Ударная волна. Параметры УВ. Воздействия на людей, зданий

Содержание 

Введение

1. Ударные волны
1. Понятие «ударной волны»
2. Параметры ударной волны
2. Воздействия ударной волны на людей, здания, сооружения
3. Средства и способы защиты от ударных волн

Заключение

Список  использованной литературы

 

Введение 

     Не  раз мы слышали термин «ударная волна» (именно он – объект моего исследования). Это понятие муссируется и  по радио, и по телевидению, и в  газетах. Наверняка, первый раз этот термин мы слышали на уроках физики в школе и, возможно, не придали  ему должного значения, а ведь понятие  довольно сложное и важное.

     Мы  живем в эпоху, когда слова  «терроризм», «взрыв» слышим чуть ли не каждый день. А ведь именно взрыв – один из источников ударной волны и поэтому не знать о них, значит быть в постоянной опасности, ведь, как известно, предупрежден, значит вооружен.

     Таким образом, незнание об ударных волнах может быть очень опасным для  человека. Именно в этом важность и  актуальность выбранной мною темы реферата.

     Цель  моего реферата – глубокое изучение понятия «ударная волна».

     Задачи  или вопросы, которые я перед  собой ставлю, и которые помогут  мне достичь цели моей работы –  это:

• что есть «ударная волна»;
• каковы ее параметры;
• каковы ее воздействия на людей, здания и сооружения;
• средства и способы защиты от ударных волн.

     Чтобы решить поставленные задачи, я буду использовать современные энциклопедии (в частности БСЭ), учебники для  высших учебных заведений по дисциплине «Безопасность в чрезвычайных ситуациях», справочники.

 

1. Ударные волны

 
     

1. Понятие «ударной волны»

 

     Ударная волна, по определению из Большой  Советской Энциклопедии, – это  скачок уплотнения, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества.

     Например, при взрыве взрывоопасных веществ  образуются высоконагретые продукты, обладающие большой плотностью и находящиеся под высоким давлением. В начальный момент они окружены покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причём в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определённом объёме; вне этого объёма воздух остаётся в невозмущённом состоянии. С течением времени объём сжатого воздуха возрастает.

     Классический  пример возникновения и распространения  ударных волн — опыт по сжатию газа в трубе поршнем. Если поршень  вдвигается в газ медленно, то по газу со скоростью звука A бежит акустическая (упругая) волна сжатия. Если же скорость поршня не мала по сравнению со скоростью звука, возникает ударная волна. Расстояния между частицами в ударной волне меньше, чем в невозмущённом газе, вследствие сжатия газа. Если поршень сначала вдвигают в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряют, то ударная волна образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности R и давления P. С течением времени крутизна передней части волны сжатия нарастает, так как возмущения от ускоренно движущегося поршня догоняют её и усиливают, вследствие чего возникает резкий скачок всех гидродинамических величин, то есть ударная волна. [2], [3]

     Звук  представляет собой колебания плотности  среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость звука (скорость распространения возмущений) возрастает. Это неизбежно приводит к явлению опрокидывания решений, которые и порождают ударные волны.

     В силу этого механизма, ударная волна  в обычной среде — это всегда волна сжатия. Однако в тех системах, в которых скорость распространения  возмущений уменьшается с ростом плотности, будет наблюдаться ударная  волна разрежения.

     Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны  в слабую ударную волну. Однако в  повседневных условиях для этого  требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения  колебания плотности в ударную  волну требуются сильные начальные  отклонения от равновесия. Этого можно  добиться либо созданием звуковой волны  очень большой громкости, либо механически, путём околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому ударные  волны возникают при взрывах, при сверхзвуковых движениях  тел (течение газа, при котором  в рассматриваемой области скорости V его частиц больше местных значений скорости звука A), при мощных электрических разрядах и т.д.

     Введение  понятия ударной волны приписывают  немецкому ученому Бернхарду Риману (1876).

     Структура ударной волны

     Типичная  ширина ударной волны в воздухе  – 10–4 мм (порядка нескольких длин свободного пробега молекул). Малая толщина  такой волны дает возможность  во многих задачах считать ее поверхностью разрыва. Но в некоторых случаях  имеет значение структура ударной  волны. Такая задача представляет и  теоретический интерес. 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). 

1. Параметры УВ

 

     Для характеристики ударной волны при  взрыве газовоздушных смесей используются параметры по своему физическому содержанию аналогичные параметрам ударной волны при взрыве конденсированных взрывоопасных веществ.

     Параметры ударной волны представлены в  таблице 1. 

     Таблица 1

     Параметры ударной волны ЯВ мощностью 30 Кт.

