Воздушная ударная волна представляет собой область резкого сжатия воздуха, распространяющуюся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Источником возникновения воздушной ударной волны является высокое давление в центре взрыва, достигающее 10 5 млрд. Па. Основные параметры ударной волны, характеризующие ее разрушающее и поражающее действие: избыточное давление во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия ударной волны.
Продукты взрыва, стремясь расшириться, сжимают окружающие их слои воздуха. Эта уплотненная масса воздуха в свою очередь расширяется и передает давление соседним слоям.
Так, давление быстро передается от слоя к слою, образуя ударную волну в воздухе. Передняя граница сжатого слоя воздуха, характеризующаяся резким увеличением давления, называется фронтом ударной волны. В непосредственной близости от центра взрыва скорость распространения ударной волны в несколько раз превышает скорость звука в воздухе. По мере удаления от центра скорость постепенно уменьшается, а ударная волна ослабевает.
Скорость движения и расстояние, на которое распространяется ударная волна, зависят от мощности взрыва. Чем мощнее взрыв, тем больше скорость и радиус действия ударной волны. Кроме того, на радиус действия ударной волны оказывают влияние рельеф местности, метеорологические условия и ветер.
При быстром движении ударной волны происходит также перемещение частиц воздуха в сжатом слое в направлении распространения ударной волны. Воздух движется за фронтом волны со сверхзвуковой скоростью и представляет собой ураган огромной силы.
Направление и скорость движения воздуха за фронтом ударной волны изменяются. Когда фронт ударной волны доходит до какой-либо точки на поверхности земли, то в этой точке мгновенно повышаются избыточное давление и температура, а воздух начинает перемещаться в сторону движения ударной волны.
В дальнейшем, по мере продвижения ударной волны, давление падает ниже атмосферного, и воздух движется в обратную сторону. Следовательно, за фазой сжатия следует фаза разрежения. Характер действия ударной волны зависит от вида взрыва. При воздушном ядерном взрыве образуется сферическая ударная волна, которая в ближней зоне, т. е. на расстоянии, меньшем высоты взрыва (R
1 - падающая волна; 2 - отраженная волна; 3 - головная волна.
Рисунок 6 - Распространение ударной волны при воздушном взрыве.
Таким образом, поражающее действие ударной волны воздушного ядерного взрыва в ближней зоне определяется давлением отраженной волны, а в дальней зоне - давлением головной ударной волны.
При наземном ядерном взрыве ударная волна, имеющая форму непрерывно увеличивающегося полушария, распространяется параллельно поверхности земли (рисунок 7) и не имеет столь сложной картины, как при воздушном взрыве.
Рисунок 7 - Распространение ударной волны при наземном взрыве.
Радиус поражения ударной волной наземного ядерного взрыва примерно на 20% меньше, чем радиус поражения воздушного взрыва одинаковой мощности.
Основными параметрами, определяющими поражающее действие ударной волны, являются избыточное давление, скоростной напор воздуха и время действия избыточного давления (время действия фазы сжатия).
Поражающее действие ударной волны определяется главным образом избыточным давлением.
Избыточное давление - это разность между нормальным атмосферным давлением перед фронтом волны и максимальным давлением во фронте ударной волны. Оно измеряется в ньютонах на квадратный метр (1 H/m 2 s 1 Па). Эта единица давления - паскаль (Па); (1 кПа = 0,01 кгс/см).
Скоростной напор воздуха - это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха. Как и избыточное давление, скоростной напор воздуха измеряется в Паскалях (Па). Величина скоростного напора воздуха зависит от скорости и плотности воздуха за фронтом волны и тесно связана со значением максимального избыточного давления ударной волны. Скоростной напор воздуха заметно сказывается при избыточных давлениях свыше 50 кПа.
Продолжительность действия избыточного давления (время действия фазы сжатия) измеряется секундами (с). Чем продолжительнее воздействие ударной волны, тем сильнее ее поражающее действие. С увеличением мощности взрыва время действия фазы сжатия увеличивается. Например, при взрыве мощностью 20 кт время действия фазы сжатия составляет 0,6 с, а при мощности взрыва 1 Мт - 3 с.
