超音速で運動する物体が生じる衝撃波についてなのですが、以下の各点について詳しく知りたいと思います。
物理に詳しい方にお答えいただけると幸いです。

1. 無音で運動する物体は衝撃波を生じるのでしょうか?それとも物体自体が「音源」でないと衝撃波は生じないのでしょうか。(もちろん物体自体は超音速で運動しているという前提で)

2. 物体が音速を超える瞬間に、物体の中にいる人はなんらかの衝撃を感じるのでしょうか?

3. そもそも衝撃波とは何の波なんでしょうか。通常の音波と同じように空気の密・粗の波でしょうか?

4. 爆弾等が爆発したときに、周囲の空気の膨張する速度が音速を超えていたとすると、その「音速を超えた空気という物体」からは衝撃波が生じるのでしょうか?
また、仮に衝撃波が生じるとすると、それはいわゆる「爆風」と同じものなのでしょうか?

原理をちゃんと勉強すればいいのでしょうが、数式が苦手でどうしても…なので質問させていただきました。
いずれか1点についてのご回答でも大歓迎です。
よろしくお願いします。

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A 回答 (2件)

>物理に詳しい方にお答えいただけると幸いです。



衝撃波については、機械工学科や航空学科、
航空宇宙学科の授業にある、流体力学という
分野で詳しく学びます。

>1. 無音で運動する物体は衝撃波を生じるのでしょうか?

 生じます。音速(秒速約340m/秒)を超える
速度で飛行する航空機の周囲には衝撃波が生じて
います。

 空気や水などのように流れる物体を、流体といいます。
流体の性質は、その流れる速度、圧力、粘性(粘っこさ
というイメージです)などで決まりますが、
音速(マッハ1)を超えると、これら物理的性質が
大きく変化します。

 音速を超える速度で飛行する物体の周囲には
音速を超える空気の流れが生じます。この流れと
音速以下の空気の流れの間に★薄い空気の層が
でき、ここで圧力等の流体の物理的性質が
不連続(緩やかではなく、どっと変わるということです)
に変化します。

>3. そもそも衝撃波とは何の波なんでしょうか。通常の音波と同じように空気の密・粗の波でしょうか?

 ★この薄い空気の層を衝撃波というのです。
つまりこの層を境に、圧力が変化するので、
音速以下の空気の流れから、この衝撃波に
突っ込むと、大きな圧力の変化、つまり衝撃を
感じるわけです。

>2. 物体が音速を超える瞬間に、物体の中にいる人はなんらかの衝撃を感じるのでしょうか?

 瞬間的に大きな圧力の変化感じます。
昔、車にジェットエンジンをつけて
地上で音速を超えた速度を出した
人がいたのですが、その人の体験談
によると、音速を超えた瞬間に、大きな
爆発音が聞こえたそうです。
 圧力が瞬間的に大きくなるので、鼓膜が
大きく振動し、それが爆発音として聞こえた
ものと思います。

>4. 爆弾等が爆発したときに、周囲の空気の膨張する速度が音速を超えていたとすると、その「音速を超えた空気という物体」からは衝撃波が生じるのでしょうか?

 上の説明のとおり、音速を超えた速度を持つ
空気の流れと、音速以下の空気の流れに
生じる層が衝撃波ですから、そのとおり
衝撃波が生じます。

>また、仮に衝撃波が生じるとすると、それはいわゆる「爆風」と同じものなのでしょうか?

 爆風が音速を超えていないと衝撃波は生じません。
音速を超えた空気の流れを生じさせるには、
1気圧以上の圧力差が必要です。空気がすでに
1気圧あるわけですから、ここでさらに1気圧の圧力差
を生み出すのはかなり大変です。

 昭和の初期に、音速の空気の流れを発生させる
実験装置が作られ、この現物が今でも神奈川県
相模原市にある宇宙科学研究所に保存されて
いるのですが、その原理は2つの部屋を
小さな扉で仕切り、片方の部屋の空気を抜いて
真空にしておき、真ん中にあるこの小さな扉
を急に開くというもので、大気圧と真空という差で
1気圧の圧力差を作っていました。
 

この回答への補足

大変わかりやすい説明ありがとうございます。
上記4.について、爆風と衝撃波は別物であることはわかりました。
さらに追加の質問ですが、実際の爆発では一般的に爆風と衝撃波のどちらがより大きなエネルギーを持つのでしょうか?

補足日時:2003/11/01 00:29
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No.1の方が回答しているので相違点のみ回答します。



2. 通常は衝撃を感じることはありません。物体が音速を超えた瞬間の衝撃波は極めて弱くて衝撃波前後の圧力差はゼロです。音速から速度が上がるにつれて圧力差は大きくなりますが、連続的に物体が加速しているのなら圧力差もゼロから連続的に変化しますので、衝撃はありません。

4.に関連して、これは「音速を超えた空気という物体」である必要はありません。例えばトンネルに入った新幹線はわずかな圧力上昇である微気圧波を作ります。これが長いトンネルを伝播する間に衝撃波へと成長します。トンネルの出口で大きな音がするのはこのためです。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。
新幹線のトンネル出口の現象は、そういえば以前に聞いたことがあります。これも衝撃波なんですね。

お礼日時:2003/11/01 01:42

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c=√((km+kw)/ρ)

