Знания об ударной волне. Данный написан в научно-публицистическом стиле и предназначается для профильной группы по физике

Ширяев Павел 9 «Б»

Ударная волна.

Содержание:

I. Введение.

II. Глава I. Общие сведения. Формирование ударной волны.

III. Глава II. Различные среды возникновения распространения.

IV. Глава III. Воздействия.

V. Заключение.

Введение.

Тема реферата – знания об ударной волне. Данный реферат написан в научно-публицистическом стиле и предназначается для профильной группы по физике.

Реферат может служить, как дополнительное пособие для учащихся. Его целью является расширение знаний школьного курса по изучению механических колебаний и волн.

Данный реферат базируется и задействует информацию с книги А.С. Компанеец «Ударные волны» и научных работ: А.С. Кузнецов «Ударная волна ядерного взрыва» и Я. Емельяненко «Ядерный взрыв».

В первой главе будет рассказано о сущности ударной волны и её образование. Во второй главе будет рассказано о возникновение ударной волны в различных средах. В третьей главе будет рассказано о воздействие ударной волны на людей и животных, жилых зданий и сооружений. В заключение будет рассказано о значение ударной волны.

Глава I. Общие сведения.

Прежде чем перейти к особенностям формирования ударной волны, требуется дать её определение.

Ударная волна – это участок сильного сжатия воздуха, которое распространяется со сверхзвуковой скоростью (350 м/с) во все стороны от центра взрыва. В зависимо­сти от среды распространения разли­чают ударную волну в воздухе, в воде или грунте.

В реферате рассмотрен закон распространения ударной волны только при сильном взрыве, так как на протяжение все работы показывается действия мощных ударных волн.

Происхождение ударной волны и распространение её в пространстве, а так же все её свойства целиком определяются начальной выделившейся энергией и начальной плотностью воздуха, а также предельным сжатием в ударной волне. Последнее есть величина отвлеченная, т. е. просто число, характеризующее волну. Выясним значение первых двух именованных, т. е. обладающих размерностью величин. С их помощью можно определить закон распространения волны, т. е. зависимость радиуса от времени. Для этого надо сначала вспомнить единицы измерения энергии и плотности. Энергия измеряется в эргах, размерность которого есть:

Размерность плотности, т. е. массы единицы объема, такая:

Образуем теперь частное от деления энергии на плотность: мы хотим выразить длину, или радиус, через время, и размерность грамма нам для этого ни к чему. Искомое частное измеряется, очевидно, в таких единицах:

Умножим получившуюся величину на квадрат времени, протекшего от момента взрыва, так что получится выражение, измеряемое пятой степенью длины. Никаким другим образом из энергии, плотности и времени невозможно образовать иное выражение с такой же размерностью.

Итак, отвлекаясь от постоянных для каждого данного взрыва величин — энергии и плотности воздуха, мы получили, что пятая степень радиуса волны пропорциональна квадрату времени ее распространения.

Из полученного соотношения следует, что все сильные взрывы подобны между собой. Сравним, например, два взрыва, различающиеся по энергии в 10 000 раз, например, с эквивалентными выделениями энергии по тротилу 5 тысяч и 50 миллионов тонн. Тогда ударные волны будут иметь одинаковые радиусы в разные моменты времени: для большей энергии все времена, отвечающие тем же радиусам, будут в 100 раз меньше. Действительно, при этом условии произведения энергии на квадрат времени будут одинаковы, а плотность воздуха одинакова и так. Поэтому радиусы и окажутся одинаковыми.

Закон подобия для сильных взрывов высказал Л.Д.Ландау. На основании подобия Л. И. Седов и независимо, но с меньшей полнотой К- П. Станюкович построили теорию сильной взрывной волны.

Глава II. Различные среды возникновения и распространения.

Ударная волна способна возникать в различных средах распространения, таких как воздух, вода, земля. Поэтому в этой главе будет рассмотрены все три среды.