Непосредственное поражение человека ударной волной возникает в результате воздействия избыточного давления и скоростного напора воздуха. Ударная волна почти мгновенно охватывает человека и сжимает его со всех сторон. Мгновенное повышение давления в момент прихода ударной волны воспринимается как резкий удар. Скоростной напор воздуха действует с одной стороны, обладает метательным действием и может отбросить человека, причинив ему травмы.
Косвенными поражениями называются поражения, наносимые человеку обломками зданий, деревьев и другими предметами, которые под действием скоростного напора воздуха перемещаются с большой скоростью. Воздействуя на людей, ударная волна вызывает переломы, повреждение внутренних органов, контузии, т. е. вызывает травмы различной тяжести, которые подразделяются на:
а) легкие, возникающие при избыточном давлении 20 - 40 кПа и характеризующиеся ушибами, вывихами, временными повреждениями слуха, общей контузией;
б) средние, появляющиеся при избыточном давлении 40 - 60 кПа, характеризующиеся серьезными контузиями всего организма, повреждениями органов слуха, кровотечением из носа и ушей, а также сильными вывихами конечностей;
в) тяжелые, возникающие при избыточном давлении 60 - 100 кПа, характеризующиеся сильными контузиями всего организма, тяжелыми переломами конечностей и сильными кровотечениями из носа и ушей;
г) крайне тяжелые, наблюдающиеся при избыточном давлении свыше 100 кПа. Эти травмы могут привести к смертельному исходу.
Радиусы поражения ударной волной ядерного взрыва и виды травм зависят от мощности взрыва.
Радиус поражения людей обломками зданий, особенно осколками стекол, разрушающихся при избыточном давлении 2 - 7 кПа, может превышать радиус непосредственного поражения ударной волной.
Для защиты от ударной волны необходимы подземные сооружения -убежища, рассчитанные на сопротивление воздействию ударной волны. При отсутствии убежищ используются построенные укрытия, а также подземные выработки, шахты, естественные укрытия и рельеф местности. Защитные свойства рельефа местности зависят от его характера. Лучшую защиту обеспечивают крупные формы рельефа: возвышенности, лощины, овраги больших размеров. Однако и небольшие курганы, ямы, воронки способны ослабить действие ударной волны.
Воздействие воздушной ударной волны ядерного взрыва на здания и сооружения связано с величиной избыточного давления и скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Однако в зависимости от конструктивных особенностей того или иного сооружения степень его разрушения может определяться либо избыточным давлением, либо скоростным напором.
Большие здания, имеющие значительную площадь стен, разрушаются главным образом под действием избыточного давления. При этом разрушение происходит вследствие первоначального кратковременного удара, возникшего в результате отражения ударной волны. Это происходит потому, что для обтекания ударной волной такого здания требуется некоторое время, а это вызывает сравнительно длительное действие давления отражения ударной волны.
Пока ударная волна движется, не встречая препятствий, она создает изменяющуюся во времени нагрузку, равную избыточному давлению в проходящей ударной волне. При подходе ударной волны к преграде она отражается (образуя давление отражения) и происходит торможение масс движущегося воздуха, избыточное давление повышается. В результате этого преграда испытывает удар огромной силы, увеличившийся вследствие давления отражения.
Такое давление преграда (например, здание) испытывает в первоначальный момент. Вслед за этим ударная волна начинает обтекать здание, оказывая давление на боковые стены и верх, а затем и на заднюю стену. В результате этого здание оказывается охваченным высоким давлением и сжато со всех сторон. Однако наибольшее давление испытывает стена, обращенная к взрыву.
Характер действия ударной волны при обтекании зданий представляет собой сложное взаимодействие потоков, обтекающих здание сверху и с боков и создающих завихрения и зоны повышенного давления. Обтекание ударной волной вертикальной преграды показано на рисунке 8, когда ударная волна отражается от поверхности земли за преградой. Обтекание здания ударной волной с боков создает повышенное давление в результате встречи двух потоков (рисунок 9). По мере обтекания здания ударной волной давление отражения на переднюю стену ослабляется.
а - фронт достиг преграды, и действует полное давление отражения; б -фронт проходит преграду, и частично действует давление отражения; в - заканчивается действие давления отражения, но за преградой ударная волна отражается от поверхности земли
Рисунок 8 - Обтекание ударной волной вертикальной преграды.
