ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 08.04.22
    ТЕКСТ: Дмитро Шаповал
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Чи варто заклеювати вікна від вибухів?

    Якщо коротко: так, варто. Звісно, заклеювання вікон не врятує самі вікна від вибуху, але вбереже вас від уламків скла, якщо ви не встигли сховатися у підвал чи бомбосховище. У цій статті ми розповімо, як саме це робити та як працюють вибухові хвилі.

    Дослідження великих бомбардувань показують, що найчастіше велика кількість жертв пов’язана не із самим вибухом (вибуховою хвилею), а із спричиненою ним фрагментацією будівельних та інших матеріалів. Зокрема, згідно з даними департаменту з питань безпеки ООН, 80% жертв у досліджених випадках було вбито чи поранено первинними та вторинними уламками1

     

    Первинні – це поранення уламками корпусу бомби чи її складовими (наприклад, сталеві кульки). Вторинні фрагменти, як-от каміння та бруд, можуть рухатися з дуже високою швидкістю й розлітатися на великі відстані. Тому не завжди можна повністю захиститись від цих фрагментів. З цих типів уламків 80% травм і смертей були викликані саме уламками скла. Це можна пояснити тим, що скло крихкіше за інші компоненти будівлі. До того ж воно є одним з ключових будівельних елементів. Великий відсоток жертв від скла можна пояснити і тим, як воно реагує внаслідок вибуху. Уламки скла під великим тиском можуть розлітатися і вражати цілі зі швидкістю та кінетичною енергією, подібною до гострих лез (швидкість варіюється від 30 до 60 метрів на секунду) і зазвичай мають гострі краї.

     

    Основною метою статті не є запропонувати рекомендації поведінки під час вибуху. Ми насамперед хочемо дослідити саме явище та руйнівну силу, з якою ми зіткнулися.

    Що таке вибух?

     

    Увесь Всесвіт наповнений вибухами: галактичні чи міжгалактичні, як етапи еволюції зірок чи народження нових світів. Ба більше, поява часу та матерії, кожної частинки у Всесвіті спричинена вибухом, який ми називаємо Великим, коли з точки нескінченної густини з’явилось все. Авторові хотілось би розповісти про різноманітну фізику саме таких вибухів, але сьогоднішня агресія держави-терориста підштовхує говорити про вужче коло випадків. Тому спробуємо далі поглянути на вибух як фізико-хімічне явище, що відбувається після детонації вибухового пристрою.

     

    Для початку поглянемо на означення, яке можна зустріти у фізичних енциклопедіях. Вибух – це раптова зміна фізичного або хімічного стану речовини, що супроводжується швидким перетворенням енергії (зазвичай в обмеженому об’ємі за короткий проміжок часу), що призводить до розігріву та руху продуктів перетворення. На перший погляд може здатися, що ключовою у цьому означенні є саме енергія і її величина. Але насправді – не енергія, а саме швидкість її перетворення. Пригадайте, наприклад, новини. Зазвичай там фігурує потужність вибуху. 

     

    Згадаймо: енергія – це здатність фізичного тіла чи системи виконувати роботу. Натомість потужність – це швидкість, з якою виконується робота або передається енергія. Тепер переконаємося на прикладі одного кілограма тротилу, що вибух є не стільки енергетичним явищем, як потужним. Енергія, яка виділяється внаслідок вибуху одного кілограма тротилу (близько 4,2 мегаджоуля, тобто 4,2 мільйона джоуля) в десять разів менша, ніж енергія горіння кілограма бензину (44 мегаджоуля). Натомість за рахунок швидкого перетворення цієї енергії, а для кілограма тротилу це декілька мілісекунд, потужність вибуху (близько 1 гігавата – мільярд ват) співмірна з потужністю великої електростанції, наприклад Запорізької ТЕС (1,2 гігавата).

     

    Природа ж перетворення енергії полягає у переході потенціальної енергії в кінетичну енергію продуктів вибуху. У найпоширеніших випадках це перетворення хімічної енергії вибухових речовин, а саме перехід частини енергії зв’язку електронів у кінетичну енергію відштовхування продуктів реакції. Інший приклад – перетворення ядерної енергії. У цьому випадку в кінетичну енергію продуктів реакції переходить частина потенціальної енергії зв’язку нуклонів в атомних ядрах. Основна ж «енергетична» відмінність ядерної енергії і хімічної – це величина енергії перетворення. Зокрема, ядерне перетворення кілограма дейтериду літію (паливо термоядерної зброї) у сто мільйонів разів перевищує енергію перетворення кілограма хімічної речовини. Саме перетворення хімічної та ядерної енергій є основними джерелами вибухівок. 

