Волны с большой амплитудой, возникающие при детонации взрывчатых веществ, электрическом искровом разряде, и т.д., и называемые ударными волнами, распространяются по иным законам, чем волны с малыми амплитудами. В ударной волне возникает, образно выражаясь, очень крутая гора с примыкающей к её задней стороне пологой, слегка волнистой долиной. Эти волны с аномально большой амплитудой имеют большую скорость, чем нормальные звуковые волны. Вследствие большой плотности воздуха в гребнях волн их можно фотографировать как теневые картины.

Если падающая волна является слабой, то ее отражение согласуется с законом геометрической акустики, т.е. оба фронта образуют со стенкой одинаковые углы. Это явление называют регулярным (двухволновым) отражением.

 

На рисунке 1 показана ударная волна, которая образуется в точечном источнике и, распространяясь, претерпевает затем частичное отражение от полупроницаемой стенки. При этом часть волны проходит за стенку, а часть отражается. Мы видим, что отражённая и прошедшая волны симметричны относительно стенки. Это следствие принципа Гюйгенса, имеющего место для волн любой природы. Как отражённая от полупроницаемой стенки, так и прошедшая волны являются огибающей отдельных элементарных волн.

 

Когда круговая ударная волна отражается последовательно между двумя параллельными стенками, по мере отражений амплитуды волн уменьшаются (рис.2). Каждая отражённая волна симметрична падающей относительно стенки и поэтому её можно рассматривать как порождённую некоторым фиктивным источником, расположенным за стенкой на том же удалении, что и источник падающей волны. При этом фиктивным источником каждой последующей отражённой волны будет служить зеркальное отражение источника падающей волны (фиктивного или реального).

Однако, если падающая волна сильная и угол ее падения не слишком мал, может создаться положение, когда регулярное отражение невозможно и реализуется сложная ветвящаяся нестационарная система разрывов. Этот случай называется трехволновым отражением, поскольку в этом случае возникает третья ударная волна, соединяющая падающую и отраженную волны с поверхностью препятствия (рис. 3). Впервые зафиксированное австрийским ученым Эрнстом Махом в 1878, трехволновое отражение получило также название маховского отражения, для отличия от двухфронтового (или регулярного) отражения.

 

Теоретическое описание этого явления затруднено. Отраженная волна ответвляется от падающей в точке z, которая движется не параллельно стенке, а удаляется от нее под некоторым углом. Точка разветвления z связана со стенкой перпендикулярным "маховским фронтом", вызывающим течение среды вдоль стенки.

Отражение и распространение ударных волн важная задача для проектирования разрывных боеприпасов и защиты от них. Соревнование толщины брони и разрушительной силы взрывчатых веществ началось давно. В начале прошлого века казалось, что толщина брони в нем победила. Но в это соревнование вмешался простой физический эффект. Когда снаряд ударяется о броню или взрывается на ее поверхности, возникает ударная волна. Она распространяется в толщу брони, доходит до ее противоположной свободной поверхности и отражается. В самой ударной волне материал сжимается, а при отражении волны от свободной поверхности напряжения в материале изменяют знак на противоположный - возникают силы, стремящиеся оторвать куски материала. Пока начинкой снарядов были порох или относительно медленно горящая взрывчатка, это специфических проблем не вызывало. Когда стали применяться более мощные составы, взрыв снаряда на наружной поверхности, например на броне танка, в результате отражения ударной волны стал откалывать "тарелки" металла от ее внутренней поверхности.

Топографическая карта Марса не оставляет сомнений, что нечто подобное произошло и при столкновением с железным астероидом (рисунок 1).

Ударная волна добежала до противоположного полушария, а сферическая форма планеты сфокусировала ее симметрично кратеру Эллада. При отражении от свободной поверхности планеты возникли силы планетарных масштабов, стремящиеся оторвать от нее "тарелку" . Ею стал "антикратер" с вулканом Олимпус.

К 1945 было создано мощное оружие разрушения — атомная бомба. Оценка последствий ядерного взрыва во многом связана с расчетом воздействия образовавшейся в результате взрыва ударной волны.

