Параметры ударной волны

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня словосочетание «ударная волна» (именно он предмет данной работы) мы слышим повсеместно. Это понятие распространяется по радио, телевидению, в газетах. Наверняка, впервые значение этого слова мы узнали на уроках физики в школе и, скорее всего, не отдали ему должного значения, а как-никак термин довольно непростой и важное.Мы живем в то время, когда слова «терроризм», «взрыв» слышим практически ежедневно. А ведь взрыв – один из источников ударной волны. Отсюда следует, что не знать о них, означает находиться в постоянной опасности, ведь, как известно, предупрежден, значит вооружен.Неосведомленность об ударных волнах может быть смертельно опасной для человека. Собственно, значимость и актуальность выбранной мною темы состоит именно в этом.Цель моей работы – полное исследование термина «ударная волна» с помощью современных энциклопедий, учебных пособий для ВУЗов по дисциплине «Безопасность в чрезвычайных ситуациях».1 Ударные волны1.1 Понятие «ударной волны»По определению ударная волна из Большой Советской энциклопедии представляет собой скачок уплотнения - тонкую переходную зону, излучаемую сверхзвуковой скоростью, при которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества.При взрыве взрывчатых веществ образуются сильно нагретые продукты высокой плотности и под высоким давлением. Сначала их окружает покоящийся воздух при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, и в любой момент сжимается только определенный объем воздуха; вне этого объема воздух остается нетронутым. С течением времени объем сжатого воздуха увеличивается.Классическим примером возникновения и распространения ударных волн является опыт сжатия газа в трубе поршнем. Если поршень медленно движется к газу, акустическая (упругая) волна сжатия проходит через газ со скоростью звука. Если скорость поршня невелика по отношению к скорости звука, возникает ударная волна. Расстояния между частицами в ударной волне меньше, чем у не возмущенного газа из-за сжатия. Если поршень сначала вдавливается в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряется, то ударная волна не возникает сразу. Первоначально возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотнсти и давлния. Со временем крутизна передней части волны сжатия увеличивается, так как нарушения от быстро движущегося поршня захватывают его и усиливаются, что приводит к резкому скачку во всех гидродинамических количествах, то есть ударной волне [2, 3].Звук — это колебания интенсивности среды, излучаемой в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в зоне высокого давления увеличивается скорость звука (то есть то, с какой скоростью распространяются возмущения). Это неизбежно приводит к опрокидыванию решений, вызывающих ударные волны.Благодаря этому механизму ударная волна в нормальной среде всегда представляет собой волну сжатия. Однако в системах, где скорость распространения возмущений уменьшается по мере увеличения интенсивности, будет наблюдаться вакуумная ударная волна.Описанный механизм предсказывает, что любая звуковая волна неизбежно превратится в слабую ударную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется очень много времени, чтобы звуковая волна успела погаснуть до того, как будут замечены нелинейности. Для быстрого преобразования флуктуации плотности в ударную волну необходимы сильные начальные отклонения от равновесия. Это может быть достигнуто путем создания звуковой волны на очень высокой громкости, либо механически, при близком звуковом движении окружающих объектов. Поэтому ударные волны происходят при взрывах, сверхзвуковых движениях тел (поток газа, при котором скорость звука в рассматриваемой области частиц больше локальных значений), сильных электрических разрядах и так далее.Введение концепции ударной волны приписывают немецкому ученому Бернхарду из Рима.1.2 Структура ударной волныВ воздухе нормальная ширина ударной волны– 10–4 мм, примерно несколько километров независимого молекулярного пробега. Незначительная толщина этой волны позволяет почти во всех задачках вычислять считать ее поверхностью разрыва. Но все же иногда имеет значение и структура ударной волны. Для слабых ударных волн хорошее согласие эксперимента и теории дает модель, учитывающая вязкость и теплопроводность среды. Для ударных волн достаточно большой интенсивности структура должна учитывать (последовательно) стадии установления термодинамического равновесия поступательных, вращательных, для молекулярных газов еще и колебательных степеней свободы, в определенных условиях – диссоциацию и рекомбинацию молекул, химические реакции, процессы с участием электронов (ионизацию, электронное возбуждение).2 Параметры ударной волныДля характеристик ударных волн при взрывах газовых смесей применяются параметры физического содержания, аналогичные физическим параметрам ударных волн при взрывах конденсированного взрывоопасного вещества. Основные параметры ударных волн:- сильное давление на фронт ударных волн;- скоростная волна удара, действующая на поверхности объекта; - скоростная волна удара, действующая на поверхности объекта.