Реферат: «Направленный взрыв.»

Московская городская педагогическая гимназия лаборатория №1505.


Реферат по физике на тему


«Направленный взрыв.»


Подготовил: Алявдин Роман 9 «А»;

Руководитель: Ветюков Дмитрий Алексеевич;


Москва 2009 год

Введение 3

Введение
Целью нашего реферата было изучение получение Направленного взрыва и его использование в мирных целях.

Для этого мы сначала рассмотрим понятие взрыва как такового, затем понятие ударных волн, затем процесс детонации, в котором химическая реакция во взрывающихся веществах идет под действием распространяющейся в взрывчатом веществе ударной волны; затем мы рассмотрим явление направленного взрыва, как следствия распространения детонационной волны и в заключение рассмотрим области, в которых применяется направленный взрыв.


Взрыв это невообразимая разрушительная сила, которая может стать созидательной, если к понятию "взрыв" человечество добавит слово "мирный".

Для того чтобы использовать эту страшную силу, которую имеет взрыв, необходимо его контролировать. Контролируемый взрыв, при котором окружающая среда перемещается в заданном направлении – называется «направленный взрыв».

С целью изучения направленного взрыва в работе будут разобраны явления, происходящие при взрыве, а именно ударная волна и детонация.

Трудно представить себе человека, который не мог бы ответить на вопрос, что такое взрыв. Взрыв можно увидеть на экранах телевизоров, в кинофильмах о войне, на суше, на море и в воздухе. Обычно запоминается яркий огонь, бурно клубящийся дым, хаотически летящие в воздухе комья земли.

Если у пятилетнего малыша спросить: "Что такое взрыв?", он скажет: "Это когда громкий БУМ". Действительно, резкий звук - неотъемлемый атрибут любого взрыва. Этот звук происходит из-за резкого скачка давления вызываемого ударной волной.

В наше время взрыв больше всего ассоциируется с военными действиями и гибелью людей, но я хотел бы рассмотреть не менее важное применение направленного взрыва, а именно в мирных целях.


В конце войны в газетах появилось сообщение о нашем летчике, которому во время воздушного боя пришлось прыгнуть с горящего самолета. Парашют не раскрылся, и летчик должен был бы неминуемо погибнуть, но в последние секунды на земле как раз под ним взорвалась авиационная бомба. Взрывная волна оказалась, говоря словами заметки, отличным амортизатором, затормозившим падение, и обреченный на гибель благополучно приземлился.

Что же нужно, чтобы в достаточной мере понять явление взрыва?

Во взрывной технике существуют специальные инструкции, наставления и другие документы, без изучения которых нельзя не только вести взрывные работы, но даже иметь какое-либо соприкосновение со взрывчатыми веществами и устройствами для их взрывания.

Для глубокого понимания официальных документов необходима серьезная подготовка, так как в настоящее время невозможно решить ни одной технической задачи без понимания физической сущности тех явлений, которые при этом используются и без количественного расчета, который может строиться только на основе объективных законов природы и в первую очередь на основе законов физики.

Итак, ответ на вопрос, что такое взрыв, необходимо давать, исходя из тех законов физики, которые определяют возникновение, развитие и действие взрыва.

Впервые определение взрыва в России дал М.В. Ломоносов ("О природе и рождении селитры", 1748 год): "Взрыв - это очень быстрое выделение большого количества энергии и большого объема газов".


^ Глава 1 Взрыв


§ 1 Десять веков в глубь истории

Еще в первые века нашей эры в таких развитых странах, как Византия, люди заметили, что многие вещества могут интенсивно гореть. При этом горение может происходить обычно только в воздухе. Если бросить горящее тело в воду, горение прекращается.

Однако это происходит не всегда.

Если горящее тело имеет щели, отверстия или иные полости, заполненные селитрой, то оно продолжает гореть и под водой. Это происходит потому, что кислород, необходимый для горения, выделяется в большом количестве при нагревании селитры. На этом принципе византийцы получали горючее для так называемого греческого огня, с помощью которого они боролись с кораблями противника. В многочисленных боях у берегов и в открытом море византийцы причинили много неприятностей кораблям противников своим не гаснущим в воде огнем.