Для начала рассмотрим распространение ударной волны в воздухе. При воздушном взрыве создается сферическая ударная волна, которая в ближней зоне, то есть на расстоянии, меньшем чем высота взрыва, падает вниз и называется падающей. Дойдя до поверхности земли, ударная волна моментально отбивается, создавая отраженную волну. В дальней зоне, то есть на расстоянии, большем чем высота взрыва, скорость отраженной волны больше, чем скорость падающей волны. Происходит складывание падающей и отраженной волны и образования главной волны, давление в которой в 5 раз больше давления сферической волны, которая свободно распространяется по поверхность земли. Таким образом, при воздушном ядерном взрыве в ближней зоне поражающее действие определяется давлением отраженной волны, а в дальней зоне – давлением главной ударной волны. Вблизи центра взрыва скорость рас­пространения ударной волны в не­сколько раз превышает скорость зву­ка в воздухе. С увеличением расстоя­ния от места взрыва скорость распро­странения волны быстро падает, а ударная волна ослабевает. На больших удаленьях ударная волна переходит, по существу, в обычную акустическую волну и скорость ее распространения приближается к скорости звука в ок­ружающей среде, т. е. к 340 м/с. Воз­душная ударная волна при ядерном взрыве средней мощности проходит примерно 1000 м за 1,4 с, 2000 м—за 4 с. 3000 м—за 7с, 5000 м—за 12 с. Отсюда следует, что человек, увидев вспышку ядерного взрыва, за время до прихода ударной волны, может занять ближайшее укрытие (складку местно­сти, канаву, кювет, простенок и т. п.) и тем самым уменьшить вероятность поражения ударной волной.

Теперь перейдем к водной среде. Ударная волна в воде при подводном взрыве качествен­но напоминает ударную волну в воз­духе. Однако подводная ударная вол­на отличается от воздушной ударной волны своими параметрами. На одних и тех же расстояниях давление во фронте ударной волны в воде гораздо больше, чем в воздухе, а время дейст­вия—меньше. Например, максималь­ное избыточное давление на расстоя­нии 900 м от центра ядерного взрыва мощностью 100 кт в глубоком водоеме составляет 19000 кПа, а при взрыве в воздушной среде—около 100 кПа.

При наземном взрыве ударная волна имеет форму полусферы, которая непрерывно увеличивается, распространяясь параллельно поверхности земли. Наземный взрыв имеет радиус поражающей ударной волны приблизительно на 20% меньший, чем радиус ударной волны воздушного взрыва. При наземном взрыве часть энергии взрыва расходуется на образование волны сжатия в грунте. В отличие от ударной волны в воздухе она характеризуется менее резким увеличением давления во фрон­те волны, а также более медленным его ослаблением за фронтом. Давле­ние во фронте волны сжатия уменьша­ется довольно быстро с удалением от центра взрыва, и на больших расстоя­ниях волна сжатия становится подоб­ной сейсмической волне. При взрыве в грунте основная часть энергии взрыва передается окружающей массе грунта и производит мощное сотрясение грун­та, напоминающее по своему действию землетрясение.

Глава III. Воздействие ударной волны.

Сила ударной волны способна быть поражающей и разрушительной. Поэтому, будет рассмотрено воздействие ударной волны на животных и людей, а так же на жилые здания и сооружения.

Сначала рассмотрим воздействие на животных и людей.

Ударная волна вызывает поражение, в результате действия чрезмерного давления, скоростного напора давления, она мгновенно охватывает человека и сжимает со всех сторон.

При столкновении фронта ударной волны с человеком или животным на тело действует огромное давление и это чувствуется как удар. Этот удар создает волну сжатия, которая распространяется в тканях и органах с огромной скоростью до 1500 м/с. Ткани и органы не успевают отреагировать (изменить форму, сжаться либо расшириться), по этому на некоторые из них действует давление, которое значительно большее, чем они могут выдержать и, обычно, происходит повреждение органов. Степень повреждения тканей и органов зависит от давления ударной волны, скорости ее распространения. Особенно сильно повреждаются органы, наполненные газами (легкие, кишечник), кровью (печенка, селезенка, большие сосуды) и те, которые имеют полости и наполнены жидкостями (желчный пузырь, желудок, мочевой пузырь). При действии взрывной волны происходит сильное сжатие, а потом очень расширение воздуха, которое находится в органах, что приводит к разрыву значительной части тканей.

