爆風

マッハステムの形成は、爆風が地面で反射し、その反射波が元の衝撃波面に追いつくことで発生します。これにより、地面から爆風の端にある三重点と呼ばれる特定の点まで広がる高圧領域が形成されます。この領域にある物体は、元の衝撃波面のピーク圧力の数倍にも達するピーク圧力を受ける可能性があります。

物理学において、干渉とは、相関のある2つの波が出会うことで、建設的干渉か破壊的干渉かによって、全体の振幅が増加または減少する現象を指します。ある波の山が別の波の山と一点で出会うと、山は建設的に干渉し、結果として生じる山の波の振幅は増加し、元の波のどちらよりもはるかに強い波が形成されます。同様に、2つの谷が出会うと、振幅が増加した谷が形成されます。ある波の山が別の波の谷と出会うと、それらは破壊的に干渉し、全体の振幅は減少し、元の波のどちらよりもはるかに小さい波が形成されます。

マッハステムの形成は、建設的干渉の一例です。爆風が建物の壁や車両の内部などの表面で反射すると、異なる反射波が互いに作用し合い、ある地点で圧力が上昇（建設的干渉）または低下（破壊的干渉）することがあります。このように、爆風の相互作用は音波や水波の相互作用と似ています。

英国MAUD委員会からの問い合わせに応えて、G.I.テイラーは、原子爆弾が空中で爆発した場合に放出されるエネルギー量を推定した。彼は、理想化された点エネルギー源の場合、流れ変数の空間分布は、ある時間間隔の間、同じ形状になり、変数はスケールのみが異なると仮定した（これが「相似解」という名称の由来である）。この仮説により、r（爆風の半径）とt （時間）に関する偏微分方程式を、相似変数に関する常微分方程式に変換することができる。

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

どこ$\displaystyle \rho _{o}}$は空気の密度であり、${\displaystyle E}$は爆発によって放出されたエネルギーである。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}この結果により、テイラーは新聞や雑誌に掲載された爆発の写真のみを使用して、1945年にニューメキシコで行われたトリニティ実験の核出力を推定することができた。^{[ 9 ]}爆発の出力は、次の式を使用して決定された。

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

どこ${\displaystyle C}$は、定圧空気の比熱と定容空気の比熱の比の関数である無次元定数です。 C の値は放射損失にも影響されますが、空気の場合、C の値が 1.00～1.10 であれば、一般的に妥当な結果が得られます。 1950 年、テイラーは、それまで機密扱いだった最初の原子爆発の収量 E を明らかにした 2 つの論文を発表しました。^{[ 4 ] [ 5 ]}そのため、その発表は論争の的となりました。^{[ 19 ]}

核爆発は爆風の破壊力の最も分かりやすい例の一つですが、通常爆弾や高性能爆薬を用いたその他の兵器の爆発によって発生する爆風も、多発外傷を引き起こす効果が高いため、戦争兵器として利用されてきました。第二次世界大戦とベトナム戦争では、爆風肺は一般的で、しばしば致命的な負傷でした。車両や個人用防護具の改良により、爆風肺の発生率は減少しました。しかし、兵士が貫通性外傷からよりよく保護され、以前は致命的だった爆風にさらされても生き延びられるようになったため、四肢、眼、耳、脳の損傷がより一般的になっています。

爆発時の構造挙動は、建物の建設に使用されている材料によって決まります。爆発による衝撃波面が建物の正面に当たると、反射されます。この構造物との衝突により、建物の外部コンポーネントに運動量が与えられます。移動するコンポーネントの運動エネルギーは、それらが生き残るために吸収または散逸されなければなりません。一般的に、これは移動するコンポーネントの運動エネルギーを抵抗要素のひずみエネルギーに変換することによって達成されます。^{[ 20 ]}通常、窓、建物のファサード、支持柱などの抵抗要素が破損し、部分的な損傷から建物の段階的な崩壊を引き起こします。

いわゆるセドフ・テイラー解は天体物理学で有用である。例えば、超新星爆発の結果の推定値を定量化するために適用できる。セドフ・テイラー膨張は「爆風波」段階としても知られており、これは超新星のライフサイクルにおける断熱膨張段階である。 ^{[ 21 ]： 96}超新星殻内の物質の温度は時間とともに低下するが、物質の内部エネルギーは常に初期放出エネルギー E ₀の 72% である。これは、超新星残骸の挙動を予測することに関心のある天体物理学者にとって役立つ。

爆風波は、爆発やそれに伴う負傷の物理現象をよりよく理解し、爆風曝露に対するより良い保護を開発するために、爆発物または圧縮ガス駆動の衝撃波管を使用して研究環境で生成されます。 ^{[ 22 ]}爆風波は、構造物（車両など）^{[ 23 ]} 、材料、生物学的標本^{[ 24 ]}または代替物に向けられます。爆風曝露に対する反応を定量化するために、高速圧力センサーや高速カメラがよく使用されます。自動車産業向けに最初に開発された人体型試験装置（ATDまたはテストダミー）は、追加の計測機器とともに、爆風事象に対する人間の反応を推定するために使用されています。たとえば、車両内の人員や地雷除去チームの人員は、これらのATDを使用してシミュレートされています。^{[ 25 ]}

実験と組み合わせることで、爆風波と無生物および生物構造物との相互作用に関する複雑な数理モデルが作成されてきました。^{[ 26 ]}検証済みのモデルは、「もしも」の実験、つまりさまざまなシナリオの結果の予測に役立ちます。モデル化されているシステムによっては、正確な入力パラメータ（たとえば、爆風負荷速度における速度感受性材料の材料特性）を取得することが困難な場合があります。実験による検証がないと、数値モデルの有用性は著しく制限されます。