Дальнейшее развитие не гаснущего в воде горючего привело к тому, что горючее вещество и вещество, поддерживающее горение выделяющимся при горении кислородом, стали размалывать все мельче и мельче и тщательно смешивать друг с другом. Это привело к ускорению реакции горения, что является одной из характерных особенностей взрыва.

§ 2 Сведения о порохе

Если же в сосуде, где находится порох, имеется достаточно большое отверстие, то порох горит сравнительно долго, а образующиеся при горении пороховые газы вырываются из отверстия в виде мощной струи. Такой сосуд с горящим порохом является простейшим вариантом реактивного двигателя. Он начинает стремительно двигаться в сторону, противоположную направлению струи пороховых газов.

Это явление было замечено уже в X веке нашей эры создателями первых пороховых ракет.

Разными путями проникали в XIV веке в Европу и Россию сведения о порохе. Историческая обстановка средневековья не располагала к быстрому развитию техники. Поэтому в течение нескольких столетий порох применялся только для военных целей, притом нередко со значительным искусством. Техника взрывного дела уже в то время позволяла достаточно точно определить вес заряда для разрушения крупных зданий, обеспечить взрыв заряда (произвести инициирование его) в заданный момент времени.

В этом отношении выдающихся успехов достигли русские артиллеристы в XVI веке. При осаде Казани в 1552 году войска Ивана Грозного подкопали одну из наиболее крупных башен Казанского Кремля и в подземную камеру заложили заряд черного пороха массой примерно в одну тонну. Этот заряд был подорван с помощью фитиля. При этом был обеспечен довольно точный расчет момента взрыва.

§ 3 Развитие взрывного дела

Развитие взрывного дела имело преимущественно практическое направление. В XVII веке в Венгрии и Германии стали применять порох в шахтах для дробления крепких скальных пород. Еще раньше - в 1548-1572 годах - в Литве (входившей в то время в состав Польши) были проведены большие по тому времени работы по разрушению крупных камней, мешавших судоходству на реке Немане. Здесь было проявлено большое искусство при проведении взрывов под водой (черный порох должен быть совершенно сухим для получения полноценного взрыва).

Дальнейшее развитие пороховая промышленность получила в России во время царствования Петра I. К этому времени относится создание первых приборов, предназначенных для определения удельной энергии взрыва черного пороха. Образцы таких приборов, изготовленных из золоченой бронзы, находятся в ленинградском Эрмитаже. Они настолько хорошо сохранились, что могут быть и сейчас применены для экспериментов.

Сущность устройства этих приборов состоит в следующем. Определенное количество пороха помещается внутри небольшой мортирки, в которую плотно входит снаряд-поршенек. Порох поджигается через очень узкое отверстие в стенке цилиндрика. Этот цилиндрик удерживается в момент наибольшего подъема. Это дает возможность определить высоту подъема цилиндрика. Умножая массу снаряда-цилиндрика на высоту его подскока при взрыве и деля это произведение на массу пороха, заложенного в мортирку, можно получить достаточно точно значение удельной энергии взрыва пороха.


§ 4 Разработка теории взрывчатых веществ

В XVIII веке уровень артиллерийской и взрывной науки в России был высоким. В эти годы в Россию приехал молодой швейцарец Леонард Эйлер, впоследствии ставший всемирно известным академиком. Он подтвердил, что своими успехами и знаниями многим обязан тем опытам в области артиллерии, которые он проводил, приехав в Россию в молодости.

Сохранились сведения, что были проведены испытания способа тушения пожара взрывом (одно из первых применений Направленного взрыва). В присутствии царя и всего царского двора. Были одновременно подожжены две избы, одна из которых имела ниже описанную защиту от пожара, а другая — нет. В результате незащищенная изба сгорела, а в защищенной пожар потух.

При возникновении пожара огонь попадал на один из шнуров и достигал по нему порохового заряда. Заряд взрывался и с большой силой разбрасывал воду по всему помещению, в результате чего пожар прекращался.

Дальнейшее развитие взрывного дела в течение этого столетия имело преимущественно практическое направление, причем главным достижением этого времени было создание многочисленных новых взрывчатых веществ, весьма мощных, со значительной удельной энергией взрыва.

