¿Qué es exactamente una onda de choque?

La definición de Wikipedia de una onda de choque resume todo lo que he encontrado en línea sobre qué es una onda de choque:

Una onda de choque es un tipo de perturbación que se propaga. Como una onda ordinaria, transporta energía y puede propagarse a través de un medio (sólido, líquido, gas o plasma) o, en algunos casos, en ausencia de un medio material, a través de un campo como un campo electromagnético. Las ondas de choque se caracterizan por un cambio abrupto y casi discontinuo en las características del medio. A lo largo de un choque, siempre hay un aumento extremadamente rápido de la presión, la temperatura y la densidad del flujo... Una onda de choque viaja a través de la mayoría de los medios a una velocidad mayor que una onda ordinaria.

Para mí, sin embargo, esto no parece proporcionar una definición muy rigurosa que me permita observar un montón de perturbaciones que se propagan y poder clasificarlas claramente como una onda de choque o (como dice Wikipedia) una onda "normal". " ola. Aunque esta definición proporciona una definición cualitativa de lo que distingue a una onda de choque de una onda normal, me pregunto si existe una diferencia definitiva entre una onda de choque y las ondas normales que me permitiría clasificar definitivamente una onda como una u otra o si hay un espectro continuo de propiedades de onda entre las ondas normales y las ondas de choque sin un límite claro entre las dos (como el espectro electromagnético, con solo límites arbitrarios trazados entre las diversas clases de ondas EM).

La cita que citó dice justo al final que una onda de choque viaja a través de la mayoría de los medios a una velocidad mayor que una onda ordinaria. Si conoce la velocidad del sonido de un medio, entonces es relativamente sencillo decir que cualquier onda que viaje más rápido que esta es una onda de choque.
Puede encontrar una mejor definición del término en britannica.com/EBchecked/topic/541339/shock-wave . En general, para tener una onda de choque se suele requerir un fenómeno que supere la velocidad del sonido local.
Parafraseando a la Corte Suprema de los EE. UU.: hoy no intentaré definir más a fondo los tipos de material que entiendo que abarca esa descripción abreviada ["onda de choque"]; y tal vez nunca podría lograr hacerlo de manera inteligible. Pero lo reconozco cuando lo veo...
Bromas aparte, ¿qué parte de la definición que has dado te hace tropezar? Propagación más rápida, cambio casi discontinuo en las propiedades... ¿Qué no es lo suficientemente preciso para identificar un choque?
@ tpg2114 Como dije en mi pregunta, me pregunto si hay un cambio claro en las propiedades de la onda (como la presión y la temperatura) a medida que uno pasa de velocidades subsónicas a supersónicas o si es una transición más gradual en las propiedades como uno cruza el v = C Perímetro. Dicho de otra manera, ¿las ondas de choque son completamente distintas de las ondas ordinarias en propiedades (como los sólidos cristalinos lo son de los líquidos) o hay un espectro de propiedades en la transición (como un sólido amorfo que se convierte en líquido).
La respuesta a tu pregunta es sí". :-)

Respuestas (2)

Lo primero que distingue una onda de choque de una onda "ordinaria" es que la perturbación inicial en el medio que provoca una onda de choque siempre viaja a una velocidad mayor que la velocidad de fase del sonido (o la luz) en el medio. Tenga en cuenta que dije luz, eso se debe a que también hay un tipo de análogo electromagnético a una onda de choque conocida como radiación Cherenkov (el artículo de Wikipedia está aquí ) que se crea cuando una partícula cargada viaja a través de un medio a una velocidad más rápida que la del velocidad de fase de la luz en el medio (que para muchos medios es una fracción de c).

Entonces, volviendo a las ondas acústicas en un gas, la característica principal que separa una onda de choque de una onda ordinaria es la termodinámica de los cambios de presión y temperatura debidos a la onda. Para las ondas ordinarias (perturbación menor que la velocidad de fase del sonido), la compresión y rarefacción del gas no implica un cambio en la entropía del gas; por lo tanto, una onda ordinaria es un proceso reversible termodinámicamente hablando.

Para las ondas de choque, este no es el caso. El proceso de compresión y rarefacción causado por una onda de choque es un proceso irreversible: conduce a un cambio en la entropía del gas.

Por qué es este el caso ? Sin profundizar demasiado en las matemáticas, se relaciona con su pregunta sobre qué tan distintas son las ondas de choque de las ondas de sonido ordinarias. La zona de discontinuidad es bastante pronunciada entre la perturbación y las ondas de choque, y los cambios en la presión, la temperatura y la densidad son lo suficientemente grandes como para que entren en juego efectos disipativos como la transferencia de calor y la fricción del gas.

Las condiciones de contorno involucradas en el análisis de ondas de choque se conocen como condiciones de Rankine-Hugoniot. El artículo de Wikipedia sobre las condiciones de Rankine-Hugoniot es en realidad más detallado sobre la explicación de las ondas de choque que el artículo de Wikipedia sobre las ondas de choque en sí.

La distinción principal entre ondas de choque y ondas de compresión no es el cambio de entropía del gas. Incluso para las ondas de compresión, hay un cambio en la entropía, es tan pequeño que a menudo se desprecia. La transición, por así decirlo, es en escala de grises y no en blanco y negro. Hay más en las ondas de choque que esto.
@ user3814483 Siéntase libre de escribir una respuesta más detallada si lo desea. Traté de hacer coincidir la mía con el nivel de detalle de la pregunta.

Bueno, las ondas de choque tienen un nombre inapropiado porque no oscilan, en realidad son una discontinuidad . Una onda de choque es la etapa final de una onda de empinamiento no lineal que ha alcanzado un equilibrio entre el empinamiento y la disipación de energía (es decir, transformación de energía irreversible ). Un ejemplo contrastante serían las olas de agua, donde la disipación de energía es insuficiente para limitar la inclinación que da como resultado la ruptura de las olas (por ejemplo, olas blancas u olas que gustan a los surfistas).

En fluidos regulares como la atmósfera de la Tierra, la disipación de energía surge de colisiones de partículas binarias que transforman la energía cinética del flujo a granel en energía cinética aleatoria (es decir, calor). Las ondas sonoras también pueden producir calor, pero la principal diferencia es el aumento abrupto y sostenido de la velocidad del flujo masivo, la densidad y la presión térmica a través de una onda de choque (Obviamente, si uno se aleja lo suficiente de un choque, el sistema regresará asintóticamente a un cuasi-equilibrio con el fondo... pero eso es ser quisquilloso).

En resumen, las ondas de choque son muy diferentes de las ondas "normales", usando su terminología.

Actualización
Tengo una respuesta más exhaustiva aquí que brinda una mejor explicación de qué es exactamente una onda de choque y cómo se pueden formar.

¿Qué significa exactamente "ola de empinamiento no lineal"?
Supongo que la respuesta simple sería una ola que satisficiera V ⋅ ∇ V ≠ 0 .
¿Qué es exactamente una onda de choque?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v