Ударна хвиля

Приклад ударної хвилі, створеної ядерним вибухом

Ударна хвиля(визначення)

FA-18 Hornet долає звуковий бар'єр

Ударна хвиля — це ділянка сильного стиснення повітря, розігрітого до декількох мільйонів градусів, що поширюється з надзвуковою швидкістю (335 м/с) в усі сторони від центру вибуху. Джерелом виникнення ударної хвилі є високий тиск у центрі вибуху, що досягає 105 млрд Па. Вона складається із зони стиснення (де тиск вище атмосферного) і зони розрідження (тиск нижче атмосферного). Уражаюча дія ударної хвилі визначається двома параметрами: надмірним тиском ДРФ і швидкісним напором ДРШИ повітря.

Надмірний тиск — (ΔРф) — це різниця між нормальним атмосферним тиском перед фронтом хвилі й максимальним тиском у фронті ударної хвилі Рс, тобто ΔРФ = Рф — Ро. Одиницею надмірного тиску в системі СІ є паскаль (Па), несистемна одиниця кгс/см2, 1 кгс/см2 = 9,80665 · 104 Па ≈100 кПа.

Швидкісний напір тиску (ДРШВ) — це динамічне навантаження, яке створюється потоком повітря. Так само, як і надмірний тиск, швидкісний напір вимірюється в паскалях (Па).

Тривалість дії ударної хвилі [math]% MathType!MTEF!2!1!+- % feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn % hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr % 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9 % vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x % fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamiDamaaBa % aaleaacaWG5bGaamizaaqabaaaaa!3903! ${t_{yd}}$[/math] — вимірюється секундами. Ця величина залежить від потужності вибуху q. Зі збільшенням потужності вибуху, час дії стискання збільшується і тим сильніша її уражаюча сила. Ударна хвиля викликає ураження в результаті дії надмірного тиску, швидкісного напору повітря, вона миттєво охоплює людину з усіх боків.

Термодинаміка ударної хвилі

З макроскопічної точки зору ударна хвиля являє собою уявну поверхню, на якій термодинамічні параметри середовища (які, як правило, змінюються в просторі безперервно) відчувають переборні особливості: кінцеві скачки. При переході через фронт ударної хвилі змінюються тиск, температура, щільність речовини середовища, а також швидкість її руху щодо фронту ударної хвилі. Всі ці величини змінюються не незалежно, а пов'язані з однією-єдиною характеристикою ударної хвилі, числом Маха. Математичне рівняння, що зв'язує термодинамічні параметри до і після проходження ударної хвилі, називається ударною адіабати, або адіабати Гюгоньо.

Ударні хвилі не мають властивість адитивності в тому сенсі, що термодинамічний стан середовища, що виникає після проходження однієї ударною хвилею можна отримати послідовним пропусканням двох ударних хвиль меншої інтенсивності.

Виникнення ударної хвилі

Звук являє собою коливання щільності середовища, що поширюються в просторі. Рівняння стану звичайних середовищ таке, що в області підвищеного тиску швидкість звуку (тобто швидкість розповсюдження збурень) зростає (тобто звук є нелінійною хвилею). Це неминуче призводить до явища перекидання рішень, які і породжують ударні хвилі.

У силу цього механізму, ударна хвиля в звичайному середовищі - це завжди хвиля стиснення. Однак у тих системах, в яких швидкість розповсюдження збурень зменшується із зростанням щільності, спостерігатиметься ударна хвиля розрідження.

Описаний механізм пророкує неминуче перетворення будь звукової хвилі в слабку ударну хвилю. Однак у повсякденних умовах для цього потрібна дуже великий час, так що звукова хвиля встигає згаснути раніше, ніж нелінійності стають помітні. Для швидкого перетворення коливання щільності в ударну хвилю потрібні сильні початкові відхилення від рівноваги. Цього можна домогтися або створенням звукової хвилі дуже великій гучності, або механічно, шляхом навколозвукових руху об'єктів в середовищі. Саме тому ударні хвилі легко виникають при вибухах, при близько- і надзвукових рухах тіл, при потужних електричних розрядах і т.д.