Далее теория взрыва стала развиваться только во второй половине XIX века. В это время немецкий ученый Риман ввел понятие об ударных волнах, имеющих в теории взрыва решающее значение. Французский ученый Гюгонио разработал теорию связи давления и объема в газах при быстром изменении их состояния.


§ 5 Возбуждение взрыва

Многие взрывчатые вещества взрываются только при определенных и достаточно сильных воздействиях. Если такого воздействия нет, можно усомниться, действительно ли является это вещество взрывчатым или нет.

Вот, например, шашки тротила. Тротил прессуется в виде небольших цилиндриков и кирпичиков, внешний вид которых ничем не напоминает о том, какая огромная разрушительная сила таится в них. Случалось, что печь растапливали тротиловыми шашками и шашки спокойно сгорали, не производя никаких разрушений и давая такое количество теплоты, которое заметно превышало энергию взрыва.

Это объясняется постепенной отдачей энергии при горении в противоположность очень быстрому выделению энергии при взрыве.

Но такое использование тротиловых шашек может привести и к роковым последствиям. Если газы при расширении встретят препятствие (горящая шашка тротила окажется прижатой к какой-либо преграде), давление и температура станут быстро расти и горение может перейти в сильный взрыв.

Следовательно, взрыв возникает только при каком-либо определенном воздействии. В чем же состоит такое воздействие и как его обеспечить?

Чтобы вызвать взрыв какого-либо заряда, т.е. произвести инициирование взрыва химического взрывчатого вещества, необходимо вызвать реакцию взрывного разложения сначала в небольшой части этого заряда.


§ 6 Удельная энергия взрывчатого вещества

Дело в том, что некоторые современные взрывчатые вещества отличаются не только значительной энергией взрыва, но и способностью выделять ее в течение очень небольшого промежутка времени. При этом возникает очень большое давление во взрывных газах: оно может доходить до 100 тысяч атмосфер и более. Такое давление во много раз превосходит пределы прочности самых прочных металлов. Под действием такого давления любой материал переходит в текучее состояние и испытывает значительные деформации даже при очень кратковременном действии его. А это значит, что создать прибор, который мог быть применен для определения энергии взрыва и не выходил бы из строя при первом же применении, невозможно.

Однако можно поставить задачу иначе, если деформации материала рассматривать как средство измерения силы взрыва. Именно этот способ и применяется в современных условиях.

Заряд определенной массы помещают в массивный свинцовый сосуд стандартной формы и, закрыв его достаточно плотной и массивной пробкой (забойкой) из песка, производят взрыв. При взрыве свинцовый сосуд деформируется и его внутренний объем увеличивается. Это увеличение легко измерить, заполняя сосуд водой до и после взрыва.


§ 7 Сила взрыва рождается в мире молекул

В Советском Союзе вопросы теории взрыва разрабатывали Я.Б. Зельдович, А.С. Компанеец, М.А. Лаврентьев, К.П. Станюкович, М.А. Садовский, А.И. Седов, А.А. Черниговский, Ф.А. Баум и многие другие ученые.

В настоящее время появился ряд оригинальных теоретических и экспериментальных работ, касающихся взрыва. Учеными освоены способы проведения очень крупных взрывов на выброс.

Одним из крупных взрывов, осуществленных в Канаде, является взрыв скалы Рипл-Рок на Тихоокеанском побережье. Масса заряда была при этом равна 1200 т.

Самым крупным взрывом времён социализма является взрыв на выброс, проведенный под руководством советских ученых в Китае в районе Ланьчжоу в 1956 году, при котором масса заряда составила 9200 т. Теория расчета принадлежит в этом случае Г.И. Покровскому, а общее руководство взрывом - М.М. Докучаеву.

Взрыв представляет собой выделение того или иного количества энергии. Чем больше выделяется энергии, тем сильнее взрыв. Взрывчатые вещества хранят в своих молекулах запасы энергии, которые при определенных условиях вырываются наружу. Способность производить работу при взрыве можно применить для оценки того, какой запас энергии был скрыт внутри взрывчатого вещества. Количество такой энергии, находящейся в каждом килограмме взрывчатого вещества, является очень важным показателем как для практических выводов, так и для теоретических расчетов. Такая энергия называется удельной энергией взрывчатого вещества.