а - фронт достиг преграды, создается давление отражения и начинается обтекание; б - фронт прошел преграду, и два потока движутся к тыльной стороне; в - фронт движется далее, за преградой образуется зона повышенного давления вследствие соударения потоков
Рисунок 9 - Обтекание ударной волной преграды (вид в плане).
В большей степени разрушаются отдельно стоящие здания и высокие сооружения, особенно расположенные фасадом к направлению движения ударной волны.
Из наземных зданий и сооружений наиболее устойчивыми являются здания с металлическим каркасом и сооружения антисейсмической конструкции, которые разрушаются при давлении ударной волны 50 - 80 кПа. Жилые кирпичные здания менее устойчивы и полностью разрушаются при давлении ударной волны 30-40 кПа, а деревянные строения полностью разрушаются при давлении 10-20 кПа.
На разрушение зданий и сооружений влияет наличие в стенах проемов (окон, дверей), так как ударная волна, легко разрушая их, быстро проникает внутрь здания, а давление отражения ослабляется вследствие действия избыточного давления изнутри. Полное разрушение остекления различных зданий происходит при избыточном давлении во фронте ударной волны 2-7кПа, а частичное разрушение - при 1-2 кПа, т. е. при значительно меньших давлениях.
Высокие сооружения с малой площадью (телеграфные столбы, заводские трубы, мачты, буровые вышки и другие сооружения) быстро обтекаются ударной волной и сжимаются со всех сторон, а противоположные давления уравновешиваются. Поэтому они менее чувствительны к воздействию избыточного давления. Для этих сооружений разрушающее действие ударной волны определяется действием скоростного напора воздуха.
Скоростной напор воздуха, подобно урагану, действует с одной стороны и вызывает разрушение (срыв с опор) таких сооружений, так как эти сооружения, рассчитанные на действие ветровой нагрузки, разрушаются под действием скоростного напора воздуха, превышающего ветровые нагрузки в несколько раз.
Сооружения, заглубленные в землю, меньше подвержены воздействию ударной волны, так как при своем движении ударная волна не встречает препятствия и не происходит увеличения избыточного давления из-за отражения ударной волны. По этой причине убежища, укрытия и подземные сети коммунального хозяйства, заглубленные в грунт, могут выдержать значительно большие давления, чем наземные здания.
Особенностью действия ударной волны является ее способность (в следствии относительно большой продолжительности ее действия- несколько секунд) затекать внутрь убежищ, укрытий и других сооружений через воздухозаборные трубы, отдушины, наносить там разрушения и поражать людей.
При проникании ударной волны внутрь сооружения там быстро повышается давление, которое может стать причиной гибели людей. Во избежание поражения людей затекающей волной воздухозаборные каналы убежищ снабжаются волногасительными устройствами.
Другой особенностью ударной волны является разряжение, возникающее вслед за высоким давлением. Разряжение значительно слабее ударной волны, но увеличивает эффект воздействия прямого удара и вызывает ряд специфических явлений, которые следует учитывать при проведение спасательных работ.
Степень разряжения, т.е. снижение давления ниже атмосферного, не превышает 300кПа и быстро затухает по мере удаления от центра взрыва и снижения давления на фронте ударной волны. Однако длительность фазы разряжения превышает время фазы сжатия.
Так при взрыве мощностью 1Мт фаза сжатия длится 1-5 секунд в зависимости от расстояния, а фаза разряжения-до 13 секунд при воздействии ударной волны сооружения испытывают всестороннее сжатие. В фазе разряжения сооружения так же испытывают нагрузки, но усилие значительно слабее и действует в обратном направлении (так называемый отсос). Оголовки смотровых колодцев на сетях коммунального хозяйства перекрывают стальными или чугунными крышками. Они выдерживают давление ударной волны 200-300кПа. Однако эти же крышки будут испытывать силу отсоса и за счет суммарного усилия направленного из нутрии колодца крышка может быть отброшена. Завал может быть завершен после того, как ударная волна прошла. Поэтому крышки закрепляют.
