In analogia idraulica, la propagazione di un'onda d'urto rettilinea è equivalente a quella di un'onda di rottura. Come possiamo crearla? Basta mettere una piccola altezza d'acqua nella parte B e un'altezza maggiore nella parte A. Nel serbatoio di espansione: nulla, assolutamente nessuna acqua. In sezione:
Tutto è pronto per l'esperimento. Si rimuove rapidamente la paratia della camera di chiusura. La massa d'acqua colorata (ad esempio con fluoresceina) si riversa nel canale a valle. Otterremo questo:
Cosa osserviamo? L'inizio di un'onda di rottura, un fronte d'onda liquido, che mette in movimento l'acqua incolore. Ma il fronte d'onda si muove più velocemente dell'acqua stessa.
A valle, si forma un'onda di espansione, ma più "dolce". Non si tratta di un'onda d'urto.
Poco tempo dopo, la situazione è la seguente:
L'onda di rarefazione raggiunge il fondo della "vasca". La distanza tra l'acqua chiara "spinta", messa in movimento, e l'interfaccia è aumentata. Abbiamo quindi una raffica utilizzabile, in cui l'acqua pulita è stata messa in movimento e quindi l'altezza è aumentata (analogia idraulica della pressione in un gas). Potremo quindi "lavorare" su questa raffica. Successivamente, l'onda di rarefazione si riflette sul fondo della vasca e tende rapidamente a raggiungere l'interfaccia fronte d'onda.
Si vede che, se avessimo installato nella parete una "finestra di osservazione", avremmo visto passare, durante il "tempo della raffica", questa massa d'acqua pulita messa in movimento. L'intero fenomeno può essere rappresentato su un "diagramma x, t":
Qui abbiamo l'immagine fedele per analogia del funzionamento di un "tubo a urto". Basta sostituire la camera di chiusura con una "camera ad alta pressione". La paratia della camera di chiusura, azionata manualmente, diventa un diaframma in rame che si aprirà quando la pressione raggiunta (utilizzando una camera di combustione) sarà sufficiente. Il canale di prova diventa un tubo di prova, con sezione costante, inizialmente riempito di argon a bassa pressione (13 mm di mercurio). Per quanto riguarda il serbatoio di espansione, si tratta semplicemente di un serbatoio vuoto, di forma qualsiasi. La paratia di carta viene sostituita da una membrana in mylar, che si romperà quando l'onda d'urto la raggiungerà. Di seguito, l'aspetto schematizzato dell'impianto:
Lunghezza della camera ad alta pressione: un metro e quaranta. Diametro (uguale a quello del canale di prova): 5,6 cm. Lunghezza del canale di prova: sei metri. In basso la membrana di rame rossa, resa fragile mediante incisioni, e il modo in cui si apre formando quattro petali, permettendo il libero passaggio del gas combusto. La camera ad alta pressione è riempita con un miscuglio H2 + 1/2 O2 più elio come diluente. Il serbatoio di espansione è semplicemente un bidone abbastanza resistente da poter essere sottoposto al vuoto. L'impianto è completato da diverse pompe a vuoto a palette, facilmente reperibili in usato e in grado di raggiungere vuoti sotto i 10-2 mm di mercurio (10-2 torr), nonché da valvole ermetiche al vuoto. Aggiungere un gruppo di bombole che forniscono idrogeno, ossigeno, elio e ovviamente argon.
Il miscuglio gassoso combustibile viene acceso da un sistema di candele collegato a una fonte ad alta tensione. Poiché questo sistema genera interferenze elettromagnetiche, l'intera struttura ad alta pressione è racchiusa in una gabbia di Faraday (pali in legno e rete di rame, maglia da 1 mm). Rustica, ma efficace. I sei metri di argon a bassa pressione si trasformano immediatamente in una carota di gas compresso (1 bar) e caldo (10.000°K) di circa venti centimetri di lunghezza. Questa è immediatamente seguita dai "gas combusti", cioè un miscuglio di vapore acqueo ed elio.
Questo conclude la parte "galleria a raffica calda".
Nel canale dove verranno effettuate le misurazioni e condotta l'esperimento MHD vero e proprio (sezione quadrata: 5 cm per 5 cm), è necessario inserire un pezzo, delicato da lavorare, che permetta il passaggio da una sezione circolare a una sezione quadrata:
Le "bocchette MHD" possono essere realizzate in plexiglas (con parti incollate) o in plastica stratificata (resistenza), dotate di una finestra ottica di buona qualità. Anche se la temperatura dell'argon è elevata, essa non danneggia le parti della bocchetta, data la brevità della raffica (ottanta milionesimi di secondo).
Per creare un campo magnetico trasversale si utilizzeranno due solenoidi disposti come segue:
Nel disegno successivo è stata rimossa una delle bobine per mostrare la disposizione del modello (profilo alare a lenticola):
Il volume della bocchetta MHD, compreso l'ingombro, è dell'ordine di un litro, e il campo magnetico da generare deve raggiungere i 20.000 gauss (2 tesla), quindi è necessario far passare nei avvolgimenti dei solenoidi una corrente molto elevata (50.000 ampere). Una corrente di tale entità tende a far esplodere i solenoidi, non per effetto Joule, ma semplicemente a causa delle forze J × B presenti negli avvolgimenti stessi. Sarà necessario dotare gli avvolgimenti in rame rosso di una sorta di "corsetto", ad esempio in fibra di vetro immersa nell'araldite.
Poiché l'esperimento MHD vero e proprio è di breve durata, una soluzione economica per generare correnti così elevate consiste nell'utilizzare un gruppo di condensatori che vengono scaricati in questa bobina (scarica oscillante). Basta sincronizzare l'intero sistema in modo che l'esperimento (al momento del passaggio della raffica di argon caldo) avvenga in un momento in cui il campo B è quasi stazionario (periodo della scarica: 5 millisecondi).
Disegno successivo: la galleria a onda d'urto attrezzata per esperimenti MHD, così com'era nel mio laboratorio negli anni sessanta.
I condensatori erano caricati a 5 kV. Un gruppo di condensatori più modesto alimenta invece gli elettrodi del modello di prova.
Problema: come commutare 50.000 ampere. Risposta: utilizzando un vecchio ignitron di locomotiva elettrica (progettato per commutare 2000 ampere, ma abbastanza robusto da resistere a centinaia di tentativi con una corrente 25 volte superiore). L'ignitron è ben noto agli specialisti dell'elettricità di potenza.