Ударные волны

Первыми плодами, которые принесла скоростная фотография в области физики, была визуализация ударных волн. Используя метод полос ("шлирен-метод"), разработанный Августом Тёплером, Эрнст Мах сфотографировал и исследовал ударные волны, создаваемые телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью, а также звуковые волны, возбуждаемые электрическими искрами и струями сжатого воздуха.

Чрезвычайно изобретательный и разносторонний физик, Мах к тому времени уже экспериментировал с ударными волнами, порождаемыми электрическими искрами. Такие волны оставляли на закопченном стекле след наподобие фигур Хладни в опытах со звуковыми волнами. Приобретя в 1884 г. сухие фотографические пластинки, гораздо более чувствительные и удобные, чем мокроколлодионные, Мах занялся фотографированием ударных волн по методу полос.

Термином "шлирен" (полосы) первоначально называли оптические неоднородности, возникающие в плохо закаленном стекле; позднее по аналогии так же стали называть и неоднородности в воздухе или другой жидкой либо газовой среде, которые удавалось сделать видимыми благодаря теневому методу Тёплера (основанному в свою очередь на оптическом опыте Фуко). Этот метод позволяет увидеть или сфотографировать световые волны, преломленные на ударных волнах, конвекционных потоках и других неоднородностях. Луч от источника света проходит через исследуемую среду и фокусируется объективом: на экране наблюдаются теневые переходы, обусловленные неоднородностью показателя преломления среды.

В предварительных опытах (1884) с малокалиберным пистолетом Маху не удалось наблюдать ударные волны, поскольку скорость вылетающей из ствола пули была меньше скорости звука. По совету Маха П. Зальхер и З. Риглер из Королевской императорской морской академии в австрийском портовом городе Фиуме (ныне Риека, Югославия) провели эксперименты, используя пули большого калибра, имеющие более высокие начальные скорости, и получили в 1886 г. первые фотографии. Предположение Маха о том, что ударные волны можно наблюдать, лишь превысив скорость звука (343 м/с в сухом воздухе при комнатной температуре), оказалось верным.

Затем обе группы исследователей перешли к опытам с артиллерийскими орудиями на полигонах: Зальхер в г. Пола на Адриатическом побережье, а Мах с сыном Людвигом в Меппене (Нижняя Саксония). Они обнаружили, что снаряды (калибра 9 см у Зальхера и 4 см у Маха) создают гиперболоидальную головную ударную волну, которая имеет более острую форму и дальше отстоит от передней границы тела, чем волна, порождаемая пулей. Однако, как обнаружилось, при одной и той же скорости угол, образуемый хвостовым скачком уплотнения, не зависит от размера движущегося тела. В декабре 1886 г. на основании этих наблюдений Мах сформулировал важный закон; синус угла, который называют теперь углом Маха, есть величина, обратная числу Маха (число Маха - это отношение скорости тела к скорости звука в данной среде).

"По-настоящему хорошие результаты, - писал Мах позднее, - можно получать только при самом тщательном проведении экспериментов в лаборатории, специально оборудованной для этой цели". Вернувшись в лабораторию в Пражском университете, Мах со своим сыном постепенно усовершенствовали свою установку, в которой движущаяся пуля освещалась короткой яркой искрой разряда лейденской банки. Очень важно, чтобы искра происходила точно в нужный момент. В окончательном варианте установки пуля пролетала через небольшой цилиндр, в стенку которого была встроена трубочка. При пролете пули порыв воздуха из трубочки отклонял пламя свечи, которое замыкало электрическую цепь, "включая" искру. Длина трубочки подбиралась таким образом, чтобы пуля успевала долететь от цилиндра до камеры как раз в тот момент, когда проскакивала искра. Большие конденсаторы давали слишком продолжительную искру, и изображение пули размазывалось; поэтому Мах использовал короткие искры.

Однако зимой 1888 г., когда были сделаны приведенные здесь фотографии, установка еще не достигла совершенства. Цепь замыкалась не пламенем свечи, а самой пулей, когда она пролетала мимо двух медных проволочек толщиной 0,5 мм (вертикальные белые линии на фотографии), присоединенных к полюсам лейденской банки. Опыты проводились с пулями разной формы, изготовленными из различных материалов (свинца, алюминия, бронзы).

Зима 1888 г. Физический институт Немецкого университета в Праге. Э. Мах, Л. Мах. Медные пули, летящие со скоростью около 520 м/с; освещение - искра, возникающая в лейденской банке при замыкании медных проводников. Особо чувствительные сухие пластинки фирмы Шлейсснер. Около 2 мкс. Институт Эрнста Маха, Фрейбург, ФРГ. [162-164, 35]

Данные фотографии сделаны с пластинок шириной 1 см, - по-видимому, как считают в музее Эрнста Маха, это самые ранние из дошедших до нас оригиналов. На них запечатлены ударные волны, созданные медными пулями разной формы: острой (длина 34 мм, масса 18 г) и тупой (длина 23 мм). На обеих фотографиях видна гиперболоидальная ударная волна, которая в сечении выглядит как гипербола (трехмерный гиперболоид скачка уплотнения слишком тонок и отражает свет в основном по образующей). Хвостовые скачки уплотнения (они всегда расходятся под более острым углом, чем головной) представляют собой в действительности конусы, сечения которых мы видим. Промежуточный скачок уплотнения возникает независимо от гладкости пули, и Зальхер связал образование таких волн с трением - подобным образом ветер создает рябь на поверхности озера. Вместе с тем наличие неровностей создает дополнительные точки отрыва, от которых расходятся промежуточные ударные волны.

Заметим, что, вопреки предположениям многих ученых, выяснилось, что за летящей пулей не образуется вакуум. Пуля оставляет за собой цилиндрический след воздушных завихрений, "маленькие облачка, похожие на нитку жемчуга". За тупой пулей, обладающей большим аэродинамическим сопротивлением, отчетливо видны продольные волны значительной амплитуды. Из-за большого сопротивления головной скачок уплотнения также выражен гораздо сильнее (левый снимок). Турбулентный след не может быть вызван просто движением воздуха: этот эффект обусловлен резким скачком температуры, который вызван нагреванием воздуха из-за трения.

Эти опыты дали несколько уроков специалистам по баллистике. Когда снаряд выпускается с дозвуковой скоростью, слышен один хлопок, тогда как при сверхзвуковой скорости различаются два хлопка: один приходит со скоростью снаряда, а второй - следом за ним со скоростью звука. Старый миф о том, что рану создает область сжатого воздуха впереди пули, был опровергнут: повреждения вызываются самим проникающим в тело металлом. И наконец, заостренная пуля создает меньше завихрений и обладает меньшим аэродинамическим сопротивлением. Артиллеристам стоит принять это к сведению, ибо, как заметил Мах с горькой иронией, "умение наделать как можно больше дырок друг в друге становится в наше время самым важным делом".