Fale uderzeniowe w wodzie nazywane są młotami wodnymi. Z tym zjawiskiem trzeba było się spotkać już podczas budowy pierwszych wodociągów: początkowo zawory wodne zbyt szybko odcinały dopływ wody. Nagłe zatrzymanie przepływu wody spowodowało falę uderzeniową (młot hydrauliczny), która rozeszła się po rurze wodociągowej i często powodowała pęknięcie rury. Aby rozwiązać ten problem w Rosji, sprowadzono Żukowskiego i udało się go rozwiązać (1899). Fale uderzeniowe występują także na powierzchni wody: gdy otwierają się wrota śluz, gdy przepływ rzeki (las sosnowy) zostaje „zablokowany”.
Fale uderzeniowe mogą również powstawać w wyniku początkowo ciągłych przepływów. Każda odpowiednio intensywna fala sprężania generuje falę uderzeniową, ponieważ w tych falach cząstki tylne poruszają się szybciej niż cząstki biegnące przed nimi (nieliniowe nachylenie czoła fali).
Fale uderzeniowe wchodzą w skład fal detonacyjnych, fal kondensacyjnych (dobrze znanym przykładem tego zjawiska są smugi mgły pozostające za samolotem podczas przelotu przez obszary atmosfery o dużej wilgotności) i mogą powstawać, gdy promieniowanie laserowe oddziałuje z materią (światło -fale detonacyjne). Lawinę śnieżną można również uznać za falę uderzeniową.
W ciałach stałych fale uderzeniowe powstają podczas zderzeń ciał z dużą prędkością, w warunkach astrofizycznych i podczas eksplozji gwiazd.
Jednym z przykładów fali uderzeniowej jest katastrofalne narastanie paniki, gdy spanikowany tłum przepycha się przez wąskie przejście. Powiązanym zjawiskiem są zatory komunikacyjne. Fale uderzeniowe w gazach odkryto w połowie XIX wieku. w związku z rozwojem artylerii, kiedy zwiększona moc dział artyleryjskich umożliwiła rzucanie pocisków z prędkością naddźwiękową.
Wprowadzenie pojęcia fali uderzeniowej przypisuje się niemieckiemu naukowcowi Bernhardowi Riemannowi (1876).
Warunki z przodu fala uderzeniowa . Podczas przechodzenia przez falę uderzeniową muszą być spełnione ogólne prawa zachowania masy, pędu i energii. Odpowiednie warunki na powierzchni fali ciągłości przepływu materii, przepływu pędu i przepływu energii:,
, 
R gęstość, ty prędkość, P ciśnienie, H
entalpia, zawartość ciepła) gazu. Indeks „0” oznacza parametry gazu przed falą uderzeniową, a indeks „1” za nią. Warunki te nazywane są warunkami Rankine’a
Hugoniota, gdyż za pierwsze opublikowane prace, w których sformułowano te warunki, uważa się prace brytyjskiego inżyniera Williama Rankine’a (1870) i francuskiego balistyka Pierre’a Henriego Hugoniota (1889). Warunki Rankine’a
Hugonioci pozwalają na wyznaczenie ciśnienia i gęstości za frontem fali uderzeniowej w zależności od danych wyjściowych (natężenia fali uderzeniowej oraz ciśnienia i gęstości przed nią):
,
H
entalpia gazu (funkcjaR I P
). Zależność ta nazywana jest adiabatyczną Hugoniota lub adiabatyczną szokową (ryc. 1).
Analiza adiabatyki Hugoniota pokazuje, że ciśnienie, temperatura i prędkość gazu po przejściu przez szok sprężania rosną w nieskończoność wraz ze wzrostem intensywności szoku. Jednocześnie gęstość wzrasta tylko skończoną liczbę razy, niezależnie od tego, jak duża jest intensywność skoku. Ilościowy wzrost gęstości zależy od właściwości molekularnych ośrodka, dla powietrza maksymalny wzrost wynosi 6 razy. Gdy amplituda fali uderzeniowej maleje, przekształca się ona w słaby sygnał (dźwiękowy).
Z warunków Rankine’a Hugoniot może również otrzymać równanie linii prostej na płaszczyźnie, P
Łatwo sobie wyobrazić praktyczne przypadki, które prowadzą do tego rodzaju problemów, na przykład pęknięcie membrany oddzielającej gazy o różnym ciśnieniu itp. Rozwiązanie tego problemu jest istotne dla obliczenia pracy rury amortyzatora.
Rura uderzeniowa . Najprostsza rura uderzeniowa składa się z komór wysokiego i niskiego ciśnienia oddzielonych membraną (ryc. 2).
Po pęknięciu membrany wypychany gaz z komory wysokiego ciśnienia wpada do komory niskiego ciśnienia, tworząc falę sprężania, która szybko zwiększając jej stromość, tworzy falę uderzeniową. Podążając za falą uderzeniową, nieciągłość styku przemieszcza się do komory niskiego ciśnienia. Jednocześnie fala rozrzedzania rozprzestrzenia się do komory wysokociśnieniowej. Na koniec rozległy się pierwsze trąby uderzeniowe
19 c. od tego czasu rozwój technologii rur uderzeniowych umożliwił przekształcenie fal uderzeniowych w niezależne narzędzie badawcze. W rurze uderzeniowej można uzyskać gaz równomiernie podgrzany do 10 000° K i wyżej. Takie możliwości są szeroko stosowane w badaniu wielu reakcji chemicznych i różnych procesów fizycznych. W badaniach astrofizycznych głównymi danymi są widma gwiazd. O dokładności interpretacji tych widm decydują wyniki porównania z widmami uzyskanymi za pomocą lamp uderzeniowych.Od końca lat dwudziestych XX wieku zaczęła się rozwijać aerodynamika naddźwiękowa. Pierwszy naddźwiękowy tunel aerodynamiczny w Stanach Zjednoczonych (w Narodowym Komitecie Doradczym Aeronautyki,
NACA ) powstał do 1927 r., w ZSRR w 1931 r 1933 (w Centralnym Instytucie Aerohydrodynamiki) otworzyło to nowe możliwości eksperymentalnych badań fal uderzeniowych. Przepływ naddźwiękowy różni się jakościowo od przepływu poddźwiękowego, przede wszystkim w obecności fal uderzeniowych. Występowanie fal uderzeniowych prowadzi do znacznego wzrostu oporów poruszających się ciał (tak znaczącego, że powstało określenie „kryzys falowy”), a także do zmiany obciążeń termicznych działających na te ciała. W pobliżu fal uderzeniowych obciążenia te są bardzo duże i jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie środki zabezpieczające, korpus statku powietrznego może się spalić i ulec zniszczeniu. Kluczowy problem aerodynamiki zapobieganie uderzeniom (pojawianiu się niestacjonarnych fal uderzeniowych w pobliżu powierzchni samolotu). Podczas uderzenia efekt obciążeń dynamicznych i termicznych staje się zmienny w czasie i miejscu zastosowania i znacznie trudniej jest wytrzymać takie obciążenia.Ukośne i proste fale uderzeniowe. W polu przepływu fala uderzeniowa może być prostopadła do niezakłóconego przepływu (bezpośrednia fala uderzeniowa) lub tworzyć pewien kąt z niezakłóconym przepływem (ukośna fala uderzeniowa). Bezpośrednie fale uderzeniowe powstają zwykle w specjalnych urządzeniach eksperymentalnych rurki uderzeniowe. Ukośne fale uderzeniowe powstają np. podczas naddźwiękowego opływu ciał, podczas wypływu gazu z naddźwiękowych dysz itp.Istnieje inna klasyfikacja fal uderzeniowych. Fale przylegające do powierzchni stałej nazywane są falami przyczepionymi, które nie mają punktów styku
odszedł. Odchodzące fale uderzeniowe powstają podczas opływu naddźwiękowego wokół tępych ciał (np. kuli), fale przyczepione powstają w przypadku ciał spiczastych (klin, stożek); Fale takie nie tyle spowalniają przepływ, co gwałtownie go odwracają, tak że nawet za falą uderzeniową przepływ pozostaje naddźwiękowy.W wielu przypadkach teoria dynamiki gazu dopuszcza oba przypadki przepływu za przodem dołączonej fali: naddźwiękowy (w tym przypadku fala uderzeniowa nazywana jest słabą) i poddźwiękowy (silna fala uderzeniowa).
Tylko takie fale uderzeniowe obserwuje się eksperymentalnie.
Regularne i Machowe odbicie fal. W zależności od kąta padania fali uderzeniowej na przeszkodę, fala może zostać odbita bezpośrednio od powierzchni przeszkody lub w pewnej odległości od niej. W drugim przypadku odbicie nazywa się trójfalowym, ponieważ w tym przypadku powstaje trzecia fala uderzeniowa, łącząca fale padające i odbite z powierzchnią przeszkody.Po raz pierwszy odnotowane przez austriackiego naukowca Ernsta Macha w 1878 r. odbicie trójfalowe było również nazywane odbiciem Macha, aby odróżnić je od odbicia dwufrontowego (lub regularnego).
