Взрыв металла при ударе как гипотеза в физике

Взрыв металла при ударе как гипотеза в физике

Взрыв металла при ударе как гипотеза в физике

Определение 1

Взрыв металла при ударе – это гипотеза о резком изменении физического состояния металла в результате интенсивного выделения в нем энергии при ударном торможении проводника, предполагающая, что энергия, которая выделяется при взрыве существенно больше энергии движения металлического тела до его соударения.

Гипотезу о выделении из металла энергии, которую искусственно внесли в вещество при металлургическом процессе, выдвинул еще в 1929 голу В. П. Глушко.

Исследователь показал, что:

  • Металл может служить взрывчатым веществом.
  • Уран – это лучшее взрывчатое вещество среди металлов.

Глушко проводил анализ электрического взрыва металлов.

Замечание 1

Гипотеза о взрыве металла при ударе подвергается резкой критики со стороны большинства физиков.

Так, например, невозможность выделения энергии из металла объясняется тем, что энергия связи в нем меньше нуля (отрицательна) и не способна превратиться в положительную кинетическую энергию атомов.

Дополнительную энергию, которая возникает при ударе снаряда о броню, объясняют физическими и химическими процессами, происходящими при взаимодействии соударяющихся объектов.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Новое явление в физике?

В МГТУ им. Баумана проводятся исследования анализа ядерно-физических процессов, которые может вызвать инерциальный взрыв металлов.

Ученые заявляют, что наблюдают новое физическое явление, которое называют инерциальным взрывом металлов. Это явление происходит при соударении металлических тел, которые обладают скоростью взаимного сближения около $103 – 1,7 \bullet 103 \frac{м}{с}$.

Взрыв металлов при этом объясняется полным или фрагментарным срывом электронного облака в результате удара металлического тела о преграду из металла, которое сопровождает полное или частичное взаимное расталкивание ионов в узлах кристаллической решетки.

Структура металлов известна:

  • ее основой является кристаллическая решетка, в узлах которой располагаются положительно заряженными ионами;
  • пространство между ионами заполняют электроны, несущие отрицательные заряды. Хаотическое перемещение электронов уподобляют движению молекул газа.

Твердое тело способно сохранять свою форму из-за динамического равновесия электростатических сил ионов друг с другом и с электронным газом. Данное равновесие обеспечено электрической нейтральностью ионно-электронной системы. Нарушение равновесия приводит к разрушению решетки, то есть кулоновскому взрыву металла.

В процессе удара металлическое тело деформируется и повышает свою температуру, кристаллическая решетка вещества может разрушаться.

К примерам взрывов металлов относят взрывы металлических метеоритов при ударах о поверхность Земли.

Среди метеоритов выделяют:

  • железные метеориты,
  • железокаменные метеориты,
  • каменные метеориты.

Железные метеориты имеют в своем составе: $89,7$ %- железа; $9,1$% — никеля; $0,62$ %- кобальта.

Металлические метеориты обладают кристаллической структурой с металлической связью, которая может разрушаться при ударе о твердую поверхность.

Вероятность взрыва метеорита связана со скоростью ($v$) встречи его и земной поверхности.

  1. При $v$ < $103 \frac{м}{с}$ метеорит не будет разрушен.
  2. Если $2\bullet 103$ < $v$ < $4\bullet 103 \frac{м}{с}$ удар будет сопровождаться сильным взрывом, при котором произойдет испарение металла (возможно частичное).

Значит, что при скоростях заключенных в интервале $2\bullet 103$ < $v$ < $4\bullet 103 \frac{м}{с}$ кристаллическая решетка метеорита претерпевает необратимые измерения, которые ведут к ее распаду.

https://www.youtube.com/watch?v=fFuA8XC8tIM

Решетка будет разрушена целиком, если до удара о поверхность метеорит обладал кинетической энергией, равной:

$E\geq \frac{m_p A v2}{2q_e}\approx 4,48 $ эВ/атом (1),

где $m_p$ — масса протона; $A$ — атомная масса железа; $q_e$ — заряд электрона. Напомним, что энергия металлической связи железа равно $E_{sv}=4,29$эВ/атом.