Ударні хвилі в спеціальних умовах

Zanimatelnye-opyty-po-fizike.jpg

1)Ударна хвиля, шляхом нагрівання середовища, може викликати екзотермічну хімічну реакцію, що, у свою чергу, відіб'ється і на властивостях самої ударної хвилі. Такий комплекс «ударна хвиля + реакція горіння» носить назву хвилі детонації.

2)У астрофізичних об'єктах ударна хвиля може рухатися зі швидкостями, близькими до швидкості світла. У цьому випадку ударна адіабата модифікується.

3)Ударні хвилі в замагніченій плазмі також володіють своїми характерними особливостями. При переході через розрив, змінюється також і величина магнітного поля, на що витрачається додаткова енергія. Це тягне за собою існування максимально можливого коефіцієнта стиснення плазми при скільки завгодно сильних ударних хвилях.

4)Дотичні ударні хвилі являють собою поверхню розриву змішаного (нормального і тангенціального) типу.

Наслідки для живих організмів

При зіткненні фронту ударної хвилі з людиною чи твариною на тіло діє великий тиск і це відчувається як удар. Цей удар створює хвилю стискання, яка поширюється в тканинах і органах з великою швидкістю до 1500 м/с. Тканини й органи не встигають відреагувати (змінити форму, стиснутися або розширитися), тому на деякі з них діє тиск, який значно більший, ніж вони можуть витримати і, звичайно, відбуваються пошкодження органів. Ступінь пошкодження тканин і органів залежить від тиску ударної хвилі, швидкості її поширення. Особливо сильно пошкоджуються органи, наповнені газами (легені, кишечник), кров'ю (печінка, селезінка, великі судини) і ті, які мають порожнини і наповнені рідинами (жовчний міхур, шлунок, сечовий міхур). При дії вибухової хвилі проходить сильне стискання, а потім дуже швидке розширення повітря, яке знаходиться в органах, що призводить до розриву значної кількості тканин.

В органах, наповнених рідиною, в паренхіматозних органах, у яких міститься багато крові, під дією хвилі стискання проходить потужний гідравлічний удар. У зв'язку з тим, що рідини практично не стискуються при дії на них тиску, вони згідно із законом гідродинаміки передають його в усі боки з однаковою силою і швидкістю, то призводить до розриву органів і великих кровоносних судин. Винятком є рідини, які знаходяться в черепі й хребті, тому що вони захищені від зовнішньої дії кістковою тканиною. Тиск у черепі найнижчий і кров з інших органів надходить через міжхребцеві і яремні вени в судини мозку. Через те, що черепна коробка малоеластична і мозкова тканина мало стискається, створюються умови для гідравлічного удару черепно-мозкової рідини об тканини мозку і удару мозку об черепну коробку.

Таким чином, пошкоджуються головний і спинний мозок, але частіше і сильніше пошкоджуються легені.

Залежно від надмірного тиску і швидкісного напору повітря виникають різні пошкодження у людей і тварин, які за складністю ураження поділяються на легкі, середні і дуже важкі.

Легкі травми виникають при надмірному тиску 20—40 кПа (0,2— 0,4 кгс/см2) і характеризуються вивихами, тимчасовим пошкодженням слуху, контузією.

Середні травми виникають при надмірному тиску 40—60 кПа (0,4—0,6 кгс/см2) і виявляються в контузії, пошкодженні органів слуху, вивихах кінцівок, кровотечі з носа і вух, розривах барабанних перетинок.

Важкі травми виникають при надмірному тиску 60—100 кПа (0,6—1 кгс/см2) і характеризуються важкими контузіями, переломами кінцівок, часто відкритими, сильними кровотечами з носа і вух.

Дуже важкі травми виникають при надмірному тиску понад 100 кПа (більше 1 кгс/см2). Для них характерні переломи кісток, розриви внутрішніх органів (печінки, селезінки, нирок, легенів та інших), відкриті переломи кінцівок, струси мозку, переломи хребта.


Поділ за степенем ураження

Територія, на якій під впливом уражаючих факторів ядерного вибуху виникли руйнування будівель і споруд, пожежі, радіоактивне забруднення місцевості й ураження людей і тварин, називається осередком ядерного ураження.

Зовнішньою межею ядерного ураження вважається умовна лінія на місцевості, де надмірний тиск повітряної ударної хвилі 10 кПа.

