Наша сеть партнеров Banwar
ВИБУХ (а. Explosion, blast; н. Explosion, Abschu ß; ф. Explosion; і. Explosion) - процес швидкого фізико-хімічного перетворення речовини, при якому виділяється енергія і відбувається робота. Джерелом енергії вибуху найчастіше служать екзотермічні хімічні (хімічний вибух) і ядерні реакції (ядерний вибух).
Вивільнення потенційної хімічної енергії заряду вибухових речовин результаті детонації або швидкого згоряння (пороховий заряд) призводить до різкого підвищення тиску в його обсязі, що викликає характерний рух навколишнього середовища і продуктів хімічного перетворення. Порожнина, зайнята спочатку зарядом, розширюється, навколишнє середовище деформується і руйнується, окремі її частини набувають значну кінетичну енергію і т.п. Характерна особливість руху середовища під час вибуху - освіту вибухової хвилі , Що розповсюджується по середовищі зі швидкістю, що перевищує або дорівнює швидкості звуку, завдяки чому в рух за короткий час залучаються великі обсяги середовища.
У більш широкому сенсі під вибухом розуміють сукупність хімічних і механічних ефектів, що викликаються швидким виділенням енергії в обмеженому обсязі, не обов'язково пов'язаних із застосуванням вибухових речовин .
Механічні ефекти вибуху обумовлені роботою, совершающейся при розширенні продуктів хімічного перетворення вихідної речовини. Ці ефекти умовно діляться на місцеві (брізантние) форми і фугасні (загальні). Бризантна дію вибуху проявляється в безпосередній околиці заряду, коли вибух відбувається в твердому середовищі або поблизу поверхні твердого тіла, загальне (фугасна) дія - на відстанях, багато великих розмірів заряду, і зводиться до дії вибухової хвилі. Для бризантного дії (ближня зона вибуху) характерно сильне деформування і дроблення середовища, а його загальний ефект (величина воронки викиду, ступінь дроблення і т.п.) визначається імпульсом, про які повідомляється середовищі продуктами детонації, тобто початковим тиском в порожнині вибуху і її розмірами.
Фугасна дія вибуху залежить тільки від енергії заряду, тому що нею визначаються параметри вибухової хвилі (інтенсивність і тривалість). Руйнівна дія вибуху на великих відстанях від заряду пов'язане повністю з параметрами вибухової хвилі. Максимальна робота вибуху залежить від повного запасу енергії в заряді вибухової речовини (теплоти вибуху), властивостей продуктів детонації, форми заряду і властивості середовища. Форма заряду і його детонаційні характеристики істотно впливають лише на брізантние дії вибуху; фугасна дія в значній мірі пов'язано з тими властивостями середовища, від яких залежить повна робота вибуху.
Так як розширення хімічного перетворення вибухової речовини (продуктів детонації) відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем, то енергія, що повідомляється середовищі, дорівнює роботі розширення газоподібних продуктів реакції в порожнині вибуху. Цю роботу найчастіше оцінюють за формулою Чельцова - Бєляєва, тобто як роботу ізоентропіческого розширення продуктів від тиску газового міхура Рн до кінцевого тиску Рк:
де Q - теплота вибуху;
g - показник ізоентропа.
Для повітря Рк = 0,1 МПа і (якщо справедливо умова Рк << Рн) майже вся потенційна енергія заряду переходить в енергію вибухової хвилі. Під час вибуху заряду в гірські породи кінцевий тиск залежить від міцності середовища і може становити помітну частку від початкового тиску.
Під час вибуху заряду в вакуумі (або в атмосфері на великій висоті) потенційна енергія продуктів детонації витрачається на повідомлення їм кінетичної енергії, продукти можуть розширюватися безперешкодно. Швидкість руху продуктів при цьому максимальна на периферії хмари, а тиск - в центрі. У центральній частині заряду довільної форми завжди є безліч точок, в яких швидкість руху дорівнює нулю. Максимальна швидкість розльоту продуктів у вакуумі залежить від теплоти вибуху і при детонації потужних вибухових речовин становить 10-15 км / с.