Основываясь на том, что получили $E \approx E_{sv}$ можно сделать вывод о том, что взрыв металлического тела при ударе может произойти, если

$v \geq \sqrt{\frac{2E}{m}}\approx 104 \sqrt{\frac{2E_{sv}}{A}}(2).$

Вероятность того, какая доля металлического тела будет разрушена в ходе взрыва, зависит от отношения кинетической энергии атома материала к энергии связи, стремящейся сохранить кристаллическую решетку без изменений.

$f=\frac{E}{E_{sv}}.$

Чем более близко данное отношение к единице, тем больше вероятность, что большая доля ударяющегося металлического тела будет разрушена.

Критика изложенной выше теории

И так, авторы гипотезы об ударном взрыве металла в описанном выше случае полагают, что в ходе удара металлического тела о преграду, кристаллическая решетка металла остановилась, при этом электроны продолжили движение. Часть электронов ушла из пространства между ионами решетки, в результате ионы отталкиваются друг от друга, что и ведет к взрыву вещества.

Однако надо учитывать, что ионы кристаллической решетки металла нельзя назвать жестким единым массивом (в масштабах микромира), при этом большая часть массы металла сосредотачивается именно в узлах решетки. Электронный газ играет малую роль, так как имеет незначительный атомный вес, большую подвижность и относительно тесную связь с узлами решетки.

При контакте (в ходе удара) металлов узлы решеток разных металлических тел сближаются между собой. Происходит надавливание дальних перемещающихся слоев решетки тела и мишени.

Если скорости достигают критических значений, то идет деформация электронных облаков, баланс «своих» электронов нарушается (происходит ограниченная атомная реакция), с частичным слиянием электронных оболочек и видоизменению ядер.

При таких условиях металл способен вести себя как распадающееся вещество, при этом выделяется энергия связи.

Возможно, так же возникновение колебаний в плотности электронного газа, которое связано со сдвигом узлов решетки, сопровождающееся веерообразным рассеиванием и разрывами связей атомов мишени.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskie_gipotezy/vzryv_metalla_pri_udare_kak_gipoteza_v_fizike/

Основные физические явления, происходящие при

Взрыв металла при ударе как гипотеза в физике

Взрыве

В подавляющем большинстве случаев взрывы производятся с целью определенного воздействия на среду, окружающую источник взрыва.

Из опыта известно, что взрыв заряда, не имеющего большого различия в размерах по всем измерениям на расстояниях порядка среднего размера заряда, эквивалентен по действию взрыву сферического заряда той же массы. Поэтому будем считать, что заряд имеет сферическую форму.

Выясним основные физические закономерности, происходящие при взрыве.

Если бы взрыв происходил в вакууме (например, в космосе), то продукты взрыва, обладая определенным давлением, беспрепятственно расширялись бы, подчиняясь законам нестационарного движения.

При этом в каждый заданный момент времени распределение давления, плотности и скорости продуктов взрыва на различных расстояниях от места взрыва будет различным.

Давление и плотность наименьшими будут во внешних областях и наибольшими – во внутренних областях продуктов взрыва, а скорость газа, наоборот, будет наибольшей во внешних областях и наименьшей – во внутренних. В случае сферического заряда в центре взрыва скорость будет, очевидно, равна нулю.

Расширение продуктов взрыва в неограниченном «пустом» пространстве будет происходить неограниченно, причем плотность и давление на границе продуктов взрыва будут равны нулю.

Наибольшая скорость истечения газов wmax будет на границе продуктов взрыва и для сферического заряда, когда продукты взрыва газообразные, определяется выражением:

где kср – средний показатель адиабаты процесса расширения.

Для типичных ВВ qV = 4184 кДж/кг; kср = 1,25; wmax = 10607 м/с.

При использовании гипотезы мгновенной детонации

м/с.

В случае взрыва конденсированных ВВ, когда в начальной стадии продукты взрыва не являются идеальным газом, эти простые формулы несколько усложняются. Величины же наибольших скоростей истечения остаются почти теми же: при реальной детонации – wmax » 12000 м/с, при мгновенной – wmax » 10000 м/с.

При детонации наиболее мощных ВВ (например, гексогена) предельные скорости истечения достигают 18000 м/с.

В случае взрыва в какой-либо среде процесс разлета продуктов взрыва будет происходить несколько иначе, чем при разлете в пустоту. Могут возникнуть два принципиально различных режима разлета. При разлете продукты взрыва на границе заряда начнут взаимодействовать со средой, окружающей заряд.