Для эффективного демпфирования действия ударной волны и продуктов детонации зарядов ВВ массой до 5 кг в тротиловом эквиваленте может быть использован слой песка толщиной не менее 25...30 см. Энергия ударной волны при этом практически полностью уходит на адиабатическое сжатие воздушных включений и метание мелкодисперсного песка, а продукты детонации интенсивно охлаждаются. При детонации 1 кг ВВ типа ТНТ выделяется до 1000 л газов (при нормальном давлении) и до 1100 ккал тепловой энергии.

При средней плотности песка 1,6 г/см3 удельная масса 1 м2 защитной конструкции составит 400 – 480 кг. В качестве вариантов конструкции камеры могут быть предложены засыпной вариант и вариант с обкладкой однослойных стенок полиэтиленовыми или бумажными пакетами (мешками), наполненными песком. Стенки камеры должны изготавливаться из неметаллических материалов типа текстолит, многослойная фанера, ДСП и т.п. Возможна реализация в конструкции камеры двух вариантов загрузки багажа: с загрузкой через верхнюю часть (съемная крышка) и с загрузкой со стороны боковой стенки (передвижная стенка). Во всех случаях под рабочим объемом камеры должна располагаться песчаная подушка толщиной не менее 25 – 30 см. Толщина слоя песка на крышке камеры должна составлять не менее 15 – 20 см.

Во всех случаях необходимо обеспечить достаточную жесткость конструкции, исключающую возможность самопроизвольного разрушения камеры в условиях действия статических нагрузок со стороны наполнителя. Для предотвращения образования высокоэнергетических вторичных осколков при взрыве багажа в рабочем объеме камеры соединение элементов конструкции должно осуществляться с использованием низкоплотных материалов: пластмассы, дерева, сплавов на основе алюминия, капрона и т.п. При сборке камеры должно быть обеспечено взаимное перекрытие стыкуемых граней.

В качестве эффективного средства для экранирования секторов разлета осколков и распространения ударной волны могут использоваться появившиеся в последнее время у городских дорожных служб переносные полые пластмассовые барьеры, устанавливаемые временно на дорогах при осуществлении ремонтных работ или для разделения встречных потоков транспорта на узких участках и наполняемые после установки водой. Такие барьеры, имея длину и высоту порядка 1 м, а толщину – порядка 25 – 30 см, обеспечивают торможение осколков большинства боеприпасов и значительно ослабляют ударную волну за счет процессов отражения ударной волны от более плотной среды, которой является вода по отношению к воздуху, и затрат энергии на метание воды. В качестве подручного средства для создания кругового и секторного защитного экрана на основе песка или воды могут быть использованы гибкие шланги по типу пожарного рукава (рисунок 2,3) или фрагменты полиэтиленовых рукавов шириной 1,0 – 1,5 м, используемых садоводами для обустройства парников.

 

Эффективная защита от фугасного действия безоболочковых ВОП (взрывоопасных предметов) с массой заряда ВВ 0,75 – 1,0 кг, что особенно актуально в городских условиях при наличии значительных площадей остекления и высокой вероятности поражения людей осколками стекла, может быть обеспечена при использовании жидких или конденсированных пористых материалов плотностью 0,01 – 1 г/см3. Для этих целей могут быть рекомендованы: пенные барьеры, создаваемые пенными огнетушителями; пенополиуретан; упаковочные пенопласты и быстротвердеющие пенополиуретановые композиции типа “Макрофлекс”, “Пенофлекс”, используемые в строительстве для тепло- и звукоизоляции помещений (объем пены, создаваемый с использованием одного баллончика, составляет 30 – 50 л).
Применение пористых материалов совместно с конструкциями из материалов с плотностью 2,1 – 7,8 г/см3 (стеклотекстолит, листовая сталь) позволяет обеспечить защиту и от осколочных боеприпасов. При суммарной толщине защитной преграды, эквивалентной 6 мм стального листа, обеспечивается локализация разлета поражающих элементов ручных осколочных гранат и артиллерийских боеприпасов калибром до 120 мм.

В зависимости от угла падения ударной волны на препятствие волна может отражаться непосредственно на поверхности препятствия или на некотором расстоянии от него. Во втором случае отражение называется трехволновым, поскольку в этом случае возникает третья ударная волна, соединяющая падающую и отраженную волны с поверхностью препятствия.

