Расчёт скорости ударной волны. Скорость распространения ударной волны Скорость распространения ударной волны в воде равна
УДАРНАЯ ВОЛНА
- движущаяся
по веществу поверхность разрыва непрерывности скорости течения, давления,
и др. величин. У. в. возникают при взрывах, детонации, при сверхзвуковых движениях
тел (см. Сверхзвуковое течение
), при мощных электрич. разрядах
и т. д. Напр., при
воздушном взрыве взрывчатых веществ (BB) образуются
высоконагретые продукты, находящиеся под большим давлением. Продукты взрыва
под действием давления расширяются, приводя в движение и сжимая сначала ближайшие,
а затем всё более далёкие слои воздуха. Поверхность, к-рая отделяет сжатый воздух
от невозмущённого, представляет собой У. в.
Простейший пример возникновения
и распространения У. в.- сжатие газа в трубе поршнем. Если первоначально покоившийся
поршень мгновенно приходит в движение с пост. скоростью и
, то сразу же
непосредственно перед ним возникает У. в. Скорость её распространения D
по
невозмущённому газу постоянна и больше и
. Поэтому расстояние между поршнем
и У. в. увеличивается пропорц. времени движения. Скорость газа за У. в. совпадает
со скоростью поршня (рис. 1). Если поршень разгоняется до скорости и
постепенно,
то У. в. образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывным распределением
плотности и давления. С течением времени крутизна волны сжатия нарастает, т.
к. возмущения от ускоряемого поршня догоняют её и усиливают, приводя в итоге
к разрыву непрерывности всех гидродинамич. величин и к образованию У. в. (см.
базовая динамика)
.
Рис. 1. Распределения
плотности r в последовательные
моменты
времени t
= 0, t
1 , t
2 в
ударной волне, возбужда
емой
поршнем, движущимся с постоянной скоростью и
(D
-скорость
ударной волны; D>u)
.
Существуют п р я м ы е
У. в., в к-рые вещество втекает по нормали к поверхности, и к о с ы е У. в.
Последние возникают, напр., при сверхзвуковом движении тел - ракет, спускаемых
космич. аппаратов, снарядов и др., когда перед телом движется У. в. Геометрия
У. в. зависит от формы тела и от др. параметров. Поэтому в системе координат,
где У. в. покоится, газ втекает в каждый элемент её поверхности под своим углом.
Если этот угол не прямой, то элемент поверхности представляет собой косую У.
в. На косой У. в. претерпевает разрыв нормальная составляющая скорости вещества,
но тангенциальная составляющая непрерывна. Следовательно, на косой У. в. линии
тока преломляются (о косых У. в. см. Уплотнения скачок
).Путём перехода
к новой системе координат, движущейся параллельно поверхности разрыва, косую
У. в. всегда можно свести к прямой. Поэтому первостепенный интерес представляют
прямые У. в., и далее речь идёт только о них.
Законы ударного сжатия
. Состояния вещества по обе стороны У. в.: давление р
, плотность r,
скорость течения относительно У. в. u и уд. внутр. энергия e
связаны
т. н. с о о тн о ш е н и я м и Р е н к и н а - Г ю г о н ь о:
к-рые выражают законы сохранения массы, импульса
и энергии. Индексы 1 и 2 относятся соответственно к величинам перед У. в. и
за ней. Кроме того, величины Е, р
исвязаны
уравнением состояния
. Скорость распространения У. в. по невозмущённому
веществу равна
Т. о., при заданных параметрах вещества перед волной Р
1
ишесть
величин:связаны
пятью ур-ниями, т. е. У. в. при заданных
р
1 и r 1
характеризуется всего одним независимым параметром, напр. D
или р
2
, через к-рый могут быть выражены все остальные величины.
Интенсивность У. в. обычно характеризуют относительным
скачком давления
или Маха числом
где a
1 - в веществе перед У. в. Для У. в. малой
и большой интенсивности соответственно
Если
Из системы (1) получаются следующие выражения дляии
для скорости течения и
относительно вещества перед У. в. (скорость газа
в лаб. системе координат на рис. 1):
(где-уд.