В случае очень плотной среды граница разлета между зарядом и средой начнет медленно двигаться от центра заряда. Если процесс взрыва протекал детонационно, то продукты детонации, движущиеся за фронтом детонационной волны, будут двигаться быстрее, чем граница раздела, и набегая на нее, будут сжиматься.

Давление продуктов детонации у границы раздела будет в первые моменты времени после окончания детонации возрастать; лишь по истечении некоторого времени давление продуктов детонации начнет падать.

Дело в том, что по продуктам детонации пойдет от границы раздела вглубь ударная волна, являющаяся следствием удара продуктов детонации о среду (то есть отраженная от окружающей среды) и лишь, дойдя до центра, ударная волна «превратится» в волну разрежения, и тогда везде в продуктах взрыва давление начнет падать.

Если среда не очень плотная, то граница раздела между продуктами детонации и средой будет двигаться быстрее, чем продукты детонации, и с самого начала процесса расширения давление в продуктах взрыва будет падать. В этом случае по продуктам взрыва сразу пойдет волна разрежения, а по среде, сразу вовлекаемой в движение, пойдет ударная волна.

Картина взрыва, как видите, значительно усложняется по сравнению со взрывом в пустоте, и, говоря о взрыве, нужно определять не только параметры продуктов детонации, но и среды, вовлеченной в движение.

Однако, даже не развивая теории разлета продуктов взрыва, можно оценить расстояния, на которых действие продуктов взрыва уже практически не будет сказываться, а также оценить расстояния, на которых будет действовать ударная волна, распространяющаяся в среде, окружающей источник взрыва.

При взрыве в неограниченной среде продукты взрыва через некоторое время после начала разлета займут предельный объем vпред, отвечающий остаточному давлению продуктов взрыва, равному давлению окружающей среды .

Среднее начальное давление продуктов взрыва:

При k = 3

При V = Vпред давление pпред = .

Вычислим предельный объем продуктов взрыва Vпред.

Для типичных ВВ до давлений » 200 МПа продукты взрыва расширяются по закону pV 3 = const, то есть pн срV03 = pкVк3.

При p < мы считаем, что расширение происходит по закону p = const, то есть pкVкk = pаVаk, где k =1,2-1,4. Тогда

Для типичных ВВ r 0 = 1600 кг/м3, D = 7000 м/с, тогда

Па » 10000 МПа.

pa = 0,1 МПа.

При k = 1,4

При k = 1,2

Таким образом, продукты взрыва типичных ВВ расширяются примерно в 850-2000 раз. В случае сферического взрыва предельный радиус объема, занятого продуктами взрыва, будет в 9,5-12,8 раз больше начального радиуса заряда r0.

То есть мы можем утверждать, что действие продуктов взрыва ограничено весьма небольшими расстояниями.

«Диффузия» продуктов взрыва в среду происходит, но довольно медленно, поэтому на момент окончания разлета продуктов взрыва можно говорить о наличии границы разлета.

Энергия «застрявшая» в продуктах взрыва:

Начальная энергия взрыва: = r0V0 qV = mqV, где m – масса ВВ.

Энергия, перешедшая в ударную волну:

Отсюда

Оценим это отношение. Пусть qV = 4184 кДж/кг, r0 = 1600 кг/м3.

При k = 1,4 и

При k = 1,2 и

Результаты этого расчета завышены примерно в 2 раза, так как поверхностный слой ВВ «сгорает» с неполным выделением энергии, поэтому выделяемая энергия составляет примерно (0,8 – 0,9). Кроме того, часть продуктов взрыва до установления состояния равновесия будет двигаться к центру взрыва и уносить примерно треть выделившейся энергии.

Оценим размеры области заметного действия ударной волны в воздухе, образующейся при взрыве. При ударе продуктов детонации о воздух начальное давление на фронте ударной волны достигает 70-130 МПа, причем это давление быстро спадает со временем.

Известно соотношение, связывающее скорость газа со скоростью ударной волны:

то есть

Если предельный объем

то объем, занятый ударной волной:

При k = 1,4 и Vуд пред = 0,728 Vпред = 612V0.

