Onda expansiva

La formación de la onda expansiva de Mach se produce cuando una onda de choque rebota en el suelo y el reflejo alcanza el frente de choque original, creando así una zona de alta presión que se extiende desde el suelo hasta un punto denominado punto triple en el borde de la onda expansiva. Todo lo que se encuentre en esta zona experimenta presiones máximas que pueden ser varias veces superiores a la presión máxima del frente de choque original.

En física, la interferencia es el encuentro de dos ondas correlacionadas, que produce un aumento o una disminución de la amplitud resultante , dependiendo de si se trata de interferencia constructiva o destructiva. Si la cresta de una onda coincide con la cresta de otra en el mismo punto, las crestas interfieren constructivamente y la amplitud de la cresta resultante aumenta, formando una onda mucho más potente que cualquiera de las ondas iniciales. De manera similar, dos valles forman un valle de mayor amplitud. Si la cresta de una onda coincide con el valle de otra, interfieren destructivamente y la amplitud total disminuye, creando así una onda mucho más pequeña que cualquiera de las ondas originales.

La formación de una onda expansiva es un ejemplo de interferencia constructiva. Cuando una onda expansiva se refleja en una superficie, como la pared de un edificio o el interior de un vehículo, las diferentes ondas reflejadas pueden interactuar entre sí, provocando un aumento de la presión en un punto determinado (interferencia constructiva) o una disminución (interferencia destructiva). De esta forma, la interacción de las ondas expansivas es similar a la de las ondas sonoras o las olas del agua.

En respuesta a una consulta del Comité MAUD británico , G.I. Taylor estimó la cantidad de energía que liberaría la explosión de una bomba atómica en el aire. Postuló que, para una fuente de energía puntual idealizada, las distribuciones espaciales de las variables de flujo tendrían la misma forma durante un intervalo de tiempo dado, diferenciándose las variables únicamente en escala (de ahí el nombre de "solución de similitud"). Esta hipótesis permite transformar las ecuaciones diferenciales parciales en términos de r (el radio de la onda expansiva) y t (tiempo) en una ecuación diferencial ordinaria en términos de la variable de similitud.

$${\displaystyle {\frac {r^{5}\rho _{o}}{t^{2}E}}}$$

dónde${\displaystyle \rho _{o}}$es la densidad del aire y${\displaystyle E}$es la energía liberada por la explosión. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} Este resultado permitió a Taylor estimar el rendimiento nuclear de la prueba Trinity en Nuevo México en 1945 utilizando únicamente fotografías de la explosión, que habían sido publicadas en periódicos y revistas. ^{[ 9 ]} El rendimiento de la explosión se determinó utilizando la ecuación:

$${\displaystyle E={\frac {\rho _{o}}{t^{2}}}\left({\frac {r}{C}}\right)^{5}}$$

dónde${\displaystyle C}$es una constante adimensional que es función de la relación entre el calor específico del aire a presión constante y el calor específico del aire a volumen constante. El valor de C también se ve afectado por las pérdidas radiativas, pero para el aire, los valores de C de 1,00-1,10 generalmente dan resultados razonables. En 1950, Taylor publicó dos artículos en los que reveló el rendimiento E de la primera explosión atómica, ^{[ 4 ] [ 5 ]} que había sido clasificado previamente y cuya publicación fue, por lo tanto, fuente de controversia. ^{[ 19 ]}

Si bien las explosiones nucleares son uno de los ejemplos más claros del poder destructivo de las ondas expansivas, las ondas expansivas generadas por la explosión de bombas convencionales y otras armas de alto poder explosivo se han utilizado como armas de guerra debido a su eficacia para causar lesiones politraumáticas. Durante la Segunda Guerra Mundial y la Guerra de Vietnam , la neumoconiosis por explosión fue una lesión común y a menudo mortal. Las mejoras en los vehículos y el equipo de protección personal han contribuido a reducir la incidencia de la neumoconiosis por explosión. Sin embargo, a medida que los soldados están mejor protegidos contra las lesiones penetrantes y sobreviven a exposiciones que antes eran letales, las lesiones en las extremidades, los ojos, los oídos y el cerebro se han vuelto más frecuentes.

El comportamiento estructural durante una explosión depende de los materiales utilizados en la construcción del edificio. Al impactar contra la fachada, el frente de choque de la explosión se refleja. Este impacto con la estructura transmite momento a los componentes exteriores del edificio. La energía cinética asociada a los componentes en movimiento debe ser absorbida o disipada para que sobrevivan. Generalmente, esto se logra convirtiendo la energía cinética del componente en movimiento en energía de deformación en los elementos resistentes. ^{[ 20 ]} Típicamente, los elementos resistentes —como ventanas, fachadas y columnas de soporte— fallan, causando daños parciales hasta el colapso progresivo del edificio.

La llamada solución de Sedov-Taylor se ha vuelto útil en astrofísica . Por ejemplo, se puede aplicar para cuantificar una estimación del resultado de las explosiones de supernovas . La expansión de Sedov-Taylor también se conoce como la fase de "onda expansiva", que es una fase de expansión adiabática en el ciclo de vida de una supernova. ^{[ 21 ] : 96} La temperatura del material en una envoltura de supernova disminuye con el tiempo, pero la energía interna del material siempre es el 72% de E ₀ , la energía inicial liberada. Esto es útil para los astrofísicos interesados ​​en predecir el comportamiento de los remanentes de supernova.

Las ondas expansivas se generan en entornos de investigación mediante tubos de choque impulsados ​​por explosivos o gas comprimido con el fin de replicar el entorno de un conflicto militar para comprender mejor la física de las explosiones y las lesiones que pueden resultar, y para desarrollar una mejor protección contra la exposición a explosiones. ^{[ 22 ]} Las ondas expansivas se dirigen contra estructuras (como vehículos), ^{[ 23 ]} materiales y especímenes biológicos ^{[ 24 ]} o sustitutos. A menudo se utilizan sensores de presión de alta velocidad y/o cámaras de alta velocidad para cuantificar la respuesta a la exposición a explosiones. Los dispositivos de prueba antropomórficos (ATD o maniquíes de prueba ), desarrollados inicialmente para la industria automotriz, se utilizan, a veces con instrumentación adicional, para estimar la respuesta humana a eventos explosivos. Por ejemplo, se ha simulado al personal en vehículos y al personal de equipos de desminado utilizando estos ATD. ^{[ 25 ]}

Combinados con experimentos, se han creado modelos matemáticos complejos de la interacción de ondas expansivas con estructuras inanimadas y biológicas. ^{[ 26 ]} Los modelos validados son útiles para experimentos de tipo «¿qué pasaría si?», es decir, predicciones de resultados para diferentes escenarios. Dependiendo del sistema que se esté modelando, puede resultar difícil obtener parámetros de entrada precisos (por ejemplo, las propiedades del material de un material sensible a la velocidad de explosión). La falta de validación experimental limita considerablemente la utilidad de cualquier modelo numérico.