026瓦这样惊人量级的能量。

太阳每秒钟产生的能量相当于1,000亿个百万吨级炸弹爆炸的梯恩梯炸药当量。

在这些能量中，地球接收到每秒钟爆炸的50个百万吨级炸药当量的能量。

这些能量，用于地球上产生雷暴雨、风和其他热现象是绰绰有余了。

太阳还在不断的发射有电子以及由氢、氮和其他重元素的核子组成的完全电离粒子流，即“太阳风”。

太阳风以约400公里/秒的超声速“吹刮”。

按分子动理论计算，它的体积数密度约为每立方厘米10个粒子，平均温度约100,000℃。

太阳风能够把太阳的一部分磁力线拉出来而形成粒子与磁场系统，这个系统与行星及其卫星、彗星、流星的相应系统发生相互作用，从而在空间中产生激波。

图七是太阳风同地球及地球磁场之间相互作用的示意图。

实际上，围绕地球的偶极磁场的形状因地球磁场与太阳风粒子相互作用产生的磁压而改变。

这样形成的一个流线型形状，称为磁层顶。

磁层顶可以描出一条边界线，在此边界线上，电离粒子切割磁力线时产生的力阻止电离粒子进一步穿入地球磁场。

在流线型磁层顶的内部是地球和它的范阿伦辐射带，其外部则是无碰撞头激波和尾激波系。

头激波距离地球中心有30个地球半径。

在如此稀薄的情况下，激波厚度有几千里惊人的数字。

这是因为粒子的平均自由程趋于无穷大，激波的厚度不能再用平均自由程来决定，因为它已经没有意义了。

磁层顶的存在并非像通常稠密气体中的情况那样通过粒子的碰撞“传递”给激波，而是通过电磁相互作用把传递给激波的。

因此称为无碰撞激波。

这种作用把激波后的亚声速等离子体加热，使其温度比激波前太阳风的温度至少高10倍。

虽然图七给出了一般概念，但是就头激波和磁层顶的形状而论，其详细结构非常复杂，而且与时间有关，因为太阳风与太阳的活动有关。

3.3.2宇宙大爆炸

宇宙大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。

宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：

宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，并经过不断的膨胀到达今天的状态。

根据2010年所得到的最佳的观测结果，这些初始状态大约存在发生于133亿年至139亿年前，那时，宇宙内一切物质和能量都一起挤压到一个巨大的炸弹中，有种不稳定性，这个原始的炸弹突然爆炸。

这个爆炸的碎片变成许多星系，这些碎片至今还在不断的扩散。

比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论，但他本人将其称作“原生原子的假说”。

这一模型的框架基于了爱因斯坦的广义相对论，并在场方程的求解上作出了一定的简化（例如空间的均一和各向同性）。

这一膨胀宇宙的观点也在1927年被勒梅特在理论上通过求解弗里德曼方程而提出，这个解后来被称作弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。

随后盖莫夫把它推广并称之为“大爆炸理论”。

1948年由贝蒂和阿尔菲合作提出的这个理论更加高深和完善，解释了原子尺度内许多可能的过程。

目前宇宙的基本组成是约90%的氢和9%的氦，其余1%是更复杂的原子。

宇宙中星体的热核反应形成较重的原子，因此核蛋一定是由氢被压缩到密度为600万吨/立方厘米的中子所组成，就像一颗中子星。

然而在爆炸时，宇宙蛋异常猛烈地碎裂成离散的中子，这些中子又破碎成原始原子的基本单元，即质子和电子。

就这样通过碰撞过程，今天我们所知道的稳定的原子就开始由质子构成了。

随着温度的下降，各种原子核吸收了电子而形成中性原子。

随着这些原子迅速飞离宇宙爆炸源，巨大的原子团就凝结成星系和星体。

想借这个简单的模型来构成比氦更复杂的原子是有些困难的。

这就导致邦迪、戈尔德、霍伊尔提出所谓的“稳态理论”，这个理论假定：

氢是宇宙最初的结构单元。

所有其他原子都是在稠密星体内通过碰撞形成的，并由超新星爆发喷射到星际空间。

然而，由于当前技术原因粒子加速器所能达到的高能范围还十分有限，因而到目前为止，还没有证据能