Por que essa onda de choque não toca o corpo que a cria?

Depois de passar pela onda de choque, o ar ainda precisa fugir do corpo. Se a onda de choque tocasse o corpo, o ar teria que escapar através do espaço infinitamente fino a uma pressão infinitamente alta e, obviamente, não poderia fazer isso.

Por trás da onda de choque, existe uma camada limite (chamada camada de choque), na qual o ar está se movendo com o corpo e flui, sob alta pressão, para os lados onde pode escapar.

Quanto mais embotado o corpo, mais espessa é a camada limite, porque o ar deve cobrir uma distância maior para os lados e leva mais tempo para fazer isso.

É claro que a alta pressão entre o choque e o corpo causa muito esforço, e é por isso que o nariz agudo e as bordas principais são preferidos para o vôo supersônico.

No caso de um corpo infinitamente fino em fluxo supersônico, os distúrbios criados se propagam como ondas de Mach. No entanto, à medida que a espessura do corpo aumenta, o fluxo deve se afastar fisicamente do objeto após a onda de choque.

Por exemplo, se uma cunha em um ângulo $ \ theta $ for colocada em fluxo supersônico, o fluido deverá girar nesse ângulo depois de passar pelo choque de compressão (para que o fluxo seja ao longo do corpo).

Para um determinado número de Mach a montante $ M_ {1} $, existe um ângulo de viragem máximo $ \ theta_ {max} $, além do qual um choque oblíquo não é fisicamente possível e a onda de choque é desconectada, ou seja, não é possível girar fisicamente o fluxo repentinamente enquanto conserva massa, momento e energia. O fluxo 'resolve' esse problema desanexando o choque na frente do corpo.

Talvez, na raiz da sua pergunta, haja um mal-entendido sobre a natureza de uma onda de choque. Uma onda de choque é uma superfície, um conjunto de pontos, onde as propriedades do gás mudam descontinuamente (não é a única superfície com essa característica, mas a outra classe, a de descontinuidades de contato is absolutamente instávele desaparece rapidamente).

Assim, uma onda de choque tem gás ambos lados dela, por definição. Portanto, ele não pode tocar o objeto, porque deve haver outra camada de gás entre o objeto e a onda de choque.

Mas agora sua pergunta pode se tornar: por que deve haver gás ambos lados da onda de choque? A razão é que o fluido devo cruze a onda de choque, ou seja o fluido passa continuamente da frente para a traseira da onda de choque (descontínuas são as propriedades termodinâmicas do gás e o componente da velocidade perpendicular através da onda de choque, mas, caso contrário, o gás se move continuamente de um lado para o outro).

Existem superfícies onde a matéria faz não atravessar uma superfície de descontinuidade? Sim, existem, e eles são chamados descontinuidades de contato, que, sendo absolutamente instável (o termo absolutamente tem um significado muito especial na fluidodinâmica), desaparecem rapidamente.

A segunda parte da sua pergunta,

It does not assume that if the object travels faster than the speed of sound wave front should be just touching the object that causes it ?

parece indicar que você está pensando em uma onda de choque como uma onda regular; portanto, o objeto contundente deve alcançá-la. Infelizmente, chamar uma onda de choque de onda é uma relíquia histórica, que trai o fato de que as ondas de choque se movem supersonicamente em relação ao fluido em que se propagam. De fato, pode haver não onda de choque que se move sonora ou lentamente, para que o segundo princípio da termodinâmica não seja violado (Landau e Lifshitz Mecânica dos Fluidos volume tem uma bela prova desse teorema, em geral generalizada).

De fato, nós (poderíamos) levar as afirmações acima (de uma forma quantitativa, lembre-se) e avançá-las um passo adiante: como o movimento do gás pós-choque é lento (ou seja, subsônico) em relação à onda de choque e ao objeto embotado, seu fluxo para longe da frente do objeto embotado ocorre lentamente, de modo que mais e mais fluido fica preso entre a onda de choque e o objeto. Mais fluido significa mais contrapressão, portanto o choque deve estar localizado cada vez mais longe do objeto embotado: ele se forma próximo à ponta do objeto embotado, mas depois se afasta dele.

A característica realmente fofa da imagem acima é a região turbulenta bem definida na esteira do objeto ...

EDIT:

Conforme minutos'request (veja abaixo), você pode vê-lo da seguinte maneira.