объём), а также соотношение
Рис. 8. Распределения
относительной плотности ионов n = N/N
0 , степени ионизации
a, безразмерных электрон
ной
и ионной температур q e = kT e /M A D 2
, q i =kT i /M A D
2
(M А
- масса атома) в ударной волне в воздухе при D
= 58
км/с;
плотность атомов перед ударной волной r 1 =3,5 . 10 15
см -3
.
Измерение яркости У. в.
позволяет судить о темп-ре T
2 . При T 2
10000
К прогретый слой воздуха частично экранирует видимое излучение газа, идущее
из-за У. в., к-рое в холодном воздухе распространялось бы практически без поглощения.
Эффект экранировки не позволяет регистрировать очень высокие значения T
2 . В воздухе нормальной плотности яркостная темп-pa никогда не превышает 50000
К, сколь бы велика не была темп-pa T
2 .
Экспериментальные (в осн.
в опытах с ударными трубами) и теоретич. исследования излучения У. в. имеют
большое практич. значение в связи с проблемами защиты сверхзвуковых летательных
аппаратов от радиац. перегрева, создания мощных импульсных источников эл--магн.
излучения и др.
Магнитогидродинамические
У. в
. распространяются в электропроводящем (ионизованном) газе в присутствии
внеш. магн. поля. Их теория строится на основе ур-ний магнитной гидродинамики
. Соотношения типа (1) с учётом магн. сил дополняются условиями, к-рым подчиняются
электрич. и магн. поля на границе двух сред. Магн. эффекты проявляются тем сильнее,
чем больше отношение магн. давления H 2 /
8p к давлению
газа, где H
-напряжённость магн. поля. Благодаря дополнит. параметрам
и переменным, характеризующим величину и направление магн. поля по обе стороны
разрыва, магнитогидродинамич. У. в. отличаются большим разнообразием свойств
по сравнению с обычными У. в.
Бесстолкновительные
У. в
. В чрезвычайно разреженной плазме (лабораторной, космической), где
частицы практически не сталкиваются между собой, также возможны У. в. При этом
ширина У. в. оказывается гораздо меньше длин пробега частиц. Механизм диссипации,
приводящей к превращению части кинетич. энергии направленного движения невозмущённого
газа (в системе координат, движущейся вместе с У. в.) в энергию теплового движения,
связан с коллективными взаимодействиями в плазме и возбуждением плазменных колебаний.
В присутствии магн. поля в бесстолкновительных ударных волнах
существенны
также эффекты закручивания ионов и индуцирования электрич. полей при вытеснении
магн. поля движущейся плазмой. Масштабом ширины бесстолкновительных У. в. служит
величина с/
w р
, где с
- скорость света, w p
= =(4
pе
2 п е /т
) 1/2 -
плазменная частота.
У. в. в газовзвесях
. При распространении У. в. по газу с малой объёмной концентрацией пыли в
СУ ускоряется, сжимается и нагревается только газовая компонента, т. к. макроскопич.
частицы пыли очень редко сталкиваются между собой, а при взаимодействии с газом
их скорость и темп-pa изменяются сравнительно медленно, и за СУ в релаксац.
зоне происходит постепенное выравнивание скоростей течения и темп-р компонент.
При этом относительная массовая концентрация пыли проходит через максимум, т.
к. в СУ она была понижена, а в среднем по всему объёму должна быть такой же,
как перед У. в. Часто пыль бывает горючей (в угольных шахтах, на мельницах,
элеваторах и т. д.). Изучение условий возгорания пыли в У. в. с возможным переходом
горения в детонацию - одна из важных научных и прикладных проблем.
У. в. в конденсированных
средах
. В конденсированных средах (твёрдых телах и жидкостях) в У. в., получаемых, в лаб. условиях, достижим чрезвычайно широкий диапазон давлений. При детонации
конденсированных BB возникают и затем переходят в контактирующее с BB исследуемое
вещество - твёрдое тело или жидкость - У. в. с давлением до неск. сотен кбар.
С помощью кумулятивных зарядов достигаются давления порядка мегабар. Для получения
У. в. очень большой интенсивности используются также спец. газовые и др. пушки,
к-рыми разгоняются снаряды- пластины, ударяющие затем по преграде из исследуемого
вещества. Благодаря разработанным в 1940-50-х гг. методам получения и диагностики
У. в. стали могучим и во многом незаменимым средством эксперим. исследования
физ--хим. и др. свойств веществ в экстремальных условиях. Особенно широко У.