 

     Условия на фронте ударной волны

     При переходе через ударную волну  должны выполняться общие законы сохранения массы, импульса и энергии. Соответствующие условия на поверхности  волны – непрерывность потока вещества, потока импульса и потока энергии:  

      , ,

        

          r – плотность,

     u – скорость,

     p – давление,

     h – энтальпия, теплосодержание) газа. Индексом «0» отмечены параметры газа перед ударной волной, индексом «1» – за ней.

     Эти условия носят название условий  Ренкина – Гюгонио, поскольку первыми из опубликованных работ, где были сформулированы эти условия, считаются работы британского инженера Вильяма Ренкина (1870) и французского баллистика Пьера Анри Гюгонио (1889).

     Условия Ренкина – Гюгонио позволяют получить давление и плотность за фронтом ударной волны в зависимости от начальных данных (интенсивности ударной волны и давления и плотности перед ней): 

      , 

     h – энтальпия газа.

1. Эта зависимость носит название адиабаты ((от греч. adiábatos — непроходимый), линия, изображающая на любой термодинамической диаграмме равновесный адиабатный процесс (т. е. процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой) Гюгонио, или ударной адиабаты (рис. 1).

 

     

     Фиксируя  на адиабате точку, соответствующую  начальному состоянию перед ударной  волной, получаем все возможные состояния  за волной заданной интенсивности. Состояниям за скачками сжатия отвечают точки  адиабаты, расположенные левее выбранной  начальной точки, за скачками разрежения – правее.

     Анализ  адиабаты Гюгонио показывает, что давление, температура и скорость газа после прохождения скачка сжатия неограниченно возрастают при увеличении интенсивности скачка. В это же время плотность возрастает лишь в конечное число раз, сколь бы ни была велика интенсивность скачка. Количественно увеличение плотности зависит от молекулярных свойств среды, для воздуха максимальный рост 6 раз. При уменьшении амплитуды ударной волны она вырождается в слабый (звуковой) сигнал. [4] 

     

2. Воздействия ударной волны на людей, здания, сооружения

 

     В случае возникновения ударной волны  люди, здания, сооружения могут находиться под прямым или косвенным воздействием ударной волны. Прямое воздействие  ударной волны на человека носит  травматический характер, а при воздействии  на здания, сооружения — разрушительный характер.

     Прямое  воздействие ударной волны на человека приводит к травматическим последствиям, тяжесть которых зависит  от величины давления во фронте ударной  волны. Все травмы подразделяются по степени тяжести на легкие, средние, тяжелые и крайне тяжелые.

     Открыто расположенные люди получают легкие травмы при избыточном давлении во фронте ударной волны 20–40 кПа. В  этом случае человек может получить незначительные повреждения: ушибы, вывихи конечностей, временное повреждение  слуха, легкие контузии.

     Средние травмы человек получает при давлении 40–60 кПа, которые характеризуются  серьезными контузиями, повреждениями  слуха, кровотечением из носа и ушей, вывихами, переломами конечностей.

     Тяжелые травмы наступают при давлении 60–100 кПа и характеризуются тяжелыми контузиями, значительными переломами конечностей, сильным кровотечением  из носа и ушей.

     Крайне  тяжелые травмы человек получает при избыточном давлении более 100 кПа  и такие травмы, как правило, оканчиваются летальным исходом.

     Прямое  воздействие избыточного давления во фронте ударной волны и скоростной напор на здания, сооружения и т. д. приводит к их частичному или полному  разрушению. Разрушения зданий, сооружений в зависимости от величины давления могут быть слабыми, средними, сильными и полными.

     Степень разрушения производственных комплексов в зависимости от избыточного  давления может быть оценена следующем  образом:

1. Для промышленного здания с металлическим или железобетонным каркасом: при избыточном давлении 50...60кПа – сильное, 40...50кПа – среднее, 20...40кПа – слабое;
2. Для кирпичного многоэтажного здания с остеклением: при избыточном давлении 20...30кПа – сильное, 10...20кПа – среднее, 8..10кПа – слабое;
3. Для кирпичного одно- двухэтажного здания с остеклением: при избыточном давлении 25...35кПа – сильное, 15...25кПа – среднее, 8...15кПа – слабое;
4. Для приборных стоек: при избыточном давлении 50...70кПа – сильное, 30...50кПа – среднее, 10...30кПа – слабое;
5. Для антенных устройств: при избыточном давлении 40кПа – сильное, 20...40кПа – среднее, 10...20кпа – слабое;
6. Для открытых складов с железобетонным перекрытием: при избыточном давлении 200кПа – сильное.