Eksperyment przeprowadzony przez Macha, który umożliwił wykrycie trójfalowego trybu odbicia, przebiegał następująco (ryc. 5): w dwóch punktach znajdujących się w pewnej odległości od siebie, jednocześnie błysnęły dwie iskry, generując dwie kuliste fale uderzeniowe .
Rozchodząc się po powierzchni poczerniałej od sadzy, fale te pozostawiły wyraźny ślad punktów przecięcia, rozpoczynając w połowie odległości między punktami inicjacji fali, a następnie biegnąc wzdłuż środkowej prostopadłej odcinka łączącego te punkty inicjalizacji. Następnie odcinek na końcach podzielono na dwie symetrycznie rozbieżne linie. Powstały obraz odpowiada faktowi, że na wczesnym etapie interakcji fale uderzeniowe odbijają się od siebie tak, jakby odbicie odbywało się w sposób regularny od wyimaginowanej płaszczyzny znajdującej się
pośrodku pomiędzy punktami inicjacji fali. Następnie powstaje szok Macha, łączący odpowiednie punkty krzywych pokazanych na ryc. 3 . Ponieważ na poczerniałej powierzchni pozostają jedynie trajektorie punktów przecięcia fal, Mach wykazał się imponującą wnikliwością w rozszyfrowywaniu znaczenia powstałych śladów.
Tendencja nawet słabych fal ściskających do pękania powoduje, że fale dźwiękowe zamieniają się w słabe uderzenia i nie rozchodzą się już z prędkością dźwięku; prędkość słabego uderzenia jest równa połowie sumy prędkości dźwięku w ośrodku przed i po szoku. Na tym polega trudność eksperymentalnego określenia dokładnej prędkości dźwięku. Teoria daje następujące wyniki: w powietrzu (w normalnych warunkach) 332 m/s, w wodzie (w 15
°C) 1490 m/s. Liczba Macha . Stosunek prędkości przepływu do prędkości dźwięku jest ważną cechą przepływu i nazywany jest liczbą Macha:, ty prędkość gazu, A prędkość dźwięku. W przepływie naddźwiękowym liczba Macha jest większa niż jeden, w przepływie poddźwiękowym jest mniejsza niż jeden, a w przepływie z prędkością dźwięku jest równa jedności.Nazwę „liczba Macha” zaproponował szwajcarski naukowiec Jacob Ackeret w uznaniu zasług E. Macha w dziedzinie badań przepływów naddźwiękowych.
Kąt Macha . Dla źródła słabych zaburzeń opływających przepływ naddźwiękowy obserwuje się ciekawe zjawisko: wyraźnie określone granice pola zakłócającego Linie Macha (ryc. 6). W tym przypadku sinus kąta utworzonego przez linię Macha i kierunek głównego przepływu jest odwrotnością liczby Macha:.
Landau L.D., Lifshits E.M.Hydrodynamika . M., „Nauka”, 1986
Fala uderzeniowa to obszar ostrej i silnej kompresji ośrodka, rozprzestrzeniający się we wszystkich kierunkach od środka eksplozji
z prędkością ponaddźwiękową.
Fale uderzeniowe powstają podczas eksplozji niemal w każdym środowisku i przenoszą skutki eksplozji na znaczną odległość.
W zależności od ośrodka, w którym rozchodzi się fala uderzeniowa, wyróżnia się fale: powietrze (rozchodzi się w powietrzu); szok (rozprzestrzenia się w środowisku wodnym); wybuchy sejsmiczne
(rozłożony w ziemi).
2.3. 1. Podstawowe właściwości i mechanizm powstawania
fale uderzeniowe
Rozważmy proces powstawania fali uderzeniowej na przykładzie eksplozji ładunku wybuchowego.
Kiedy wybucha ładunek wybuchowy, gazowe produkty wybuchu pod ciśnieniem rzędu dziesiątek, a nawet setek tysięcy atmosfer rozszerzają się, ściskając środowisko (powietrze, wodę, glebę itp.). Przebieg procesu eksplozji w ośrodku przedstawiono schematycznie na rys. 2.2. Po przejściu fali detonacyjnej M1 przez ładunek wybuchowy (linia przerywana wskazuje zdetonowaną część ładunku), rozpoczyna się ekspansja produktów detonacji.
Strefa rozszerzania się produktów w danym czasie jest ograniczona krzywą CM1 C 1, czoło fali uderzeniowej wzbudzonej eksplozją to BA i A1 B 1. Prędkość detonacji jest powiązana z prędkościami uderzenia
Fala kompresji, która powoduje zauważalne podgrzanie ośrodka, może ustabilizować stworzenie
tylko w postaci fali uderzeniowej ze skokiem
ukształtowana zmiana ciśnienia z przodu; przód z płynnym wzrostem ciśnienia
niestabilny i szybko zamienia się w spazmatyczny z gwałtowną zmianą ciśnienia.
Po fali uderzeniowej następuje fala rozrzedzenia
Ryż Npouecca. 2.2. Schemat rozwoju wybuchu w środowisku
188 Rozdział 2. Wybuchy w
ruch, który poruszając się w sprężonym i ogrzanym powietrzu dogoni czoło fali uderzeniowej.
Wykres zmian ciśnienia w czasie podczas przejścia fali uderzeniowej pokazano na rys. 2.3.
1 0 l 1 1 mi 1 2
Ryż. 2.3. Schemat zmian ciśnienia w czasie podczas przejścia fali uderzeniowej:
1 - faza sprężania; 2 - faza rozrzedzenia (dla eksplozji w gęstych ośrodkach - faza ekspansji
napięcie lub rozładunek)
W momencie, gdy fala dociera do określonego punktu przestrzeni, ciśnienie w sąsiednim obszarze gwałtownie wzrasta od p0 (w ośrodku niezakłóconym) do p1 (na czole fali uderzeniowej). Za frontem ciśnienie szybko spada i po czasie /ezh (czas działania fazy sprężania), po dotarciu fali do punktu, okazuje się, że jest mniejsze niż p0 - fazę sprężania zastępuje rozrzedzenie faza.
Czas, w którym ciśnienie w fali uderzeniowej utrzymuje się powyżej ciśnienia atmosferycznego, nazywany jest fazą sprężania, a czas, w którym ciśnienie pozostaje poniżej ciśnienia atmosferycznego, nazywany jest fazą rozrzedzania.
W momencie, gdy fala uderzeniowa dotrze do określonego punktu, ośrodek sąsiadujący z tym punktem zaczyna poruszać się z prędkością i w kierunku propagacji tej fali. Charakter zmiany u(t) jest podobny do charakteru zmiany p(t). W fazie sprężania ośrodek przemieszcza się w kierunku fali uderzeniowej, w fazie rozrzedzania – w przeciwnym kierunku, ale z nieco mniejszą prędkością.
Czoło fali uderzeniowej rozchodzi się z prędkością ponaddźwiękową
ity (V> c0) i jego część ogonowa, gdzie p< -р0, движется со скоростью, близкой к скорости звука с0 в невозмушенной среде, поэтому по мере движения ударная волна растягивается во времени. Давление во фронте ударной волны р 1 , скорость перемешения фронта V и скорость потока среды и не являются постоянными. При удалении удар ной волны от очага взрыва она уменьшается, и на больших расстоя-
niyakh V zbliża się do c0, a u - do zera, tj. fala uderzeniowa jest zdegenerowana
przekształca się w falę akustyczną (elastyczną). Dlatego fala uderzeniowa
ma zarówno obszar kompresji, jak i rozrzedzenia. W praktyce działanie
Fala uderzeniowa jest określana przez fazę sprężania. Działanie fazy jest rzadsze
jest zwykle nieistotna, dlatego nie jest brana pod uwagę, chyba że
Weźmy pod uwagę kilka efektów specjalnych.
2.3.2. Parametry fali uderzeniowej
Główne parametry fali uderzeniowej to:
nadciśnienie w czole fali uderzeniowej;
szybkie ciśnienie fali uderzeniowej działającej na powierzchnię obiektu;
czas działania fali uderzeniowej;
impuls falowy itp.
Nadciśnienie w czole fali uderzeniowej charakteryzuje się różnicą ciśnień w czole fali i ciśnienia atmosferycznego.
dr = P1 – Po,
gdzie p1 jest ciśnieniem na czole fali uderzeniowej;
p 0 - ciśnienie w niezakłóconym ośrodku (ciśnienie atmosferyczne).