     

    Бувають й інші джерела вибухів. Наприклад, як утворюються землетруси? Подібно до пружинки, потенціальна енергія пружних деформацій у земній корі переходить у кінетичну енергію середовища. Є вид вибуху, що завжди супроводжує блискавку, – грім, коли високотемпературна плазма утворює в повітрі ударну хвилю, що під час поширення в повітрі перетворюється на акустичну хвилю. Ще одним джерелом також може бути внутрішня енергія стиснутих газів чи водяної пари, наприклад у парових котлах чи газових балонах. Ви, мабуть, чули в новинах про їхні вибухи. У цьому випадку через недбалу експлуатацію, при руйнуванні стінок котла внутрішня енергія водяної пари чи газу розширюватиме середовище (згідно із законом збереження енергії чи першого начала термодинаміки) і, як наслідок, відбувається вибух, який супроводжує ударна хвиля. 

     

    Отож, незалежно від виду вихідного джерела вибуху перехід потенціальної енергії в кінетичну енергію руху продуктів вибуху та середовища обов’язково супроводжується утворенням вибухової ударної хвилі. Про це трохи детальніше.

    Вибухова ударна хвиля

     

    Отож, будь-який вибух обов’язково супроводжується утворенням ударних хвиль. Це ділянка дуже стиснутого повітря, що поширюється з надзвуковою швидкістю у всіх напрямках від центру вибуху (2000-3000 метрів на секунду). Її основною ознакою є існування фронту, тобто «поверхні», в якій значення параметрів руху середовища та стану (тиск, температура, густина і швидкість) різко збільшуються в порівнянні зі значеннями, що відповідають незбуреному середовищу. До слова, хоча ми й вживаємо слово «хвиля», насправді тут немає періодичності, як у звукових хвилях. Відбувається саме стрибок – різка зміна. 

    Переріз тиску для тривимірних вибухів зарядів однакового об’єму у формі кулі, циліндра, тора і клина. Часовий крок між кадрами становить 5 мс. Більш теплі кольори вказують на вищий тиск. Джерело: G. Yngve et al, Animating Explosions, GVU Center and College of Computing Georgia Institute of Technology (2000)

    Як поширюється фронт ударної хвилі після детонації вибухового пристрою? Вибух. Перед фронтом ударної хвилі тиск повітря рівний атмосферному. З приходом фронту ударної хвилі в точку дотику тиск миттєво збільшується, досягаючи максимального значення (сума атмосферного та надлишкового тисків). Іншими словами, ударна хвиля стискає повітря в декілька разів. До прикладу, ядерний вибух утворює сильну ударну хвилю, в якій тиск зростає в більш як тисячу разів. У міру віддалення фронту ударної хвилі, тиск поступово знижується і через деякий проміжок часу стає рівним атмосферному. Шар стисненого повітря, що утворився, називають фазою стиснення. Ця фаза має коротку тривалість та велику інтенсивність. Ударна хвиля, подібно до поїзда в метро, тягне за собою повітря. Позаду утворюється зона розрідження, що має більшу тривалість та меншу інтенсивність. При цьому тиск стає нижчим від атмосферного і повітря починає рухатися у напрямку, протилежному поширенню ударної хвилі, тобто до центру вибуху. Загасання відбувається дуже швидко, тому що ударна хвиля має велику інтенсивність тільки поблизу джерела вибуху. Слабке згасання відбувається у випадку, коли вона перетворюється на звукову хвилю. 

    Про вибухове навантаження

     

    Основним фактором впливу ударної хвилі є тиск у фронті хвилі. Окрім тиску, суттєвим виявляється і час тривалості фази стиснення. Зокрема, якщо така хвиля стиснення поширюється вздовж доволі вузької вулиці, вона «виганяє» з неї повітря. При цьому утворюється розріджене повітря, через яке може вирвати вікна й двері, до того ж це може бути більш руйнівним, ніж первинний удар хвильового фронту.

     

    Вплив ударної хвилі на конструкції залежить від відстані, типу вибуху та розміру вибухівки. Порівняємо вплив ударної хвилі при детонації вибухівки в повітрі та детонації при контакті з землею. Оскільки ударна хвиля має велику інтенсивність поблизу джерела вибуху, то насамперед бачимо різницю у меті застосування: основною перевагою детонації в повітрі є велика площа ураження (саме тому ядерну зброю застосовували на деякій відстані від поверхні землі), натомість детонація при контакті – локальна. Поглянемо детальніше.