В органах, наполненных жидкостью, в которых содержится много крови, под действием волны сжатия происходит сильный гидравлический удар. В с

вязи с тем, что жидкости практически не сжимаются при действии на них давления, они согласно с законом гидродинамики передают его во все стороны с одинаковой силой и скоростью, что приводит к разрыву органов и больших кровеносных сосудов. Исключением являются жидкости, которые находятся в черепе и хребте, поскольку они защищены от внешнего действия костной тканью. Давление в черепе самое низкое и кровь из других органов направляется через вены в мозг. Из-за того, что черепная коробка недостаточно эластична и нервная ткань мало сжимается, создаются условия для гидравлического удара черепно-мозговой жидкости о ткани мозга и удара мозга о черепную коробку. Таким образом, повреждается головной и спинной мозг, но чаще всего и сильнее всего повреждаются легкие.

Так же очень интересный факт – психологического влияния ударной волны на людей. Люди, непосредственно подвергшиеся воздействию поражающих факторов ядерного взрыва, включая ударную волну, кроме физических повреждений, испытывают мощное психологическое угнетающее воздействие от поражающего и устрашающего вида разворачивающейся картины ядерного взрыва, осознания причинённого вреда организму и катастрофичности разрушений вокруг. Результатом такого воздействия являются устойчивые негативные воспоминания, влияющие на всю последующую жизнь человека. В Японии есть отдельное слово, обозначающее людей, ставших жертвами ядерных бомбардировок — «Хибакуся».

Государственные спецслужбы многих стран предполагают, что одной из целей различных террористических группировок может являться завладение ядерным оружием и применение его против мирного населения с целью психологического воздействия, даже если физические поражающие факторы ядерного взрыва будут незначительны в масштабах страны-жертвы и всего человечества. Сообщение о ядерном теракте будет немедленно распространено средствами массовой информации (телевидение, радио, интернет, пресса) и несомненно окажет огромное психологическое воздействие на людей, на что могут рассчитывать террористы. К счастью, пока не произведено ни одного террористического ядерного взрыва.

Теперь рассмотрим воздействия ударной волны на жилые здания и сооружения.

Характер разрушений ударной волны будет зависеть от мощности и вида взрыва, рельефа местности, плотности застройки, прочность зданий, материалы застройки, технологии строительства и др.

Территория, на которой под влиянием поражающих факторов взрыва возникли разрушения зданий и сооружений, пожары, загрязнение местности и поражение людей и животных, называется зоной поражения. Внешней областью поражения считается условная линия на местности, где чрезмерное давление воздушной ударной волны 10 кПа. С целью определения характера разрушений и установления объема спасательных и других неотложных работ в зависимости от чрезмерного давления на фронте ударной волны зону о поражения условно делят на четыре зоны.

Зона полных разрушений характеризуется разрушением либо сильной деформацией всех несущих конструкций и элементов сооружений, образованием сплошных завалов. Подземные (подвальные) части зданий разрушаются значительно меньше. Полностью разрушаются жилищные, животноводческие и другие производственные сооружения, противорадиационные укрытия (ПРУ), герметичные хранилища поблизости центра взрыва. До 75% герметичных хранилищ и до 90% подземных коммунально-энергетических сетей сохраняются. Сильные разрушения возникают при таком чрезмерном давлении: многоэтажных зданий – 25-30 кПа, малоэтажных зданий – 25-35 кПа, сооружений производственного типа – 30-50 кПа.

В зоне средних разрушений большинство несущих конструкций сохраняется, лишь частично деформируясь. Сохраняется основная часть стен с возможными трещинами во внешних стенах и провалами в отдельных местах, но при этом вторичные и часть несущих конструкций могут быть разрушены полностью. Герметические хранилища и часть ПРУ не повреждаются. Средней степени разрушения достигают многоэтажные здания при чрезмерном давлении 10-20 кПа, малоэтажные здания – 15-25 кПа, производственные сооружения – 20-30 кПа. На коммунально-энергетической сети деформируются и разрушаются отдельные опоры линий электропередач, повреждаются технологические трубопроводы.

