衝撃波

衝撃波とは

衝撃波（しょうげきは、英: shock wave）は、主に流体中で伝わる圧力の急激な変化を指し、音波の一種です。通常、これは超音速で移動する物体の周囲に生じ、媒質中の音速を超える速度で進行します。そのため、衝撃波は速やかに減衰して音波と呼ばれる現象になります。衝撃波は、圧力、温度、密度の増加を伴い、一般に周囲に膨張波も発生します。

衝撃波の特性

衝撃波の強度は、波前の圧力、温度、密度、速度の比によって測定されます。これらの比は「衝撃波マッハ数」と密接に関連しており、衝撃波の特性を理解するための重要な指標です。特に、理想気体中では、ランキン・ユゴニオの式を用いてこの関係が表現されます。

衝撃波の分類

衝撃波には主に次のような種類があります。
1. 垂直衝撃波: 伝播方向に対して波面が垂直になっているものです。この形状は単純で、空気力学的解析において重要な役割を果たします。
2. 斜め衝撃波: 伝播方向に対して波面が斜めになっているものです。特に、超音速の流れが特定の角度に入る際に発生します。マッハコーンなどもこの例に含まれます。
3. 離脱衝撃波: θが最大角度を超えた場合に、曲がり角の前方に発生する衝撃波です。

衝撃波の発生例

衝撃波は多くの場面で見られます。例としては、超音速飛行を行っている戦闘機やロケット、隕石の大気圏再突入、さらには弾丸の発射時などがあります。衝撃波が地表に達すると、窓を割るような被害を引き起こし、減衰した後も「ソニックブーム」という大きな音になります。これを引き起こすには非常な力が必要で、超音速飛行においては技術的な課題となっています。

また、爆発によっても衝撃波が生じることがあります。音速を超える膨張の際に発生し、火山の噴火や雷、人工的な爆発（地表核実験など）も含まれます。衝撃波が伝わる際には急速に減衰し、最終的には「ドン」といった爆発音を生成します。

最近では、小規模な例として、鞭を振ったときの先端部が音速を超える現象も衝撃波の一種です。この場合、「パシッ」という音は衝撃波の残響による音であり、別の「ヒュウ」という音は音速に関連しない音として知られています。

研究の歴史

衝撃波に関する理論研究は歴史があり、1858年にベルンハルト・リーマンが衝撃波を断熱可逆過程で生成すると解析しましたが、現在ではこの過程が非可逆であることが知られています。その後の1870年と1887年には、ウィリアム・ランキンとピエール＝アンリ・ユゴニオが独立にランキン・ユゴニオの式を発表しました。
一方、1887年にはエルンスト・マッハがシュリーレン法を使用して衝撃波の画像を撮影することに成功しました。1927年にはヘルマン・グロアートが同一翼型周りの圧縮流と非圧縮流の揚力係数の変換式を発見し、重要な成果を上げました。

光の衝撃波

衝撃波現象は音波に限らず、光でも観測されます。一般に媒質中の光速は真空に比べ遅く、運動粒子がこの速度を超えるときに生成されます。この現象はチェレンコフ放射として知られ、荷電粒子が媒質中を移動し、電子軌道が乱されることで現れます。これにより光子が放出され、通常の条件下では打ち消し合うが、高速粒子の場合は外部に飛び出し奇妙な光を放つのです。

このように、衝撃波は自然及び人工の多くの現象において重要な役割を果たすものであり、その研究は今後の技術革新につながる可能性を秘めています。

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