Что означает "очень быстрое" выделение энергии? (Быстрота - понятие относительное.) Суть этого заключается в том, что выделение энергии при взрыве является более быстрым, чем другие формы выделения энергии в сходных условиях (например, при горении). Чтобы выделившаяся энергия могла осуществить механическое действие, нужно рабочее тело, то есть вещество, которое могло бы передать достаточно большое давление окружающей среде. Этим рабочим телом являются газообразные продукты взрыва, которые, будучи вначале сильно нагретыми и сжатыми, расширяются и производят механическую работу.

Что же такое ударная волна? Было время, когда ею интересовались лишь немногие — военные и вообще те специалисты, которым приходится иметь дело со взрывами. Далеко не все физики имели об ударных волнах ясное представление.


^ Глава 2 Ударные волны.

Ударные волны. возникают при взрывах, при сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д.

§ 8 Определение ударной волны.

^ Ударная волна — скачок уплотнения, распространяющийся в среде со сверхзвуковой скоростью.

Например, при взрыве взрывчатых веществ образуются сильно нагретые продукты взрыва, обладающие большой плотностью и находящиеся под высоким давлением. Вначале они окружены покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причём в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определённом объёме; вне этого объёма воздух остаётся в невозмущённом состоянии. С течением времени объём сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущённого, и представляет собой ударную волну (или, как говорят, — фронт ударной волны).

Резкий звук - неотъемлемый атрибут любого взрыва. Этот звук происходит из-за резкого скачка давления вызываемого ударной волной.


§ 9 Звуковые волны.

Звук представляет собой движение молекул воздуха вызываемое колеблющимся физическим телом (например, струной гитары, камертоном или мембраной громкоговорителя). Воздушная среда необходима для распространения звука в пространстве; её возвратно - поступательные движения во время колебаний сопровождаются последовательными волнами сжатия и разрежения воздуха, которые не распространяются в вакууме, в котором, стало быть всегда царит абсолютная тишина.

Сплошная среда — твердая, жидкая или газообразная — способна передавать колебательное движение в виде звуковых волн. Всякое неравномерное, а значит и колебательное, движение обязано каким-нибудь силам: при отсутствии сил тела могут двигаться только прямолинейно и равномерно. Колебания среды вызываются силами упругости в ней. Так, если сжать объем воздуха и предоставить ему расширяться, его упругость приведет в движение окружающий воздух. При этом первоначально сжатый воздух расширится не до первоначального объема, а больше: расширяясь, он приобретет разгон. Работа, первоначально затраченная на сжатие, перейдет в кинетическую энергию движения; последняя, в свою очередь, будет затрачена на работу сжатия окружающей воздушной среды. Но и она не останется сжатой — расширяясь, она тоже превратит произведенную над ней работу в кинетическую энергию и сожмет новый прилегающий слой воздуха. Так по воздуху побежит звуковая волна.

Известно, что жидкость и газ сопротивляются только изменению объема, но не формы: по отношению к разным перекосам или скручиваниям они никакой упругостью не обладают. Поэтому при распространении звуковой волны в воздухе надо учитывать только расширение и сжатие каждого объема.

В свободном пространстве звуковая волна бежит от источника во все стороны


§ 10 Сверхзвуковые волны.1

Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна примерно 330 м/с. Звук — это относительно малые возмущения плотности воздуха.

Чтобы разобраться в данном явлении, удобно воспользоваться аналогией звуковых волн и волн на поверхности воды. Если бросить камешек в воду, от места падения кругами разбегутся волны. Движение в воздухе вызывает похожие волны, только они невидимы.

Если бросать камешек за камешком в одну и ту же точку в покоящейся воде, расходящиеся круги на поверхности будут концентрическими.

Если вода движется с небольшой скоростью v, картина несколько исказится — центры кругов сместятся, но всё же будут находиться внутри кругов. Когда скорость движения воды увеличится, центры приблизятся к краю кругов.

Рис1.

