A blast wave is a self-similar expanding shock
An intense point-source energy release - a chemical explosion, in idealised form - deposits energy into a small volume so fast that the surrounding air is driven outward as a sharp, supersonic shock front: a near-discontinuous jump in pressure, density and temperature racing outward through undisturbed air ahead of it. In the earliest, strong-shock phase, the blast radius depends on only two physical quantities - the deposited energy E and the ambient air density rho - plus time, and dimensional analysis alone (no detailed shock physics needed) fixes how the radius must grow.
Sedov-Taylor scaling
Leonid Sednov and Geoffrey Taylor independently derived, in the 1940s, that for a strong point-source blast in a uniform atmosphere the shock radius R must scale as:
R(t) = ξ₀ · (E t² / ρ)^(1/5)
E : energy released
ρ : ambient air density
t : time since detonation
ξ₀ : dimensionless constant (≈1.0-1.15, from the detailed self-similar solution)
// radius grows as t^(2/5) - fast at first, decelerating steadily
// as the same fixed energy is spread over an ever-larger shock shell
R(t) = ξ₀ · (E t² / ρ)^(1/5) E : energy released ρ : ambient air density t : time since detonation ξ₀ : dimensionless constant (≈1.0-1.15, from the detailed self-similar solution) // radius grows as t^(2/5) - fast at first, decelerating steadily // as the same fixed energy is spread over an ever-larger shock shell
Overpressure: the quantity that actually does damage
Blast damage to structures and to people is caused not by the shock's velocity but by overpressure - the amount by which local air pressure exceeds normal atmospheric pressure as the shock front and the following blast wind pass a given point. Overpressure is highest right at the shock front and decays with distance from the source; a useful, widely used empirical approximation (Kingery-Bulmash-type curves, or the simpler Sachs-scaled forms) relates peak overpressure to the scaled distance Z = R / E^(1/3), a form that follows from the same dimensional reasoning used in TNT-equivalent scaling.
The Friedlander waveform
At a fixed observer location, overpressure does not simply spike and vanish - it rises almost instantaneously as the shock front arrives, then decays, and characteristically overshoots into a longer, weaker negative phase (below-ambient pressure, a partial vacuum) before returning to ambient. This time history is well modelled by the Friedlander waveform:
P(t) = P₀ · (1 - t/t₀) · e^(-b t/t₀) for 0 ≤ t
P₀ : peak overpressure at shock arrival (t=0 here) t₀ : positive-phase duration b : decay shape parameter // (1 - t/t₀) crosses zero at t=t₀, producing the negative phase // the exponential term sets how sharply the initial peak decays The near-instant rise followed by exponential-ish decay and a negative-phase undershoot is the reason blast injuries and structural damage patterns look different from a simple sustained overpressure: the impulse - the time-integral of overpressure over the positive phase - matters as much as the peak value for how much net momentum a structure or a person's chest wall actually receives.
P(t) = P₀ · (1 - t/t₀) · e^(-b t/t₀) for 0 ≤ t P₀ : peak overpressure at shock arrival (t=0 here) t₀ : positive-phase duration b : decay shape parameter // (1 - t/t₀) crosses zero at t=t₀, producing the negative phase // the exponential term sets how sharply the initial peak decays
Damage thresholds and structural design
Blast-resistant structural engineering works from tabulated overpressure thresholds: roughly 1-2 psi (7-14 kPa) causes window breakage, 3-5 psi begins to damage typical unreinforced masonry and wood-frame structures, and above roughly 10-15 psi even reinforced structures suffer serious damage.
Because peak overpressure falls off steeply with scaled distance (roughly as an inverse-cube-ish power at moderate range, before flattening at very long range), the standoff distance from a potential blast source is by far the single most effective design lever - which is exactly why blast-safety design (vehicle checkpoints, quarry blast zones, industrial explosive storage) leans so heavily on minimum standoff distances rather than trying to armour every nearby structure against a worst-case near-field overpressure.
Często zadawane pytania
Dlaczego promień rozprzestrzeniania się wyżu rośnie w sposób kwadratowy do czasu, a nie liniowo?
Zjawisko Sedowa-Taylora pokazuje, że dla silnego wybuchu punktowego promień fali uderzeniowej zależy wyłącznie od energii uwolnionej, gęstości otaczającego powietrza i czasu. Analiza wymiarów ustala jedyną kombinację, która ma jednostki długości R proporcjonalne do (E t² / ρ) w potędze 1/5. Fizycznie, ta sama stała energia rozprzestrzenia się na coraz większą obudowę fali uderzeniowej, więc front nieustannie zwalnia, zamiast poruszać się ze stałą prędkością.
Jakie jest różnice między prędkością fali uderzeniowej a jej nadciśnieniem?
Prędkość fali uderzeniowej opisuje, jak szybko dyscontinuity ciśnienia przesuwa się przez powietrze; nadciśnienie opisuje, o ile lokalne ciśnienie powietrza w danym punkcie przekracza normalne ciśnienie atmosferyczne podczas przechodzenia tej fali i następnego wiatru wybuchowego. Uszkodzenia strukturalne i obrażenia ciała korelują z nadciśnieniem i jego zintegrowanym impulsem w czasie, a nie bezpośrednio z prędkością, z jaką porusza się front fali uderzeniowej.
Dlaczego nadciśnienie chwilowo staje się ujemne po początkowym szczycie?
Faza Friedlandera oddaje rzeczywiste zjawisko fizyczne: po ostrym, pozytywnym szczycie nadciśnienia przy dotarciu fali uderzeniowej, zaburzające powietrze odbija się i przekracza do dłuższej, słabszej fazy ujemnego ciśnienia poniżej wartości atmosferycznych przed powrotem do normy. Ta faza ujemna jest zwykle dłuższego trwania, ale znacznie mniejszego szczytowego natężenia niż początkowy szczyt pozytywny.
Wypróbuj na żywo
Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Blast Wave Overpressure i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.
▶ Otwórz symulację Blast Wave Overpressure