     

    При повітряному вибусі безпосередньо під епіцентром конструкція спочатку навантажується за рахунок відображення надлишкового тиску (різниця між максимальним тиском у фронті ударної хвилі та нормальним атмосферним тиском перед фронтом хвилі). Після падіння ударної хвилі вся конструкція, так би мовити, занурюється в шар стисненого повітря та одночасно навантажуються всестороннім тиском. 

     

    Навантаження будівлі наземним вибухом інше. Насамперед надлишковим тиском навантажується сторона, повернута до епіцентру. Потім надлишковий тиск діє на бічні сторони, дах та задню сторону. Після того як ударна вибухова хвиля вдарила по лицевій стороні, вона огинає перешкоду, а надлишковий тиск швидко падає. Зокрема на цьому ефекті будуються бар’єрні стіни. Поглянемо трохи детальніше.

     

    Щоб краще зрозуміти, як це працює, скористаємось аналогією зі звуковою хвилею. Звичайні звукові хвилі мають довжину близько кількох метрів і можуть огинати перешкоди (це явище дифракції). Тому можна розмовляти з кимось, хто стоїть за рогом будівлі, хоча його й не видно. Натомість короткі звукові хвилі, зокрема ульразвукові, подібно до світлових дають «тінь». Хоча ударна хвиля немає чітко визначеної довжини, можна міркувати так (математикою можна це показати більш строго): ділянку стиснення ударної хвилі можна розглядати як результат накладання коротких хвиль, а ділянку розрідження – накладання довгих хвиль. Так, подібно до звукових хвиль, через перешкоди проникає тільки розріджена частина ударної хвилі, ударна дія якої значно менша, ніж стисненої частини. Тому навіть невеликі бар’єри чи ями можуть захистити від дії ударних хвиль.

    Схематична дія ударної хвилі у випадку повітряного вибуху та вибуху при контакті з землею.

    Переріз тиску при тривимірному вибуху поблизу нерухомої стіни. Часовий крок між кадрами складає 10 мс. Більш теплі кольори вказують на вищий тиск. Джерело: G. Yngve et al, Animating Explosions, GVU Center and College of Computing Georgia Institute of Technology (2000).

    Вибух може призвести до значного пошкодження або обвалення будівель чи їхніх частин. У зв’язку з цим вікна, віконні отвори чи фасади є найбільш вразливою частиною будівель. Хоча людське тіло може пережити відносно високий надлишковий тиск вибухової ударної хвилі, велика кількість жертв спричинена саме уламками. Дослідження показують, що, як правило, під час вибуху пошкодження вікон відбувається у дві стадії. У першій стадії, в період стиснення, центр скла вдавлюється всередину, як діафрагма, і утворюються кільцеві та радіальні тріщини. На другому етапі, перш ніж уламки скла встигають відокремитися, спрацьовує «всмоктувальна» половина хвилі (фаза розрідження – повітряні маси рухаються у протилежному напрямку), і уламки вилітають у протилежному напрямку до руху ударної хвилі. Якщо ж вибух стався не дуже близько до вікна, уламки скла зазвичай вилітають у напрямку руху ударної хвилі. Однак уламки скла чи частини корпусу вибухівки все ще можуть бути відкинуті назовні. Якщо не брати до уваги закладки вікна, наприклад, цегляною кладкою або закриття його віконницями з товстого дерева чи міцної сталі, захистити скло від руйнування практично неможливо. Хоча все ж тут можна виділити деякі рекомендації, щоб захистити себе від ураження уламками. 

    Як зменшити вплив та наслідки вибухової ударної хвилі

     

    Найвразливіші місця в будинку – це вікна, уламки яких можуть нашкодити, навіть якщо вибух трапився доволі далеко. Можна почати з вікон зокрема й тому, що одним із важливих ефектів ударної дії вибуху є видавлювання віконного скла з подальшою руйнацією.

     

    Хоча кожен вид скла є вразливим до вибухової ударної хвилі, все ж виокремимо найпоширеніші. Найбільш вразливим є звичайне відпалене скло, яке, як правило, розбивається на довгі зазубрені шматки. Загартоване скло набагато твердіше та міцніше, ніж звичайне. При руйнуванні воно розбивається на невеликі шматки, що не мають загострених країв. Термозміцнене скло за своєю механічною стійкістю є кращим, аніж звичайне скло, але й поступається загартованому. Своєю чергою, при руйнуванні термозміцнене скло розпадається на більші уламки у порівнянні із загартованим склом, проте дрібнішим, ніж звичайне. Багатошарове скло (триплекс) виготовляється шляхом з’єднання декількох шарів скла спеціальною полімерною плівкою, що забезпечує високу міцність та безпеку. Зокрема, при руйнуванні не розпадається на уламки, а утримується на плівці. І нарешті, армоване скло. Таке комплектується найтоншою металевою сіткою (з квадратними чи шестикутними комірками), яку поміщають всередину. Тож при пошкодженні уламки утримуються на дроті.

