Каждый из нас, кто по кинокартинам, кто по событиям, пережитым в действительности, знаком со взрывом — этим мощным и грозным явлением. В дни Великой Отечественной войны от взрывов, организованных бесстрашными советскими партизанами, взлетали на воздух вражеские эшелоны и склады, рушились мосты под ногами оккупантов.
Сегодня, в мирные дни, взрыв раскрывает нам богатства земных недр, помогает прокладывать пути через горы, преграждает течение рек, является нашим помощником в героическом созидательном труде.
Что же такое взрыв и как он действует?
Взрыв представляет собой химическую реакцию, в результате которой взрывчатое вещество превращается в газы. Эта реакция протекает с выделением тепла и идёт крайне быстро. Например, взрыв килограммовой шашки[2] широко известного взрывчатого вещества — тротила — может произойти за одну стотысячную долю секунды. За это время образовавшиеся газы не успевают заметно расшириться и занимают объём, практически равный объёму, который занимало взрывчатое вещество. Этот объём в несколько тысяч раз меньше, чем тот, который занимали бы газы взрыва при атмосферном давлении. Известно, что давление газа тем больше, чем меньше его объём. Поэтому газы в момент взрыва имеют огромное давление; к тому же это давление возникает крайне быстро и благодаря этому действует на окружающие взрывчатое вещество предметы как резкий и мощный удар, которого не может выдержать самая прочная сталь, самая крепкая горная порода. Давление взрыва так велико, что его нельзя непосредственно измерить каким–либо известным сейчас прибором — любой прибор разрушился бы при попытке такого измерения. По теоретическим! расчётам это давление составляет сотни тысяч атмосфер — при взрыве тротила, например, 190 000 атмосфер. По мере удаления от взорвавшегося взрывчатого вещества действие взрыва быстро падает; однако при взрывах больших количеств взрывчатых веществ давление даже на расстоянии нескольких километров достаточно, чтобы выбить стёкла в окнах домов.
Возникает естественный вопрос: почему же взрыв протекает с такой огромной быстротой? Ведь с химической стороны реакции, идущие при взрыве, очень похожи, а иногда и те же самые, что и реакции, происходящие при горении топлива. В основном — это окисление углерода с образованием углекислого газа (СО 2 ) или окиси углерода (СО) и водорода с образованием воды (Н 2 0).
Более того, и сами взрывчатые вещества в большинстве своём способны не только взрываться, ио и гореть. Та же шашка тротила, если её поджечь, будет гореть, и притом довольно медленно, спокойнее и медленнее, чем, скажем, бензин. Наоборот, самое простое горение, например горение угля, можно поставить в такие условия, что оно будет протекать как сильнейший взрыв. Если взять тонко измельчённый уголь, например в виде сажи, и распылить его в воздухе так, чтобы образовалось пылевое облако, то при поджигании такого облака произойдёт взрыв. Более сильный взрыв можно получить, если сажу пропитать жидким воздухом или кислородом[3] ).
Почему же горение в обычных условиях протекает медленно и за счёт чего может быть достигнуто его ускорение?
Горение угля является химической реакцией соединения углерода с кислородом воздуха. Скорость химических реакций зависит от температуры и от давления. С повышением температуры скорость реакции быстро возрастает; если температуру повысить на 10 градусов, то скорость реакции увеличится в два — четыре раза. Расчёт показывает, что если от комнатной температуры перейти к температуре в 1000 градусов, то скорость возрастёт во много миллиардов раз. При увеличении давления скорость химических реакций также возрастает — для некоторых реакций пропорционально давлению, а для других даже быстрее — пропорционально давлению в квадрате, то есть если повысить давление от 1 до 1000 атмосфер, скорость реакции увеличится в 10002, или в миллион раз.