в. используются для определения ур-ний состояния твёрдых тел и жидкостей при
высоких давлениях и темп-pax, не достижимых в статич. экспериментах. Измерив
две скорости-D
и и
, можно вычислить p
2 и
u 2
по ф-лам
к-рые следуют из (2), и
найти затем e
2 из (3). (Скорость и
измеряется
эл--магн. методом или т. н. методом откола- путём измерения скорости откалывающейся
пластины, образующейся при выходе У. в. на свободную поверхность исследуемого
образца.) Произведя измерения и расчёты при разл. интенсивностях У. в., находят
зависимость р 2
и e
2 от u 2
на УA. Иногда вместо или дополнительно к скорости и
измеряют давление
(пьезодатчиком), плотность (рентген) или темп-ру (в прозрачных веществах). (Применительно
к конденсир. средам такие измерения менее универсальны и обычно технически более
сложны.) В табл. 2 приведены данные для УA свинца:
, 
.
Табл. 2.
* Значения T 2 вычислены по ур-нию состояния .
УА жидкостей и (с
точностью до сравнительно малых отклонений, связанных с изменением характера
деформации при переходе через предел упругости) твёрдых тел при малых степенях
сжатия, 
, мало
отличаются от изоэнтропы и обычно хорошо аппроксимируются ф-лой
где А
и n
-параметры,
определяемые при аппроксимации. Напр., для воды А
3000
атм, n
7-8,
для металлов n
4,
для железа, меди и дюралюминия значения А
соответственно равны 500, 250
и 200 кбар. Более информативные данные об ур-ниях состояния получаются в тех
случаях, когда для одного и того же вещества удаётся измерить не одну, а две
или неск. УА. Для этого нужно изменять параметры нач. состояния вещества.
Это достигается: а) путём отражения У. в. от жёсткой преграды. Отражённая У.
в. распространяется по веществу, сжатому и нагретому в падающей У. в.; б) путём
спец. приготовления вещества в сильно пористом состоянии. Напр., естественным
пористым состоянием воды или льда является рыхлый снег. При ударноволновом сжатии
до одного и того же уд. объёма пористое вещество всегда нагревается сильнее
и давление в нём обычно больше. Поскольку ур-ние состояния определяет связь
между e, p
и V
на плоскости р, V
, а не только на отд. линиях,
таким эмпирич. способом получить ур-ние состояния нельзя. Но можно найти или
существенно уточнить"парамстры аналитич. ур-ния состояния, полученного
к--л. др. приближённым способом. Это особенно важно, поскольку теория ур-ний
состояния кон-денсир. сред базируется на весьма приближённых моделях и её возможности
количественных предсказаний ограниче-ны. Таким полуэмпирич. путём найдены ур-ния
состояния MH. элементов и соединений - металлов, сплавов, минералов, горных
пород, полимеров, воды и др. жидкостей. Данные об ур-нии состояния элементов,
минералов и горных пород, полученные в опытах с У. в., нашли широкое применение
в науке о Земле и др. планетах Солнечной системы и позволили перейти в изучении
внутр. строения планет и их спутников на качественно новую ступень.
Ширина СУ в У. в. большой
интенсивности в конденсир. средах примерно в 1000 раз меньше, чем в газах нормальной
плотности. Столь же сильно сокращается зона коле-бат. релаксации в молекулярных
жидкостях и кристаллах при одинаковой темп-ре T
2 . Плавление
происходит настолько быстро, что в структуре У. в. очень редко удаётся наблюдать
твёрдое тело в метастабильном, перегретом состоянии. Скорость полиморфных превращений
изменяется в чрезвычайно широких пределах в зависимости от механизма перестройки
кристаллич. решётки и от интенсивности У. в. Если новая кристаллич. модификация
может быть получена путём упорядоченного малого смещения атомов, обусловленного
объёмной и сдвиговой деформацией исходной решётки (механизм т. н. мартенситного
типа), то после нек-рого пересжатия (относительно термо-динамич. границы фаз)
превращение идёт очень быстро - за времена порядка 10 -8 с или менее.
Необходимая степень пересжатия зависит от кол-ва и распределения дефектов исходной
решётки (начальных и возникающих в процессе ударноволнового сжатия) и от концентрации
новой фазы. Поэтому диапазон давлений, в к-ром сосуществуют обе кристаллич.
