Наука, скептицизм та гумор

Є деякі фізичні величини, з якими ми надзвичайно знайомі і про які ми можемо зробити більш-менш правильні оцінки значень. Таким чином, наприклад, ми можемо туманно оцінити вагу або розмір предмета більше, ніж просто тримати або дивитись на нього. Однак інші фізичні величини, такі як енергія або тиск, є набагато невловимішими.

Зазвичай енергія використовується щодня в калорійному відношенні, особливо під час дієт, а також більш ніж у тих, хто займається освітою, також в езотеричних питаннях, які не мають нічого спільного з реальністю. Однак енергія - це набагато більше, ніж їжа, яка зробляє нас товстими, і такі події, як у Челябінську, дають нам уявлення про те, наскільки руйнівною може бути енергія, якщо вона вибухонебезпечно виділяється.

Як говорить нам Даніель Марін у своєму стаття про челябінську подію слідуючи даним НАСА, енергії, яку розвинув астероїд (я буду користуватися цією номенклатурою, хоча правильніше називати її гоночний автомобіль) при вибуху в атмосфері було близько 500 кілотонн, що еквівалентно приблизно 25 ядерним бомбам, подібним до тих, що впали на Хіросіму або Нагасакі. Якщо все ще є щось безглуздо, кілотон - це одиниця енергії, еквівалентна енергії в 1000 тонн тротилу, а мегатон - у 1 мільйон тонн. Така кількість енергії повністю уникає всіх можливих оцінок, але, щоб дати вам уявлення, немає нічого кращого, ніж кілька прикладів.

Таким чином, вплив метеорита, який знищив динозаврів 65 мільйонів років тому, за оцінками, вивільняє енергію в 192 мільйони мегатонів і знищення кілограма речовини кілограмом антиматерії, згідно з відомим рівнянням Ейнштейна E = mc2, дорівнює 43 мегатонам. І ви пам’ятаєте шкоду, заподіяну нападом ЕТА на Т4 Барахас у 2006 році? Ну, кількість вибухової речовини, яка, за оцінками, знаходилась у вибуху автомобіля, становить від 200 до 500 кг, тобто лише 0,0001% енергії Челябінського метеорита.

події
Дерева, зруйновані після Тунгуської події (

15 мегатон) в 1908 році

Як бачите, шкода, заподіяна бурхливим та вибуховим виділенням енергії, справді жахлива, але існує ще одна величина, яка зазвичай залишається непоміченою, чия руйнівна сила така ж чи більша: тиск.

Ми всі з народження зазнаємо атмосферного тиску. Ми не помічаємо, що це там, але все повітря, яке ми маємо над головою, насправді важить і подрібнює кожен квадратний дюйм нашого тіла із силою близько 1 кг. Таким чином, тиск в 1 атмосферу еквівалентний 101325 Па, або 760 мм рт. Ст. Цей тиск дозволяє повітрю утримувати той аркуш паперу, яким ми покриваємо склянку, повну води, і перевертаємо її; або це ставить нас у скрутну ситуацію, коли ми намагаємося відокремити дві об'єднані півкулі, в яких всередині утворився вакуум, як Отто фон Геріке вже продемонстрував у 1654 р. у своєму знаменитому експерименті з півкулями Магдебурга.

Тепер, яке відношення має тиск до челябінської події? Ну, правда полягає в тому, що насправді все, бо це справжня причина майже всієї шкоди, завданої астероїдом та астероїдом.

Як астероїд розпадається

Як і будь-який матеріал, повітря може стискатися, а його фізичні властивості змінюються залежно від рівнянь стану, що визначають його поведінку. Нас усіх вчили типового рівняння стану ідеального газу, за допомогою якого можна проводити елементарні та дидактичні розрахунки, але яке не відображає реальної поведінки газу. Необхідно вдаватися до набагато складніших рівнянь стану, якщо ми виходимо за межі звичайних умов тиску і температури, як це трапляється, якщо ми хочемо вивчити, що відбувається в астероїді. Тут галузь фізики майже така ж дивна, як правила квантової механіки: фізика високих швидкостей. У цьому світі є місце для найцікавіших явищ, таких як повітря, яке загоряється або ріже метал, ніби це нож, що ріже масло.

Перш ніж говорити про астероїд Челябінська, давайте проведемо невеликий продуманий експеримент. Що, на вашу думку, могло б статися, якби ви накрили небиткий і недеформується шприц, наповнений водою, і намагалися всіма силами стиснути поршень?