Під час вибуху заряду в якому-небудь середовищі розширення продуктів детонації буде відбуватися інакше. У момент вибуху заряду в середовищі на всі боки поширюється ударна хвиля , Параметри якої визначаються ударної адіабати середовища і початковим тиском на кордоні заряд - середовище. Якщо акустична жорсткість продуктів детонації вище, ніж середовища, то в продукти поширюється хвиля розрідження, в іншому випадку - також ударна (відображена) хвиля. У першому випадку тиск в продуктах детонації на їх кордоні розділу з середовищем безперервно зменшується, у другому - спочатку стрибком збільшується і потім падає.
Під час вибуху заряду в повітрі (акустична жорсткість якого завжди менше, ніж продуктів детонації) виникає ударна хвиля, за фронтом якої тиск спадає за певним законом. Якщо вибух заряду відбувається в необмеженому середовищі (наприклад, на достатній висоті від поверхні землі ), То розширення продуктів детонації буде відбуватися до тих пір, поки вони не займуть деякий граничний обсяг Vпp, при якому їх тиск врівноважується тиском навколишнього повітря. Для типових вибухових речовин обсяг Vпp приблизно в 800-1600 разів перевищує обсяг вихідного заряду, тому безпосередня дія продукти вибуху можуть надавати на відстанях порядку десятків радіусів заряду Zo. На великих відстанях дію вибуху цілком визначається сформувалася вибуховою хвилею, в яку переходить 80-90% енергії заряду.
Під час вибуху в воді вихід детонаційної хвилі на поверхню заряду призводить до утворення інтенсивної ударної хвилі, що розповсюджується в воді, руху кордону розділу, коливань газового міхура, який спливає до поверхні (див. Підводний вибух ).
Найбільше народно-господарське значення мають вибухи в грунтах та гірських породах . Реальні гірські породи на відміну від повітря і води являють собою багатокомпонентні середовища, що складаються з твердих частинок, рідини ( нафту , Вода) і бульбашок повітря. Крім того, в умовах природного залягання гірські породи проявляють явно виражене шарувату і блочне будова, трещиноватость і т.п. Властивості окремих блоків можуть змінюватися від однієї дільниці до іншої. Це робить вивчення і передбачення результатів вибуху і не завжди вирішуваною завданням. Тим не менш, деякі загальні закономірності вибуху в грунтах можна встановити.
При проведенні промислових вибухів з хімічними вибуховими речовинами ударні хвилі практично ніколи не виникають, тому що тиск продуктів детонації промислових вибухових речовин Rд виявляється менше характерного твори rv2зв для середовища (r - щільність середовища, vзв. - швидкість звуку в ній). Потужні ударні хвилі утворюються тільки при ядерних підземних вибухах на невеликих відстанях від заряду. Так як відношення Rд / rv2зв. характеризує стисливість середовища, яка в даному випадку виявляється малої, то в багатьох випадках можна розглядати грунт як нестисливої рідина. Міцність середовища, як правило, багато нижче тиску детонації Rд і позначається тільки на останніх стадіях розширення вибуховий порожнини, оскільки від величини міцності залежить кінцевий тиск продуктів вибуху в момент припинення руху середовища. Загальна картина руху грунту під час вибуху набагато складніша в порівнянні з вибухами в повітрі і воді, тому що розширення порожнини супроводжується сильним деформацією і руйнуванням породи, прилеглої до заряду (див. вибухове руйнування ).
Після вибуху частина його енергії залишається в середовищі у вигляді пружної енергії залишкових напружень. Так як ударні хвилі при підземному вибуху не виникають, то основна частина енергії витрачається на незворотні деформації середовища в ближній зоні, а енергія випромінюваних пружних хвиль становить малу частку в загальному балансі енергії.
При підземних вибухи навколо порожнини, зайнятої розширеними продуктами детонації, можна виділити зону дроблення, за якою слідує зона радіальних тріщин, і зону пружних деформацій, від кордонів якої випромінюється сейсмічна хвиля. Під час вибуху біля поверхні Землі (вибух на викид) рух грунту ускладнюється впливом сили тяжіння і відсутністю симетрії загальної картини руху. Процеси утворення воронки викиду вивчені експериментально для ряду грунтів як для хімічного, так і для ядерних зарядів, визначені швидкості і зміщення середовища на різних відстанях від заряду.