A velocidade do som surge quando você considera o destino de pequenas perturbações. Imagine, por exemplo, que você comprima a matéria localmente um pouquinho, ou seja você aumenta a densidade de $ \ rho $ para $ \ rho + \ delta \! \ rho $. Nos fluidos, uma densidade mais alta de um dado fluido (= um volume ocupado menor) induz uma pressão extra, de modo que, localmente, $ p \ rightarrow p + \ delta \! P $. Então agora você tem um pequeno volume cuja pressão excede a do meio circundante: o que acontece? Obviamente expande, ou seja empurra a matéria próxima para reivindicar para si o volume ocupado pelo meio circundante. Conseqüentemente, um pequeno aumento na densidade local faz com que a matéria próxima precise se afastar, deslocada pelo volume de densidade extra.

A matéria deslocada se move lentamente, porque a força que atua sobre ela é pequena: assumimos que a pressão extra é pequena em comparação com a pressão média, $ \ delta \! P \ ll p $. No entanto, o primeiro pacote de fluido desalojado fica ao lado de outro pacote (atualmente estático) de fluido, que deve abrir espaço para o primeiro pacote de fluido, dando origem a um segundo pacote de fluido desalojado, e assim por diante. Haverá $ N \ gg 1 $ de gerações de pacotes de fluidos, todos acionados pelo elemento original do fluido comprimido e atingidos por essa cadeia de deslocamentos.

À primeira vista, pode-se pensar que essa cadeia de eventos de desalojamento é tão rápida quanto cada parcela de fluido, o que é muito lento como dissemos acima, mas isso é não O caso. A razão é que o que estamos perguntando é não a velocidade na qual uma parcela de fluido está se movendo (lenta, como declarado acima), mas quanto tempo leva para o deslocamento de $ N $ -ésima geração começar, para não concluir. A velocidade do som identifica o momento em que o deslocamento da geração $ N $ -th começa, não termina, identifica quando a primeira perturbação chega, não quando termina.

Essa velocidade é muito maior que a velocidade na qual as parcelas individuais se movem. Quando comprimimos a parcela inicial, também a aquecemos (a compressão leva ao aquecimento, em materiais normais); portanto, a molécula média terá uma temperatura maior que a anterior $ T + \ delta \! T $. Como você sabe claramente, uma molécula proveniente de uma região mais quente é um pouco mais rápida (em média) do que uma de uma região mais fria porque $ v \ approx \ sqrt {kT / m} $, de modo que o material desalojado da primeira geração primeiro observe que ele tem um vizinho mais quente (= maior pressão) quando é atingido pela primeira vez por suas moléculas mais quentes que a média, que viajam à velocidade $ \ approx \ sqrt {kT / m} $. Assim, a velocidade com que a mensagem Deslize, você covarde viaja é o mesmo que o das moléculas do ambiente mais quente.

Essas moléculas mais quentes que a média do ambiente mais quente colidem com as moléculas locais médias e transferem para elas um pouco de sua energia extra, ou seja moléculas locais são aquecidas pelas colisões do local original de compressão. Agora, essas moléculas recém-aquecidas se moverão para a região do gás desalojado da geração 2 e repetirão o processo novamente: a velocidade com que o sinal viaja, ou seja a primeira percepção de que o gás local deve começar a se mover é novamente (na verdade sempre) a das moléculas, $ \ approx \ sqrt {kT / m} $. Portanto, o som da velocidade é $ c_s \ approx \ sqrt {kT / m} $.

Na derivação acima, pulei alguns detalhes, cuja inclusão, no entanto, apenas modifica $ c_s $ na medida de substituir a fórmula anterior por $ c_s = \ sqrt {5 kT / 2m} $. O detalhe real que deixei de fora é que, uma vez que a compressão ocorre, em fluidos reais, isso não leva necessariamente ao aquecimento máximo possível (o que leva ao fator $ 5 / 2 $ acima), mas pode ser menor que isso, porque alguns dos o calor extra pode ser dissipado antes as moléculas mais quentes que o ambiente circundante conseguiram alcançar o ambiente. Se o calor é dissipado (via viscosidade, radiação, o que for), leva mais tempo para o fluido de primeira geração perceber que a parcela inicial de fluido foi compactada, porque menos moléculas que chegam a ele são mais quentes que suas próprias moléculas.