модификации, обычно велик по сравнению с термодинамически равновесным. Быстрая
перестройка решётки наблюдается, напр., в железе и галогени-дах калия. Если
для построения новой кристаллич. решётки нужны сложные перестановки атомов,
осуществимые путём термодиффузии с преодолением огромных активац. барьеров от
неск. эВ до десятков эВ, новая кристаллич. модификация либо не образуется вовсе
(вплоть до таких интенсивностей У. в., при к-рых область её термодинамич. устойчивости
заканчивается и образуется др. кристаллич. фаза более высокого давления или
вещество плавится), либо образование новой кристаллич. модификации происходит
путём термодиффузии в местах сильного неоднородного разогрева исходной решётки
при пластич. течении (т.
н. гетерогенный механизм фазового перехода). При этом остальная масса вещества
находится в метастабильном состоянии. Напр., при распространении У. в. по кварциту
не наблюдается образования более плотной фазы высокого давления - коэсита, а
переход в ещё более плотную модификацию - стишовит (или стишовитоподобную аморфную
фазу) продолжается вплоть до давлений ~400-450 кбар, тогда как в термодинамич.
равновесных условиях образование стишовита в У. в. начиналось и заканчивалось
бы в относительно узком интервале давлений в окрестности точки с давлением ~
100 кбар. Не претерпевший фазового превращения кварцит теряет устойчивость и
аморфизуется при давлениях 230-300 кбар.
Образовавшиеся в У. в.
кристаллич. и аморфные структуры нередко сохраняются сколь угодно долго в метаста-бильных
состояниях после снятия давления. Исходное вещество тоже может быть в метастабильном
состоянии. Такое многообразие возможностей используется для получения в У. в.
известных и новых модификаций веществ с заданными, часто уникальными физико-хим.
и механич. свойствами, напр. техн. алмаза и высокотвёрдой модификации нитрида
бора -боразона. Уникальность свойств ме-тастабильных веществ, получаемых в У.
в., обусловлена тем, что воздействие У. в. на конденсир. вещество не эквивалентно
медленному сжатию и нагреву. Важна кинетика процессов в У. в. и при последующей
разгрузке.
У. в. используются в наукоёмких
технол. процессах упрочнения машиностроительных деталей, резки и сварки металлов,
прессования порошков и др.
Лит.:
1) Ландау
Л. Д., Лифшиц E. M., Гидродинамика, 4 изд., M., 1988; 2) Зельдович Я. Б., Райзер
Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений,
2 изд., M., 1966; 3) Кузнецов H. M., Термодинамические функции и ударные адиабаты
воздуха при высоких температурах, M., 1965; 4) Ступоченко E. В., Лосев С. А.,
Осипов А. И., Релаксационные процессы в ударных волнах, M., 1965; 5) Be-ликовичА.
Л., Либерман M. А., Физика ударных волн в газах и плазме, M., 1987; 6) Арцимович
Л. А., Сагдеев P. 3., Физика плазмы для физиков, M, 1979; 7) Ландау Л. Д.,
Лифшиц E. M., Электродинамика сплошных сред, 2 изд., M., 1982; 8) Кузнецов H.
M., Устойчивость ударных волн, "УФН", 1989, т. 159, в. 3, с. 493;
9) Альтшулер Л. В., Применение ударных волн в физике высоких давлений, "УФН",
1965, т. 85, в. 2, с. 197; 10) Динамические исследования твердых тел при высоких
давлениях, Сб., пер. с англ., M., 1965; 11) Аврорин E. H. [и др.], Мощные
ударные волны и экстремальные состояния вещества, "УФН", 1993, т.
163, № 5, с. 1.
H. M. Кузнецов, Ю. П. Райзер .
При взрыве фугасной бомбы вблизи нее в воздухе образуется область высокого давления, распространяющаяся затем в виде так называемой ударной волны. Свойства и особенности ударных волн представляют большой интерес, так как их действием объясняются многие разрушительные эффекты, сопровождающие взрыв. Ударные волны во многих отношениях отличаются от гораздо более известных звуковых волн. Звуковые волны представляют собой последовательность периодически повторяющихся уплотнений и разрежений среды, распространяющихся со «скоростью звука» с.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Для воздуха при нормальных температуре и давлении, как известно, с = 330 м/сек; для воды с = 1400 м/сек; для стали с = 5000 м/сек.
