Stoßwelle

Stoßwelle

USS Iowa (BB-61) feuert eine 2/3 Breitseite während einer Zielübung nahe der Insel Vieques (Puerto Rico) am 1. Juli 1984

Eine Stoßwelle (engl. shock wave), auch Schockwelle oder Knallwelle, ist in der Strömungslehre eine starke Druckwelle, die durch Detonationen oder andere Phänomene erzeugt wird, bei denen Teile des Mediums schneller als die Schallgeschwindigkeit des Mediums bewegt werden. Die Druckwelle breitet sich dabei mit der Schallgeschwindigkeit des Mediums als Wellenfront aus, an der sich im Gegensatz zu normalen Schallwellen die Zustandsgrößen nahezu sprunghaft ändern.

Entstehung und grundlegende Eigenschaften

Eine Stoßwelle durchquert ein zweidimensionales Gitter.

In kompressiblen, d. h. verdichtbaren Medien, beispielsweise Gasen, breiten sich Störungen, etwa von hindurchbewegten Festkörpern hervorgerufene Druckänderungen, durch das Medium als Druckwellen aus, die sich mit der Schallgeschwindigkeit des Mediums bewegen. Bewegt sich der Störer nur langsam im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit, erlaubt die Druckwelle dem Medium, sich neu zu verteilen, um die Störung auszugleichen. Das Medium verhält sich dabei genau wie ein inkompressibles Medium.

Bewegt sich der Störer jedoch schneller als die Schallgeschwindigkeit im ungestörten Medium, so bildet sich eine dünne Stoßfront, innerhalb derer sich die Zustandsgrößen des Mediums, einschließlich der Geschwindigkeit, nahezu sprunghaft ändern. Die Front bewegt sich langsamer durch das Medium als der Störer, sodass kegelige Formen entstehen. Da die Energiedichte hinter der Front höher ist als vor der Front, klingen Stoßwellen allmählich zu normalen Druckwellen ab, wobei sich ihre Geschwindigkeit auf Schallgeschwindigkeit verringert.

Es gibt zwei grundlegende Typen von Stoßwellen, die allerdings physikalisch äquivalent sind und sich nur durch die Wahl des Bezugssystems unterscheiden:

  1. Fortschreitende Stoßwellen im stehenden Medium: Sie werden durch plötzliche Störungen im Medium, etwa durch eine Explosion oder ein Projektil, hervorgerufen und bewegen sich mit Überschallgeschwindigkeit. Siehe auch: Verdichtungsstoß.
  2. Stehende Stoßwellen im fließenden Medium: Sie werden dadurch hervorgerufen, dass von einer Quelle kontinuierlich Materie ausgestoßen wird, wie z. B. der Sonnenwind der Sonne oder die Antriebsgase in einem Raketentriebwerk. Solche Wellen können einen Gleichgewichtszustand erreichen, in dem sie den Windausstoß begrenzen.

Beispiele

Fortschreitende Stoßwellen

  • Detonationen, wie beispielsweise die von Bomben, sind in der Lage, mit ihren Stoßwellen Gegenstände durch die Luft fliegen zu lassen und zu zerstören. Für solche Detonationswellen existieren genaue empirische und theoretische Rechenmodelle. Ein pyrotechnischer Satz bildet keine Stoßwelle aus, er detoniert daher auch nicht, man spricht von (schnellem) Abbrand oder Deflagration.
  • Flugzeuge oder auch Geschosse, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, verursachen eine etwa kegelförmige Stoßwelle, den Machschen Kegel. Beim Beobachter kann ein Überschallknall oder Geschossknall auftreten. Auch in die Atmosphäre eindringende Meteoroide verursachen Stoßwellen, welche für die Lichterscheinung der Meteore mitverantwortlich sind.[1]
  • Das um den Blitzkanal stark aufgeheizte Luftplasma bewirkt durch die von ihm (wenige Meter) ausgehende Stoßwelle den Donnerknall bei Gewittern. Es handelt sich also um eine Art Explosion entlang des Blitzkanals. Infolge der unregelmäßigen, oft stark verästelten Form des Blitzkanals, der unterschiedlichen Entfernung der Blitzkanalabschnitte zum Beobachter, sowie atmosphärischer Temperaturschwankungen und starker Winde, welche den Lauf der Wellen beeinflussen, ertönt nicht ein einziger Schlag, sondern meist eine ganze Serie mehr oder weniger starker Schläge, die in größerer Entfernung – wo die Stoßwellen zu akustischen Wellen abgeklungen sind – das typische Grollen oder Rumpeln des Donners bilden.
  • Im Interstellaren Medium können Stoßwellen durch Supernovae oder durch Eindringen von Gas- und Staubwolken (z. B. eine Zwerggalaxie) in eine gasreiche Galaxie wie die Milchstraße verursacht werden und durch die Verdichtung von Gas- und Staubwolken zur Sternentstehung führen. Nachweisbar sind sie auch anhand der vom stoßerhitzten Medium ausgestrahlten Röntgenstrahlung.
  • Die Bugwelle von Schiffen, die schneller als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wasserwellen fahren, ist eine Stoßwelle. An Stelle der Schallgeschwindigkeit in Wasser ist hier allerdings die Phasengeschwindigkeit von Störungen auf der Wasseroberfläche entscheidend.
  • Entsprechend erzeugen elektrisch geladene Teilchen, die sich in optischen Medien schneller als die dort geltende Lichtgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) bewegen (sie beträgt z. B. im Wasser nur etwa 230.000 km/s), eine elektromagnetische Bugwelle, die Tscherenkow-Strahlung.

