Stoßwelle

Eine Stoßwelle ist eine Art von Druckwelle, die sich durch ein Medium mit einer sprunghaften Änderung von Druck, Temperatur und Dichte fortbewegt. Die Front der Stoßwelle ist scharf und annähernd diskontinu, und die Fortbewegung erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die die lokale Schallgeschwindigkeit übertrifft (Mach-Zahl größer als 1).

Stoßwellen entstehen, wenn starke Kompressionen oder Impulse sich ausbreiten. In Gasen beruhen sie auf nichtlinearen Effekten in den Fluidgleichungen und treten bei Explosionen, plötzlichen Druckimpulsen oder Überschallströmungen um Objekte herum auf. Zu den charakteristischen Merkmalen gehören sprunghafte Änderungen von Druck, Temperatur und Dichte, Entropieerhöhung und dissipative Verluste durch Reibung.

Die theoretische Beschreibung erfolgt oft über die Euler-Gleichungen. Die Beziehungen der Zustände vor und nach der Welle werden durch die Rankine-Hugoniot-Bedingungen festgelegt. Typische Erscheinungsformen reichen von Bow-Shocks um Flug- oder Raumfahrzeuge bis zu explosiven Schockwellen. In der Astrophysik treten Schockfronten in Supernova-Überresten auf, sowie planetare Bow-Shocks, die durch schnelle Himmelskörper in Gasen entstehen.

Anwendungen finden sich in Technik und Medizin: Schockwellentests von Werkstoffen, Schockwellendetektion und -messung sowie in der Medizin die Stoßwellenlithotripsie zur Zerkleinerung von Nierensteinen. In der Geophysik und Seismologie treten ebenfalls Stoßwellen auf, etwa bei großen Erdbeben.

Historisch legten Arbeiten im 19. Jahrhundert von Rankine und Hugoniot die Grundlagen; die moderne Stoßwellentheorie entwickelte sich im 20. Jahrhundert durch Fortschritte in der Gasdynamik, insbesondere im Zusammenhang mit Überschallflügen und Raketenantrieben.