Если регистрировать в какой-либо точке звуковой волны изменения давления с течением времени, то будет наблюдаться картина, изображенная на рис. 1. По ординате на этом рисунке отложено избыточное давление, т. е. разность между давлением в волне и давлением при отсутствии волны. Величина избыточного давления даже для сильных звуков не превосходит обычно десятой доли атмосферы.
Аналогичные наблюдения в случае ударной волны обнаруживают совершенно другую картину (рис. 2). Ударная волна имеет чрезвычайно резкий и крутой передний фронт. Для наблюдателя, на которого набегает ударная волна, избыточное давление, равное нулю до прихода фронта, затем внезапно достигает максимального значения; дальнейшее изменение давления ясно из рисунка: оно падает и переходит в область пониженных значений В. Максимальное давление в ударной волне может достигать нескольких атмосфер, т. е. нескольких килограммов на квадратный сантиметр. При удалении от источника интенсивность волны быстро убывает (рис. 2). В отличие от случая звуковой волны, это обстоятельство объясняется не только геометрическими причинами - увеличением площади фронта волны по мере того как этот сферический фронт расходится от источника, но и в большой степени поглощением энергии волны. Это поглощение энергии связано с сильным нагреванием газа в области за волновым фронтом. Температура непосредственно за фронтом может достигать многих сотен градусов. Поэтому газ после прохождения волны светится, что может быть зафиксировано на фотопластинке.
Далее, если ударная волна распространяется во взрывчатой смеси, то, при известных условиях, она уже не затухает, так как ее энергия восстанавливается за счет теплоты, выделяемой при сгорании смеси. В этом случае говорят о «детонационной волне», или «взрывной волне».
Скорость распространения фронта ударной волны всегда больше скорости звука в данной среде и может достигать в газе значений в 2000 - 3000 м/сек.
Не останавливаясь подробнее на теории ударных волн, развивавшейся Риманом, Гюгоньо, Жуге и др., перейдем к описанию разрушительных действий, связанных с этими волнами .
Действием ударной волны в воздухе объясняется большинство «малых» эффектов, сопровождающих взрыв. Важнейшим из них является выдавливание оконных стекол. Большинство стекол разлетается при падении на них волны с избыточным давлением, меньшим одной атмосферы. Человек при таком ударе не подвергается опасности. Только давления в несколько (5-6) атмосфер, могущие иметь место вблизи разорвавшейся бомбы, способны принести существенный вред людям. Основное действие волна, проникая в грудную клетку, производит на легкие, которые при этом сильно вдавливаются.
Многие эффекты взрыва, иногда кажущиеся очень странными, объясняются условиями распространения ударных волн вдоль улицы. Подобно другим волнам, ударные волны отражаются от препятствий и, в частности, от стен домов. Поэтому в результате многократных отражений различных типов вдоль улицы бежит волна с известной периодичностью. Вдалеке от места взрыва, где интенсивность волны недостаточна для выдавливания стекол, в силу этой периодичности отдельные стекла все же разлетаются. Именно разбиваются те стекла, собственная частота колебаний которых близка к частоте волны.
За фронтом ударной волны воздух не неподвижен, а имеет некоторую скорость. Связанный с этим движением газа ветер может сбивать людей с ног, сбрасывать легкие предметы и т. п.
Третий вторичный эффект, связанный с распространением ударных волн, наблюдается в узких улицах. Волна, сжатия, распространяясь вдоль улицы, выгоняет из нее воздух. Образующееся таким образом разрежение воздуха на улице вызывает вырывание окон и дверей наружу, причем это действие волны может быть более разрушительным, чем первичный удар волнового фронта.
