pirotechnik15gda / 1 TROCHĘ TEORII / 2 ZJAWISKO WYBUCHU 

Zjawisko wybuchu

Pierwszym człowiekiem który umiał dać odpowiedź na pytania: co to jest wybuch ? Jak się zaczyna i przebiega ? Co to jest moc materiału wybuchowego ?, był francuski uczony XIX wieku P. E. M. Berhelot, także autor pierwszych prac teoretycznych na ten temat. Przy wybuchu zachodzi gwałtowne wydzielenie dużej ilości energii, spowodowane przemianą materiału wybuchowego w gazy wybuchowe. Dlatego w celu lepszego zrozumienia zjawiska wybuchu, należy się zapoznać ze zjawiskiem wydzielenia energii. W 1748 r. M. Łomonosow odkrył prawo zachowania energii. Zgodnie z nim energia nie pwstaje z niczego i nie ginie bez śladu, przechodzi z jednej postaci w drugą. Ażeby wyjaśnić , w jaki sposób energia potencjalna zawarta w materiale wybuchowym zamienia się w energię kinetyczną, należy wspomnieć o molekularnej budowie substancji. Każda molekuła składa się z atomów. Przejście materii z jednego stanu w drugi, w wypadku reakcji chemicznych zachodzi w wyniku zmiany budowy molekuł.
Materiał wybuchowy może w pewnych warunkach wydzielić znaczną ilość energii z powodu przekształcenia jego molekuł ze stanu początkowego w molekuły gazów wybuchowych posiadające dużą prędkość ruchu. W wyniku tego bardzo szybko wzrasta temperatura i ciśnienie gazów wybuchowych. Powoduje to gwałtowne ich rozszerzanie się. Gorące produkty wybuchu zdolne są wykonać pracę i wytworzyć w otaczającym ośrodku falę uderzeniową. Energia wybuchu 1 kg trotylu wynosi 4,18 *106 J. Energia ta teoretycznie wystarczy do podniesienia masy 500 kg na wysokość 1 km . Kawałek drewna w trakcie spalania dostarcza więcej ciepła niż równa mu ciężarem ilość trotylu. Tym niemniej drewno spłonione bez hałasu, zaś ładunek materiału wybuchowego zdolny jest zniszczyć piec z całym domem. Sekret siły materiału wybuchowego zawiera się w ogromnej ilości energii skupionej w czasie i przestrzeni. Wybuch różni się od spalania przede wszystkim prędkością procesu. Podpalając trotyl w jakiejś części ładunku, stwarzamy warunki sprzyjające samoczynnemu przebiegowi reakcji chemicznej. Towarzyszy jej przede wszystkim wydzielenie ciepła. Jeżeli przy tym odprowadzanie ciepła do otoczenia nie jest duże, to może się ustalić równowaga pomiędzy ilością ciepła wytwarzaną w procesie i odprowadzaną do otoczenia. Ponieważ proces ten przebiega powoli, więc samo palenie też przebiega z niewielką prędkością i stabilnie. Wystarczy jednak ładunek palącego się trotylu umieścić w stalowej rurze by zmieniła się sytuacja. Rura utrudnia odpływ gazowych produktów reakcji, unoszących ciepło do otoczenia. Jednocześnie wzrasta ciśnienie i szybkość reakcji chemicznej spalania do wystąpienia wybuchu. W czasie reakcji rozkładu materiału wybuchowego powstają duże ilości gazów, posiadających wysoką temperaturę i wysokie ciśnienie, 109 - 1010 Pa. Produkty gazowe w trakcie rozszerzania wytwarzają uderzenie na warstewkę materiału wybuchowego znajdującego się w stanie nie naruszonym. Pod wpływem tego uderzenia cząsteczki materiału wybuchowego oraz znajdujące się miedzy nimi powietrze są silnie nagrzewane, aż do powstania reakcji wybuchowej. Powstałe w ten sposób produkty gazowe wytwarzają uderzenie na kolejną warstwę materiału wybuchowego. Proces ten ciągnie tak długo dopóki rozkładowi nie ulegnie cały ładunek.
Prędkość ruchu opisanej fali ściskania jest na tyle duża, że ilość przekazywanej energii przez uderzenie jest znacznie większa od ilości energii przekazywanej na drodze wymiany ciepła. To odróżnia wybuch od spalania. Najdoskonalszą formą wybuchu jest detonacja ( jest to największa prędkość w danych warunkach dla konkretnego materiału wybuchowego ). Prędkość detonacji ( większa od prędkości dźwięku w danym ośrodku ) jest jedną z najważniejszych charakterystyk materiału wybuchowego. Trzema czynnikami określającymi siłę wybuchu ( detonacji ) są:
- ciśnienie
- energia wybuchu
- szybkość przemiany reakcji wybuchowej
Ciepłem wybuchu nazywana jest ilość ciepła jaka wydzieli się podczas wybuchowego rozkładu 1 mola lub 1 kilograma materiału wybuchowego. Jest to bardzo ważna cecha materiału wybuchowego. Większa wartość ciepła wybuchu oznacza możliwość wykonania większej pracy. Znajomość ciepła wybuchu, pozwala obliczyć temperaturę gazowych produktów w czasie wybuchu.