З метою визначення характеру руйнувань і встановлення обсягу рятувальних та інших невідкладних робіт залежно від надмірного тиску у фронті ударної хвилі осередок ядерного ураження умовно поділяють на чотири зони.

Зона повних руйнувань характеризується надмірним тиском 50 кПа і руйнуванням або сильною деформацією всіх несучих конструкцій і елементів споруди, утворенням суцільних завалів. Підземні (підвальні) частини споруд значно менше руйнуються. Повністю руйнуються житлові та виробничі споруди, протирадіаційні укриття (ПРУ), герметичні сховища поблизу центру вибуху. До 75 % герметичних сховищ і до 90 % підземних комунально-енергетичних мереж зберігаються.

Зона сильних руйнувань має надмірний тиск від 50 до ЗО кПа. Руйнування виникають при надмірному тиску: багатоповерхових будинків — 25—ЗО кПа, малоповерхових будівель — 25—35 кПа, споруд виробничого типу — 30—50 кПа. Деформується більша частина несучих конструкцій. Можуть залишатися частково стіни і перекриття нижніх поверхів. Утворюються завали.

У зоні середніх руйнувань більшість несучих конструкцій зберігається, лише частково деформується. Зберігається основна частина стін з можливими тріщинами в зовнішніх стінах і провалами в окремих місцях, але при цьому другорядні та частина несучих конструкцій можуть бути зруйновані повністю. Герметичні сховища і частина ПРУ не пошкоджуються. Середніх руйнувань зазнають багатоповерхові споруди при надмірному тиску 10—20 кПа, малоповерхові будівлі — 15—25 кПа, виробничі споруди — 20—30 кПа. На комунально-енергетичній мережі деформуються і руйнуються окремі опори повітряних ліній електропередачі, пошкоджуються технологічні трубопроводи.

У зоні слабких руйнувань руйнуються вікна, двері, легкі перегородки, з'являються тріщини, в основному в стінах верхніх поверхів. Підвали й нижні поверхи зберігаються. Незначні руйнування і пошкодження на комунально-енергетичній мережі.

Слабкі руйнування будівель усіх типів виникають при надмірному тиску 7—20 кПа.

Пошкодження характеризуються порушенням найбільш слабких елементів будівель: карнизів, перегородок, дверей, вікон та ін. Пошкодження будівель усіх типів виникають при надмірному тиску 3—5 кПа.

Однією з особливостей ударної хвилі є відносно велика тривалість дії, яка може досягати кількох секунд. Ударна хвиля може проникати всередину будівель через вікна, вентиляційні канали, димарі, щілини та інші отвори. При надходженні ударної хвилі у середину приміщень, у них можливе різке збільшення тиску, що призводить до різних руйнувань.

Розрідження, яке виникає в результаті високого тиску, значно слабше за ударну хвилю, але збільшує вплив прямого удару, і це необхідно враховувати під час рятувальних, невідкладних і відновних роботах.

Основною причиною руйнування жорстких конструкцій (кам'яних і дерев'яних будов) буде початковий удар у момент відбивання хвилі від будівлі, тобто тиск відбивання ударної хвилі. Підійшовши до перешкоди, ударна хвиля відбивається, утворюючи тиск відбивання ударної хвилі (АРвід). відбувається гальмування мас повітря, що рухається, і надмірний тиск підвищується. Через це на перешкоду діє удар великої сили, який збільшився внаслідок тиску відбивання.

Тиск відбивання можна розрахувати за формулою [math]% MathType!MTEF!2!1!+- % feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn % hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr % 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9 % vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x % fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeuiLdqKaam % iuamaaBaaaleaacaWG2bGaamyAaiaadsgaaeqaaOGaeyypa0JaaGOm % aiabfs5aejaadcfadaWgaaWcbaGaamOzaaqabaGccqGHRaWkdaWcaa % qaaiaaiAdacqqHuoarcaWGqbWaaSbaaSqaaiaadAgaaeqaaaGcbaGa % euiLdqKaamiuamaaBaaaleaacaWGMbaabeaakiabgUcaRiaaiEdaca % WGqbWaaSbaaSqaaiaaicdaaeqaaaaaaaa!4C20! $\Delta {P_{vid}} = 2\Delta {P_f} + \frac{{6\Delta {P_f}}}{{\Delta {P_f} + 7{P_0}}}$[/math]

де ΔРvid – тис відбування; ΔРf — надмірний тиск фронту ударної хвилі; Рo — атмосферний тиск.