При горении угля выделяется много тепла. Один килограмм угля даёт при сгорании около 8000 больших калорий. Этого количества тепла хватило бы для нагрева до кипения 8 вёдер воды. За счёт выделения большого количества тепла при горении достигается очень высокая температура, особенно, если уголь горит в чистом кислороде. При горении на воздухе, содержащем, как известно, только 21 процент кислорода, выделяющееся тепло расходуется не только на нагрев. образующегося углекислого газа, но и на нагрев азота. Температура получается поэтому ниже, но всё же весьма высокая — она может достигать 2700 градусов. Таким образом, реакция горения угля происходит при очень высокой температуре, и скорость её могла бы быть чрезвычайно большой. Несмотря на это, горение протекает медленно. Причина этого заключается в том, что реакция может идти только на поверхности куска угля, где он соприкасается с воздухом, а эта поверхность обычно невелика. Кроме того, образующиеся при горении газы отделяют поверхность угля от воздуха и мешают поступлению к ней новых порций кислорода.
Из сказанного ясно, что для ускорения горения надо, с одной стороны, увеличить поверхность угля и, с другой, облегчить доступ к ней кислорода воздуха. Это и достигается тонким измельчением угля и распылением его в воздухе так, чтобы каждая пылинка была окружена нужным для сгорания количеством кислорода.
Представим себе, что мы имеем уголь в виде кубиков с длиной ребра 10 сантиметров. Поверхность одного, такого кубика будет равна 600 квадратным сантиметрам. Измельчим теперь каждый кубик в частицы той же формы, но с длиной ребра в одну тысячную сантиметра. Тогда поверхность будет составлять уже не 600, а шесть миллионов квадратных сантиметров, то есть увеличится в 10 000 раз. Соответственно уменьшится и время сгорания угля. Однако тонкое смешение участников реакции, которое необходимо, чтобы она могла протекать быстро, само по себе ещё не всегда достаточно для получения взрыва. Это видно хотя бы из того, что даже такие взрывчатые вещества, как тротил, пироксилин и другие, в которых и горючие элементы (углерод и водород) и кислород входят в состав одной и той же молекулы, при поджигании способны к медленному горению.
Почему это так и что нужно для того, чтобы получить взрыв?
Поднесём на короткое время к шашке тротила, вставленной в жестяной стакан[4] ), небольшое пламя. При этом поверхностный слой тротила нагреется, скажем, до 200 градусов. В нагретом слое будет идти химическая реакция с выделением тепла. Одновременно тепло будет отдаваться следующему слою тротила и в окружающий воздух. При 200 градусах скорость реакции и количество выделяющегося при ней тепла невелики. В каждую единицу времени тепловые потери будут больше прихода тепла. Поэтому температура в слое будет падать, и реакция прекратится.
Повторим опыт, но будем держать пламя дольше, чтобы тротил нагрелся на поверхности до 400 градусов. Если мы теперь отнимем пламя, то температура в слое тротила не только не понизится, но будет возрастать. При 400 градусах химическая реакция в тротиле идёт так быстро, что тепла выделяется больше, чем его теряется вследствие теплоотдачи, и дальнейший разогрев слоя идёт сам по себе.
Однако, хотя реакция и быстрая, но идёт она только в тонком, нагретом пламенем слое, так как остальной тротил ещё холодный. В результате реакции образуются газы с высокой температурой. Они нагревают следующий слой тротила, вызывая в нём быструю реакцию. Этот процесс повторяется от слоя к слою, пока не сгорит весь тротил.
Нагрев слоя, вступающего в реакцию, происходит путём теплопроводности. Передача тепла теплопроводностью — довольно медленный процесс. В этом легко убедиться, погрузив, например, конец чайной ложки в горячий чай. Ощущение тепла дойдёт до руки только через несколько секунд.
Поскольку передача тепла при горении происходит медленно, то и скорость распространения горения мала. При горении с торца шашка тротила высотой 10 сантиметров сгорает за 15 минут.