Stehende Stoßwellen

  • Die Grenze der Magnetosphäre der Erde wird durch eine Stoßwelle gekennzeichnet, an deren Front die Teilchen des Sonnenwinds abrupt abgebremst werden. Da die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen im ungestörten Strom relativ zur Erde größer ist als die Schallgeschwindigkeit innerhalb des bewegten Mediums, kommt es zur Stoßwellenformation. Analoges gilt für die Magnetosphäre des Jupiters.
  • In ca. 50–100 AU Entfernung wird der Sonnenwind durch das Interstellare Medium abgebremst. An der Grenze, dem Termination Shock, kann eine Stoßwelle auftreten.
  • In Raketentriebwerken können bei fehlerhafter Konfiguration Stoßwellen auftreten, die zur Zerstörung der Rakete führen können. Da Stoßwellen vermieden werden müssen, ist die maximale Ausstoßgeschwindigkeit und damit die Schubkraft begrenzt.

Anwendung in der Medizin und der Physiotherapie

Diese Stoßwellen werden außerhalb des Körpers erzeugt, daher heißen sie extrakorporal. Sie können hydraulisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder pneumatisch-ballistisch generiert werden. Man unterscheidet nach der Form ihrer Ausbreitung zwischen radialen und fokussierten Stoßwellen unterschiedlicher Energien.

In der Medizin werden hochenergetische fokussierte Stoßwellen in der ESWL (Extrakorporale Stoßwellenlithotrypsie) zur Zertrümmerung von Harn-, Gallen-, Nieren- und Speichelsteinen genutzt.

Hochenergetische Stoßwellen (ESWT) nutzt man in der Orthopädie zur Behandlung von nicht heilenden Knochenbrüchen (Pseudarthrosen) und zur Erosion von Verkalkungen an Sehnen und Einlagerungen in Gelenken.

Niederenergetische Stoßwellen ermöglichen eine effektive Behandlung von Schmerzen an Sehnenansätzen wie Tennisellenbogen, Golferellenbogen und dem schmerzhaften Fersensporn und Schmerzen bei Arthrosen (Verschleißerkrankungen) und bei chronischen Schmerzen an knochennahen Weichteilen.

Zunehmend setzt sich die Stoßwelle auch als schmerzarmes Verfahren in der sogenannten Triggerpunkttherapie von Muskelverhärtungen durch. Dabei werden die Triggerpunkte (= Myogelosen) des Muskels z. B. bei Nackenschmerzen und Schmerzen im unteren Rücken behandelt. Mit den Geräten kann nicht nur die Behandlung durchgeführt werden, sondern sie ermöglichen auch eine gezielte Diagnostik der verhärteten und verkürzten, meist oft sehr schmerzhaften Muskelareale. Diese Muskelareale sind je nach Krankheitsbild mit lokalen oder Ferntriggern versehen, die im Verlauf der weiteren Behandlung beachtet werden müssen.

Durch ihre relativ einfache Handhabung (keine bildgebenden Verfahren notwendig, kaum Risiken, wenig Schmerz für den Patienten) findet insbesondere die niedrigenergetische radiale Stoßwellentherapie in der letzten Zeit immer mehr Verwendung in der Physiotherapie.

Siehe auch

Weblinks

 Wiktionary: Schockwelle – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. Exploding Asteroids Pose Greater Threat Than Direct Hits nationalgeographic.com, abgerufen am 19. Mai 2016