Fala uderzeniowa charakteryzuje się szybkością wzrostu ciśnienia do wartości maksymalnej.
Pod maksymalnym ciśnieniem wybuchu jest rozumiany jako największy
ciśnienie występujące podczas spalania deflagracyjnego najbardziej wybuchowego gazu, pary, mieszaniny pyłu i powietrza w zamkniętym naczyniu przy ciśnieniu początkowym 1 0 1,3 kPa. Maksymalne ciśnienie podczas wybuchu mieszaniny powietrza można obliczyć ze wzoru:
gdzie p0 to ciśnienie początkowe, przy którym znajduje się zawieszenie pneumatyczne, kPa;
T 0 - temperatura początkowa mieszaniny początkowej, K;
Tr - adiabatyczna stechiometryczna temperatura spalania
mieszaniny z powietrzem o stałej objętości, K; pk to liczba moli gazów spalinowych; f/11 to liczba moli początkowej mieszaniny gazów.
Fala uderzeniowa charakteryzuje się szczytem. Szczyt to sekcja uderzeniowa
fale od momentu kompresji uderzeniowej do zakończenia reakcji chemicznej,
gdzie powstaje najwyższe ciśnienie.
Parametrem fali uderzeniowej jest impuls fali. Wielkość impulsu fali będzie różna w zależności od środowiska, w którym następuje eksplozja. Generalnie impuls falowy opisuje prawo
gdzie G R jest masą substancji wybuchowej (łatwopalnej); - odległość działania fali uderzeniowej;
<р - угол отражения волны.
Rozchodzenie się fali uderzeniowej zależy od wielu czynników determinujących jej działanie i siłę.
Aby ocenić wpływ fali uderzeniowej, należy poznać charakter obciążenia i parametry układu, na który to obciążenie działa. Charakter obciążenia opisuje się zazwyczaj funkcją zmiany ciśnienia fali uderzeniowej w czasie p(t) w zakresie od zera do czasu fazy sprężania tcom. Jednakże w wielu szczególnych przypadkach działanie falę uderzeniową określa się z wystarczającą dokładnością albo na podstawie wartości nadmiaru
Charakter oddziaływania fali uderzeniowej na dany układ zależy od zależności pomiędzy czasem działania fazy sprężania tcom a czasem
przez czas relaksacji układu „t”, a dla pozostałych układów – przez okres drgań T.
Jeśli fcom >> „t, to o działaniu fali uderzeniowej decyduje wielkość nadciśnienia na jej czole, ponieważ w tym przypadku układ ulegnie odkształceniu w takim okresie czasu (około
(1/4- 1/3)t), podczas którego ciśnienie z przodu już nie będzie występowało
zdecydowanie się zmęczyć. Jeśli wręcz przeciwnie, tсж<< "t, то давление за фронтом волны
maleje w tak krótkim czasie, że system praktycznie
nie ma czasu na odkształcenie, a o jego dalszych odkształceniach decyduje pęd, jaki nabywa, a co za tym idzie, specyficzny impuls fali uderzeniowej.
Czas fazy sprężania zależy od wielu czynników: wielkości i kształtu ładunku wybuchowego, środowiska, w którym następuje wybuch, charakteru wybuchu
masa materii, energia wybuchu itp. Czas działania fazy sprężania tcompress n przy zastosowaniu odpowiednich form praw podobieństwa wyraźi
według wzorów (2.4).
fсж = r0 |
||||
r fсж = WF () |
||||
fс w = VE F3 |
||||
gdzie r0 |
Promień ładunku; |
|||
G - masa ładunku; |
||||
Odległość działania fali uderzeniowej; |
||||
E - energia wybuchu; |
||||
F1, F2, F3 - zależność funkcjonalna.
Duże znaczenie dla oceny parametrów fal uderzeniowych i ich działania ma prawo podobieństwa w wybuchach, które umożliwia porównanie charakterystyk fal uderzeniowych wzbudzanych eksplozjami ładunków o różnych masach, składających się z różnych materiałów wybuchowych, a także eksplozjami spowodowane spalaniem mieszanin wybuchowych.
Spalanie detonacyjne zachodzi w środowisku wybuchowym, gdy przechodzi przez nie wystarczająco silna fala uderzeniowa (lub fala kompresji uderzeniowej). Przykładowo, jeśli ładunek punktowy materiału wybuchowego zostanie zdetonowany w zamkniętej przestrzeni z palną mieszaniną gazów lub nastąpi zapłon ze źródła zapłonu, wówczas fala uderzeniowa rozprzestrzeni się w mieszaninie gazowej od miejsca, w którym znajduje się ładunek, w którym następuje nagły gwałtowny wzrost parametrów stanu mieszaniny gazowej - ciśnienia. , temperatury, gęstości. Wzrost temperatury gazu podczas sprężania w fali uderzeniowej jest znacznie większy niż podczas podobnego sprężania adiabatycznego. Dlatego temperatura bezwzględna gazu sprężonego przez falę uderzeniową wynosi
jest proporcjonalna do ciśnienia fali uderzeniowej.
Dlatego jeśli fala uderzeniowa jest wystarczająco silna, to
Temperatura gazu pod wpływem fali uderzeniowej może wzrosnąć do temperatury samozapłonu. Fala uderzeniowa charakteryzuje się ciśnieniem o dużej prędkości. Wyrazić
ciśnienie powstaje w wyniku hamowania przed jakąkolwiek przeszkodą
poruszające się masy powietrza w fali uderzeniowej. Szybkość ruchu
ekspansja gazów tworzących ciśnienie o dużej prędkości zależy od stopnia sprężania gazów i ich nagrzewania przez falę uderzeniową. Nacisk powoduje przewracanie się i rzucanie różnymi przedmiotami na znaczne odległości.
Fala uderzeniowa rozchodzi się w przestrzeni z prędkością ponaddźwiękową. Na przykład fala uderzeniowa podczas wybuchu nuklearnego pokonuje pierwsze 1000 m w 2 s, 2000 m w 5 s, 3000 m w 8 s.
Siła fali uderzeniowej jest bardzo duża i prowadzi do znacznych uszkodzeń. Jeśli tempo wzrostu ciśnienia jest stosunkowo niskie, w pierwszej kolejności zniszczone zostaną elementy najmniej trwałe, takie jak okna i drzwi. W przypadku konstrukcji budynku o jednakowej wytrzymałości, podniesienie dachu i zniszczenie wszystkich ścian nastąpi jednocześnie. Nadmierne ciśnienie fali uderzeniowej powoduje poważne uszkodzenia podczas eksplozji. W tabeli 2.3 zawiera dane wskazujące stopień uszkodzenia.
Tabela 2.3. Uszkodzenia spowodowane eksplozją fali uderzeniowej
Damenier V5, perkusja STOPIEŃ USZKODZENIA
pomachaj do Pa
Zniszczenie szyb w oknach na dużych powierzchniach |
|||
aktualny |
|||
Głośny dźwięk (1 43 dB); uszkodzone szkło; 5% |
|||
zniszczenie przeszkleń |
|||
Uszkodzenie okładziny domu; zniszczenia do 1 0% |
|||
szyba |
|||
Drobne uszkodzenia konstrukcyjne |
|||
90% zniszczenia przeszkleń, uszkodzenia |
|||
ramy okna |
|||
Drobne uszkodzenia konstrukcji domu |
|||
Częściowe zniszczenie domów do stanu w jakim |
|||
nie da się w nich żyć |
|||
Niszczenie azbestu falistego. Falisty |
|||
muł stalowy i paiele aluminiowe są osłabione w mocowaniu |
|||
lenistwo i są podatne na zginanie. Drewniane paiele są | |||
2.3. Charakterystyka fal uderzeniowych |
|||
Koniec stołu. 2.3 |
|||
Poziom uszkodzeń
Niezbrojone ściany z betonu i bloków żużlowych ulegają zniszczeniu
Dolna granica poważnych uszkodzeń konstrukcji
50% zniszczenia
Maszyny ciężkie (o wadze 1,35 tony) w budynkach przemysłowych ulegają drobnym uszkodzeniom. Konstrukcje stalowe wyginają się
Zniszczenie konstrukcji bezramowych wykonanych z |
||
panele stalowe. Zniszczenie magazynów ropy |
||
Oddzielenie przekryć budynków przemysłu lekkiego |
||
Pękanie słupów drewnianych (telegraficznych i |
||
itp.). Uszkodzone są wysokie prasy hydrauliczne |
||
(waga 1,8 t) |
||
Prawie całkowite zniszczenie domów |
||
Wywrócenie się mocno obciążonych wagonów kolejowych |
||
Ściany ceglane o grubości 200-300 mm, niezbrojone |
||
nie, tracą wytrzymałość w wyniku ścinania lub zginania |
||
Ciężkie wagony towarowe całkowicie |
||
są zniszczone |
||
Zniszczenie ponad 75% wewnętrznego muru |
||
Możliwe jest generalne niszczenie budynków. Ciężki (>3 t) |
||
maszyny i maszyny poruszają się i powodują poważne szkody - |
||
Xia. Bardzo ciężkie (>5 t) maszyny i urządzenia zostają zachowane |
||
Zniszczenie z utworzeniem krateru |
||
Fala uderzeniowa o P s = 1,9 kPa powoduje znaczne uszkodzenia
zabudowy miejskiej, a przy Ps = 98 kPa następuje całkowite zniszczenie
budynków i śmierć organizmów żywych.