Наконец, когда скорость движения воды совпадёт со скоростью движения волны, все окружности, образованные волнами, будут соприкасаться в одной точке. Если скорость воды превысит скорость волны, круги на поверхности заполнят область, ограниченную двумя лучами — огибающими этих кругов.

Вне этой области поверхность воды а останется спокойной, волновые возмущения туда не успеют дойти. Наиболее сильно будет возмущена вода вблизи двух огибающих.(рис 1)

Аналогичный процесс происходит и в воздухе.


Возьмём систему отсчёта, в которой движется воздух, а в покое находится тело (например, самолёт).

Если скорость самолёта сравнима со скоростью звука, но не превышает её, то виден бесшумно движущийся самолёт и слышен звук его двигателей. Однако направление, откуда доносится этот звук, слегка отстаёт от самолёта.

Если самолёт летит со сверхзвуковой скоростью, возмущения, создаваемые им, остаются внутри области, называемой конусом Маха. Пока находишься вне этого конуса, кажется, что самолёт движется бесшумно. Когда поверхность конуса Маха достигает ваших ушей, раздаётся резкий неприятный хлопок, и только затем становится слышен шум двигателей самолёта.

Причиной хлопка, очень похожего на шум взрыва, является внезапно возросшее давление. Возмущения, которые создаются движущимся самолётом, как бы скапливаются на поверхности конуса Маха, за счёт чего давление резко увеличивается.

Такое внезапное скачкообразное изменение давления называется ударной волной. Она образуется при движении со сверхзвуковой скоростью и при взрывах.


С изучением сверхзвукового течения связан ряд важных практических проблем, возникающих при создании самолётов, ракет и артиллерийских снарядов со сверхзвуковой скоростью полёта, паровых и газовых турбин, высоконапорных турбокомпрессоров, аэродинамических труб для получения потоков со сверхзвуковой скоростью и др.

Особенности сверхзвукового течения газа имеют ряд качественных отличий от дозвуковых течений. Прежде всего, слабое возмущение в газе распространяется со скоростью звука, влияние слабого изменения давления, вызываемого помещенным в равномерный сверхзвуковой поток источником возмущений (например, телом), не может распространяться вверх по потоку, а сносится вниз по потоку со скоростью v > а, оставаясь внутри т. н. конуса (рис 2) возмущений COD . В свою очередь, на данную точку О потока могут оказывать влияние слабые возмущения, идущие только от источников, расположенных внутри конуса АОВ с вершиной в данной точке и с тем же углом при вершине, что и у конуса возмущений, но обращенного противоположно ему. Если установившийся поток газа неоднороден, то области возмущений и области влияния ограничены не прямыми круглыми конусами, а коноидами — конусовидными криволинейными поверхностями с вершиной в данной точке.

Рис2.

Сверхзвуковое течение - течение газа, при котором в рассматриваемой области скорости v его частиц больше местных значений скорости звука a.

Именно сверхзвуковое течение газа создает ударную волну.

Таким образом, течение газов, или движение тел, со сверхзвуковой скоростью порождает мощную ударную волну, которая распространяется в окружающем пространстве со скоростью выше скорости звука в данной среде.

Ударная волна распространяется по невозмущённому веществу со сверхзвуковой скоростью u0> a0 (где a0 — скорость звука в невозмущённом веществе) тем большей, чем больше интенсивность ударной волны, то есть чем больше (p1 — p0)/ p0. При стремлении интенсивности ударной волны к 0 скорость её распространения стремится к a0. Скорость ударной волны относительно сжатого газа, находящегося за ней, является дозвуковой: u1< a1 (a1— скорость звука в сжатом газе за Ударной волной).

При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха.

Число́ Ма́ха представляет собой отношение скорости течения волны к местной скорости распространения звука в движущейся среде - названо по имени австрийского ученого Эрнста Маха.

Число Маха: M=v/a, где v— скорость течения волны, а a— скорость звука

При прохождении газа через ударную волну его параметры меняются очень резко и в очень узкой области. Можно с большой точностью заменить фронт ударной волны - поверхностью разрыва, считая, что при прохождении через неё параметры газа изменяются скачком (отсюда название "скачок уплотнения").


