Stoßwelle

USS Iowa (BB-61) feuert eine volle Breitseite während einer Zielübung nahe der Insel Vieques (Puerto Rico) am 1. Juli 1984
Quelle: US-Navy

Eine Stoßwelle (engl. shock wave), auch Knallwelle, ist in der Strömungslehre eine starke Druckwelle, die durch Explosionen oder andere Phänomene erzeugt wird, die extreme Druckunterschiede hervorrufen. Die Druckwelle läuft dabei als Wellenfront durch das Medium.

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:

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.
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 im Normalfall keine Stoßwelle aus, er detoniert daher auch nicht, man spricht von (schnellem) Abbrand oder Deflagration.
Flugzeuge, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, verursachen eine kegelförmige Stoßwelle, den Machschen Kegel. Auch in die Atmosphäre eindringende Meteoroide verursachen Stoßwellen, welche für die Lichterscheinung der Meteore mitverantwortlich sind.
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.

Stehende Stoßwellen

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

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

Rankine-Hugoniot-Gleichung

Basierend auf einem Artikel in:

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