Na stopień zniszczenia wpływają cechy konstrukcyjne konstrukcji, a także ukształtowanie terenu.
Powietrzna fala uderzeniowa to obszar ostrej kompresji powietrza, rozprzestrzeniający się we wszystkich kierunkach od środka eksplozji z prędkością ponaddźwiękową. Źródłem powietrznej fali uderzeniowej jest wysokie ciśnienie w centrum eksplozji, sięgające 10,5 miliardów Pa. Główne parametry fali uderzeniowej, charakteryzujące jej destrukcyjne i niszczące działanie: nadciśnienie w czole fali uderzeniowej, ciśnienie prędkości, czas trwania fali uderzeniowej.
Produkty eksplozji, próbując się rozszerzyć, ściskają otaczające warstwy powietrza. Ta zagęszczona masa powietrza z kolei rozszerza się i przenosi ciśnienie na sąsiednie warstwy.
W ten sposób ciśnienie szybko przenosi się z warstwy na warstwę, tworząc falę uderzeniową w powietrzu. Przednia granica warstwy sprężonego powietrza, charakteryzująca się gwałtownym wzrostem ciśnienia, nazywana jest frontem fali uderzeniowej. W bezpośrednim sąsiedztwie centrum wybuchu prędkość rozchodzenia się fali uderzeniowej jest kilkakrotnie większa niż prędkość dźwięku w powietrzu. W miarę oddalania się od środka prędkość stopniowo maleje, a fala uderzeniowa słabnie.
Szybkość ruchu i odległość, na jaką rozchodzi się fala uderzeniowa, zależą od siły eksplozji. Im potężniejsza eksplozja, tym większa prędkość i zasięg fali uderzeniowej. Ponadto na zasięg fali uderzeniowej wpływ ma ukształtowanie terenu, warunki meteorologiczne i wiatr.
Wraz z szybkim ruchem fali uderzeniowej cząsteczki powietrza w sprasowanej warstwie poruszają się również w kierunku propagacji fali uderzeniowej. Powietrze przemieszcza się za frontem fali z prędkością ponaddźwiękową i tworzy huragan o ogromnej sile.
Zmienia się kierunek i prędkość ruchu powietrza za frontem fali uderzeniowej. Kiedy czoło fali uderzeniowej dotrze do dowolnego punktu na powierzchni ziemi, w tym miejscu natychmiast wzrasta nadciśnienie i temperatura, a powietrze zaczyna poruszać się w kierunku ruchu fali uderzeniowej.
Następnie w miarę postępu fali uderzeniowej ciśnienie spada poniżej ciśnienia atmosferycznego, a powietrze przemieszcza się w przeciwnym kierunku. W konsekwencji po fazie kompresji następuje faza rozrzedzania. Charakter działania fali uderzeniowej zależy od rodzaju eksplozji. Podczas powietrznego wybuchu jądrowego powstaje sferyczna fala uderzeniowa, która w strefie bliskiej, tj. w odległości mniejszej niż wysokość wybuchu (R
1 - fala padająca; 2 - fala odbita; 3 - fala głowy.
Rysunek 6 - Rozchodzenie się fali uderzeniowej podczas eksplozji powietrza.
Zatem o szkodliwym działaniu fali uderzeniowej wybuchu jądrowego powietrza w strefie bliskiej decyduje ciśnienie fali odbitej, a w strefie dalekiej - ciśnienie fali uderzeniowej głowy.
W naziemnym wybuchu jądrowym fala uderzeniowa, która ma kształt stale rosnącej półkuli, rozchodzi się równolegle do powierzchni ziemi (ryc. 7) i nie ma tak złożonego wzoru jak w przypadku eksplozji powietrznej.
Rysunek 7 - Propagacja fali uderzeniowej podczas eksplozji naziemnej.
Promień wybuchu naziemnego wybuchu jądrowego jest około 20% mniejszy niż promień wybuchu w powietrzu o tej samej mocy.
Głównymi parametrami decydującymi o szkodliwym działaniu fali uderzeniowej są nadciśnienie, ciśnienie powietrza przy dużej prędkości i czas trwania nadciśnienia (czas trwania fazy sprężania).
O szkodliwym działaniu fali uderzeniowej decyduje głównie nadciśnienie.
Nadciśnienie to różnica pomiędzy normalnym ciśnieniem atmosferycznym przed frontem fali a maksymalnym ciśnieniem przed frontem fali uderzeniowej. Mierzy się go w niutonach na metr kwadratowy (1 N/m 2 s 1 Pa). Ta jednostka ciśnienia to paskal (Pa); (1 kPa = 0,01 kgf/cm).
Prędkość powietrza jest obciążeniem dynamicznym wytwarzanym przez przepływ powietrza. Podobnie jak nadciśnienie, ciśnienie prędkości powietrza mierzy się w paskalach (Pa). Wielkość ciśnienia prędkości powietrza zależy od prędkości i gęstości powietrza za frontem fali i jest ściśle powiązana z wartością maksymalnego nadciśnienia fali uderzeniowej. Ciśnienie powietrza o dużej prędkości ma zauważalny wpływ przy nadciśnieniu powyżej 50 kPa.
Czas trwania nadciśnienia (czas trwania fazy sprężania) mierzony jest w sekundach (s). Im dłuższe działanie fali uderzeniowej, tym silniejsze jest jej niszczące działanie. Wraz ze wzrostem siły wybuchu wydłuża się czas trwania fazy sprężania. Przykładowo przy wybuchu o mocy 20 kt czas trwania fazy sprężania wynosi 0,6 s, a przy sile wybuchu 1 Mt - 3 s.
Bezpośrednie uszkodzenie osoby przez falę uderzeniową następuje w wyniku narażenia na nadciśnienie i ciśnienie powietrza o dużej prędkości. Fala uderzeniowa niemal natychmiast pochłania osobę i ściska go ze wszystkich stron. Natychmiastowy wzrost ciśnienia w momencie nadejścia fali uderzeniowej jest odbierany jako ostry cios. Ciśnienie powietrza działające przy dużej prędkości działa jednostronnie, ma efekt napędowy i może odrzucić osobę do tyłu, powodując obrażenia.
Urazy pośrednie to urazy spowodowane przez odłamki budynków, drzew i innych obiektów poruszających się z dużą prędkością pod wpływem ciśnienia powietrza o dużej prędkości. Dotykając ludzi, fala uderzeniowa powoduje złamania, uszkodzenia narządów wewnętrznych, kontuzje, czyli powoduje obrażenia o różnym nasileniu, które dzielimy na:
a) płuca, które powstają przy nadciśnieniu 20 - 40 kPa i charakteryzują się stłuczeniami, zwichnięciami, przejściowym uszkodzeniem słuchu i ogólnym stłuczeniem;
b) umiarkowane, pojawiające się przy nadciśnieniu 40 – 60 kPa, charakteryzujące się poważnymi stłuczeniami całego ciała, uszkodzeniem narządu słuchu, krwawieniem z nosa i uszu oraz poważnymi zwichnięciami kończyn;
c) ciężkie, występujące przy nadciśnieniu 60 – 100 kPa, charakteryzujące się poważnymi stłuczeniami całego ciała, ciężkimi złamaniami kończyn oraz silnymi krwawieniami z nosa i uszu;
d) wyjątkowo ciężki, obserwowany przy nadciśnieniu powyżej 100 kPa. Obrażenia te mogą być śmiertelne.
Promień uszkodzeń spowodowanych falą uderzeniową wybuchu jądrowego oraz rodzaje obrażeń zależą od siły eksplozji.
Promień uszkodzenia ludzi przez gruz budowlany, zwłaszcza odłamki szkła, które zapadają się pod ciśnieniem 2 - 7 kPa, może przekraczać promień bezpośredniego uszkodzenia przez falę uderzeniową.
Aby chronić się przed falą uderzeniową, potrzebne są podziemne konstrukcje schronów, które są zaprojektowane tak, aby wytrzymać skutki fali uderzeniowej. W przypadku braku schronów wykorzystuje się schrony konstruowane, a także wyrobiska podziemne, kopalnie, schrony naturalne i teren. Właściwości ochronne terenu zależą od jego charakteru. Najlepszą ochronę zapewniają duże rzeźby: wzgórza, zagłębienia, duże wąwozy. Jednakże małe kopce, doły i kratery mogą osłabić działanie fali uderzeniowej.