Весьма интересно поведение ударной волны при огибании различных предметов. Обычные звуковые волны имеют часто длину волны, равную нескольким метрам или даже десяткам метров. Такие длинные волны способны огибать препятствия, и потому позади небольших стен и домов звук, падающий на эти препятствия, слышен. Звуковые волны загибаются вокруг краев препятствий и таким образом не дают резкой звуковой «тени». Короткие звуковые, а в еще большей мере так называемые ультразвуковые волны, напротив, дают «тень» от предметов обычных размеров, так же как и световые волны . Ударная волна не имеет какой-либо определенной длины. Однако можно доказать строго математически, что часть А (рис. 2) ударной волны, в которой имеет место уплотнение воздуха, может быть представлена как результат наложения довольно коротких волн (ширина области сжатия, а следовательно и длина образующих эту область волн - порядка метра и меньше). Часть В волны, в которой имеет место разрежение, характеризуется значительно большими длинами волн. Из сказанного выше следует, что уже за сравнительно небольшие препятствия проникает лишь часть В ударной волны. Действие этой разреженной части ударной волны значительно меньше эффектов, связанных с частью А. Поэтому практически уже небольшие стенки, ямы и т. п. предохраняют от действия ударных волн. В соответствии с этим в Англии перед дверьми убежищ иногда возводится дополнительная стенка.
Выше мы говорили только об ударных волнах, распространяющихся в воздухе. Волны в некотором смысле сходного типа распространяются также в земле и других твердых телах. Их действие во многом подобно имеющему место при землетрясениях.
Для простоты и наглядности вывода соотношений для фронта прямой ударной волны представим себе, что в трубу (рисунок 4.2) площадью поперечного сечения , заполненную сжимаемой средой, с постоянной скоростью вдвигается поршень.
Среду будем считать идеальной, а процесс адиабатным. В момент времени в сечении 0 - 0 поршень мгновенно начал двигаться с постоянной скоростью . При этом от поршня начнет распространяться фронт ударной волны 2 - 2 со скоростью . Среда перед фронтом ударной волны имеет параметры , , , . За фронтом ударной волны (зона 1-1 - 2-2) параметры обозначим , , , .
Для того, чтобы найти связь между параметрами среды до и после фронта ударной волны, воспользуемся законами сохранения массы, импульса и энергии.
За время поршень относительно невозмущенного газа пройдет расстояние , а фронт ударной волны – на расстояние . Масса ударно сжатого газа равна 
; с другой стороны, эта масса до сжатия определяется величиной 
. Приравнивая эти выражения, получим
Рисунок 4.2 – К выводу зависимостей на фронте ударной волны
Поскольку изменение количества движения данной массы равно импульсу действующей на нее силы, то получим:
Составим теперь уравнение сохранения энергии. Для адиабатного процесса изменение полной энергии среды равно произведенной над ней работе. Обозначим внутреннею энергию единицы массы среды через , а кинетическую энергию через /2. Следовательно, полная энергия невозмущенной среды будет равна:
а полная энергия ударно сжатой среды:
Полное изменение энергии среды равно работе внешних сил:
Это уравнение сохранения можно записать в виде:
. (4.11)
Преобразуем выведенное соотношение. Напишем уравнение (4.6) в виде:
. (4.12)
Здесь - удельный объем. Умножив обе части этого уравнения на , получим:
. (4.14)
Вычитая из обеих частей равенства, найдем:
, (4.15)
. (4.16)
. (4.17)
Сравнивая два последних выражения, получим:
Из найденных выражений легко получается скорость распространения ударной волны:
. (4.19)
Если среда перед фронтом покоится, т.е. , то
. (4.20)
Весьма важное значение в теории ударных волн имеет адиабата Гюгонио, устанавливающая связь между параметрами среды до и после прохождения через нее скачка уплотнения. Изобразив эту связь в виде диаграммы в координатах , , мы получим так называемую кривую Гюгонио (рисунок 4.3).
|
|
|
|||
|
|||
Рисунок 4.3 – Адиабата Гюгонио
Используя эту диаграмму, можно в простой и наглядной форме исследовать некоторые особенности ударных волн. Проведём через точку , характеризующую состояние невозмущенной среды, и точку , характеризующую состояние среды, сжатой ударной волны, прямую. Очевидно, что 
, где - угол наклона этой прямой к оси абсцисс. Таким образом, очевидно, что величины и целиком определяются углом наклона .
Для ударных волн всегда > 0, причем < , т.е. среда перемещается в направлении распространения фронта, но с меньшей, чем у фронта скоростью.
4.8 Контрольные вопросы
4.8.1 В чем принципиально заключается отличие физического взрыва от химического?
4.8.2 Классификация взрывчатых веществ.
4.8.3 Как определяется кислородный баланс взрывчатого вещества?
4.8.4 В чем заключается тепловая и нетепловая теории механического воздействия на взрывчатые системы?
