物理学理科

5分で分かる「衝撃波」身近なものには何がある?どんな原理?プラントエンジニアが分かりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は「衝撃波」について解説していくぞ。

突然だが、衝撃波と聞いて何を想像するだろうか。アクションアニメでは、キャラクターが衝撃波によって吹き飛ぶシーンがよく見られる。衝撃波を理解するためには圧力波、音速がキーワードになるぞ。この記事では衝撃波の現象として、「雷」、「航空機」、「水中」について解説した。衝撃波がより身近な現象として感じるだろう。ぜひこの機に学んでみてくれ。

大学では熱流体力学分野で研究していたアヤコと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/アヤコ

現役のプラントエンジニア。大学では熱流体分野の研究を行い、就職後もプラントエンジニアとして流体に関係する仕事を行っている。流体力学は多くの人が難しいと思い毛嫌いする分野の半面、身の回りの現象は多い。楽しく理解できるよう解説していく。

衝撃波とは?原理をみてみよう

image by iStockphoto

「ゴロゴロ」。大気が震えと共に伝わってくる雷鳴。この写真を見ると雷の恐怖を思い出します。実はこの落雷音は衝撃波によるものです。それではなぜ衝撃波と言われるのでしょうか。衝撃波の原理を説明していきましょう。

衝撃波のポイント1 圧力波の発生

衝撃波のポイント1  圧力波の発生

image by Study-Z編集部

衝撃波を理解するためには、圧力波の発生を理解しなければなりません。空気などの流体が爆発などにより膨大な圧力変化を生じた時は、その増加した圧力波は空気中を伝播していきます。

具体的に説明しましょう。上図に記した何が起きても壊れないピストンと爆弾を置くことを想像し、ピストンを押す箇所を爆発させることを考えます。爆発後、ピストンが空気を押していき、空気が圧縮され密度が上がることで圧力が高まり、その高い圧力波は低い圧力の方に伝播していくことが想像できますでしょうか。

衝撃波のポイント2 圧力波が超音速で伝播


次に理解のポイントとしては、圧力波が超音速で伝播することです。空気中での音速は常温、大気圧で約340m/sとされ、音速以上を超音速と言います。音速以上になる物の速さを評価するために、その速度を音速で割った値であるマッハ数(1が音速、1より大きい値は超音速)とされるのです。

まとめると衝撃波は圧力が急激に増加し、超音速で伝播する圧力波のことを言います。はじめに落雷を挙げましたが、雷の速さは約30万km/s と音速の約90万倍です。雷により超音速で空気が押しのけられた結果、衝撃波が生じると理解できます。

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雷は超音速で落ちるため衝撃波が発生していたのだな。衝撃波の威力は落雷箇所から離れていても吹き飛ばされるようだ。雷の恐怖は感電の他に衝撃波もあるんだな。

航空機における衝撃波

流体力学の専門書で衝撃波を調べると、航空機の例が初めに説明されます。まずは航空機における衝撃波を学びましょう。

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