Objętość gazowych produktów powstających w czasie wybuchu przewyższa 700 - 900 razy objętość materiału w stanie wyjściowym. Gazy te są nagrzane do 2,5 - 3,5 tysięcy stopni K, co jeszcze bardziej zwiększa ich ciśnienie. Starający się rozszerzyć we wszystkie strony gaz stanowi podstawową siłę uderzeniową wybuchu, zdolną do zniszczenia obiektów znajdujących się w jej zasięgu. Powietrzna fala uderzeniowa jest wynikiem działania silnie ściśniętych i nagrzanych gazowych produktów reakcji wybuchu, która szybko się rozszerzając rozpychają otaczające je powietrze. Powoduje to powstanie bardzo wysokiego ciśnienia. Wartość ciśnienia rozszerzających się produktów wybuchu maleje w miarę odalania się ich od jego centrum. W pewnym momencie od gazów wybuchowych odrywa się fala uderzeniowa i dalej porusza się samodzielnie, aż do wytłumienia jej energii. Przemieszczający się w powietrzu jego ściśnięty obszar nazywamy falą uderzeniową . Kształtem fala uderzeniowa przypomina okrąg. Przed frontem fali znajduje się ośrodek w stanie nie zaburzonym. W bardzo krótkim odstępie czasu i niedużej odległości od środka wybuchu, następuje bardzo szybkie ściskanie powodujące zagęszczenie gazu, rozgrzewanie go i ruch. Ciśnienie po osiągnięciu wartości maksymalnej zaczyna maleć i osiąga wartość ciśnienia atmosferycznego lub niższą. W pobliżu źródła wybuchu rozszerzanie się fali zachodzi z trochę większą prędkością od detonacji. W miarę oddalania się od źródła wybuchu zachodzi proces przejścia energii kinetycznej fali uderzeniowej w energię cieplną i wprowadzenie większych mas ośrodka w ruch, maleje amplituda ciśnienia oraz prędkość fali. W dalszej odległości fala uderzeniowa przechodzi w falę akustyczną, w której cząsteczki wykonują tylko ruch drganiowy a nie postępowy. Przy obliczaniu mocy materiału wybuchowego, należy uwzględnić nie szybkość przemiany wybuchowej, lecz czas rozszerzania się produktów. Przemiana energii w pracę mechaniczną w trakcie wybuchu zachodzi ze znacznymi stratami do których zaliczają się straty:
- chemiczne
- cieplne
- mechaniczne.
Straty chemiczne 30 % spowodowane są tym, że reakcja przemiany chemicznej nie jest pełna. Ogólnie można powiedzieć, że straty związane z nie pełnym przereagowaniem materiału wybuchowego nigdy nie jest pełna. Straty związane z niepełnym przegarowaniem materiału wybuchowego są tym większe im mniejsza jest średnica ładunku. Cała energia materiału wybuchowego z wyjątkiem strat chemicznych strat chemicznych, wydziela się w momencie wybuchu w postaci ciepła i stanowi faktyczna energię cieplna wybuchu. Niestety z istnienia strat cieplnych 40 % nie cała energia wybuchu może być zamieniona na pracę mechaniczną.
Pracę wybuchu 30 % można rozpatrywać jako pracę adiabatyczną rozszerzania się produktów wybuchu czyli takiego rozszerzania , przy którym nie ma wymiany cieplnej pomiędzy produktami wybuchu a materiałem wybuchowym. Pełna zamiana ciepła na pracę mechaniczną w procesie adiabatycznym jest możliwa gdy proces rozszerzenia realizuje się do nieskończenie dużej objętości. Umownie za granicę przyjmuje się wielkość ciśnienia atmosferycznego. Jest to " DOSKONAŁA PRACA WYBUCHU". Efektywność, wyrażona stosunkiem energii idącej na wykonanie pracy pożytecznej do ogólnej energii materiału wybuchowego nie przekracza 5 -6 % .
Nowoczesne rozumienie istoty wybuchu zawdzięczamy pracom rosyjskiego naukowca N. N. Siemionowa, który wszechstronnie rozpatrzył chemiczne i fizyczne aspekty zjawiska wybuchu. Pozwoliło to stworzyć podstawy współczesnej teorii spalania i wybuchu gazów jak i materiałów wybuchowych. W trakcie opracowywania teorii Siemionow wychodził z założenia, że wszystkie procesy wybuchowe i spalania, to przede wszystkim reakcje chemiczne, stąd wszystkie postacie spalania związane są ściśle z pojęciami prawa kinetyki chemicznej. W następnych dziesięcioleciach przedstawił on matematyczne sformułowania procesu samo zapłonu. Wtedy to ustalono prawidłowości rozprzestrzeniania się płomienia i fali wybuchowej, lecz do dziś zjawisko wybuchu nie jest poznane do końca.

Zjawisko kumulacji

W końcu ubiegłego wieku stwierdzono, że wybuch materiału wybuchowego ze sczegulną siłą działa na przeszkodę w tych miejscach , gdzie między przegrodą a materiałem wybuchowym znajdowała się pusta przestrzeń. Efekt miejscowego wzmożenia wybuchu nazwano zjawiskiem kumulacji. Wzrasta on zwłaszcza, gdy pusta przestrzeń wyłożona warstwą metalu tworzy metalową wkładkę. W 1910 roku E. Neumann opatentował ładunek kumulacyjny z wkładką papierową potem metalową. Patent ten nie był potwierdzony badaniami. W latach 1923 - 26 w ZSSR M. Sucharewski ustalił zależność głębokości przebicia przeszkody od kształtu wydrążenia kumulacyjnego w ładunku materiału wybuchowego bez wkładki. Od 1935 roku w szczególnie w Niemczech prowadzono prace nad wojskowymi zastosowaniami ładunków kumulacyjnych.
Istota działania zjawiska kumulacji polega na tym, że działanie wybuchu jest skumulowane w jednym kierunku tzn. wzdłuż osi ładunku poczynając od miejsca pobudzenia na wierzchołku. Po wybuchu ładunku wybuchowego cząsteczki gazów i metalu wkładki kumulacyjnej poruszają się prostopadle do jej powierzchni, tworząc szereg strug. Wzajemne oddziaływanie tych strug powoduje zmianę kierunku ich ruchu. W pewnej odległości od podstawy ładunku strugi te poruszają się równolegle względem siebie.

Strumień kumulacyjny


Odległość ta nosi nazwę ogniskowej ładunku kumulacyjnego, a przekrój poprzeczny strumienia kumulacyjnego w tym miejscu ma najmniejszą powierzchnię. Ma tu miejsce największa koncentracja energii strumienia. Poza ogniskową strumień kulminacyjny szybko zwiększa swój przekrój poprzeczny, a dzieje się tak w następstwie promiennego rozszerzania się sprężonego materiału strumienia. Największy efekt kulminacyjny można uzyskać, gdy przebijany element znajduje się w odległości równej ogniskowej, licząc od podstawy ładunku. Do wykonywania wkładek kumulacyjnych najlepsze są metale mające dużą gęstość i plastyczność, oraz stosunkowo dużą temperaturę topnienia. Metale kruche takie jak tytan, wolfram i ich stopy tworzą strumień drobnych cząsteczek. Początkowo przebicie kumulacyjne porównywane było z przepalaniem za pomocą palnika acetylenowego. Badania wykazały, że mechanizm przebijania kumulacyjnego jest jednak inny i można go lepiej wytłumaczyć za pomocą hydrodynamiki. W strefie zderzenia w wyniku gwałtownego sprężenia materiału przeszkody i strumienia powstaje temperatura rzędu 10000 K. W przeszkodzie tworzy się krater w wyniku działania ciśnienia dynamicznego, powstałego ze zderzenia się kolejnych elementów strumienia z przeszkodą oraz w wyniku temperatury.
W oparciu o zjawisko kumulacji opracowano nowy typ pocisku artyleryjskiego, zwanego pociskiem kumulacyjnym. Pierwsze tego typu pociski zastosowali Niemcy w czasie wojny domowej w Hiszpanii w latach 1936 -39. Były też stosowane w czasie II wojny światowej. Poza ojskiem opracowano szereg typów ładunków kumulacyjnych dla potrzeb przemysłu. :)

 
   1 TROCHĘ TEORII
      2 ZJAWISKO WYBUCHU
      3 POBUDZENIE WYBUCHU
      4 NITROWANIE
      5 MATERIAŁY WYBUCHOWE
      6 MIESZANINY WYBUCHOWE
   2 WYROBY
   PODSTAWY
   FORUM
   Pirotechnik15gda
 
Copyright ©2007 by pirotechnik15gdahttp://www.stronaw24.zafriko.pl

solllen22222^^^^^^gren

Kreator Stron www