§ 11 Скачок уплотнения.2

В свободном пространстве звуковая волна бежит от источника во все стороны; нам для дальнейших рассуждений удобнее считать, что звук бежит по трубе: тогда все объемы сжимаются и расширяются подобным друг другу образом.

Что же произойдет, если поршень будет вдвигаться и тем самым сжимать газ в трубе?.





Рис. 3.


Пусть поршень начинает вдвигаться очень медленно. Тогда передняя граница сжатого газа побежит со скоростью звука по газу несжатому. Постепенно поршень будет ускоряться. Образуется волна сжатия, в которой воздух адиабатически нагрет и движется вправо (рис. 3). Поэтому возмущение из волны сжатия непременно нагонит ее переднюю границу: в нагретом воздухе скорость звука больше, и, кроме того, она складывается со скоростью течения. Следовательно, передняя граница волны сжатия непременно «узнает» о том, что поршень движется ускоренно, сжимая газ.

Можно нарисовать профиль волны сжатия, то естьраспределение давления в ней в зависимости от координаты (рис. 4а). Допустим, что на этот профиль накладывается небольшой «выступ» давления а. Он не может остаться на месте даже относительно того объема газа, в котором возник, а как всякое сжатие газа побежит по нему со скоростью звука, переменной на профиле, от точки к точке. Но любую точку, например, б, можно рассматривать как небольшой выступ над хордой, обозначенной пунктиром. Итак, каждое сжатие газа распространяется по нему с местной скоростью звука, причем на профиле, изображенном на рис. 4а, большее давление догонит и даже, казалось бы, перегонит меньшее. Но если бы так случилось, профиль, изображенный на рис. 4а, перестроился бы в профиль, соответствующий рис. 4б, который отвечает физически абсурдной ситуации, когда в одной и той же точке, например, А, давление газа имеет на профиле два или даже три значения (р, и рг на рис. 4б, р,, рг и рг на рис. 4в). Очевидно, что на самом деле так получиться не может, а осуществится нечто совсем иное.



Рис. 4б. Рис. 4в.

Прежде, чем рассмотреть, что произойдет в газе, полезно обратиться к другому, очень сходному случаю волнового движения — морскому прибою. Оказывается, что законы распространения волн по поверхности воды в неглубоком водоеме очень похожи на законы распространения волн сжатия в газе. Одни волны, как говорят, моделируют другие. Все, вероятно, знают, что электрический колебательный контур из емкости и самоиндукции моделирует колебания груза, подвешенного на пружине. Роль упругого звена играет емкость, роль массы — самоиндукция. Несмотря на совершенно разную физическую природу явлений, они подчиняются закономерностям одинакового вида. Это и есть моделирование.

Не всякое волновое движение в жидкости моделирует волны сжатия в газе. Например, мелкая рябь на поверхности имеет другой закон распространения. Аналогия возникает только тогда, когда длина волны сравнима с глубиной водоема. Тогда высота уровня воды в данной точке есть величина, аналогичная давлению в газе. Профилю давления в газе отвечает зримый профиль волны в воде.

Рассмотрим, как возникают в прибое волны, похожие по профилю на изображенные на рис. 46. Если волны набегают на отлогий берег, их гребни имеют большую скорость, чем впадины. Легко убедиться, что это должно быть так: под гребнями местная глубина больше, чем под впадинами. Но скорость волн может зависеть только от двух величин: глубины и ускорения силы тяжести. А из них можно построить только одну величину, имеющую размерность скорости: корень квадратный из глубины, умноженной на это ускорение. Ту же форму имеет выражение скорости падения тела с заданной высоты. Но если гребни бегут быстрее впадин, они должны выбегать вперед, так что волны сперва приобретают вертикальный участок переднего фронта, который затем наклоняется, как на рис. 46, в. Имея такую форму, волны бежать не могут и обрушиваются в виде прибоя.





Рис. 5а. Рис. 5б.

Проследим теперь, как будет изменяться профиль волны сжатия в газе. Прежде чем возникнет физически невозможное перехлестывание, в некоторой точке профиля должен образоваться очень маленький вертикальный участок (рис. 5а, б). В зависимости от закона движения поршня этот вертикальный участок может получиться как в передней точке волны сжатия, так и в ее середине. Давление с левой стороны от этого участка будет продолжать повышаться за счет сигналов, приходящих со стороны поршня. Но как бы оно ни повышалось, вертикальная касательная аб к профилю не наклонится вправо, чтобы не дать начало невозможному профилю, изображенному на рис. 46.