Здания и сооружения в зависимости от нагрузок, создаваемых ударной волной, могут получать полные, сильные, средние и слабые разрушения:
а) полное разрушение характеризуется разрушением и обрушением всех или большей части стен, сильной деформацией или обрушением перекрытий (Рисунок 10 а,б). Из обломков образуется завал в пределах контура здания и вокруг него. Восстановление разрушенных зданий невозможно;
Рисунок 10 а
Рисунок 10б
б) сильное разрушение характеризуется разрушением части стен и перекрытий нижних этажей и подвалов, в результате чего повторное использование помещений невозможно или нецелесообразно (Рисунок 11а,б);
Рисунок 11а
Рисунок 11б
в) среднее разрушение характеризуется разрушением главным образом встроенных элементов: внутренних перегородок, дверей, окон и крыш; появлением трещин в стенах и обрушением чердачных перекрытий и отдельных участков верхних этажей (Рисунок 12). Подвалы сохраняются и пригодны для временного использования после разборки завалов над входами. Вокруг здания завалов не образуется, но отдельные обломки конструкций могут быть отброшены на значительное расстояние. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта;
Рисунок 12
г) слабое разрушение характеризуется разрушением оконных и дверных заполнений и легких перегородок, появлением трещин в стенах верхних этажей (рисунок 13). Подвалы и нижние этажи сохраняются и пригодны для временного использования. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.
Рисунок 13
Объем разрушений в городе зависит от характера строений, их этажности и плотности застройки. При плотности застройки 50 % давление ударной волны на здания может быть меньше (на 20 - 40 %), чем на здания, стоящие на открытой местности, на таком же расстоянии от центра взрыва.
При плотности застройки менее 30% экранизирующее действие зданий незначительно и не имеет практического значения.
Энергетическое, промышленное и коммунальное оборудование может иметь следующие степени разрушений:
а) слабые разрушения: деформации трубопроводов, их повреждения на стыках; повреждения и разрушения контрольно-измерительной аппаратуры; повреждение верхних частей колодцев на водо-, тепло-, газовых сетях, отдельные разрывы на ЛЭП, повреждение станков, требующих замены электропроводки, приборов и других поврежденных частей (Рисунок 14);
Рисунок 14
б) средние разрушения: отдельные разрывы и деформации трубопроводов, кабелей; деформации повреждения отдельных опор ЛЭП; деформация и смещение на опорах цистерн, разрушение их выше уровня жидкости; повреждение станков, требующих капитального ремонта (Рисунок 15);
Рисунок 15
в) сильные разрушения: массовые разрывы трубопроводов, кабелей, разрушение опор ЛЭП и другие разрушения, которые нельзя восстановить капитальным ремонтом.
Наиболее стойки подземные энергетические сети. Они разрушаются только при наземных взрывах в непосредственной близости от центра при давлении ударной волны 600-1500 кПа. Степень и характер разрушения зависят от диаметра и материала труб, глубины их прокладки.
Станочное оборудование предприятий разрушается при избыточном давлении 35-70 кПа, а измерительное – при 2030 кПа. Для гидроузлов наиболее опасными являются надводный и подводный взрывы со стороны верхнего бьефа.
Наиболее устойчивые элементы гидроузлов - бетонные и земляные плотины, которые разрушаются при давлении более 1000КПа. Наиболее слабые - гидрозатворы водосливных плотин, оборудование и различные надстройки. Транспортные средства повреждаются в зависимости от их положения относительно направления распространения ударной волны. Наиболее устойчивы морские и речные суда и железнодорожный транспорт, очень уязвим самолет.
При избыточном давлении более 50КПа происходит полное повреждение лесного массива.
Для определения возможного характера разрушений и установления объема поисково-спасательных и других неотложных работ, обусловленных воздействием воздушной ударной волны, очаг ядерного поражения делят на четыре зоны (Рисунок 16).
Рисунок 16
Зона полных разрушений возникает там, где избыточное давление во фронте ударной волны достигает 50кПа (0,5 кгс/см 2) и более. На рисунке 17 показаны полные разрушения после бомбардировки Нагасаки 24 сентября 1945 года
Нагасаки до и после ядерного взрыва Нагасаки через 6 недель
Рисунок 17
Характер разрушений этой зоны такой же как при землетрясении 9 и более балов. В этой зоне полностью разрушаются жилые дома, промышленные здания и противорадиационные укрытия. Вокруг центра взрыва разрушаются убежища, получают различные разрушения или повреждения подземные сети коммунально-энергетического хозяйства.