Wpływ fali uderzeniowej powietrza wybuchu jądrowego na budynki i konstrukcje jest związany z wielkością nadciśnienia i ciśnieniem powietrza o dużej prędkości przemieszczającym się za przodem fali uderzeniowej. Jednakże, w zależności od cech konstrukcyjnych konkretnej konstrukcji, stopień jej zniszczenia można określić albo poprzez nadciśnienie, albo ciśnienie prędkości.
Duże budynki o znacznej powierzchni ścian ulegają zniszczeniu głównie pod wpływem nadciśnienia. W tym przypadku zniszczenie następuje na skutek początkowego krótkotrwałego uderzenia powstałego w wyniku odbicia fali uderzeniowej. Dzieje się tak dlatego, że fala uderzeniowa opływa taki budynek trochę czasu, a to powoduje stosunkowo długotrwały efekt ciśnienia odbicia fali uderzeniowej.
Podczas gdy fala uderzeniowa porusza się bez napotykania przeszkód, wytwarza zmienne w czasie obciążenie równe nadciśnieniu w przechodzącej fali uderzeniowej. Gdy fala uderzeniowa zbliża się do przeszkody, zostaje odbita (tworząc ciśnienie odbicia), a masy poruszającego się powietrza ulegają wyhamowaniu, a nadciśnienie wzrasta. W rezultacie na przeszkodę zostaje uderzony cios o ogromnej sile, zwiększonej pod wpływem ciśnienia odbicia.
Przeszkoda (np. budynek) w początkowej chwili doświadcza takiego nacisku. Następnie fala uderzeniowa zaczyna opływać budynek, wywierając nacisk na ściany boczne i górę, a następnie na tylną ścianę. W rezultacie budynek jest otoczony wysokim ciśnieniem i ściśnięty ze wszystkich stron. Największy nacisk wywiera jednak ściana zwrócona w stronę eksplozji.
Istotą działania fali uderzeniowej podczas opływania budynków jest złożona interakcja przepływów opływających budynek z góry i z boków, tworzących wiry i strefy wysokiego ciśnienia. Przepływ fali uderzeniowej wokół pionowej bariery pokazano na rysunku 8, gdy fala uderzeniowa odbija się od powierzchni ziemi za barierą. Opływ fali uderzeniowej wokół budynku z boków powoduje powstanie zwiększonego ciśnienia w wyniku spotkania dwóch strumieni (rysunek 9). W miarę opływania budynku przez falę uderzeniową ciśnienie odbicia na ścianie przedniej słabnie.
a - przód dosięgnął przeszkody i zastosowano pełne ciśnienie odbicia; b - przód mija przeszkodę i częściowo działa ciśnienie odbicia; c - efekt ciśnienia odbicia kończy się, ale za barierą fala uderzeniowa odbija się od powierzchni ziemi
Rysunek 8 – Przepływ fali uderzeniowej wokół pionowej przeszkody.
a - czoło dosięga przeszkody, powstaje ciśnienie odbiciowe i rozpoczyna się opływ wokół niej; b - front minął barierę i dwa strumienie przemieszczają się w stronę tylną; c - front przesuwa się dalej, za barierą tworzy się strefa zwiększonego ciśnienia w wyniku zderzenia przepływów
Rysunek 9 – Przepływ fali uderzeniowej wokół przeszkody (widok z góry).
W większym stopniu ulegają zniszczeniu budynki wolnostojące oraz konstrukcje wysokie, szczególnie te usytuowane z fasadą zwróconą w stronę kierunku przemieszczania się fali uderzeniowej.
Spośród budynków i konstrukcji naziemnych najbardziej stabilne są te z metalową ramą i konstrukcjami antysejsmicznymi, które ulegają zniszczeniu pod wpływem ciśnienia fali uderzeniowej o wartości 50–80 kPa. Budynki mieszkalne murowane są mniej stabilne i ulegają całkowitemu zniszczeniu pod ciśnieniem fali uderzeniowej 30-40 kPa, natomiast budynki drewniane ulegają całkowitemu zniszczeniu pod ciśnieniem 10-20 kPa.
Na zniszczenie budynków i konstrukcji wpływa obecność otworów (okien, drzwi) w ścianach, ponieważ fala uderzeniowa, łatwo je niszcząc, szybko przenika do wnętrza budynku, a ciśnienie odbicia jest osłabione z powodu działania nadciśnienia od środka. Całkowite zniszczenie przeszkleń różnych budynków następuje przy nadciśnieniu czoła fali uderzeniowej o wartości 2-7 kPa, a częściowe zniszczenie - przy 1-2 kPa, czyli przy znacznie niższych ciśnieniach.
Wysokie konstrukcje o małej powierzchni (słupy telegraficzne, kominy fabryczne, maszty, platformy wiertnicze i inne konstrukcje) są szybko unoszone przez falę uderzeniową i ściskane ze wszystkich stron, a przeciwne ciśnienia równoważą się. Dlatego są mniej wrażliwe na działanie nadmiernego ciśnienia. W przypadku tych konstrukcji o niszczycielskim działaniu fali uderzeniowej decyduje działanie ciśnienia powietrza o dużej prędkości.
Ciśnienie powietrza o dużej prędkości, podobnie jak huragan, działa z jednej strony i powoduje zniszczenie (oderwanie podpór) takich konstrukcji, ponieważ konstrukcje te, zaprojektowane tak, aby wytrzymywały obciążenia wiatrem, ulegają zniszczeniu pod wpływem ciśnienia powietrza o dużej prędkości przekraczającego kilkukrotne obciążenie wiatrem.
Konstrukcje zakopane w ziemi są mniej podatne na działanie fali uderzeniowej, ponieważ podczas swojego ruchu fala uderzeniowa nie napotyka przeszkód i nie następuje wzrost nadciśnienia w wyniku odbicia fali uderzeniowej. Z tego powodu schrony, wiaty i podziemne sieci użyteczności publicznej zakopane w ziemi wytrzymują znacznie większe naciski niż budynki naziemne.
Cechą działania fali uderzeniowej jest jej zdolność (ze względu na stosunkowo długi czas jej działania - kilka sekund) przedostawania się do schronów, schronów i innych konstrukcji przez rury wlotowe powietrza, otwory wentylacyjne, powodując tam zniszczenia i zarażając ludzi.
Kiedy fala uderzeniowa wnika w konstrukcję, ciśnienie w niej szybko wzrasta, co może spowodować śmierć. Aby uniknąć obrażeń ludzi przez przepływającą falę, czerpnie powietrza schronów wyposaża się w urządzenia tłumiące fale.
Inną cechą fali uderzeniowej jest próżnia powstająca po wysokim ciśnieniu. Wyładowanie jest znacznie słabsze od fali uderzeniowej, ale zwiększa efekt bezpośredniego uderzenia i powoduje szereg specyficznych zjawisk, które należy wziąć pod uwagę podczas prowadzenia akcji ratowniczych.
Stopień próżni, tj. spadek ciśnienia poniżej atmosferycznego nie przekracza 300 kPa i szybko zanika w miarę oddalania się od centrum wybuchu i zmniejszania się ciśnienia na czole fali uderzeniowej. Jednakże czas trwania fazy rozładowania przekracza czas fazy sprężania.
Tak więc podczas eksplozji o sile 1 Mt faza sprężania trwa w zależności od odległości 1-5 sekund, a faza wyładowania trwa do 13 s. Pod wpływem fali uderzeniowej konstrukcje ulegają wszechstronnemu ściskaniu. W fazie rozładowania konstrukcje również podlegają obciążeniom, jednak siła jest znacznie słabsza i działa w przeciwnym kierunku (tzw. ssanie). Głowice studni rewizyjnych na sieciach użyteczności publicznej przykryte są pokrywami stalowymi lub żeliwnymi. Wytrzymują ciśnienie fali uderzeniowej o wartości 200-300 kPa. Jednak te same pokrywy doznają siły ssania i dzięki całkowitej sile studni skierowanej od wewnątrz, pokrywka może zostać odrzucona. Zawalenie może zostać zakończone po minięciu fali uderzeniowej. Dlatego pokrywy są zabezpieczone.