4.8.5 В чем различие между электроогневыми и электрическими способами взрывания?
4.8.6 Как устроен детонационный шнур?
4.8.7 Какие величины на адиабате Гюгонио определяется углом наклона α ?
4.8.8 Какие законы используются при выводе скорости ударной волны?
Детонация
Взрыв вызывается ударной волной. Если в каком-либо слое вещества резко повышается давление, то от этого места начинает распространяться фронт повышенного давления. Эта волна приводит к значительному скачку температуры, который передается от слоя к слою. Повышение температуры дает начало взрывной реакции, а взрыв приводит к повышению давления и поддерживает ударную волну, интенсивность которой иначе быстро падала бы по мере ее распространения. Таким образом, ударная волна вызывает взрыв, а взрыв в свою очередь поддерживает ударную волну. Такой взрыв и называется детонацией.
Детонация - это процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе.
1 - зона исходного вещества; 2 - фронт волны; 3 - зона химической реакции; 4 – зона продуктов детонации; Р о – начальное давление; X - пространственная координата.
Рисунок 5.1 - Распределение давления в детонационной волне
В отличие от горения, где распространение пламени обусловлено медленными процессами диффузии и теплопроводности, детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за её фронтом химические превращения вещества (детонационная волна).
Ударная волна сжимает и нагревает взрывчатое вещество, вызывая в нём реакцию, продукты которой сильно расширяются, т.е. создаются условия взрыва.
Ударная волна - это область резкого сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется во все стороны от места взрыва со сверхзвуковой скоростью.
В зависимости от среды распространения различают ударную волну в воздухе, в воде или грунте.
Ударная волна в воздухе образуется за счет огромной энергии, выделяемой в зоне взрыва, где высокая температура и большой давление. Например, при ядерном взрыве давление в зоне реакции достигает миллиардов атмосфер.
Раскаленные пары и газы стремясь расшириться, производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до больших давлений и плотности и нагревают до очень высокой температуры. Эти слои приводят в движение последующие слои воздуха. Таким образом сжатие и перемещение воздуха происходит от одного слоя к другому во все стороны от центра взрыва, образуя воздушную ударную волну. Основным носителем действия взрыва является воздушная ударная волна, скорость распространения которой вблизи центра взрыва в несколько раз превышает скорость звука в воздухе и уменьшается по мере удаления от места взрыва до скорости звука - 340 м/с.
Например, при ядерном взрыве средней мощности воздушная ударная волна проходит 5000 м за 12 секунд. Поэтому человек, увидев вспышку ядерного взрыва до прихода ударной волныможет укрыться (в складке местности, канаве и пр.).
Передняя граница ударной волны называется фронтом ударной волны. После прохождения ударной волной данной точки пространства давление в этой точке снижается до атмосферного. Фронт ударной волны движется вперед. Образовавшийся слой сжатого воздуха называется фазой сжатия.
С удалением от центра взрыва давление во фронте ударной волны уменьшается, а толщина слоя сжатия из-за вовлечения новых масс воздуха возрастает, в то же время давление снижаясь, становится ниже атмосферного и воздух начинает движение к центру взрыва. Эта зона пониженного давления называется фазой разрежения.
Разрушительное действие большее в фазе сжатия.
С фронтом ударной волны в области сжатия движутся массы воздуха, которые при встрече с преградой тормозятся и при этом моментально возрастают до максимума: скоростной напор воздушной ударной волны и избыточное давление во фронте ударной волны.
Избыточное давление измеряется в Паскалях (Па) или в кг-сила на квадратный сантиметр: 1 Па - 1 Н/м2 (Ньютон на метр квадратный) = 0. 102 кгс/м2 = 1. 02 * 10^(-5) кгс/см2 ; 1 кгс/см2 = 98. 1 кПа или 1 кгс/см2 примерно равен 100 кПа.
Таким образом, основные параметры ударной волны, характеризующие ее разрушающее и поражающее действие: избыточное давление, во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия волны - длительность фазы сжатия и скорость фронта ударной волны. Величина этих параметров в основном зависит от мощности, вида взрыва и расстояния.
При наземном взрыве энергия взрыва распределяется в полусфере и ударная волна перемещается вдоль поверхности земли, при этом на поверхности земли действует такое давление, до которого сжат воздух в соответствующей части воздушной ударной волны.