Следовательно, единственный выход состоит в том, что из вертикальной касательной разовьется разрыв давления (рис. 6а, б).

Место разрыва можно рассматривать как участок кривой со сколь угодно большим наклоном, так что неоднозначности давления не возникает.

Мы начали рассуждения, предполагая, что все величины в волне сжатия изменяются непрерывно, так же, как и в волне разрежения. Но оказалось, что в волне сжатия неминуемо должен наступить такой момент, когда




движение больше не сможет остаться непрерывным. Однако, перемещением поршня в принципе можно располагать по произволу, так что газ должен найти какой-нибудь естественный выход. Единственное возможное предположение состоит в том, что в газе возникнет скачок.

Такого рода скачок называется ударной волной. К выводу о необходимости образования ударной волны из волны сжатия газовая динамика пришла не из качественных рассуждений, а из строгих уравнений. Но те, кто пришел к этому выводу впервые, сами в него не поверили, исходя из метафизического предрассудка, что «природа не делает скачков». Вероятно, в основе этого ложного принципа лежит допущение, что скачок — это нечто беззаконное, нарушающее естественный ход вещей. На самом деле, однако, ударная волна управляется такими же строгими закономерностями, как и гладкое, непрерывное течение газа. Она возникает, развивается и распространяется в таком же согласии с механикой и общими свойствами газа, как и звуковая волна.


§ 12 Действие ударных волн

Поражающее действие взрыва обязано ударным волнам. Если волна достаточно велика по размерам, как это бывает при ядерных взрывах, то при избыточном давлении всего 0,35 атмосферы рушатся здания. При нескольких сотых атмосферы вылетают оконные рамы. Не причиняют заметных повреждений только волны со скачком давления в несколько тысячных атмосферы.

Действие ударной волны на человека зависит от условий, в которых он находится относительно волны.

Во введении мы упоминали о летчике, которого поддержала ударная волна во время падения. Человек, летящий с большой высоты, достигает из-за сопротивления воздуха предельной скорости около 60 м/сек. Следовательно, такой должна была оказаться наименьшая встречная скорость воздуха в ударной волне. Этому соответствует давление менее пол-атмосферы, обычно не смертельное, согласно приведенной только что оценке. Стоящего на земле человека, возможно, убивает не сама волна, а причиняемый ею бросок. Скорость воздуха в волне с амплитудой давления в одну атмосферу равна 170 м/сек. Ясно, что если она сообщит человеку скорость порядка нескольких десятков м/сек, при ударе о землю он вряд ли выживет.

Для целей защиты от ударных волн очень важно уметь рассчитывать их силу заранее.

Сильные волны, возникающие на близких расстояниях от ядерных взрывов. Защититься от них можно, только уйдя очень глубоко под землю. Но их свойства очень важны для дальнейшего развития взрыва и потому интересны сами по себе, безотносительно к защите. Они накаляют воздух, давая начало обжигающему тепловому излучению. Дальше мы увидим, что ударная волна сказывается на распространении гамма-лучей и нейтронов, увеличивая их поражающее действие. Наконец, из сильных волн рождаются сравнительно слабые, которые уходят на большие расстояния. По разрушительному действию они при этом отнюдь не являются слабыми, как мы только что видели. Зато и защита от этих «слабых» волн не безнадежна.

Условимся называть волну сильной, когда давление и плотность энергии в ней гораздо больше, чем были в невозмущенном воздухе. Такова, например, волна с давлением сто атмосфер в воздухе.


§ 13 Свойства ударной волны

В сильной ударной волне имеет место как раз обратное: температура подскакивает во много раз на одном пробеге. Поэтому термин «теплопроводность» неточно отражает весьма сложный необратимый процесс, происходящий внутри скачка.

При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха.

Чем выше температура за фронтом, тем больше поток излучения с поверхности скачка и тем выше температура газа перед скачком.