Budynki i konstrukcje, w zależności od obciążeń wywołanych falą uderzeniową, mogą ulec całkowitemu, mocnemu, średniemu i słabemu zniszczeniu:
a) całkowite zniszczenie charakteryzuje się zniszczeniem i zawaleniem się wszystkich lub większości ścian, poważnym odkształceniem lub zawaleniem się stropów (ryc. 10 a, b). Gruz tworzy blokadę w obrysie budynku i wokół niego. Przywrócenie zniszczonych budynków jest niemożliwe;
Rysunek 10 a
Rysunek 10b
b) poważne zniszczenia charakteryzują się zniszczeniem części ścian i stropów dolnych kondygnacji oraz piwnic, w wyniku czego ponowne wykorzystanie pomieszczeń jest niemożliwe lub niepraktyczne (ryc. 11a, b);
Rysunek 11a
Rysunek 11b
c) zniszczenie średnie charakteryzuje się zniszczeniem głównie elementów zabudowy: przegród wewnętrznych, drzwi, okien i dachów; pojawienie się pęknięć w ścianach i zawalenie się podłóg na poddaszach i poszczególnych odcinków wyższych pięter (ryc. 12). Piwnice są zachowane i nadają się do tymczasowego użytkowania po uprzątnięciu gruzów nad wejściami. Wokół budynku nie tworzy się gruz, ale poszczególne fragmenty konstrukcji można wyrzucić na znaczną odległość. Przywrócenie jest możliwe poprzez generalny remont;
Rysunek 12
d) zniszczenie słabe charakteryzuje się zniszczeniem wypełnień okien i drzwi oraz lekkich przegród, pojawieniem się pęknięć w ścianach górnych kondygnacji (ryc. 13). Piwnice i dolne kondygnacje są zachowane i nadają się do tymczasowego użytkowania. Istnieje możliwość renowacji poprzez generalny remont.
Rysunek 13
Wielkość zniszczeń w mieście zależy od charakteru budynków, ich liczby kondygnacji i gęstości zabudowy. Przy gęstości zabudowy wynoszącej 50% ciśnienie fali uderzeniowej na budynki może być mniejsze (20–40%) niż na budynki stojące na otwartej przestrzeni w tej samej odległości od środka wybuchu.
Przy gęstości zabudowy mniejszej niż 30% efekt ekranowania budynków jest nieznaczny i nie ma praktycznego znaczenia.
Urządzenia energetyczne, przemysłowe i komunalne mogą posiadać następujące stopnie zniszczenia:
a) słabe zniszczenie: deformacja rurociągów, ich uszkodzenia na złączach; uszkodzenie i zniszczenie sprzętu kontrolno-pomiarowego; uszkodzenia górnych części studni w sieciach wodociągowych, ciepłowniczych i gazowych, indywidualne przerwy w liniach energetycznych, uszkodzenia maszyn wymagające wymiany przewodów elektrycznych, przyrządów i innych uszkodzonych części (ryc. 14);
Rysunek 14
b) uszkodzenia średnie: pojedyncze pęknięcia i odkształcenia rurociągów i kabli; uszkodzenia deformacyjne poszczególnych podpór linii elektroenergetycznych; odkształcenia i przemieszczenia podpór zbiorników, ich zniszczenie powyżej poziomu cieczy; uszkodzenia maszyn wymagające poważnych napraw (ryc. 15);
Rysunek 15
c) poważne zniszczenia: masywne pęknięcia rurociągów, kabli, zniszczenie podpór linii energetycznych i inne uszkodzenia, których nie da się naprawić w drodze poważnych napraw.
Najbardziej odporne są podziemne sieci energetyczne. Zniszczeniu ulegają jedynie podczas eksplozji naziemnych w bezpośrednim sąsiedztwie centrum przy ciśnieniu fali uderzeniowej 600-1500 kPa. Stopień i charakter zniszczenia zależą od średnicy i materiału rur oraz głębokości ich montażu.
Sprzęt maszynowy przedsiębiorstw ulega zniszczeniu przy nadciśnieniu 35-70 kPa, a sprzęt pomiarowy - przy 2030 kPa. W przypadku konstrukcji hydraulicznych najbardziej niebezpieczne są eksplozje powierzchniowe i podwodne od strony górnego biegu rzeki.
Najbardziej stabilnymi elementami wodociągów są tamy betonowo-ziemne, które zapadają się pod ciśnieniem większym niż 1000 kPa. Najsłabsze są uszczelnienia wodne zapór przelewowych, urządzeń i różnych nadbudówek. Pojazdy ulegają uszkodzeniom w zależności od ich położenia względem kierunku propagacji fali uderzeniowej. Najbardziej stabilne są statki morskie i rzeczne oraz transport kolejowy, a samoloty są bardzo wrażliwe.
Gdy nadciśnienie przekroczy 50 kPa, następuje całkowite zniszczenie lasu.
Aby określić możliwy charakter zniszczeń oraz ustalić zakres prac poszukiwawczo-ratowniczych i innych pilnych prac spowodowanych oddziaływaniem powietrznej fali uderzeniowej, źródło szkód jądrowych podzielono na cztery strefy (ryc. 16).
Rysunek 16
Strefa całkowitego zniszczenia występuje, gdy nadciśnienie w czole fali uderzeniowej osiąga wartość 50 kPa (0,5 kgf/cm2) lub więcej. Ryc. 17 przedstawia całkowite zniszczenie po bombardowaniu Nagasaki 24 września 1945 r.
Nagasaki przed i po wybuchu nuklearnym Nagasaki 6 tygodni później
Rysunek 17
Charakter zniszczeń w tej strefie jest taki sam, jak podczas trzęsienia ziemi o sile 9 lub większej. W tej strefie budynki mieszkalne, przemysłowe i schrony radiacyjne są całkowicie zniszczone. W pobliżu centrum eksplozji schrony są zniszczone, a podziemne sieci użyteczności publicznej ulegają uszkodzeniu lub uszkodzeniu na różne sposoby.
Większość schronów w strefie całkowitego zniszczenia pozostaje nienaruszona. Na terenie zaludnionych obszarów i obiektów powstaje ciągły gruz.
Strefę całkowitego zniszczenia charakteryzują ogromne straty wśród niechronionej ludności, nie będzie też miejsca na palenie i tlenie się gruzów.
Strefa poważnego zniszczenia powstaje przy nadciśnieniu w czole fali uderzeniowej od 50 do 30 kPa (0,5-0,3 kgf/cm^2) i stanowi około 10% całkowitej powierzchni źródła. Charakter zniszczeń jest podobny do trzęsienia ziemi. Budynki i konstrukcje naziemne ulegną w większości poważnym uszkodzeniom. Poważne zniszczenia charakteryzują się zniszczeniem konstrukcji nośnych i podłóg wyższych pięter, powstawaniem pęknięć w ścianach i deformacją podłóg niższych pięter.
Zachowane są schrony i podziemne uzbrojenie oraz sieci energetyczne, a także większość schronów przeciwradiacyjnych.
Piwnice w budynkach nie ulegną uszkodzeniu, jeśli ich podłogi wytrzymają obciążenie od zawalonych ścian i stropów międzykondygnacyjnych.
W wyniku zniszczenia budynków i budowli powstaje lokalny gruz, który zbliżając się do granicy strefy całkowitego zniszczenia przechodzi w ciągły.
Strefę charakteryzują ogromne, w dużej mierze nieodwracalne straty wśród niechronionej części populacji.
Osoby pozostające w budynkach mogą zostać uwięzione lub mogą doznać lekkich lub umiarkowanych obrażeń oraz oparzeń na zewnątrz budynków. Ponadto możliwe są obrażenia od gruzu budowlanego, fragmentów szkła i innych obiektów latających, a także „wtórne oparzenia” płomieniami płonących budynków, paliw i smarów itp.
Jeżeli przedostaną się do strefy skażenia radioaktywnego w wyniku wybuchów naziemnych i podziemnych, ludność będzie narażona na działanie substancji radioaktywnych.
Strefa umiarkowanego zniszczenia charakteryzuje się nadciśnieniem w czole fali uderzeniowej od 30 do 20 kPa (0,3-0,2 kgf/cm^2) i zajmuje około 18% powierzchni źródła uszkodzeń jądrowych. Charakter zniszczeń jest podobny do trzęsienia ziemi.
Schrony, schrony przeciwradiacyjne i piwnice są w całości zachowane. Budynki drewniane ulegną poważnemu lub całkowitemu zniszczeniu, budynki kamienne otrzymają średnie i słabe obrażenia.
Umiarkowane zniszczenia objawiają się zniszczeniem dachów i wbudowanych przegród, okien, a także występowaniem pęknięć w ścianach, zawaleniem się poszczególnych odcinków poddaszy i ścian wyższych kondygnacji. Zachowały się piwnice. Po uporządkowaniu i naprawie część pomieszczeń na niższych kondygnacjach można użytkować.
Słabe zniszczenie objawia się zniszczeniem wypełnień okien i drzwi, lekkich przegród; Dach jest częściowo zniszczony, w ścianach górnych kondygnacji mogą występować pęknięcia. Całkowicie zachowane są piwnice i dolne kondygnacje. Pozostawanie w budynku jest bezpieczne, a po remontach bieżących można z niego korzystać.