При воздушном взрыве падающая ударная волна вызывает при встрече с поверхностью земли отраженную ударную волну.
Рассмотрим термины (рис. 84).
Эпицентр воздушного взрыва - точкана поверхности земли под центром взрыва.
Зона регулярного отражения - зона с расстоянием от эпицентра, не превышающим высоты взрыва.
Зона нерегулярного отражения - зона с расстоянием от эпицентра более высоты взрыва.
В зоне регулярного отражения на предмет, расположенный на некотором расстоянии от земли, воздействует давление падающей волны, а через некоторое время - давление отраженной волны. В зоне нерегулярного отражения падающая волна опережает отраженную, последняя распространяясь в нагретом воздухе и сжатом падающей волной, движется быстрее падающей волны. В результате происходит слияние этих волн и образуется общий фронт головной ударной волны, перпендикулярной поверхности земли, высота которого по мере удаления от центра взрыва увеличивается.
Предметы, находящиеся в области действия головной ударной волны испытывают ее воздействие, а расположенные выше (верх высотных домов) - два удара - от падающей и отраженной волн.
Давление во фронте головной ударной волны значительно выше, чем во фронте падающей волны и зависит не только от мощности взрыва и расстояния от эпицентра, но и от высоты ядерного взрыва.
Оптимальной высотой взрыва считается такая, при которой наибольшая площадь разрушения. Например, для взрыва мощностью в 1 мегатонну эта высота равна 2100 м (при этом на постройки воздействует давление 20-30 кПа (0. 2-0. 3 кг/см2).
При наземном взрыве радиус поражения на сравнительно больших расстояниях больше, чем радиус поражения воздушной ударной волны, а на более удаленных - меньше, так как сказывается влияние совместного воздействия падающих и отраженных волн - головной ударной волны.
Давление (избыточное) во фронте ударной волны можно определить расчетом (см. В. Г. Атаманюк и др. Гражданская оборона. -М7: Высшая школа, 1986. с. 26).
Ударная волна в воде при подводном ядерном взрыве качественно напоминает ударную волну в воздухе, но давление во фронте ударной волны в воде больше, а время действия меньше. Например, давление на расстоянии 900 м от центра ядерного взрыва мощностью 100 кт в воде составляет 19000 кПа, а при взрыве в воздухе - около 100 кПа.
При наземном взрыве часть энергии взрыва расходуется на образование сжатия в грунте.
При взрыве в грунте происходит мощное сотрясение грунта землетрясение.
02.05.2013 23:20
Лента новостей
- 20:32
- 19:32
- 14:25
- 13:22
- 12:24
- 17:02
- 16:22
- 16:24
- 15:32
- 14:23
- 13:32
- 20:02
- 19:02
УДАРНАЯ ВОЛНА
Примером возникновения и распространения У. в. может служить газа в трубе поршнем. Если поршень вдвигается в медленно, то по газу со скоростью звука а бежит акустич. (упругая) волна сжатия. Если же поршня не мала по сравнению со скоростью звука, возникает У. в., скорость распространения к-рой по невозмущённому газу больше, чем скорость движения ч-ц газа (т. н. массовая скорость), совпадающая со скоростью поршня. Расстояния между ч-цами в У. в. меньше, чем в невозмущённом газе, вследствие сжатия газа. Если поршень сначала вдвигают в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряют, то У. в: образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности r и давления р. С течением времени крутизна передней части сжатия нарастает, т. к. возмущения от ускоренно движущегося поршня догоняют её и усиливают, вследствие чего возникает резкий скачок всех гидродинамич. величин, т. е. У. в.
Законы ударного сжатия. При прохождении газа через У. в. его параметры меняются очень резко и в очень узкой области. Толщина фронта У. в. имеет порядок длины свободного пробега молекул, однако при многих теоретич. исследованиях можно пренебречь столь малой толщиной и с большой точностью заменить фронт У. в. поверхностью разрыва, считая, что при прохождении через неё параметры газа изменяются скачком (отсюда назв. « »). Значения параметров газа по обе стороны скачка связаны . соотношениями, вытекающими из законов сохранения массы, импульса и энергии:
r1v1 =r0v0, р1+p1v21 =p0+r0v20, e1+p1/r1 +v21/2=e0+ p0/r0+v20/2, (1)