- времени действия ударных волн;- волновой импульс и т.д.Избыток давления в фронте ударных волн Ар отличается различностью давления в фронте ударных волн и атмосферным давлением:Ap=p1- p0Ударная волна характеризуется скоростью нарастания давления до его максимального значения.Ударные волны характеризуются скоростью напора. Скоростный напор возникает из-за торможения какой-либо преграды движения воздуха в волне удара. Ударные волны распространяются в пространстве с сверхзвуковыми скоростями. Таким образом, ударные волны при взрыве ядер проходят 1000 метров за 2 секунды, 2000 метров за 5 секунды, 3000 метров за 8 секунд. Сила ударных волн очень большая и вызывает значительные разрушения.При переходе по ударной волне должны быть выполнены общепринятые законы о сохранении массы, энергии и импульсов. Соответствующие условия поверхности волн — непрерывность поток вещества, поток импульсов и поток энергии:ρ0u0=ρ1u1,p0+ ρ0u02= p1+ ρ1u12, h0+u022= h1+u122,где – плотность, u – скорость, p – давление, h – энтальпия.Эти условия называются условиями Ренкина-Гюгоно, потому что первыми из публикаций, в которых были формулированы эти условия считаются британские инженеры Вильям Ренкин 1870 года и французский баллист Пьер Анри Гугоно 1889 года.Условия Ренкина -Гюгона позволяют получать давление, плотность и давление перед фронтом ударного волны в соответствии с начальными данными интенсивностей ударных волн и давлением и плотностью перед ними:h0-h1+121ρ0 + 1ρ1p1- p0=0Это зависимость имеет название адибаты от греча. ADIABATOS - неподвижная линия, которая изображает равновесный процесс адиабата, то есть процесс, который происходит без теплового обмена с атмосферой Гюгоно, или ударный процесс адиабата, представленный на рисунке 2.1.Рисунок 2.1 – Адиабата ГюгоноФиксируя точку на адиабате, которая соответствует начальной динамике перед ударом, получим все возможные динамики за волной определенной мощности. Состояния для скачков сжатия соответствуют точкам адиабат, расположенным левее выбранного начального пункта, а для скачков сжатия - левее. Анализ адибата Гюгоно показал, что при увеличении скорости скачка давления, температуры и скорости газа при увеличении скорости скачка неограниченно увеличивается [2]. При этом плотность увеличивается только в конечном счете, сколько бы интенсивности скачка ни было. Количественный рост плотности определяется молекулярными свойствами окружающей среды [3], максимальный рост воздуха в 6 раза. Если уменьшить амплитуду ударных волн, они вырождаются в слабые звуковые сигналы. [4]На параметры волны удара заметно влияют рельеф места, лес и рельеф растительности. На скатах, которые обращаются к взрывам с более 10 крутизной, увеличивается давление: чем выше скаты, тем выше давления. На обратном склоне возвышенности происходит обратное происхождение. В лощинах, траншейах и иных земляных сооружениях, располагающихся в направлении распространения ударных волн, метательное воздействие значительно менее, чем в открытых местах. Это следствие сопротивления деревьев воздушным массам, которые движутся с большими скоростями по фронту ударных волн.3 Воздействия ударной волны на людей, здания, сооруженияПри возникновении ударных волн людям, зданиям, сооружениям может быть прямое или косвенное воздействие ударных волн. Прямое ударное воздействие на человека имеет травматическое значение, а воздействие на здания и сооружения – разрушительное.Прямое влияние ударного луча на человека влечет за собой травматические последствия, тяжести которых зависят от величины ударного давления на фронте ударного луча. Все травмы делятся по степеням тяжести: легкие, среднее, тяжелое, крайне тяжёлое.Открытые люди получают лёгкие травмы при недостаточном давлении на фронте ударных волн 20-40 КПа. В таком случае человека могут оказаться незначительными повреждениями: ушибами, вывихами ног, временным повреждением слуха, легкими контузиями.