     

    Якщо ж у будинку вікна зі звичайним відпаленим склом, то можна їх зміцнити за прикладом багатошарового скла. Зокрема, заклеїти їх, наприклад клейкою стрічкою, по всій площі «хрест-навхрест» чи у вигляді сітки, розділивши скло на невеликі ділянки. Оскільки основне навантаження – на центр скла, то такий спосіб заклеювання ефективніше розсіює ударну хвилю (гасить вібрації). Лінії повинні якомога частіше пересікатись в центрі вікна. Але все-таки найкращим варіантом є повне покриття, а не окремі смужки, зокрема можна наклеїти на скло полімерну плівку, оскільки основне призначення заклеювання не вберегти саме скло, а утримати його уламки разом. У випадку пластикових (металопластикових) вікон додатково ударну хвилю гасять гумові вставки. 

    Окрім цього, можна скористатись і професійним рішенням, яке пропонує департамент з питань безпеки ООН – використати ударостійкі плівки (Shatter Resistant Film, SRF) разом із системою уловлювання вікон (windows catcher systems). SRF – це багатошарові поліестерні (поліефірні) плівки, які наносяться на поверхню шибки для пом’якшення наслідків розбивання скла всередину будівлі внаслідок зовнішнього вибуху. Своєю чергою, система уловлювання не запобігає впливу вибуху, а лише зменшує збитки, спричинені рухом віконної панелі всередину приміщення. Якщо ж це звичайне відпалене скло, яке є найуразливішим до навантажень, то така система зовсім неефективна – уламки й так розлетяться по кімнаті. Тому для ефективності системи уловлювання вікон саме скло повинно бути або багатошаровим, або ж модифікованим ударостійкою плівкою. 

    Окрім заклеювання вікон, мінімізувати загрозу ураженням уламками різної природи ми можемо, створивши додаткові перешкоди для ударної хвилі. Зокрема, закривши вікна захисними щитами або принаймні листами фанери. Або ж, враховуючи ефекти дифракції ударних хвиль, знизити їхню ударну потужність за аналогією з бар’єрними стінами (якщо є така можливість).

    Важливо знати, що жодна віконна плівка або система кріплення не можуть повністю усунути загрозу, тому потрібно підбирати правильне рішення для кожної ситуації. Отож, не нехтуйте офіційними рекомендаціями та почувши сигнал повітряної тривоги, переміщуйтесь у безпечне, захищене місце чи принаймні скористайтесь правилом двох стін.

    ТЕКСТ: Дмитро Шаповал
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Посилання
    • 1. UN Department of Safety and Security, Division of Specialized Operational Support Physical Security Unit, PSU Information Bulletin, Blast Protection for windows
    • 2. — Ch. Bedon, L. Figuli, An Overview on Current Methods and Trends for Enhancing the Blast Resistance and Protection of Existing Windows, Proceedings of 21st International Conference. Transport Means 2017
    • 3. — L. Figuli, Z. Zvaková, Ch. Bedon, Design and analysis of blast loaded windows, Procedia Engineering 192 (2017)
    • 4. — H. Draganić, V. Sigmund, Blast loading on structures, Tehnicki Vjesnik 19(3) (2012)
    • 5. — Martin Larcher et al., Design of Blast-Loaded Glazing Windows and Facades: A Review of Essential Requirements towards Standardization, Hindawi Publishing Corporation Advances in Civil Engineering (2016)
    • 6. — Tuan Ngo, Blast loading and blast effects on structures – an overview, Electronic Journal of Structural Engineering, 7 (2007)
    • 7. — J. D. Bernal, The physics of air raids, Nature, 147 (1941)
    • 8. — G. S. Settles, High-speed Imaging of Shock Waves, Explosions and Gunshots, American Scientist (2006)
    • 9. — G. Yngve, J. O’Brien, J. Hodgins, Animating Explosions, GVU Center and College of Computing Georgia Institute of Technology (2000)
    • 10. — L. Orlenko, Physics of the explosion, Fizmatlit (2004)
    • 11. — L. Belopukhov, Kvant, Number 6, 5 (2007), ibid. Number 1, 4 (2008)
    • 12. — N. Rouse, The mitigation effects of a barrier wall on blast wave pressures, MastersTheses (2010)
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?