Як ви вже здогадалися, вода також має певний ступінь стисливості (очевидно, набагато меншу, ніж у газу), але тиск, необхідний для друку, настільки великий, що ви ніколи не зможете його трохи розчавити. А тепер уявіть, що у вас вистачає енергії, щоб продовжувати штовхати поршень цього небиткого шприца з дедалі більшою силою. Вода почне стискатися, поки не досягне своєї межі, і в той час вона буде шукати стан, коли система буде стабільною під таким великим тиском. Тобто він буде підвищувати свою температуру, поки не стане водяною парою через зміну стану.

Давайте застосуємо цей простий мислительний експеримент до випадку падіння астероїда. Величезна швидкість, яку може переносити астероїд, від 10 до 60 км/с, і його велика маса, приблизно 10 тис. Тонн для Челябінська, виконують роль поршня в повітрі перед собою, передаючи також частину своєї Енергії. Людина під час ходьби або бігу також намагається (несвідомо) здавити повітря перед собою, але ми рухаємося з такою низькою швидкістю, що повітря може легко зійти нам із шляху. Однак у випадку з астероїдом повітря не може відійти досить швидко, щоб звільнити йому шлях, тому він поступово стискається спереду. І якщо повітря стискається «понад його можливості», з’являються дуже цікаві явища.

Результатом цього ударного тиску є величезне підвищення температури, яка перетворює повітря в плазму. Плазма, контактуючи з астероїдом, плавиться і випаровує зовнішні шари, змушуючи її поступово розпадатися. Звідси сліди диму та пари, які залишаються на небі після проходження астероїда.

Челябінська метеоритна стежка

Про тертя з атмосферою також є що сказати, оскільки астероїд може стиснутись фрикційним гальмуванням більше 40 разів. Однак, і всупереч поширеній думці, не тертя тертям є головною причиною розпаду астероїда в атмосфері, а ерозія, спричинена стисненням повітря і подальшим перетворенням його в плазму перед астероїдом.

Як ви можете собі уявити в цей момент, слід, залишений астроїдом, набагато інтенсивніший, коли він наближається до поверхні, через збільшення щільності повітря в нижніх шарах атмосфери. З цієї причини астероїди, як правило, споживаються майже повністю, перш ніж потрапити на землю, за умови, що дозволяють їх розміри та склад. Незважаючи на це, збиток, який вони можуть заподіяти, залишається величезним, що було знову доведено в Росії. І це без підрахунку можливого пошкодження дрібних уламків, яким вдалося дійти до землі, наприклад, того, що породив кратер, який очолює цю статтю.

Ефекти ударної хвилі

Тиск удару, який ми обговорювали в попередніх параграфах, можна визначити як тиск, який підтримує тіло, яке рухається через рідину, викликаючи певну силу опору. Цей тиск пропорційний щільності згаданої рідини та квадрату швидкості, яку несе тіло. Таким чином, якби Челябінський астероїд увійшов в атмосферу зі швидкістю 18 км/с, швидкість ледве зменшувалася б, поки не опустилася нижче 100 км у висоту, де щільність повітря починала бути незначною.

Атмосферна щільність і температура як функція висоти, згідно моделі NRLMSISE.

Зробивши кілька коротких розрахунків, припускаючи, що астероїд був зруйнований на висоті близько 15 км і що він все ще мав швидкість 15 км/с, ми можемо визначити, що ударний тиск був еквівалентний приблизно 135 атмосферам. Дуже важко добре оцінити значення, оскільки однакова швидкість на висоті лише 5 км дає тиск, що перевищує втричі більший: 450 атмосфер. Таким чином, залишаючись у порядку величини і дуже грубо, ми можемо припустити тиск між 100 і 500 атмосферами (10-50 МПа). Залежно від складу астероїда, його пористості, того, наскільки і як він розплавився та розмився, та багатьох інших факторів, цей тиск може бути достатньою причиною руйнування та вибуху астероїда.

У той момент, коли весь тиск, підтримуваний астероїдом, різко вивільняється, і як і при детонації будь-якої вибухової речовини, створюється ударна хвиля, яка поширюється сферично із надзвуковою швидкістю. На відміну від звичайної хвилі, ударні хвилі створюють коливання середовища настільки швидко, що їх властивості змушені різко змінюватися. Наприклад, ударна хвиля від вибуху тротилу, що рухається майже 7 км/с, спричиняє різку різницю тисків у повітрі під час руху, що призводить до звукового буму. У нашому випадку максимальна амплітуда ударної хвилі, створюваної астероїдом, пов’язана з ударним тиском і величезною кількістю хімічної та кінетичної енергії, що виділяється при вибуху.