Таблиця 1. Радіуси зон руйнування лісу від впливу вибухової хвилі при потужності вибуху 1000 кг (1 Мт), км

Під час ядерного вибуху під водою також утворюється ударна хвиля. Надмірний тиск фронту ударної хвилі при підводному вибусі в десятки разів більший, ніж надмірний тиск під час повітряного вибуху (на однакових відстанях). Час дії підвищеного тиску, навпаки, у кілька разів менший, ніж під час повітряного вибуху, а швидкість поширення ударної хвилі у воді більша, ніж у повітрі. В цей час утворюється велика хвиля.

Ураження лісових насаджень і руйнування у лісі від вибухової хвилі залежить від потужності та виду боєприпасів, відстані від центру (епіцентру) вибуху, рельєфу місцевості, складу, повноти, густоти, зімкнутості й віку насаджень. Уражаюча дія ударної хвилі на лісові насадження характеризується надмірним тиском на її фронті. Ступінь ураження лісу може бути різний: від пошкодження гілля і крони до часткового ламання окремих дерев і повного руйнування дерев (табл.1). Характер пошкодження і руйнувань у лісі може бути різний: дерева ламаються на висоті 1—3 м від землі, вириваються з корінням і стовбури можуть лежати в одному напрямку, або в різних з накладанням один на одного.



Розрахунки

Для приблизного порівняння радіусів зон ураження ударною хвилею вибухів різної потужності можна використати формулу

[math]% MathType!MTEF!2!1!+- % feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn % hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr % 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9 % vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x % fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamOuamaaBa % aaleaacaaIYaaabeaakiaac+cacaWGsbWaaSbaaSqaaiaaigdaaeqa % aOGaeyypa0JaamOuamaaBaaaleaacaaIXaaabeaakmaakeaabaWaaS % aaaeaacaWGXbWaaSbaaSqaaiaaikdaaeqaaaGcbaGaamyCamaaBaaa % leaacaaIXaaabeaaaaaabaGaaG4maaaaaaa!41AB! ${R_2}/{R_1} = {R_1}\sqrt[3]{{\frac{{{q_2}}}{{{q_1}}}}}$[/math]

де R1 — радіус зони ураження (відомий), км; R2 — радіус зони ураження (шукана величина), км; г/, — відома потужність вибуху (тротиловий еквівалент), q1; q2 — шукана потужність вибуху (тротиловий еквівалент), т.

Наприклад, радіус легких уражень при повітряному вибусі потужністю 20 кт досягає 3,5 км. Для визначення радіуса легких уражень людей від ядерного вибуху потужністю 5 Мт підставляємо відомі значення у формулу [math]% MathType!MTEF!2!1!+- % feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn % hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr % 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9 % vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0-yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x % fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamOuamaaBa % aaleaacaaIYaaabeaakiabg2da9iaaiodacaGGSaGaaGynamaakeaa % baWaaSaaaeaacaaI1aGaaGimaiaaicdacaaIWaGaaGimaiaaicdaca % aIWaaabaGaaGOmaiaaicdacaaIWaGaaGimaiaaicdaaaaaleaacaaI % ZaaaaOGaeyypa0JaaGOmaiaaikdacaGGSaGaaGimaiaaisdacaaI5a % aaaa!4A0C! ${R_2} = 3,5\sqrt[3]{{\frac{{5000000}}{{20000}}}} = 22,049$[/math]

Характер руйнувань від ударної хвилі залежатиме від потужності та виду вибуху, рельєфу місцевості, щільності забудови, міцності будівель, матеріалу забудови, технології спорудження та ін.

Список використаних джерел

1) http://pidruchniki.com/19240701/bzhd/udarna_hvilya

2) http://ua.textreferat.com/referat-3815-2.html

3) http://vseslova.com.ua/word/%D0%A3%D0%B4%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0_%D1%85%D0%B2%D0%B8%D0%BB%D1%8F-110669u

4) http://bibliofond.ru/view.aspx?id=492849