W strefie umiarkowanego zniszczenia tworzą się pojedyncze gruzy. Strefę charakteryzują ogromne straty sanitarne wśród niechronionej ludności. Ludzie mogą odnieść drobne obrażenia, oparzenia, a w przypadku eksplozji naziemnych mogą doznać obrażeń w wyniku opadu radioaktywnego.
Strefa słabego zniszczenia tworzy się przy nadciśnieniu czoła fali uderzeniowej od 20 do 10 kPa (0,2-0,1 kgf/cm^2). Zajmuje aż 60% powierzchni całego ogniska. W tej strefie budynki doznają niewielkich uszkodzeń. W niektórych miejscach tworzą się oddzielne gruzy.
Osoby niezabezpieczone mogą doznać oparzeń, drobnych obrażeń i uszkodzeń spowodowanych substancjami radioaktywnymi powstałymi w wyniku eksplozji naziemnych.
Poza strefami zniszczenia źródła uszkodzeń budynki i budowle mogą doznać drobnych uszkodzeń: zniszczenia przeszkleń, uszkodzeń stolarki okiennej, drzwi, pokrycia dachowego. Możliwe jest również wystąpienie pojedynczych pożarów. W takich warunkach ludzie mogą doznać lekkich obrażeń i oparzeń.
W systemie środków obrony cywilnej istotna jest organizacja i prowadzenie prac mających na celu ratowanie ludności uwięzionej w siedliskach oraz usuwanie skutków wypadków, katastrof i klęsk żywiołowych.
Jak pokazano, awarie w elektrowniach jądrowych, a także w dużych przedsiębiorstwach chemicznych, rafineryjnych, metalurgicznych i wielu innych mogą prowadzić do katastrofalnych skutków, utraty życia i dużych strat materialnych.
Aby skutecznie przeprowadzić prace awaryjne, wymagane jest zaawansowane przygotowanie inżynieryjne miasta i terenu CES, zwiększenie jego stabilności oraz umiejętność szybkiego znalezienia kompetentnych rozwiązań w zakresie organizacji i prowadzenia tych prac.
Cel ten osiąga się poprzez szkolenie kadr jednostek obrony cywilnej i ludności w zakresie umiejętnego działania w sytuacjach awaryjnych. Aby sformułować środki inżynieryjne i techniczne UCC, należy wcześniej ocenić możliwą sytuację inżynieryjną i pożarową.
Sytuacja inżynierska - stan współczesnego systemu urządzeń inżynierskich w miastach, obiektach przemysłowych i innych. Obejmuje liczne linie rurociągów miejskich i przemysłowych wodociągów, kanalizacji, sieci ciepłowniczych gazowych, kabli elektrycznych itp., a także różne budynki i budowle.
Identyfikacja sytuacji inżynierskiej ma na celu określenie charakteru ewentualnych zniszczeń, wypadków i uszkodzeń obiektów gospodarczych w trakcie powstawania siedlisk katastrof spowodowanych przez człowieka i klęsk żywiołowych. Na planach i diagramach granice stref zniszczenia pokazane są jako koncentryczne czerwone okręgi.
Promienie okręgów strefy zniszczenia wyznacza się z tabel, a także ze wzoru Prawa podobieństwa wybuchów.
Teoria kinetyczna służy do teoretycznego badania mikroskopowej struktury fal uderzeniowych. Zagadnienia struktury fali uderzeniowej nie rozwiązano analitycznie, lecz zastosowano szereg uproszczonych modeli. Jednym z takich modeli jest model Tamma-Mothy-Smitha.
Prędkość propagacji fali uderzeniowej
Prędkość rozchodzenia się fali uderzeniowej w ośrodku jest większa niż prędkość dźwięku w tym ośrodku. Im większe jest natężenie fali uderzeniowej (stosunek ciśnień przed i za frontem fali), tym większy jest nadmiar: (p fala uderzeniowa - p sp.średnia)/p sp.średnia.
Na przykład w pobliżu centrum wybuchu jądrowego prędkość propagacji fali uderzeniowej jest wielokrotnie większa niż prędkość dźwięku. W miarę oddalania się i słabnięcia fali uderzeniowej jej prędkość szybko maleje i na dużej odległości fala uderzeniowa przeradza się w falę dźwiękową (akustyczną), a prędkość jej propagacji zbliża się do prędkości dźwięku w otoczeniu. Fala uderzeniowa w powietrzu podczas wybuchu jądrowego o mocy 20 kiloton pokonuje następujące odległości: 1000 m w 1,4 s, 2000 m - 4 s, 3000 m - 7 s, 5000 m - 12 s. Dlatego osoba, która widzi błysk eksplozji, ma trochę czasu na ukrycie się (fałdy w terenie, rowy itp.), A tym samym zmniejszenie niszczycielskich skutków fali uderzeniowej.
Fale uderzeniowe w ciałach stałych (na przykład spowodowane eksplozją jądrową lub konwencjonalną w skale, uderzeniem meteorytu lub strumieniem skumulowanym) przy tych samych prędkościach mają znacznie wyższe ciśnienia i temperatury. Substancja stała znajdująca się za frontem fali uderzeniowej zachowuje się jak idealna ściśliwa ciecz, to znaczy nie ma w niej wiązań międzycząsteczkowych i międzyatomowych, a siła substancji nie ma żadnego wpływu na falę. W przypadku naziemnego i podziemnego wybuchu jądrowego fala uderzeniowa w ziemi nie może być uważana za czynnik niszczący, ponieważ szybko zanika; promień jego rozprzestrzeniania się jest niewielki i będzie w całości mieścić się w rozmiarze krateru wybuchowego, wewnątrz którego osiągnięto już całkowite zniszczenie trwałych celów podziemnych.
Fale uderzeniowe w specjalnych warunkach
Analogia do hydrogazu
- Fala uderzeniowa podgrzewając medium może wywołać egzotermiczną reakcję chemiczną, która z kolei będzie miała wpływ na właściwości samej fali uderzeniowej. Ten kompleks „fala uderzeniowa + reakcja spalania” nazywany jest falą detonacyjną.
- W obiektach astrofizycznych fala uderzeniowa może poruszać się z prędkością bliską prędkości światła. W tym przypadku adiabat uderzeniowy jest modyfikowany.
- Fale uderzeniowe w namagnesowanej plazmie również mają swoje charakterystyczne cechy. Podczas przechodzenia przez szczelinę zmienia się również wielkość pola magnetycznego, co wymaga dodatkowej energii. Oznacza to istnienie maksymalnego możliwego współczynnika kompresji plazmy dla dowolnie silnych fal uderzeniowych.
- Styczne fale uderzeniowe reprezentują powierzchnię nieciągłości typu mieszanego (normalnego i stycznego).
Zobacz też
- Przepływ naddźwiękowy
Notatki
Literatura
- // Słownik encyklopedyczny Brockhausa i Efrona: w 86 tomach (82 tomy i 4 dodatkowe). - Petersburgu. , 1890-1907.
Fundacja Wikimedia. 2010.