Знову ж таки, ми можемо дещо грубо обмежити максимальне та мінімальне значення хвилі тиску, беручи до уваги ефекти, що мали місце, наприклад, розбиття скла.

Побиті вікна в Челябінську

Напруження на розрив скла (залежно від того, чи є на ньому подряпини або мікротріщини) становить приблизно від 200 до 500 атмосфер (20-50 МПа), так що хвиля тиску, незважаючи на послаблення на шляху до поверхні, мала пік вище цього значення. Обмеження хвильового тиску чудово дещо складніше, але враховуючи, що кузови автомобілів (зі сталі та алюмінію), наскільки мені відомо, не зазнавали вм'ятин, ми можемо зробити ще раз оцінку.

На відміну від скла, яке завжди зазнає руйнування, не зазнаючи майже жодної деформації, відомої як крихке руйнування, метали деформуються перед руйнуванням, проходячи спочатку фазу пластифікації. Навесні можна легко спостерігати всі три режими матеріалу. Перший - це режим пружності, де деформації оборотні, тобто пружина розтягується і стискається, але завжди відновлює свою первісну форму. Якщо ми надто розтягнемо джерело, воно вже не зможе повернути свою первісну форму, що, розмовною мовою, означало б «подарувати його собі». Це пластичний режим, де деформації стають постійними. Нарешті, існує режим руйнування, коли матеріал вже не здатний витримувати сильні напруження та розриви. Між першим і другим режимами є точка, відома як межа пружності, тоді як між другим і третім ми маємо напругу розриву.

Спрощена базова схема механічної поведінки матеріалу.

Таким чином, сталь має межу пружності близько 2500 атмосфер, тоді як алюміній - близько 2000 атмосфер; тому хвиля тиску, яка зазнала в Челябінську, мала мати меншу максимальну амплітуду, ніж ці значення. Тому ми говоримо про ударну хвилю з приблизним максимальним тиском від 200 до 2000 атмосфер (20-200 МПа).

На жаль для жителів Челябінська, на цьому справа не зупиняється. Після піку тиску настає долина з тиском набагато нижчим за атмосферний (тобто, як вакуум), що може завдати ще більшої шкоди. І навіть більше, враховуючи, що це величезне коливання тиску відбувається за проміжок часу в кілька мілісекунд. Якщо якесь скло, яке витримало, жило після удару ударної хвилі, наступний вакуум цілком імовірно закінчив його розбивати.

Само собою зрозуміло, що вся ця спроба поставити цифри у явище є абсолютно спекулятивною, оскільки практично неможливо точно знати всі фізичні змінні, які втручаються у разі виникнення цих характеристик. Попри це, це цікава вправа, яка допомагає нам легше та якісніше зрозуміти явище, яке є абсолютно непропорційним тому, що ми звикли бачити у своєму повсякденному житті; з дуже високими енергіями і тиском і з нетривіальною фізикою.

ПРИМІТКА: Розрахунки, що містяться в цій статті, базуються виключно на властивостях матеріалів, тому вивчення явища є неповним. Механічна стійкість матеріалу пов’язана з різними факторами, такими як його геометрія. Таким чином, 1-сантиметровий стакан не такий стійкий, як 10-сантиметровий. За даними ESA, тиск, необхідний для розбиття будівельного скла у разі виникнення цих характеристик, становить лише 10-20 атмосфер. Мої оцінки перевершують, тому вони помилкові. Різниця полягає, окрім того, що я не беру до уваги багато структурних факторів, у тому, що механічні властивості матеріалу дуже різні при вивченні високошвидкісних явищ (як у цьому випадку), і "нормальні" значення Не можуть бути застосовані. Тому розгляньте цю статтю як спробу якісно пояснити явище; і чисельні оцінки яких є першим наближенням, і як такі, дуже далекі від реальності.

Фізик матеріалів, який народився в Ель-Б'єрцо та був прийнятий на землях Астурії та Басків за його часів в Університеті Ов'єдо та Університеті Країни Басків. Він присвячений моделюванню матеріалів, але не залишає осторонь наукове розповсюдження з такими проектами, як DocuCiencia, Wis Physics або Quantum Well. Окрім інтересу до науки, він активно бореться з усіма видами псевдонаук та захоплюється технологіями та програмуванням.