Was sind Stoßwellen und wie entstehen sie? » Wissenschafts-ABC

Stoßwellen treten auf, wenn sich etwas schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegt, was zu plötzlichen Änderungen der Flüssigkeitseigenschaften führt.

Wenn Sie das Wort Schockwelle hören, kommen Ihnen mehrere Bilder in den Sinn. Die Wirkung einer Bombenexplosion ist vielleicht die auffälligste. Wir sagen oft, dass große Ereignisse wie Wahlen im ganzen Land „Schockwellen“ ausgelöst haben, aber das sind nur symbolische Schockwellen. Sie denken vielleicht sogar an den obskuren Marvel-Superhelden gleichen Namens, aber jetzt kommen wir vom Thema ab …

Lassen Sie uns untersuchen, was Stoßwellen in der Physik bedeuten und wie genau sie entstehen.

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Was ist eine Stoßwelle?

Eine Schockwelle ist wie jede Welle eine Störung, die sich durch ein Medium bewegt. Sie sind dünne Wellenfronten, die plötzliche Änderungen des Drucks, der Temperatur und der Dichte des Mediums verursachen.

Stoßwellen werden in Überschallströmungen verursacht. Dies ist der Fall, wenn sich etwas schneller als die Schallgeschwindigkeit im Medium bewegt. Wenn sich eine Kugel mit einer Geschwindigkeit bewegt, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit in der Luft, bekommen wir Schockwellen.

Um Stoßwellen sichtbar zu machen, benötigen wir spezielle bildgebende Verfahren wie z Schlieren-Bildgebung um sie zu erfassen.

Stoßwelle von einer Kugel, aufgenommen mit Schlieren-Bildgebung. (Bildnachweis: Nathan Boor /Wikimedia commons)

Wenn die Stoßwelle senkrecht zur Strömungsrichtung erzeugt wird, spricht man von Normalstößen. Treten sie schräg auf, spricht man von schrägen Stoßwellen.

Wie entstehen Stoßwellen?

Bevor wir zum Wie kommen, schauen wir uns die Mach-Zahl an. Dies ist das Verhältnis der Geschwindigkeit eines Objekts, das sich durch ein Medium bewegt, zur Schallgeschwindigkeit in diesem Medium. Als solches bezieht sich die Mach-1-Geschwindigkeit darauf, wenn sich ein Objekt mit Schallgeschwindigkeit bewegt, die auch als transsonische Geschwindigkeit bezeichnet wird.

Die Machzahl.

Stellen Sie sich ein Boot vor, das sich durch Wasser bewegt. Das Boot bewegt sich mit einer Geschwindigkeit, die schneller ist als die Geschwindigkeit der Wellen im Wasser, also müssen die Wellen aus dem Weg gehen. Dies führt zu dem Kielwasser, das wir sehen.

Ein Boot, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, hinterlässt ein langes Kielwasser. (Bildnachweis: freevideophotoagency/Shutterstock)

Wenn sich ein Objekt mit niedriger Geschwindigkeit durch ein Medium bewegt, ist die Machzahl kleiner als eins. In diesem Fall sind die Wellen im Medium, die sich davon nach außen bewegen, in allen Richtungen symmetrisch oder nahezu symmetrisch.

Wenn es an Geschwindigkeit zunimmt, werden die Wellen davor komprimiert. Sie werden mehr Frequenz haben und die Wellen dahinter werden weniger Frequenz haben. Die Wellen davor verdichten sich, je schneller sich das Objekt bewegt, bis wir die Schallgeschwindigkeit erreichen.

Bei Schallgeschwindigkeit ist die Machzahl gleich eins, an diesem Punkt werden sich die Wellen zusammenziehen und an der Vorderseite des Objekts überlappen.

Was passiert also, wenn das sich bewegende Objekt die Schallgeschwindigkeit überschreitet? Die Wellen können sich nicht anpassen oder einholen und bleiben sozusagen zurück. Die nachlaufenden Wellen erzeugen die Form eines sich ausdehnenden Kegels.

Stoßwellen bilden sich mit Überschallgeschwindigkeit.

Schockwellen um uns herum

Was erzeugt Stoßwellen? Überschallflugzeuge sind eine offensichtliche Antwort, da sie oft mit Geschwindigkeiten über Mach eins fliegen. Im Bild unten sehen Sie ein Überschallflugzeug, das die Schallmauer durchbricht. Der Dampfkegel wird durch den Temperatur- und Druckabfall verursacht, der durch die Stoßwellen verursacht wird. Wenn uns die Schockwellen erreichen, hören wir den Überschallknall, den wir mit vorbeifliegenden Jets assoziieren.

Ein Überschallflugzeug durchbricht die Schallmauer. (Bildnachweis: Katerina_S/Shutterstock)

Die folgende Abbildung zeigt, wie sich die Wellen unter Unterschall-, Mach-1- und Überschallbedingungen verhalten.

Wie ein Überschallflugzeug Schockwellen erzeugt (Foto: Fouad A. Saad/Shutterstock)

Kugeln, die sich mit Überschallgeschwindigkeit fortbewegen, erzeugen Stoßwellen. Dies verursacht das „Knallen“ der Kugel, das zu hören ist, wenn sie an jemandem vorbeigeht. In dem fantastischen Video unten können Sie sehen, wie solche Wellen mit Schlieren-Bildgebung erfasst und dann analysiert werden.

Das beim Knallen einer Peitsche zu hörende Geräusch ist das Ergebnis schwacher Stoßwellen, die von der sich schnell bewegenden Spitze erzeugt werden. Ja, das ist richtig. Die Spitze einer Peitsche bewegt sich schneller als die Schallgeschwindigkeit, um diesen Knall zu erzeugen!

Eine Peitsche knallen lassen. (Bildnachweis: Bernd Zillich/Shutterstock)

Der Donner ist auch ein Stoßwellenphänomen. Das Platzen von Feuerwerkskörpern ist das Ergebnis von Druckwellen. Bombenexplosionen erzeugen ähnliche, aber größere kugelförmige Schockwellen, die Gebäude umwerfen können, wenn die Explosion stark genug ist. Auch ein Meteoriteneinschlag würde solche Wellen verursachen.

Jenseits von Flugzeugen und Bomben

Stoßwellen werden in Überschallströmungen verursacht. Über Schockwellen mit Beispielen wie Flugzeugen zu sprechen, kann manchmal unsere Visualisierungen einschränken. Hier denken wir an Objekte, die sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegen, aber wir können auch an eine Flüssigkeit denken, die mit Überschallgeschwindigkeit durch ein Rohr fließt, das einer Veränderung ausgesetzt ist – beispielsweise einer Veränderung der Form oder der Abmessungen des Rohrs. In einem solchen Fall würden auch Stoßwellen entstehen!

Vorgeschlagene Literatur