Большинство убежищ в зоне полных разрушений сохраняются. На территории населенных пунктов и объектов образуются сплошные завалы.
Для зоны полных разрушений характерны массовые потери среди незащищенного населения, а также будут наблюдаться горения и тления в завалах.
Зона сильных разрушений образуется при избыточном давлении во фронте ударной волны от 50 до 30 кПа (0,5-0,3 кгс/см^2) и составляет около 10% всей площади очага. Характер разрушений как при землетрясении баллов. Наземные здания и сооружения в основном будут иметь сильные разрушения. Сильное разрушение характеризуется разрушением несущих конструкций и перекрытий верхних этажей, образованием трещин в стенах и деформацией перекрытий нижних этажей.
Убежища и подземные сети коммунально - энергитического хозяйства, а также большинство противорадиационных укрытий сохраняются.
Подвалы в зданиях не повреждаются, если их перекрытия удержат нагрузку от обрушенных стен и междуэтажных перекрытий.
В результате разрушений зданий и сооружений образуются местные завалы, переходящие ближе к границе зоны полных разрушений в сплошные.
Для зоны характерны массовые, в значительной части безвозвратные потери среди незащищенной части населения.
Люди, оставшиеся в зданиях, могут быть завалены, либо могут получить травмы и ожоги вне зданий легкой и средней тяжести. Кроме того, возможны поражения обломками построек, осколками стекла и другими летящими предметами, а также ‘’ вторичные ожоги ‘’ от пламени горящих зданий горючесмазочных материалов и т.п.
При попадании в зону радиоактивного заражения, образующуюся при наземных и подземных взрывах, население подвергнется воздействию радиоактивных веществ.
Зона средних разрушений характеризуется избыточным давлением во фронте ударной волны от 30 до 20кПа (0,3-0,2кгс/см^2) и занимает около 18% площади очага ядерного поражения. Характер разрушений как при землетрясении баллов.
Убежища, противорадиационные укрытия и подвальные помещения полностью сохраняются. Деревянные здания будут сильно или полностью разрушены, каменные - получают средние и слабые разрушения.
Среднее разрушение проявляется в разрушении крыш и встроенных перегородок, окон, а также в возникновении трещин в стенах, обрушении отдельных участков чердачных перекрытий и стен верхних этажей. Подвалы сохраняются. После расчистки и ремонта может быть использована часть помещений нижних этажей.
Слабое разрушение проявляется в разрушении оконных и дверных заполнений, легких перегородок; Частично разрушается кровля, возможны трещины в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются полностью. Находиться в здании безопасно, и оно может эксплуатироваться после проведения текущего ремонта.
В зоне средних разрушений образуются отдельные завалы. Для зоны характерны массовые санитарные потери среди незащищенного населения. Люди могут получить легкие травмы, ожоги, а при наземных взрывах возможны поражения радиоактивными осадками.
Зона слабых разрушений образуется при избыточном давлении во фронте ударной волны от 20 до 10кПа (0,2-0,1кгс/см^2). На ее долю приходиться до 60% площади всего очага. В пределах этой зоны здания получают слабые разрушения. В некоторых местах образуются отдельные завалы.
Незащищенные люди могут получить ожоги, легкие травмы, а также поражения радиоактивными веществами при наземных взрывах.
За приделами зон разрушений очага поражения здания и сооружения могут получить незначительные повреждения: разрушение остекления, повреждение оконных рам, дверей, кровли. Возможно также возникновение отдельных очагов пожаров. В этих условиях люди могут получить легкие ранения и ожоги.
В системе мероприятий гражданской обороны важное значение имеет организация и ведение работ по спасению населения, оказавшегося в очагах поражения и ликвидации последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий.
Как показывают аварии на АЭС, а также на крупных химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и многих других предприятиях могут привести к катастрофическим последствиям, гибели людей, большим материальным потерям.