Средняя травма человека возникает при давлении от 40 до 60 кПа, которая характеризуется серьезным контузием, повреждением слуха, кровоточением в носу и ушах, вывихом, переломом конечностей.Тяжелое травмирование происходит при давлении от 60 до 100 кПа, характеризуется тяжелым контузием, значительным переломом конечностей и сильным кровоточением в носу и ушах.Крайне тяжелые повреждения человек получает в случае избыточного давления более 100 КПа, а такие повреждения обычно кончаются летальным результатом.Прямое влияние излишнего давления на фронт ударных волн и скоростного напора на здания и сооружения приводит к частичному или полному разрушению их. Разрушение зданий и сооружений по величине давления может быть слабым, средним, сильным и полным.Показатели разрушения производственного комплекса по избыточным давлениям могут быть оценены по данным таблицы 3. 1.Таблица 3.1 - Показатели разрушения производственного комплекса №Тип постройкиСильное давление, кПаСреднее давление, кПаСлабое давление, кПа1Промышленное здание с металлическим или железобетонным каркасом50-6040-5020-402Кирпичное многоэтажное здание с остеклением20-3010-208-103Кирпичное одно- двухэтажное здание с остеклением25-3515-258-154Приборные стойки50-7030-5010-305Антенные устройства4020-4010-206Открытые склады с железобетонным перекрытием200--Косвенное влияние ударных волн происходит при действиях на человека, здание, сооружение и иные объекты, обломки зданий, конструкций, падающие деревья и т.д., появляющиеся в результате прямых ударных волн.Чтобы уменьшить поражающее действие ударного волны, необходимо выполнять строительные нормы, а при строительстве исключать отклонения от проекта к ухудшению прочности, чтобы удешевить строительство. Под ударной волной образуются очаги разрушения и разрушения, их размеры зависят от силы и вида взрывов, рельефа местности, это отображено на рисунке 2.Граница поражения очага на равнинном участке условно ограничена радиусом с недостаточным давлением на фронте удара 10 кПа (0.1 кгс/ см) [5].Рисунок 3.1 – Очаги поражений при воздействии ударной волны4 Средства и способы защиты от ударных волнЛичный состав закрытых боевых позиций на примере судна защищён от скоростного ударного напора самой конструкции судна. В случае нахождения на открытом боевом посту, чтобы ослабить воздействие ударных волн, личные составы должны лежать на палубе, прикрывая его тройку, башню или другую материальную часть.В береговой зоне, чтобы защититься от ударных волн, необходимо использовать окна, реки, траншей и естественных укрытий, и при отсутствии их, лежать на земле ногами, чтобы взорвать [4]. При этом площадь поверхностей тела, которая испытывает прямое ударение волны, несколько раз уменьшается, и в результате этого уменьшается действие напора скорости.Поражающие действия ударных волн воздушного ядерных взрыва больше, чем наземных мощностей. Поскольку воздушный взрыв дополнительно образует отраженную волну, которая, на каком-то удалении от взрыва, сливается с прямой волной, и, следовательно, увеличивается избыток давления фронта ударного волны[6].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы рассматривали одну из наиболее острых тем на сегодняшний день - ударную волну. Мы определили термин ударная волна - область резких сжатий среды, которая распространяется в виде сферических слоев от месторождения взрыва с высокой скоростью, его параметры.Объяснили, как она влияет на человека, здание, здание, сооружение прямое или косвенное влияние: легкий, средний, тяжелый и чрезвычайно тяжелый для человека и слабый, средний, сильный и полный для здания и конструкций и узнал, как защититься от ударной волны.Вся эта информация крайне необходима не только для профессионала безопасности, но также для любого другого человека, обучающегося в ВУЗе [1].
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Вишняков Я.Д., Вагин В.И., Овчинников В.В., Стародубец А.Н. Безопасность жизнедеятельности: защита населения и территорий в чрезвычайных ситуациях. М., Академия, 2006.2 Большая Советская Энциклопедия (БСЭ). М., Большая Российская энциклопедия, 1981.3 Онлайн энциклопедия «Кругосвет».4 Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М., «Наука», 1966.5 Воздвиженский Ю.М. Безопасность жизнедеятельности на предприятиях связи в чрезвычайных ситуациях. Учебное пособие. Санкт-Петербург, 2008.6 Источник URL: www.gr-obor.narod.ru (Дата обращения 07.02.2022)