При постройке железной дороги Кангауз — Сучан на Дальнем Востоке необходимо было проложить выемку в Бархатном перевале в скальном грунте. Специалисты подсчитали, что по старому способу, без применения взрывчатых веществ, прокладка выемки потребует не менее двух лет. Тогда решили применить взрывной способ.
Рис. 9. Взрыв на Бархатном перевале.
Было заложено десять зарядов взрывчатого вещества общим весом 250 тонн. Их одновременный взрыв (рис.9) в течение полуминуты выбросил около 60 тысяч кубических метров породы и образовал выемку протяжением 220 метров, глубиной 22 метра и шириной до 60 метров (рис. 10). Все подготовительные работы к этому взрыву заняли всего около двух месяцев.
Рис. 10. Бархатный перевал после взрыва.
Чем же обусловлена способность взрывчатых веществ производить чрезвычайно большую работу за такое короткое время?
Первым приходит в голову довольно естественное объяснение причины сокрушительного действия взрыва: во взрывчатом веществе содержится громадный запас энергии, который и выделяется при взрыве.
Такое мнение широко распространено. Не так давно один изобретатель рекомендовал заменить все виды применяемого ныне топлива… взрывчатыми веществами. Он даже разработал проект двигателя, в котором огромная, по его предположению, энергия взрывчатых веществ должна была превращаться в работу.
Из таких же соображений исходят предложения о замене (частично или полностью) бензина в автомобильных и авиационных двигателях жидкими взрывчатыми веществами.
Однако простой расчёт показывает, что такие предложения в корне ошибочны. В килограмме взрывчатых веществ содержится и выделяется при взрыве значительно меньше энергии, чем выделяется при сгорании, например, одного килограмма угля или бензина.
Ниже, в таблице 1, приведены величины энергии, выделяющейся при сгорании различных видов топлива и при взрыве различных взрывчатых веществ.
Сравнивая числа, приведённые в этой таблице, мы видим, что при взрыве килограмма нитроглицерина выделяется энергии в пять раз, а при взрыве килограмма тротила даже в восемь раз меньше, чем при сгорании килограмма угля.
Однако при таком сравнении мы несколько несправедливы по отношению к взрывчатым веществам. Мы берём теплоту горения для одного килограмма топлива, не учитывая того количества кислорода, которое необходимо для горения. Взрывчатое же вещество не требует для своего взрыва дополнительного количества кислорода, так как он содержится в самом взрывчатом веществе.
Более правильно поэтому и теплоту горения топлива рассчитывать не на один килограмм его, а ка один килограмм смеси топлива с нужным для горения количеством кислорода. Такое сопоставление дано в таблице 2.
Хотя разница в величинах теплоты горения топлив и теплоты взрыва взрывчатых веществ стала в этом случае меньше, однако и здесь количество выделяющейся энергии у топлива больше, чем у взрывчатых веществ.
Следовательно, огромное разрушительное действие взрыва нельзя отнести за счёт большой энергии взрыва.
В чём же тогда его причина?
Действительная причина заключается в том, что энергия при взрыве выделяется крайне быстро. Если килограмм бензина сгорает в моторе автомашины за 5–6 минут, то для взрыва килограмма взрывчатого вещества требуется только одна–две стотысячные доли секунды. Энергия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при горении. А это имеет огромное значение.
Как известно, работа, выполняемая в секунду, называется мощностью. Чем большую работу способен произвести в секунду двигатель, тем выше его мощность. Единица мощности — лошадиная сила. Такой мощностью обладает двигатель, способный в одну секунду проделать работу по подъёму груза в 75 килограммов на высоту одного метра. Паровоз серии «ИС», предназначенный для вождения тяжёлых составов весом до 1000 тонн со скоростью до 130 километров в час, обладает, например, мощностью в 2800 лошадиных сил.
Какую же мощность даёт взрыв обычного двухсотграммового патрона аммонита, какие ежедневно десятками тысяч применяются в шахтах для взрывных работ?
Диаметр такого патрона 30 миллиметров, длина 0,25 метра. Если возбудить взрыв с торца патрона, то он будет распространяться со скоростью 5000 метров в секунду и длительность взрыва составит всего 0,25/5000 = 0,00005 секунды.