Zobacz, co „fala uderzeniowa” znajduje się w innych słownikach:
- (szok kompresyjny), cienki obszar przejściowy rozchodzący się z prędkością naddźwiękową, w którym następuje gwałtowny wzrost gęstości, ciśnienia i prędkości. UV powstają podczas eksplozji, detonacji, podczas naddźwiękowych ruchów ciał, podczas... ... Encyklopedia fizyczna
fala uderzeniowa- Obszar przejściowy rozprzestrzeniający się z prędkością naddźwiękową w gazie, cieczy lub ciele stałym, w którym następuje gwałtowny wzrost gęstości, ciśnienia i prędkości ośrodka [GOST 26883 86] [GOST R 22.0.08 96] fala uderzeniowa Fala uderzeniowa , ... ... Przewodnik tłumacza technicznego
Cienki obszar przejściowy rozprzestrzeniający się z prędkością naddźwiękową, w którym następuje gwałtowny wzrost gęstości, ciśnienia i temperatury substancji. Do najbardziej typowych przypadków należą fale uderzeniowe powstałe w wyniku eksplozji, lotu... ... Wielki słownik encyklopedyczny
FALA UDERZENIOWA- proces rozchodzenia się fali uderzeniowej w ośrodku (w glebie, powietrzu lub wodzie) z prędkością przekraczającą prędkość dźwięku w tym samym ośrodku. Powierzchnia oddzielająca ośrodek sprężony od ośrodka niezakłóconego, K st. Fala uderzeniowa Rozchodzenie się fal dźwiękowych i... ... Wielka encyklopedia politechniczna
Cienki obszar przejściowy rozprzestrzeniający się z prędkością naddźwiękową w ośrodku ściśliwym, w którym następuje gwałtowny wzrost ciśnienia p, gęstości (ρ), entropii, prędkości ośrodka i innych zmiennych gazodynamicznych. W mechanice kontinuum to... ... Encyklopedia technologii
Zobacz Falę uderzeniową. Encyklopedia górska. M.: Encyklopedia radziecka. Pod redakcją EA Kozłowskiego. 1984 1991 … Encyklopedia geologiczna
FALA UDERZENIOWA- cienki obszar przejściowy rozprzestrzeniający się z prędkością naddźwiękową, w którym następuje gwałtowny wzrost gęstości, ciśnienia i temperatury substancji. UV występuje podczas eksplozji (patrz Fala uderzeniowa), lotu ciał z prędkością ponaddźwiękową, w ... Rosyjska encyklopedia ochrony pracy
FALA UDERZENOWA, w ośrodkach płynnych (cieczach lub gazach), obszar szybko poruszający się w ośrodku, charakteryzujący się wyraźną różnicą ciśnień i gęstości. Fale uderzeniowe powstają, gdy obiekty poruszają się z prędkością ponaddźwiękową. Ponieważ... ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny
Obszar rozprzestrzeniający się z prędkością naddźwiękową w gazie, cieczy lub ciele stałym, w którym następuje gwałtowny wzrost gęstości, ciśnienia i prędkości ośrodka. UV w przypadku eksplozji może zarazić ludzi i zwierzęta, zniszczyć konstrukcje,... ... Słownik sytuacji awaryjnych
Fala uderzeniowa. Źródła powstawania fali uderzeniowej.
Fala uderzeniowa to obszar kompresji ośrodka, który w postaci sferycznej warstwy rozprzestrzenia się z prędkością naddźwiękową we wszystkich kierunkach od źródła jego powstania. W zależności od ośrodka, w którym fala uderzeniowa rozchodzi się (w powietrzu, wodzie lub glebie), nazywa się ją odpowiednio powietrzną falą uderzeniową, falą uderzeniową w wodzie lub sejsmiczną falą uderzeniową w glebie.
Istnieją fale uderzeniowe pochodzenia naturalnego i antropogenicznego. DO naturalny fale obejmują fale uderzeniowe spowodowane erupcjami wulkanów, trzęsieniami ziemi, huraganami, tornadami, upadkami meteorytów itp. DO antropogeniczny zaliczają się fale uderzeniowe powstałe na skutek wybuchów urządzeń jądrowych, wybuchów chemicznych, wybuchów w obiektach energetyki jądrowej, wybuchów w przemyśle rafinacji ropy naftowej i petrochemii, wybuchów substancji podczas ich transportu w transporcie, wybuchów mieszanin gazowo-powietrznych lub mieszanin substancji palnych cieczy i gazów z powietrzem. W tej chwili szeroko badano wpływ fali uderzeniowej podczas eksplozji urządzeń jądrowych. W tym przypadku ujawniają się wszystkie aspekty szkodliwego działania fali uderzeniowej i obserwuje się wszystkie jej główne parametry.
Fala uderzeniowa jest głównym czynnikiem uszkadzającym wybuchy urządzeń jądrowych (wybuchy jądrowe). Większość zniszczeń i uszkodzeń budynków i budowli, wyposażenia obiektów przemysłowych, a także obrażeń ludzi, z reguły jest spowodowana działaniem fali uderzeniowej.
Oprócz fal uderzeniowych występują inne szkodliwe czynniki w eksplozji urządzeń jądrowych promieniowanie świetlne, promieniowanie przenikliwe, skażenia radioaktywne, impuls elektromagnetyczny. Rozkład energii pomiędzy czynnikami niszczącymi zależy od rodzaju wybuchu i warunków, w jakich następuje. Na eksplozja naziemna i powietrzna do 50% przeznacza się na powstawanie nadciśnienia fali uderzeniowej, około 30% na promieniowanie świetlne, do 15% na skażenia radioaktywne i około 5% na promieniowanie przenikliwe.
Charakter propagacji fali uderzeniowej w powietrzu, wodzie i glebie. Podstawowe parametry fali uderzeniowej.
Powietrzna fala uderzeniowa powstaje w wyniku ogromnej energii uwolnionej w strefie reakcji jądrowej, gdzie temperatura sięga 10 000 C, a ciśnienie osiąga 10 5 -10 6 Pa.
Gorące pary i gazy rozszerzają się, wytwarzając w ten sposób ostry podmuch na otaczające warstwy powietrza, co powoduje sprężenie tych warstw powietrza do wysokiego ciśnienia i dużej gęstości, a także nagrzanie do wysokich temperatur. Kompresja i ruch powietrza następuje z jednej warstwy na drugą we wszystkich kierunkach od miejsca wybuchu, tworząc w ten sposób falę uderzeniową. Ekspansja gorących gazów zachodzi w niewielkich odległościach od środka wybuchu. Na większych dystansach działa (przeważnie) powietrzna fala uderzeniowa. W pobliżu środka eksplozji prędkość fali uderzeniowej znacznie przekracza prędkość fal dźwiękowych. Wraz ze wzrostem odległości od środka eksplozji prędkość fali uderzeniowej szybko maleje, a efekt samej fali uderzeniowej szybko słabnie. Przy dużych odległościach zwykle zamienia się w falę dźwiękową. Powietrzna fala uderzeniowa podczas eksplozji średniej mocy pokonuje w przybliżeniu 1000 m w 1,4 s, 2000 m w 4 s, 3000 m w 7 s i 5000 m w 12 s.
|
Wykres przedstawia wzór zmian ciśnienia w czasie w dowolnym stałym punkcie przestrzeni. Wraz z przybyciem? W miejscu czoła fali uderzeniowej ciśnienie powietrza gwałtownie wzrasta, a gęstość powietrza, temperatura i prędkość środowiska zewnętrznego również gwałtownie rosną. Po przejściu czoła fali uderzeniowej przez dany punkt w przestrzeni ciśnienie w nim stopniowo maleje i po pewnym czasie staje się równe ciśnieniu atmosferycznemu R 0 . Powstała warstwa sprężonego powietrza jest faza kompresji(τ+ ), w tym okresie fala uderzeniowa ma największy niszczycielski efekt. W miarę oddalania się od centrum eksplozji ciśnienie w czole fali uderzeniowej maleje, a grubość warstwy ściskanej z czasem wzrasta. |
To ostatnie następuje w wyniku przyciągania nowych mas powietrza. Ponadto ciśnienie staje się niższe niż atmosferyczne, powietrze zaczyna poruszać się w kierunku przeciwnym do propagacji fali uderzeniowej, to znaczy w kierunku środka eksplozji. Ta strefa niskiego ciśnienia nazywana jest fazą rozrzedzania ( τ- ). W faza rozładowania fala uderzeniowa powoduje znacznie mniejsze zniszczenia niż w fazie sprężania, ponieważ występuje maksymalne podciśnienie -ΔР znacznie mniejsze niż maksymalne nadciśnienie w czole fali uderzeniowej. Po zakończeniu okresu działania fazy niszczenia, gdy ciśnienie osiągnie ciśnienie atmosferyczne, ruch faz powietrza i w konsekwencji ustanie niszczycielskie działanie fali uderzeniowej. Bezpośrednio za frontem fali uderzeniowej w obszarze kompresji przemieszczają się masy powietrza.
W wyniku hamowania tych mas powietrza podczas napotykania przeszkody powstaje ciśnienie o dużej prędkości. Głównymi parametrami fali uderzeniowej, które decydują o jej szkodliwym działaniu, są:
nadmierne ciśnienie z przodu ΔР F ,
głowica prędkości ΔР sk ,
czas działania T UV .
Nadciśnienie w czole fali uderzeniowej jest to różnica między maksymalnym ciśnieniem na czole fali uderzeniowej a normalnym ciśnieniem atmosferycznym przed frontem.
ΔР F =P F -R 0
Jednostką miary nadciśnienia w układzie Si jest Pa. Wartość nadciśnienia w dowolnym punkcie zależy od odległości od środka wybuchu, mocy i rodzaju wybuchu.
Głowa prędkości- są to obciążenia dynamiczne powstałe w wyniku przepływu powietrza przed falą uderzeniową. Podobnie jak nadciśnienie, jest ono mierzone w Pa. Prędkość ciśnienia zależy od gęstości powietrza, prędkości ruchu mas powietrza i jest związana z nadciśnieniem. Niszczący wpływ ciśnienia o dużej prędkości wpływa na obszary z nadciśnieniem > 50 kPa.
Czas działania fali uderzeniowej jest czasem działania nadciśnienia. Zależy głównie od nadciśnienia i prędkości powietrza.