でしょうか?
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ご回答よろしくお願いします。

Aベストアンサー

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三度お邪魔します。No,3,8,10です。

納得していただいたと言うことで、手の混んだ絵を入れていただきこちらこそ恐縮します。

そうですね。空気に変化を与えようとしているものがコンプレッサである限り、そう言う形での空気の移動(変化)となります。
コンプレッサからは、あくまで空気の「膨張」と言う結果しか生むことができません。
風洞とかジェットエンジンなどの例が出ていますが、エネルギーの総量から見ても明らかに矛盾を生じますし、本来条件を与えられてすぐに判断できるものです。(コンプレッサと言う条件です。)
コンプレッサからは、「密」である空気を、「粗」にするエネルギーしか持ち合わせていませんので、密を粗にすると言うことはすなわち、音が伝わる速さを決して超えるエネルギーは発生しません。

風洞はあくまで空気の相対的な運動であり、ジェットエンジンについては噴流を出すために熱エネルギーを使っています。
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空気に運動エネルギー(ジェットエンジンのように「熱」など)を与える要因がない以上、コンプレッサから出る空気はパイプの中で行う現象としては、「粗」と「密」の伝播しかなく、これは「音」が伝わる現象と一致するため、「粗」と「密」の伝播は音速を超えないのです。

ちなみにもう一つ。ジェットエンジンのファンやプロペラの外周の速度が音速を超えると、衝撃波が発生して効率が著しく低下しますが、この現象も空気の「粗」を「密」にする伝播速度を超えてしまうために、「粗」な空気を「密」にできなくなるために起こる現象です。
ですからジェットエンジンが回転する機構を持つ限り、ファン(圧縮機)の入り口からタービンの出口まで、超音速機のエンジンであっても決して音速を超える流れはありません。ダクトとノズルの形状でうまくサイクルが回る工夫がされています。(Web上で確認してみてください)

与えられた命題が「コンプレッサ」ではなく、「ジェットエンジン」でパイプに空気を送るとなれば、音速を超えることも当然可能になります。なぜなら、もはや空気の「粗」と「密」の伝播ではなく、パイプの入り口より明らかにエネルギーが注ぎ込まれていますので、粗密の伝播速度を超えることが可能なのです。

三度お邪魔します。No,3,8,10です。

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1.
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9F%B3%E9%80%9F

音速 = √(κRT/M)
(つまり、音速の2乗は、分子量Mの平方根に反比例)
 ⇒ 窒素分子は酸素分子より軽いので、窒素中の音速の方が大きい。

2.
これは、知識として「水中の方が速い」と覚えてください。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9F%B3
(「音速」の章を参照)

Q音速・超音速

コンコルドは音速を超えるスピードで飛行しますが、
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こんばんは。
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 衝突の緩和時間(衝突開始から終了までの時間)、あるいは衝突による双方の物体の変形などを設定しないと、おおざっぱな計算ですら、やりようもありません。

 たとえば、物体Bがどれだけ軽くても、どちらも変形がない、あるいは衝突が一瞬(経過時間0)であれば、かかる力は無限大になります。

 おおまかな計算は、たとえば以下のようにできます。

 物体Aを変形しない壁と仮定し、物体Bの質量をm、速度をvとし、壁に垂直に衝突するとします。衝突における力が一定のFになるとします(衝突断面積に無関係なことに注意)。衝突後、物体Bは静止するとします。

1)緩和時間がΔtと分かる場合

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2)衝突で物体Bが衝突方向に長さΔL縮むと分かる場合

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P.S.

 もし物体Bが同じ速度で跳ね返されるとすると、かかる力Fは2倍になります。

 貫通してしまう場合は、貫通後の物体Bの速度Vに依存し、力Fは物体Bの速度をv-Vとすればよいです。

 衝突時の圧力Pは衝突における断面積が一定のSだとすれば、P=F/S。

 衝突の緩和時間(衝突開始から終了までの時間)、あるいは衝突による双方の物体の変形などを設定しないと、おおざっぱな計算ですら、やりようもありません。

 たとえば、物体Bがどれだけ軽くても、どちらも変形がない、あるいは衝突が一瞬(経過時間0)であれば、かかる力は無限大になります。

 おおまかな計算は、たとえば以下のようにできます。

 物体Aを変形しない壁と仮定し、物体Bの質量をm、速度をvとし、壁に垂直に衝突するとします。衝突における力が一定のFになるとします(衝突断面積に無関係な...続きを読む

Qロケットのノズル、音速について質問があります。

ロケットのノズルについて勉強していたら気になることがでてきました‥。

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Aベストアンサー

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No.2です。あれれ、1つ目の速度の式が変なことになっていますね。
全部書き直しましょう。※が修正部分です。

浮力を公式どおり
  Ff = ρVg
(上向きを正)
とすれば(体積を大文字の V に変えた)、物体の質量をmとすると重力は
  Fg = -mg
ですから、正味の上向きの力は
  F = ρVg - mg

ニュートンの運動方程式より、物体の加速度を a として
  ρVg - mg = ma
より
  a = ρVg/m - g   ←上昇による密度、体積の変化、空気や水の動抵抗を無視すれば一定=「等『加』速度」
速度は
※  v(t) = (ρVg/m - g)t + v0  ←速度は時間とともに変化するので「等速度」ではありません
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ρ (密度)は、物体が排除する水(あるいは空気)の質量を M とすれば
  ρV = M
ですから、上記の加速度、速度は
  a = Mg/m - g = [ (M - m)/m ]g
  v(t) = [ (M - m)/m ]gt + v0
と書けます。

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※  v(t) = (ρVg/...続きを読む


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