Впервые зафиксированное австрийским ученым Эрнстом Махом в 1878, трехволновое отражение получило также название маховского, для отличия от двухфронтового (или регулярного) отражения.

Выполненный Махом эксперимент, позволивший обнаружить трехволновой режим отражения, заключался в следующем (рис. 1): в двух точках, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, одновременно проскакивали две искры, порождавшие две сферических ударных волны.

Распространяясь над поверхностью, зачерненной сажей, эти волны оставляли отчетливый след точек их пересечения, начинающийся посередине между точками инициализации волн, а затем идущий по срединному перпендикуляру отрезка, соединяющего эти точки инициализации. Далее отрезок на концах разделялся на две симметрично расходящиеся линии. Полученная картина соответствует тому, что на ранней стадии взаимодействия ударные волны отражаются друг от друга так, как будто происходит отражение в регулярном режиме от воображаемой плоскости, расположенной посередине между точками инициализации волн. Затем образуется скачок Маха, соединяющий соответствующие точки кривых, приведенных на рис. 2. 

Поскольку на зачерненной поверхности остаются лишь траектории точек пересечения волн, Мах продемонстрировал впечатляющую проницательность, сумев расшифровать смысл полученных следов.

При достижении поверхности земли ударная волна отражается от неё, подобно тому как отражается звуковая волна, образуя эхо. Отражённая ударная волна способна производить разрушения так же, как и падающая (прямая). На некотором расстоянии от эпицентра взрыва, зависящем главным образом от высоты и мощности взрыва, у поверхности земли (воды) фронты прямой и отражённой ударных волн сливаются и образуется волна Маха (или головная ударная волна), имеющая почти вертикальный фронт. Это явление слияния прямой и отражённой волн называется эффектом Маха. Избыточное давление во фронте волны Маха обычно в два раза больше, чем избыточное давление во фронте падающей ударной волны.

При воздушном взрыве мощностью в 1 мегатонну, осуществлённом на высоте около 2 тысяч метро, эффект Маха наблюдается примерно через 4,5 секунды после взрыва вдоль линии, напоминающей окружность и отстоящей от эпицентра на расстоянии примерно 2 км (под эпицентром взрыва понимается точка на поверхности земли/воды, расположенная под/над центром взрыва). В этот момент избыточное давление на поверхности земли во фронте ударной волны составляет около 1,12 кг/см, так что общее (абсолютное) давление воздуха при этом превышает более чем в два раза нормальное атмосферное давление (нормальное атмосферное давление на уровне моря составляет 1,03 кг/см).

Вначале высота фронта волны Маха небольшая, но по мере продвижения этого фронта от эпицентра взрыва она увеличивается. В то же время избыточное давление во фронте волны Маха, как и во фронте падающей (прямой) волны, уменьшается по мере постоянного уменьшения энергии волны и все увеличивающейся площади, которую охватывает движущийся фронт этой волны. Спустя 40 секунд после ядерного взрыва мощностью в 1 мегатонну, когда фронт волны Маха уже находится на расстоянии 16 км от эпицентра взрыва, избыточное давление уменьшается примерно до 0,07 кг/см.
Расстояние от эпицентра взрыва, на котором наблюдается эффект Маха, изменяется в зависимости от высоты взрыва. Например, как видно из рисунка выше, при взрыве на низкой высoте во время испытаний под названием "Тринити" (в Аламогордо, штат Нью-Мексико) фронт волны Маха наблюдался в тот момент, когда фронт прямой ударной волны находился на небольшом расстоянии от огненного шара. Наоборот, при воздушном взрыве на очень большой высоте сколько-нибудь заметного эффекта Маха не наблюдается.

Необходимо отметить, что при прохождении фронта ударной волны образуются очень сильные скоротечные ветровые потоки воздуха. Максимальная скорость воздуха в ударной волне на сравнительно близких от эпицентра расстояниях может достигать нескольких сотен километров в час; даже на расстоянии около 10 км от места взрыва мощностью в 1 мегатонну максимальная скорость воздуха будет более 110 км/час. Очевидно, что такие сильные потоки воздуха способны значительно увеличить разрушения, которые вызываются действием избыточного давления ударной волны, возникающей при ядерном взрыве.