В зоне слабых разрушений разрушаются окна, двери, легкие перегородки, появляются трещины, в основном в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются. Незначительные разрушения и повреждения на коммунально-энергетической сети. Слабые разрушения зданий всех типов возникают при чрезмерном давлении 7-20 кПа. Повреждения характеризуются нарушением наиболее слабых элементов зданий: карнизов, перегородок, дверей, окон и др. Повреждения зданий всех типов возникают при чрезмерном давлении 3-5 кПа.

Одной из особенностей ударной волны является относительно большая продолжительность ее действия, которая может достигать нескольких секунд. Ударная волна может проникать внутрь зданий через окна, вентиляционные каналы, дымоходы, щели и другие отверстия. При прохождении ударной волны в середину помещения, в них возможно резкое увеличение давления, что приводит к различным разрушениям. Разряжение, которое возникает вслед за высоким давлением, значительно слабее ударной волны, но увеличивает влияние прямого удара и это необходимо учитывать при спасательных, неотложных и возобновляемых работах.

Основной причиной разрушения жестких конструкция (каменных и деревянных построек, мостовых опор) является начальный удар в момент отражения волны от здания, т.е. давления отражения ударной волны. Подойдя к препятствию, ударная волна отражается (образуя давление отражения ударной волны), происходит торможение масс воздуха, который движется, и чрезмерное давление повышается. Из-за этого на преграду действует удар большой силы, который увеличиваясь вследствие давления отражения.

Во время взрыва под водой также образуется ударная волна в воде. Чрезмерное давление фронта ударной волны при подводном взрыве в десятки раз больше, чем чрезмерное давление во время воздушного взрыва (на одинаковых расстояниях). Время действия повышенного давления, наоборот, в несколько раз меньше, чем во время воздушного взрыва, а скорость распространения ударной волны в воде большая, чем в воздухе. Ударная волна способна разрушать объекты, которые находятся в воде. В результате взрыва на воде, на ее поверхности образуются огромные волны.

Поражение лесных насаждений и разрушение в лесу от ударной волны зависит от мощности и вида боеприпаса, расстоянии от центра взрыва, рельефа местности, состава, полноты, густоты, сомкнутости и возраста насаждений. Поражающее действие ударной волны на лесные насаждения характеризуется чрезмерным давлением в ее фронте. Степень поражения леса может быть разной: от повреждения веток и кроны до частичного разрушения отдельных деревьев и полного разрушения деревьев. Характер повреждения и разрушения в лесу может быть различный: деревья ломаются на высоте 1-3 метра от земли, вырываются с корнями и стволы могут лежать в одном направлении, либо в различных с наложением друг на друга.

Кроме разрушений, ударная волна является причиной пожаров, которые возникают в результате повреждения линий электропередачи и систем газопроводов, взрывов бензохранилищ, складов химических веществ и боеприпасов.

Заключение.

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. Этот случай, изображенный впоследствии в кино, можно было бы назвать анекдотическим, если бы дело не шло о спасении человеческой жизни. К сожалению, взрывные, или ударные волны до сих пор погубили гораздо больше жизней, чем спасли. Но силы природы сами по себе не бывают «злыми» или «добрыми» — все зависит от того, какое применение дает им человек. Так и ударные волны находят себе применение не только на войне, но и при больших взрывах на выброс, намного облегчающих труд на строительстве плотин и каналов, или при открытой разработке полезных ископаемых. Ударные волны применяются при гашении пожаров нефтяных и газовых скважин: мощными потоками воздуха они задувают гигантское пламя, как горящую свечку. Ударные волны сопровождают полет космических ракет при пролете сквозь атмосферу. Мешая при взлете, они, зато помогают приземлению.

Из этого следует, что учение об ударных волнах — необходимая часть новой области науки и техники — звездоплавания, или космонавтики. Ударные волны могут сыграть решающую роль в деле мирного освобождения термоядерной энергии, которая навсегда решит энергетическую проблему для человечества при любом уровне потребления.