Для успешного выполнения аварийных работ требуется заблаговременная инженерная подготовка городского и объектового КЭХ, повышение его устойчивости, умение быстро находить грамотные решения по организации и ведению этих работ.
Последнее достигается обучением личного состава формирований гражданской обороны и населения умелым действиям в ЧС. Для формирования инженерно-технических мероприятий ОХК, необходимо заблаговременно оценить возможную инженерную и пожарную обстановку.
Инженерная обстановка - состояние современной системы инженерного оборудования в городах, на промышленных и других объектах. Она включает многочисленные линии трубопроводов городского и промышленного водоснабжения, канализации, газовых сетей теплоснабжения, электрокабелей и др., а также различных зданий и сооружений.
Инженерная обстановка выявляется с целью определения характера возможных разрушений, аварий и поражений на объектах хозяйствования при образовании очагов поражения ЧС техногенного и природного характера. На планах и схемах границы зон разрушений показываются в виде концентрических окружностей красного цвета.
Радиусы окружностей зоны разрушений определяют по таблицам, а также по формуле Закона подобия взрывов.
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)
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.
Взрывная волна
порожденное взрывом движение среды. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, первоначально невозмущённая среда испытывает резкое сжатие и приобретает большую скорость. Состояние движения передаётся от одного слоя среды к другому так, что область, охваченная В. в., быстро расширяется. На фронте расширяющейся области среда скачком переходит из исходного невозмущённого состояния в состояние движения с более высокими давлением, плотностью и температурой. Происходящее скачком изменение состояния среды - Ударная волна -
распространяется со сверхзвуковой скоростью. В. в. характеризуется изменением давления, плотности и скорости среды с течением времени в различных точках пространства или распределением этих величин в пространстве в фиксированные моменты времени. Одним из важных параметров, определяющих механическое действие В. в., служит создаваемое волной максимальное давление. При взрывах в газообразных и жидких средах максимальное давление достигается в момент сжатия среды в ударной волне. Др. важным параметром является интервал времени действия В. в. По мере удаления от места взрыва максимальное давление уменьшается, а время действия увеличивается (рис. 1
). При распространении В. в. в твердых средах ударный фронт сравнительно быстро исчезает, и В. в. превращается в ряд последовательных быстро затухающих колебаний, распространяющихся со скоростью упругих волн. В. в. обладают свойством подобия. В соответствии с этим свойством при взрывах зарядов химического взрывчатого вещества одинаковой формы, но различной массы, расстояния, на которых максимальное давление во В. в. имеет одно и то же значение, относятся между собой как кубические корни из масс зарядов. В том же отношении изменяется интервал времени действия В. в. Например, если увеличить расстояния и интервал времени, приведённые на рис.
1
, в 10 раз, то такая В. в. будет соответствовать взрыву уже не 1 кг,
а 1 т
тринитротолуола (тротила). В. в. имеет тенденцию к быстрой утрате особенностей, обусловленных природой взрыва, так что её последующее движение в основном определяется лишь величиной энергии, передаваемой окружающей среде. Благодаря этому обстоятельству В. в., порожденные в одной и той же среде взрывами разного типа, в основных чертах оказываются подобными, что позволяет ввести для характеристики взрывов так называемый Тротиловый эквивалент . Распространяющаяся В. в. затрачивает на нагревание среды вблизи очага взрыва значительную часть своей механической энергии. Например, на расстоянии 10 км
воздушная В. в., порожденная взрывом 1000 т
химического взрывчатого вещества, содержит примерно 10% первоначальной энергии взрыва, а при ядерном взрыве той же энергии - вдвое меньше (из-за бо́льших потерь на нагревание воздуха). Максимальное повышение давления в волне для указанных значений расстояния и энергии взрыва измеряется сотнями н/м
2 (тысячными долями кгс/см
2). На больших расстояниях В. в. представляет собой звуковую волну (или упругую волну в твёрдой среде). Звуковые волны в атмосфере (или упругие волны в земной коре), порождённые взрывами достаточно большой энергии, могут быть зарегистрированы специальными приборами (микробарографами, Сейсмограф ами и др.) на очень больших расстояниях. Например, при взрывах с энергией порядка 10 13 дж
(несколько тысяч т
тринитротолуола) волны регистрируются на расстояниях в нескольких тысяч км,
а при энергиях взрывов Взрывная волна 10 16 дж
(нескольких млн. т
) - практически в любой точке земного шара. На таких больших расстояниях В. в. представляет собой длинную последовательность колебаний атмосферного давления (или колебаний почвы - при подземных взрывах) очень низкой частоты (рис. 2
). Лит.:
Расчет точечного взрыва с учетом противодавления, М., 1957; Седов Л. И., Методы подобия и размерности в механике, 4 изд., М., 1957; Ляхов Г. М., Покровский Г. И., Взрывные волны в грунтах, М., 1962; Губкин К. Е., Распространение взрывных волн, в сб.: Механика в СССР за 50 лет, т. 2, М., 1970. К. Е. Губкин.