Допустим теперь, что вместо того, чтобы поджигать тротиловую шашку, мы произведём по ней очень сильный удар, подобный тому, какой испытала бы шашка при попадании: в неё пули, но ещё более резкий–При таком ударе верхний слой тротила сожмётся й от сжатия сильно разогреется, подобно тому как разогревается поверхность наковальни от удара по ней молота. Вследствие высокой температуры в слое пройдёт химическая реакция. Скорость её будет при этом гораздо выше, чем при горении, так как здесь возникнет не только высокая температура, но и большое давление, созданное ударом, а давление, как мы видели, также сильно ускоряет реакцию. Образовавшимся газам некуда расширяться: с одной стороны ударяющая поверхность, с другой — тротил. Поэтому газы будут иметь очень большое давление, которое сожмёт соседний слой тротила. Сжатие вызовет в этом слое разогрев и быструю химическую реакцию. Таким образом, как и при горении, реакция, начавшись на поверхности шашки, распространится по ней последовательно, пока не прореагирует всё взрывчатое веществоОсновное, качественное отличие взрыва от горения заключается в том, что при взрыве разогрев, вызывающий реакцию, передаётся не теплопроводностью, а сжатием. Передача энергии сжатием, или, как называют этот процесс, ударной волной, происходит несравненно быстрее, чем теплопроводностью, — со скоростью, достигающей нескольких километров в секунду.
Если взять длинный металлический стержень, на один конец его положить руку, а по другому ударить молотком, то будет казаться, что рука ощущает толчок в момент удара. Это ощущение ошибочно; действие удара распространяется по стержню с определённой скоростью и доходит до руки через некоторый промежуток времени. Однако этот промежуток времени слишком мал, и для нашего осязания момент удара и восприятия его рукой неразличимы, подобно тому как не различимы для глаза отдельные кадры кинокартины.
В тротиловой шашке взрыв распространяется от одного конца до другого за одну стотысячную долю секунды, в миллион раз быстрее, чем при горении. Это время так мало, что если мы будем смотреть на взрывающуюся шашку, нам покажется, что взрыв произошёл мгновенно и одновременно во всех её частях. На самом деле это не так: взрыв распространяется по взрывчатому веществу с определённой, очень большой скоростью, которая может быть измерена точными физическими методами. Скорость распространения взрыва в различных взрывчатых веществах заключается между 1 и 8,5 километра в секунду.
Для тротила она равна 6,7 километра в секунду. Взрыв в тротиле распространяется в 20 раз быстрее, чем звук в воздухе, и в 9 раз быстрее, чем летит винтовочная пуля; при такой скорости путь от Москвы до Ленинграда был бы пройден за полторы минуты.
Чем больше скорость распространения взрыва, тем сильнее и резче удар, производимый газами взрыва, тём больше дробящее действие взрыва.
Это действие можно ещё более усилить, направляя его на определённый, небольшой участок разрушаемого объекта, например брони, которую нужно пробить. Такое сосредоточение действия взрыва основано на явлении так называемой кумуляции (от латинского слова «кумуля–цно» — увеличение), известном давно, но широко использованном впервые во второй мировой войне.
Явление кумуляции можно пояснить таким опытом (рис. 1). На стальную плиту поставлены два цилиндрических заряда взрывчатого вещества одинаковых размеров, но один сплошной, а другой с конической выемкой в нижней части. Если эти заряды взорвать, то сплошной заряд даст на плите вмятину на большой площади, но малой глубины, а заряд с выемкой, меньший по весу, пробьёт плиту насквозь, хотя и на малой площади. Такое сосредоточение действия взрыва объясняется тем, что газы взрыва, движущиеся от поверхности конуса, встречаются на оси его и образуют мощную тонкую струю, пробивающую стальную плиту.
Рис. 1. Схема действия кумулятивного заряда.
Пробивное действие получается ещё сильнее, если коническая выемка имеет металлическую облицовку небольшой толщины. Тогда кумулятивная струя включает в себя тяжёлый металл, движущийся с огромной скоростью, и врезается в сталь, как нож в масло.
В дни Великой Отечественной войны снаряды, гранаты и мины с кумулятивным зарядом были с успехом применены для борьбы с вражескими танками, бронетранспортёрами и дотами.