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


17.06.2021
Helligkeitseinbruch von Beteigeuze
Als der helle, orangefarbene Stern Beteigeuze im Sternbild Orion Ende 2019 und Anfang 2020 merklich dunkler wurde, war die Astronomie-Gemeinschaft verblüfft.
17.06.2021
Das Elektronenkarussell
Die Photoemission ist eine Eigenschaft unter anderem von Metallen, die Elektronen aussenden, wenn sie mit Licht bestrahlt werden.
17.06.2021
Ultrakurze Verzögerung
Trifft Licht auf Materie geht das an deren Elektronen nicht spurlos vorüber.
17.06.2021
Entdeckung der größten Rotationsbewegung im Universum
D
13.06.2021
Die Taktgeber der Sonne
Nicht nur der prägnante 11-Jahres-Zyklus, auch alle weiteren periodischen Aktivitätsschwankungen der Sonne können durch Anziehungskräfte der Planeten getaktet sein.
13.06.2021
Wenn Schwarze Löcher den Weg für die Sternentstehung in Satellitengalaxien freimachen
Eine Kombination von systematischen Beobachtungen mit kosmologischen Simulationen hat gezeigt, dass Schwarze Löcher überraschenderweise bestimmten Galaxien helfen können, neue Sterne zu bilden.
13.06.2021
Flüssiges Wasser auf Monden sternenloser Planeten
Monde sternenloser Planeten können eine Atmosphäre haben und flüssiges Wasser speichern. Münchner Astrophysiker haben berechnet, dass die Wassermenge ausreicht, um Leben auf diesen wandernden Mond-Planeten-Systemen zu ermöglichen und zu erhalten.
13.06.2021
Solar Orbiter: Neues vom ungewöhnlichen Magnetfeld der Venus
Solar Orbiter ist eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der NASA, die bahnbrechende neue Erkenntnisse über die Sonne liefern wird.
13.06.2021
Quantenbits aus Löchern
Wissenschafter haben ein neues und vielversprechendes Qubit gefunden – an einem Ort, an dem es nichts gibt.
07.06.2021
Gammablitz aus der kosmischen Nachbarschaft
Die hellsten Explosionen des Universums sind möglicherweise stärkere Teilchenbeschleuniger als gedacht: Das zeigt eine außergewöhnlich detaillierte Beobachtung eines solchen kosmischen Gammastrahlungsblitzes.
31.05.2021
Verblüffendes Quantenexperiment wirft Fragen auf
Quantensysteme gelten als äußerst fragil: Schon kleinste Wechselwirkungen mit der Umgebung können zur Folge haben, dass die empfindlichen Quanteneffekte verloren gehen.
31.05.2021
Symmetrie befördert Auslöschung
Physiker aus Innsbruck zeigen in einem aktuellen Experiment, dass auch die Interferenz von nur teilweise ununterscheidbaren Quantenteilchen zu einer Auslöschung führen kann.
31.05.2021
Wie Wasser auf Eisplaneten den felsigen Untergrund auslaugt
Laborexperimente erlauben Einblicke in die Prozesse unter den extremen Druck- und Temperatur-Bedingungen ferner Welten. Fragestellung: Was passiert unter der Oberfläche von Eisplaneten?
31.05.2021
Neues Quantenmaterial entdeckt
Auf eine überraschende Form von „Quantenkritikalität“ stieß ein Forschungsteam der TU Wien gemeinsam mit US-Forschungsinstituten. Das könnte zu einem Design-Konzept für neue Materialien führen.
27.05.2021
Wenden bei Höchstgeschwindigkeit
Physiker:innen beobachten neuartige Lichtemission. und zwar wenn Elektronen in topologischen Isolatoren ihre Bewegungsrichtung abrupt umdrehen.
27.05.2021
Mit Klang die Geschichte der frühen Milchstraße erkunden
Einem Team von Astronominnen und Astronomen ist es gelungen, einige der ältesten Sterne in unserer Galaxie mit noch nie dagewesener Präzision zu datieren.
11.05.2021
Teleskop zur Erforschung von Objekten höchster Dichte im Universum
Eine internationale Gruppe von Astronomen hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen.
11.05.2021
Quantencomputing einfach erklärt
„Quantencomputing kompakt“ lautet der Titel eines aktuellen Buchs, das Bettina Just veröffentlicht hat. Die Mathematikerin und Informatikerin, die an der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) lehrt und forscht, behandelt darin ein Teilgebiet der Informationstechnik mit großem Entwicklungspotenzial.
11.05.2021
Auf dem Weg zum kleinstmöglichen Laser
Bei extrem niedrigen Temperaturen verhält sich Materie oft anders als gewohnt.
07.05.2021
Die Entdeckung von acht neuen Millisekunden-Pulsaren
Eine Gruppe von Astronomen hat mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop acht Millisekunden-Pulsare entdeckt, die sich in Kugelsternhaufen mit hoher Sterndichte befinden.
04.05.2021
Handfeste Hinweise auf neue Physik
Das Fermilab (USA) hat heute erste Daten aus dem Myon g-2 Experiment veröffentlicht, welche die Messwerte des gleichnamigen, 2001 durchgeführten Experiments am Brookhaven National Laboratory bestätigen.
04.05.2021
Neuer Exoplanet um jungen sonnenähnlichen Stern entdeckt
Astronomen aus den Niederlanden, Belgien, Chile, den USA und Deutschland bilden neu entdeckten Exoplaneten „YSES 2b“ direkt neben seinem Mutterstern ab.
07.04.2021
Myon g-2: Kleines Teilchen mit großer Wirkung
Das Myon g-2-Experiment des Fermilab in den USA steht vor einem Sensationsmoment, der die Geschichte der Teilchenphysik neu schreiben könnte. Und vielleicht sogar Hinweise auf noch unbekannte Teilchen im Universum gibt.
02.04.2021
Zwei merkwürdige Planeten
Uranus und Neptun habe beide ein völlig schiefes Magnetfeld.
02.04.2021
Der erste interstellare Komet könnte der ursprünglichste sein, der je gefunden wurde
Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass der abtrünnige Komet 2I/Borisov einer der ursprünglichsten ist, die je beobachtet wurden.