Изменение давления со временем в воздушной взрывной волне на расстояниях 1 м
, 2,7 м
и 11 м
от центра взрыва сферического заряда тринитротолуола массой 1 кг
. Запись колебаний атмосферного давления в воздушной волне на расстоянии 11 500 км от места взрыва с энергией 1016 дж. Волна пробегает такое расстояние примерно за 10 ч.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Взрывная волна" в других словарях:
Порождённое взрывом движение среды. Под воздействием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, окружающая очаг взрыва среда испытывает сжатие и приобретает большую скорость. Движение передаётся от одного слоя к другому, так что область … Физическая энциклопедия
Современная энциклопедия
Взрывная волна - ВЗРЫВНАЯ ВОЛНА, возникающее в результате взрыва движение среды. Скачкообразное изменение состояния вещества на фронте взрывной волны распространяется со сверхзвуковой скоростью (смотри Ударная волна). Поверхность фронта взрывной волны непрерывно… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (a. blast wave, blast air, explosive wave; н. Explosionswelle; ф. onde explosive; и. onda explosiva) процесс кратковременного нарушения равновесного состояния среды (газообразной, жидкой или твёрдой), распространяющийся из взрывного… … Геологическая энциклопедия
Ударная волна, возникающая при взрыве. Фронт взрывной волны движется от центра взрыва со скоростью, превышающей скорость звука, при этом поверхность фронта взрывной волны монотонно увеличивается, а скорость ее движения и интенсивность убывают … Большой Энциклопедический словарь
Порожденное взрывом движение среды, при котором происходит резкое повышение ее плотности, давления и температуры. Происходящее скачком изменение состояния среды ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью. На больших расстояниях… … Морской словарь
Взрывная волна - порождаемая взрывом область сильного сжатия среды (газообразной, жидкой или твердой), быстро распространяющаяся во все стороны от места взрыва. Импульс от одного слоя к др. передается за счет ударного сжатия, вызывающего в среде скачок уплотнения … Российская энциклопедия по охране труда
ВЗРЫВНАЯ ВОЛНА - (ударная волна) упругая деформация среды, в которой произошёл (см.) В. в. представляет собой область сильного сжатия среды (воздуха, воды, земли), распространяющуюся от места взрыва со сверхзвуковой скоростью. Образуется в результате расширения… … Большая политехническая энциклопедия
Область сжатой продуктами взрыва среды, распространяющаяся от места взрыва со сверхзвуковой скоростью. На внешней границе этой области, представляющей собой фронт ударной волны, среда скачком переходит в состояние движения с более высокими… … Словарь черезвычайных ситуаций
взрывная волна - — Тематики нефтегазовая промышленность EN detonation waveexplosion waveblast wave … Справочник технического переводчика
Ударная волна, возникающая при взрыве. Фронт взрывной волны движется от центра взрыва со скоростью, превышающей скорость звука, при этом поверхность фронта взрывной волны монотонно увеличивается, а скорость её движения и интенсивность убывают. *… … Энциклопедический словарь
Книги
- Криминальные войны РУОП , П. Дашкова , А. Молчанов , С. Устинов , Б. Руденко , А. Волос , А. Сергеев , Кто самый серьезный противник РУОП? Как разрабатываются операции по внедрению в организованные преступные группировки? Какова специфика работы для настоящих мужчин? Кто такие бойцы в масках?… Категория: Отечественный мужской детектив Издатель: