从爆炸力学讲起

不爱吱声

/ O, J. O3 {+ ?' q4 D; E    自己搞了十五年的力学研究,研究过各种尺度下很多有趣的问题.从小尺度下的金属塑性变形行为,生物细胞的力学行为,金属的断裂,子弹穿透,到大尺度下的抗冲击的复合材料设计,甚至岩石开裂,统统有过涉猎.

, ]: f; C% I$ f% b    自己很早就动过念头,想把这些年来所积累的那些有趣的力学知识写下来,与更多的人分享那种揭示了自然规律的乐趣.

$ G% ~) [: g; y9 f5 s! ]% N    光说不练假把式,从现在开始,想到哪儿就写到哪,想到什么问题就写什么问题,因此不一定前后连贯.希望最后形成<趣味力学>系列文章,以后不定期更新.如果大家正好有什么自己特别感兴趣的力学问题,可以提出来,如果正好也是我比较了解,可以先写.
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   另外,早期写过两篇文章,放在群组中,大家有兴趣可以看看.
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   1.趣味力学之起皱现象
   http://www.aswetalk.org/bbs/foru ... id=31&fromuid=4
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* W$ ?: O! D) T0 E9 }   2.趣味力学之皮肤上的皱纹
   http://www.aswetalk.org/bbs/foru ... id=32&fromuid=4
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. c: b' `. [3 l2 w: G    最近几年则由于工作的关系,把更多的精力放在了爆炸力学方向.再加上朋友中貌似对这方面感兴趣的比较多,因此,现在,我们就从爆炸力学讲起.
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    爆炸力学是干什么的呢？不妨让我们先来看几张图。
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    图一：500吨高能炸药爆炸后形成的云状爆炸波。

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    图二：原子弹爆炸后形成的蘑菇云--最恐怖的美丽。

# Y9 h: F1 d+ ~0 [/ {    上面两张图中，不管是高能炸药也好，还是原子弹也好，他们共同的特点就是：爆炸物被点燃后，储存在爆炸物的某些能量被以迅雷不及掩耳盗铃之势迅速释放出来，进而在其局部空气中形成强大的冲击波（压力波），有的时候还伴随着诸如高温啊，高速弹体碎片甚至辐射等附加效应，这使得这些爆炸物当然不让地成为杀人越货的首选工具。
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$ l; V, P( }) ~    说到这里，我们可以告诉大家，爆炸力学的研究方向之一就是：从力学的角度研究爆炸的发生和发展规律。不管是化学爆炸，核爆炸，电爆炸，还是其他什么炸,力学家们总是尽可能找到方法，研究各种爆炸物他们的产生冲击波的机制，而更多的是研究冲击波是如何传播，发展，而建立比较有效的数学模型用以描述这些高速冲击波所携带的能量，动量转换过程当然是此类力学研究的努力方向。
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   此外，爆炸力学还研究什么呢？继续看图。
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, F$ |2 ^! g2 v+ W   图三：美国的Cole号驱逐舰在也门遭到自杀式炸弹攻击后的悲惨景象。

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1 P( m. L; ^: t" T  q0 R5 a# V   图四：上图军舰破坏部分的近景图。船体一部分金属挡板已经被炸开，导致海水灌入船体内。
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   上面两张图实际上说得是同一件事儿：军舰在受到自杀式炸弹近距离攻击后，舰体钢板撕裂，形成大面积破坏，甚至导致17名士兵死亡。我们知道，一艘军舰外壳是很厚很厚的钢板（可达到二厘米厚），但显然这么厚的钢板也是抵挡不住普通的炸弹的攻击的。那么我们马上就可以问一个问题：我们能设计更好的船身结构去抵挡爆炸波的攻击么？而寻找这个问题的答案就是爆炸力学的另一个研究方向：研究爆炸效应在结构设计中的应用及如何对其进行更好地防护。这个研究方向主要集中在对“盾”的设计上。

1 [+ `# p1 L: g" R& D; L2 Y! f- T7 h    不过，世界上到底是先有矛还是先有盾呢？在我看来，恐怕还是先有矛的可能性更大一些。而爆炸力学的发展也说明了这一点，对于矛的研究比对盾的研究貌似更丰富多彩一些。大家一起来看看。

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# v7 O. X  v+ q+ l1 @/ B   图五：穿甲弹穿透钢板的瞬间。
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   图六：某步兵车被破甲弹击中后的悲惨景象。

   是的，这里提到了穿甲弹和破甲弹。通过前面介绍，我们已经知道，炸药能产生高强冲击波，也知道爆炸物瞬间产生的能量很好很强大，甚至可以让很厚的钢板撕裂。然而，简单的爆炸后产生的冲击波基本是均匀地向西面八方传播的，这样有一种情况就是，我向敌人扔了颗手榴弹，但是那天没吃饱饭，结果扔得近了点，在炸毁了敌人的同时，向后传播爆炸波把自己也炸到了，这实在是一件让人比较沮丧的事情，能避免最好避免。当然了，愿意做人肉炸弹的不需要为此而沮丧，因为他们与真主同在，my god。
   
   还有更多情况是，我们希望更有效地利用这些能量，那就是需要想办法把这些能量最好集中在某一方向。基本上，这就相当于，力气大的人可以使大锤，以在战场上把人活活砸成相片为主要目的；但没力气使不动大锤的人最好还是选择枪这种比较有前途的武器，把人捅成蜂窝煤，也可以实现用更小的力气达到更大的效果。  
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   在对子弹或者穿甲弹，破甲弹这类“矛”的机理的研究上，爆炸力学找到了广阔的用武之地，显现了其骇人听闻的强大功力。
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9 U7 N! k" ~# v( Q% ]   显而易见,从以上的例子可以很容易看出,爆炸力学在军事工业中特别是武器研制方面具有无与伦比的应用价值.然而,它可并不仅仅局限于此.比如,在交通运输领域,炸药是开山,修路,架桥的必备利器;在矿藏开发方面,石油开采中所广泛使用的射孔技术的不断改进提高正是基于爆炸力学原理;在机械加工领域,在爆炸焊接,爆炸切割等技术中可以见到他那飒爽英姿;甚至对诸如火山爆发、陨石碰撞、星体爆发等自然现象也可应用爆炸力学方法来研究。

3 x9 v% y% \5 ^' X2 F1 ]( t   真可谓,不炸不知道,世界真奇妙.
   

不爱吱声

  m* S+ O  T, e+ x
( C9 |1 {+ \" o. e先占位置,并作个预告,明天开讲shaped charge(见下图)

关键词: shaped charge, hydrodynamics, jet formation, liner collapse, computational shock physics

不爱吱声

有朋友提问:
1 R' Q4 V! K4 c/ s0 z

爆炸释放的机械能究竟是谁提供的：
7 a% X$ @! H0 \6 K$ S, Q9 j) UA 因为产生了数千倍体积的气体，这些气体向外挤压，成为机械功。
- ]% [# a- @8 Q3 i& v, U  s  FB 生成大量气体，但主要是因为生成气体的每个气体分子具有的极高的动量，从而对外做功。
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: c; \1 Z! Y( `) ~4 ]如果主要原因是B，那么爆炸发生后，化学能被释放出来，一部分成为辐射，另一部分为生成气体提供动能。这个从爆炸物的化学能到生成气体动能的转换是怎么进行的？或者说能量怎么从化学键中转换的快速运动的微粒的？

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( @# D/ k7 i! b+ e0 O+ l: X我的答复:

- w7 U9 t" L  k0 L. u# g7 m9 ~这里提到了三个概念：
! j* K. s0 K. k( R: d1。气体向外挤压，成为机械功
2。每个气体分子具有的极高的动量，从而对外做功
3。从化学键中转换的快速运动的微粒的机制

而对这三个概念的理解，恰好可以归纳出（化学炸药）爆炸产生的三要素：化学反应生成气态产物，化学反应的放热性，化学反应的快速性。下面我来具体解释一下。
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9 o$ m' W$ @  g1。化学反应必须有气态产物生成，才会形成爆炸，因为爆炸原本就是高温高压气体快速膨胀导致的。
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2。只有放热反应才会形成爆炸。吸热反应是不会形成爆炸的。这基本上就回答了你的问题：从爆炸物的化学能到生成气体动能的转换是怎么进行的？或者说能量怎么从化学键中转换的快速运动的微粒的？答案就是“热”，化学反应放出的热量是爆炸做功的能源机制。但也不是所有放热反应都产生爆炸，因此爆炸还有第三要素。
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3。这种放热反应必须是快速的。慢速的放热反应不会产生爆炸。举个例子就清楚了，比如说煤燃烧也是放热反应，但是一块煤燃烧可能需要几分钟甚至几十分钟，而同样重量的炸药反应大概也就需要几微妙的时间就把热量都是放出来了，也就是说炸药的爆炸过程要比燃料燃烧过程快数千万倍，尽管实际上炸药释放的总热量并没有煤燃烧释放的热量多。从这个意义上来说，炸药是高功率的能源，而并非高能量的能源。
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另外你提的A和B,实际上是一回事儿，A是从宏观角度（macroscale)理解，B是从微观角度（microscale)理解。宏观的高温压缩气体膨胀向外做功，从微观上来看就是炸药化学键断裂从新结合成气体分子，并且化学反应会导致气体分子高速运动（也就是你说得气体分子具有的极高的动量）。微观上分子高速运动宏观上体现出来就是“高温，放热”，分子之间相互碰撞，也是宏观气体高压产生的根源。

4 z" K- b# L1 ^7 F) b在力学上，人们分析问题尽可能先考虑连续体模型，使用他们的“宏观”特性，因此，力学上分析问题更多地使用气体压力，温度，爆炸波等概念。

老杨

这坑总算开始填了

不爱吱声

老杨 发表于 2012-2-28 22:50
这坑总算开始填了

必须的,不过我好像还有个石油坑没填呢

橡树村

咱也评一次分

魔术师

怎么在“他们与真主同在”后面，又加了一句“my god”呢？太不伦不类了。

荷子

zichi，四年等一回啊

小土豆

请译成阿拉伯文，转哈马斯传阅！

包子

在坑里待了快半年了，赶紧的，我要出去。
+ ]( ^7 E% ?5 f. b) x0 t
老大介绍一下聚能空心装药吧，顺便介绍一下黑索金 奥拓金的家庭制作方案。

猫元帅

军舰那个无解。什么都抵抗不住自然力，而鱼雷神马的就是要调动自然的力量。

不爱吱声

包子 发表于 2012-2-29 05:56
' q% b- P' B" E: l& L在坑里待了快半年了，赶紧的，我要出去。
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( l7 v2 p$ c" F5 H老大介绍一下聚能空心装药吧，顺便介绍一下黑索金 奥拓金的家庭 ...

黑索金 奥拓金的家庭制作方案。

你要干吗?做人肉炸弹...

黑索金是RDX,奥拓金是HMX吧.术业有专攻,我只会用炸药,他们的特性我可以说出个一二来,但可不懂如何制造炸药,咋还出来个家庭制作方案,就是知道也不敢说啊,FBI盯上咋办,坑爹啊.

不爱吱声

猫元帅 发表于 2012-2-29 05:59
* Z# m# B5 v; d$ v) Y0 \  _) u: P军舰那个无解。什么都抵抗不住自然力，而鱼雷神马的就是要调动自然的力量。 ...

可以对船装甲进行结构优化,充分利用材料的性能,最大可能抵抗冲击力.

猫元帅

不爱吱声 发表于 2012-2-29 20:13
# d( z4 R3 X5 ]% [+ _% a  l可以对船装甲进行结构优化,充分利用材料的性能,最大可能抵抗冲击力.

至今为止无解。也许舰体材料的改变有可能达到一定强度。但是又会引起另外的问题。

猫元帅

不爱吱声 发表于 2012-2-29 20:08
# ]) c4 ?) `% g' p. g你要干吗?做人肉炸弹...
  C* ?3 L* k. g+ ^  N
黑索金是RDX,奥拓金是HMX吧.术业有专攻,我只会用炸药,他们的特性我可以说出个 ...

在厨房里制造芥子气并不犯法。

不爱吱声

猫元帅 发表于 2012-2-29 06:14
至今为止无解。也许舰体材料的改变有可能达到一定强度。但是又会引起另外的问题。 ...

3 g! p" d- n2 V: l! U% T' t
2 T  E0 F! ^6 v7 ^舰体所用材料不变,主要是靠结构变化,通过优化,可以增加其单位质量的能量吸收率，完全让舰体"抗住"爆炸波冲击是不可能的,设计主要目的是实现在舰体破坏过程把更多的能量吸收掉,这样就可以保护舰体整体结构,以及内部人员设备.可以类比于汽车的保险杠设计.

皇家骑警总监

不爱是清华力学系出身？

赫然

不爱吱声 发表于 2012-2-29 07:22
' Z0 j9 K. J0 l0 I; B1 y' L舰体所用材料不变,主要是靠结构变化,通过优化,可以增加其单位质量的能量吸收率，完全让舰体"抗住"爆炸波 ...

. |/ l( ?. F# W: u  ^, w有没有办法把一部分压力传导到表皮背后，这样可以使得表皮内外的压力差减小。这样搞几层结构，是不是就可以抗炸而不破坏结构。就像液压封闭结构一样。

不爱吱声

赫然 发表于 2012-2-29 12:49
" U; Y* M% i* O6 R" P- v有没有办法把一部分压力传导到表皮背后，这样可以使得表皮内外的压力差减小。这样搞几层结构，是不是就 ...

你的方向对了，解决方案正是三明治结构, sandwich structure



  {( f8 N' _( U- C! [& j讲完矛，我就讲盾。

机器猫

不爱原来是研究这个的。那怎么自己还不买枪啊？