Якщо вибух заряду проводиться на великій глибині порівняно з радіусом заряду ro, то на поверхню виходять тільки вибухові хвилі і ніяких видимих змін її не спостерігається (див. камуфлетного підривання ). У міру зменшення глибини закладення заряду інтенсивність вибухових хвиль зростає і при деякій глибині викиду грунту не відбувається, але грунт над порожниною вибуху руйнується і обрушується в порожнину - утворюється провальна воронка. При подальшому зменшенні глибини збільшується швидкість викиду частинок грунту і при деякому оптимальному значенні глибини обсяг воронки викиду досягає максимуму. Цей обсяг стає менше в міру подальшого зниження глибини закладення заряду.
Вибухи великого масштабу, що проводяться в народно-господарських цілях, часто є спрямованими (див. спрямований вибух ). Прогнозування результатів вибуху в таких умовах надзвичайно важливо, а теоретичний розрахунок утруднений. Тому велике значення придбали методи моделювання, що дозволяють перевірити вихідні передумови при проектуванні великих вибухів на моделях значно меншого масштабу.
Основний принцип моделювання вибуху в довільному середовищі полягає в тому, що при дотриманні геометричної подоби збільшення лінійних розмірів заряду в n раз поле вибухової хвилі залишиться тим же самим, якщо відстані і час вимірюються в одиницях, в n разів більших вихідних. Граничним випадком цього принципу є енергетичне подобу вибуху, що виходить за умови, що розміри заряду малі в порівнянні з іншими лінійними розмірами.
Відповідно до закону енергетичного подібності, єдиним аргументом завдання є наведене відстань r0 = r / Е1 / 3,
де r - відстань від центру вибуху до точки вимірювання параметрів вибухової хвилі,
Е - енергія вибуху.
При вивченні вибуху в безмежному середовищі було встановлено, що будь-яку з характеристик поля вибухової хвилі pi можна виразити як залежність типу pi = f (r0).
При окремому випадку вибуху в грунтах встановлення законів перенесення від одного масштабу до іншого виявляється більш складним завданням, тому що основне число параметрів визначається не полем вибухової хвилі (для якого зберігається енергетичне подобу), а такими величинами, як сила тяжіння, міцність середовища і т.п. Тому при зміні масштабів вибуху потрібно не тільки дотримуватися геометрична подібність, а й правильно моделювати гірські породи, а також враховувати вплив сили тяжіння. З цих причин в запропонованому М. А. Садовським і В. Н. Родіоновим методі моделювання вибуху на викид, в яких сила тяжіння грає істотну роль, а міцність породи s багато менше тиску продуктів детонації, як породи може бути використаний слабо зв'язаної пісок, а заряд вибухової речовини імітується газовим міхуром з малим тиском газу. При цих умовах в модельних дослідах безрозмірні відносини Р / sgW і R / s зберігаються такими ж, як і при великомасштабних вибухах гірської породи (тут R - тиск продуктів вибуху, g - прискорення сили тяжіння, W - глибина закладення заряду).
Дроблення гірської породи вибухом виявляється не підкоряються простим співвідношенням подібності, тому що на ефекти подрібнення середовища справляє надзвичайно сильний вплив її вихідна тріщинуватість.
Ефекти, характерні для вибуху, спостерігаються при руйнуванні судин, що містять гази під великим тиском (парові котли, патрони "Гидрокс" і т.п.), при електричному пробої діелектриків (іскра, блискавка), при ряді інших фізичних процесів. Удар метеорита об поверхню планети призводить до вибухоподібного утворення кратера (воронки вибуху) і появи вибухової хвилі; стрибкоподібне зміна напруженого стану гірської породи супроводжується появою сейсмічної хвилі ( гірські удари , землетруси ).
Про наукові дослідження в області вибуху см. В статті фізика вибуху .