При k = 1,2 и Vуд пред = 0,331Vпред = 687V0.

При этом путь, пройденный ударной волной к этому моменту более, чем в раз больше пути, пройденного границей раздела, то есть это расстояние в 11,4-14 раз больше радиуса заряда.

Среднее давление воздуха в ударной волне, считая всю энергию заторможенной, будет

Для k = 1,4 pуд ср £ 0,47 МПа, для k = 1,2 pуд ср £ 2,03 МПа.

В дальнейшем среднее давление будет падать примерно пропорционально , где r – расстояние от центра взрыва. На расстоянии 25r0 pуд ср £ 1 МПа.

В дальнейшем падение давления будет менее интенсивным, а сама ударная волна уже не будет сильной.

Поэтому, если разрушения определяются давлением ударной волны, то расстояние в (25 -50)r0можно считать предельным в смысле ее сильного воздействия на среду.

Рассмотрим принципиальные особенности действия взрыва в неограниченной жидкости (в воде).

Расширение продуктов взрыва будет происходить более медленно, чем в воздухе, вследствие большей сопротивляемости воды на сжатие, однако размеры полости при p = pa, заполненной продуктами взрыва будут теми же, что и в воздухе. Если взрыв глубинный, то предельный объем полости, естественно, уменьшится.

Поле возникающей ударной волны будет резко отличаться от поля воздушной ударной волны:

– начальное давление на фронте, которое в воздухе для самых мощных ВВ не превышает 150-200 МПа, в воде будет для типичных ВВ порядка 15000 МПа;

– вследствие малой сжимаемости воды ее температура будет увеличиваться незначительно, при этом рост энтропии тоже будет небольшим и, следовательно, перешедшая в ударную волну энергия будет тратиться не на нагрев воды, а на перемещение волны.

Таким образом, действие ударной волны будет несколько более сильным, чем в воздухе.

Форма ударной волны в воде будет сильно отличаться от формы воздушной ударной волны: падение давления, плотности и скорости за фронтом будет очень резким, то есть наибольшая плотность энергии в ударной волне будет локализована в очень узкой зоне.

Предельные расстояния, на которых еще проявляется значительное действие взрыва, имеют приблизительно те же значения, что и при взрыве в воздухе.

Сильное разрушительное действие взрыва проявляется в объеме, занимаемом продуктами взрыва. Действие водяной ударной волны в объемах, больших, чем объем, занятый продуктами детонации, уже незначительно, несмотря на большую величину начальных давлений, поскольку давление весьма быстро падает.

Следует заметить, что, говоря о сильном воздействии взрыва, имеется в виду его действие на конструкции, сооружения и т.п., а не на человека.

Действие взрыва в неограниченном грунте сказывается в объемах, соизмеримых с объемом расширения продуктов взрыва до атмосферного давления. Действие взрыва у свободной поверхности, как известно, сопровождается появлением воронки, радиус которой

R ~ .

При этом происходит выброс грунта на расстояние, превышающее на 1-2 порядка размеры воронки. Ударная волна, которая образуется при этом в грунте, по своим свойствам несильно отличается от ударной волны, распространяющейся в воде.

Действие взрыва в неограниченной металлической среде проявляется в объемах, значительно меньших, чем предельный объем продуктов детонации, причем объем определяется величиной давления, еще производящего заметные пластические деформации металла. Для стали это давление более 1000 МПа, следовательно, получается объем, который лишь в два с небольшим раза превосходит начальный объем ВВ.

При взрыве у свободной поверхности металла или внутри нетолстой металлической облицовки часть металла будет дробиться, и действие взрыва будет сопровождаться осколочным действием.

Список литературы

1. Бартльме Ф. Газодинамика горения. М.: Энергоиздат, 1981.

2. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.

3. Будников М.А. и др. Взрывчатые вещества и пороха. М.: Оборонгиз, 1955.

4. Зельдович Я.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980.

5. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. 2-е изд. М.: Энергия, 1974.

6. Коровин Н.В. и др. Курс общей химии. М.: Высшая школа, 1990.

7. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия, 1977.

8. Теплотехника. Под ред. Г.А.Матвеева. М.: Высшая школа, 1981.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/6_2228_predelnie-usloviya-ustoychivosti-detonatsii.html

Booksm
Добавить комментарий