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Stoßwelle


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In der Strömungslehre einem Teilgebiet der Mechanik wird als Stoßwelle oder Schockwelle eine starke Druckwelle bezeichnet die durch Explosionen oder andere Phänomene erzeugt wird die Druckunterschiede hervorrufen.

Inhaltsverzeichnis

Entstehung und grundlegende Eigenschaften von Stoßwellen

In kompressiblen d. h. verdichtbaren Medien beispielsweise breiten sich Störungen etwa von hindurchbewegten Festkörpern Druckänderungen durch das Medium als Druckwellen aus sich mit der Schallgeschwindigkeit des Mediums bewegen. Bewegt sich die nur langsam im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit erlaubt die Druckwelle dem Medium sich neu zu um die Störung auszugleichen und verhält sich wie ein inkompressibles Medium.

Bewegt sich die Störung jedoch schneller die durch sie verursachten Druckwellen kann die des Medium nahe der Störungsquelle nicht schnell reagieren um der Störung auszuweichen. Die Zustandsgrößen Mediums ( Dichte Druck Temperatur Geschwindigkeit usw.) verändern sich daher nahezu momentan sich der Störung anzupassen. Dadurch werden dünne mit stark ansteigendem Druck erzeugt Stoßwellen genannt und eine schockartige Erhitzung des bewirkt. Die Stoßwellen klingen schließlich zu normalen ab wenn ihre Energie vom Medium absorbiert wird.

Ähnliche Phänomene sind auch außerhalb der bekannt. Beispielsweise erzeugen Teilchen die in bestimmten wie etwa Wasser über die dort geltende Lichtgeschwindigkeit ( Phasengeschwindigkeit ) beschleunigt werden (sie beträgt im Wasser etwa 230.000 km/s) Schockeffekte die als Tscherenkow-Strahlung bekannt ist.

Es gibt zwei grundlegende Typen von die allerdings physikalisch äquivalent sind und sich durch die Wahl des Bezugssystems unterscheiden:

  1. Fortschreitende Wellen im stehenden Medium: Sie werden plötzliche Störungen im Medium etwa durch eine Explosion oder ein Projektil hervorgerufen und bewegen sich mit Überschallgeschwindigkeit .
  2. Stehende Wellen im fließenden Medium: Sie werden hervorgerufen dass von einer Quelle kontinuierlich Materie wird wie z. B. der Sonnenwind der Sonne oder die Antriebsgase in einem Raketentriebwerk . Solche Wellen können einen Gleichgewichtszustand erreichen welchem sie den Windausstoß begrenzen.

Beispiele

Fortschreitende Stoßwellen

  • Explosionen wie beispielsweise die von Bomben sind in der Lage mit ihren Gegenstände durch die Luft fliegen zu lassen zu zerstören. Für solche Detonationswellen existieren genaue empirische und theoretische Rechenmodelle.
  • Flugzeuge die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen verursachen eine Stoßwelle den Machschen Kegel . Auch in die Atmosphäre eindringende Meteoroide verursachen Stoßwellen welche für die Lichterscheinung Meteore mitverantwortlich sind.
  • Das um den Blitzkanal stark aufgeheizte Luft plasma bewirkt durch die von ihm (wenige ausgehende Stoßwelle den Donnerknall bei Gewittern . Es handelt sich also um eine Explosion entlang des Blitzkanals. Infolge der unregelmäßigen stark verästelten Form des Blitzkanals sowie atmosphärischer und starker Winde welche den Lauf der beeinflussen ertönt nicht ein einziger Schlag sondern eine ganze Serie mehr oder weniger starker die in größerer Entfernung -- wo die zu akustischen Wellen abgeklungen sind -- das Grollen oder Rumpeln des Donners bilden.
  • Im Interstellarem Medium können Stoßwellen durch Supernovae oder durch Eindringen von Gas- und (z.B. eine Zwerggalaxie ) in eine gasreiche Galaxie wie die Milchstraße verursacht werden und durch die Verdichtung Gas- und Staubwolken zur Sternentstehung führen. Nachweisbar sie auch anhand der vom stoßerhitzten Medium Röntgenstrahlung .

Stehende Stoßwellen

  • Die Grenze der Magnetosphäre der Erde wird durch eine Stoßwelle an deren Front die Teilchen des Sonnenwinds auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst werden.
  • In ca. 50–100 AU Entfernung wird der durch das Interstellare Medium abgebremst. An der der Heliopause kann eine Stoßwelle auftreten.
  • In Raketentriebwerken können bei fehlerhafter Konfiguration Stoßwellen die zur Zerstörung der Rakete führen können. Die maximale Ausstoßgeschwindigkeit und die Schubleistung wird unter anderem durch die der Vermeidung von Stoßwellen begrenzt.

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