Нагретый газ перед скачком не пропускает видимый свет, идущий из-за фронта У. в., экранируя фронт. Поэтому яркостная температура У. в. не всегда совпадает с истинной температурой за фронтом.

У. в. в реальных газах. В реальном газе при высоких температурах происходят возбуждение молекулярных колебаний, диссоциация молекул, химические реакции, ионизация и т.д., что связано с затратами энергии и изменением числа частиц. При этом внутренняя энергия e сложным образом зависит от р и r.

В скачке уплотнения нагреваются не только тяжёлые частицы, но и электроны, а обмен энергии между ионами и электронами происходит медленно вследствие большого различия их масс.

У. В. в твёрдых телах. Энергия и давление в твёрдых телах имеют двоякую природу: они связаны с тепловым движением и с взаимодействием частиц (тепловые и упругие составляющие). Теория между частичных сил не может дать общей зависимости упругих составляющих давления и энергии от плотности в широком диапазоне для разных веществ и, следовательно, теоретически нельзя построить функцию e(р /r). Поэтому ударные адиабаты для твёрдых (и жидких) тел определяются из опыта или полуэмпирически.


Глава 3 Детона́ция.


Детона́ция (нормальная) — сверхзвуковой стационарный комплекс, состоящий из ударной волны и экзотермической химической реакции за ней.

Принципиальная возможность явления детонации следует из того, что при прохождении через фронт всякой ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильна, то это нагревание может поджечь горючую смесь, что и приводит к детонации. Возникающая при этом поверхность нормального разрыва называется детонационной волной.


§ 14 Скорость волны детонации

Чтобы выразить в определенных числах особенности процесса детонации, необходимо учесть, что распространение волны детонации зависит, во-первых, от того, в какой мере изменяется давление при расширении взрывных газов, и, во-вторых, от удельной энергии детонирующего взрывчатого вещества.

Изменение давления взрывных газов при изменении их объема выражается так называемым законом состояния. Этот закон в наиболее простой, хотя и несколько приближенной форме, был предложен в 1944 году советскими учеными Л.Д. Ландау и К.П. Станюковичем.

Величина к характеризует степень жесткости взрывных газов. Чем больше эта величина, тем сильнее сопротивляется газ сжатию, тем быстрее растет его давление при уменьшении объема. Для газов, сжимаемых сравнительно медленно при небольших давлениях, можно принять, что к = 1. Тогда давление оказывается обратно пропорциональным объему газа. Это не что иное, как общеизвестный закон Бойля—Мариотта. При очень быстром сжатии взрывных газов, имеющих высокое давление, их сопротивление уменьшению объема оказывается весьма значительным. В соответствии с этим величина к возрастает. Л.Д. Ландау и К.П. Станюкович, исходя из теоретических соображений, установили, что приближенно для всех химических взрывчатых веществ к = 3.

Это значит, что при изменении объема в 2 раза давление изменяется в 8 раз.

§ 15 Скорость расширения газов

Чтобы обеспечить сильное нагревание выделившихся при взрыве газов и создать в них высокое давление, необходимо, чтобы энергия выделилась либо в этих газах, либо была передана им до того, пока еще не произошло заметных потерь энергии и заметного увеличения их объема. Это значит, что процесс выделения или передачи энергии должен распространяться со скоростью, заметно превосходящей скорость расширения взрывных газов.

Обычно при взрыве начальная скорость расширения газов достигает около одного километра в секунду. Скорость распространения процесса взрыва, называемого детонацией, у взрывчатых веществ несколько больше и находится в пределах от двух до восьми километров в секунду.

При взрыве какого-либо взрывчатого вещества, например тротила, происходит его преобразование в раскаленные взрывные газы, имеющие высокое давление. При этом энергия выделяется первоначально в виде теплоты, заключенной в сильно сжатых газах.


§ 17 Гидродинамическая теория детонации

Это возможно потому, что определяющее значение при взрыве имеет волна детонации, распространяющаяся через заряд. Эта волна движется во взрывчатом веществе так, как если бы это вещество было сжимаемой жидкостью. Поэтому в основе теории взрыва всех взрывчатых веществ лежит гидродинамическая теория детонации.

Исходным условием