Допустим, что коэффициент полезного действия взрыва, то есть доля энергии взрыва, переходящая в механическую работу, составляет 20 процентов и что время совершения работы соответствует времени, в течение которого происходит взрыв. Энергия взрыва одного килограмма аммонита равна 950 большим калориям. Чтобы перевести эту величину в единицы механической работы — килограммометры, — надо её помножить на 427. Учитывая, что коэффициент полезного действия равен 20%, получаем величину совершенной работы 950×0,2×427×20/100 = 16 200 килограммометров. Деля величину работы на время её совершения и ещё на 75 (чтобы перейти от килограммометров в секунду к лошадиным силам), мы получаем мощность взрыва патрона аммонита, равную 4,3 миллиона лошадиных сил.
Таким образом, взрывник, несущий в сумке патрон аммонита, имеет в своём распоряжении огромную мощность. Эта мощность в три раза превосходит мощность крупнейшей американской гидроэлектростанции Боулдер–Дэм, составляющую 1 400 000 лошадиных сил.
Если физическую мощность среднего человека принять равной одной пятой лошадиной силы, то человек, располагающий 200 граммами взрывчатого вещества, как бы увеличивает свою физическую силу в 20 миллионов раз! О такой мощности, которую вложила в руки человека наука, могли только мечтать слагатели народных сказаний, наделявшие своих героев сверхъестественной силой.
Понятно, что использование энергии взрыва не может заменить работу электростанций и других силовых установок. Громадная мощность взрыва обусловлена, как мы видели, в первую очередь чрезвычайно большой скоростью выделения энергии; сама же энергия отнюдь не является чрезмерно большой.
Отсюда следует, что взрывчатые вещества целесообразно применять только в тех случаях, когда необходимы воздействия чрезвычайно большой мощности, хотя бы и очень кратковременные. Для получения таких воздействий в течение длительного времени потребовались бы громадные количества взрывчатых веществ. Так, чтобы получить в течение одних только суток мощность взрыва патрона аммонита в 4 миллиона лошадиных сил, потребовалось бы взорвать около 350 000 тонн взрывчатых веществ, — больше, чем всё годовое потребление взрывчатых веществ в горном деле во всех капиталистических странах Западной Европы.
Таким образом, взрывчатые вещества не заменяют других источников энергии, они позволяют лишь концентрировать энергию во времени и в пространстве в такой степени, в какой это недостижимо никакими иными путями.
Ни одна машина не может при равном весе и размерах дать такую колоссальную мощность, какую дают взрывчатые вещества, и там, где эта мощность необходима, взрывчатые вещества — единственное и незаменимое средство её получения[6] ).
Большая мощность характерна не только для взрывчатых веществ, используемых при дроблении, но и для взрывчатых веществ, применяемых как средство метания.
В обычных средствах передвижения — паровозе, автомобиле, самолёте — двигатель сообщает им энергию во всё время движения. Этим компенсируется потеря скорости из–за трения, сопротивления воздуха и т. д. Огнестрельное оружие тоже является своего рода двигателем. Однако двигатель этот неподвижен; снаряд с момента вылета из ствола уже не получает больше энергии. Чтобы дальность полёта была значительной, снаряд в момент вылета должен иметь большую скорость, иначе говоря, большой запас энергии. Эту энергию он получает за время движения в стволе. Так как длина ствола невелика, то и время движения снаряда в нём мало. За это малое время снаряд должен получить большую энергию. Это значит, что мощность работы, совершаемой пороховыми газами и переходящей в энергию движения снаряда, велика.
Рассмотрим в качестве примера выстрел из тяжёлого орудия, снаряд которого весит 917 килограммов и имеет начальную скорость 523 метра в секунду. Энергия снаряда при вылете из ствола составляет 12 772 000 килограммометров, что примерно в полтора раза больше энергии курьерского поезда весом в 300 тонн, движущегося со скоростью 90 километров в час. Эту энергию снаряд получает за время около одной сотой секунды. Отсюда мощность выстрела составит 12 772 000 : 0,01 = 1 277 200 000 килограммометров в секунду, или около 17 миллионов лошадиных сил!
Однако получение такой огромной мощности сопряжено с быстрым износом двигателя и обходится очень дорого. После сотни выстрелов орудие выходит из строя, Общее время работы двигателя составляет, таким образом, всего одну секунду. Полная величина этой работы будет равна той, которую паровая машина мощностью в 100 лошадиных сил даст приблизительно за двое суток. Для получения пара при этом потребуется израсходовать около 4,5 тонны угля; после совершения такой работы паровая машина будет вполне исправна и пригодна для дальнейшей работы. Подсчёт показывает, что стоимость работы, получаемой при помощи орудия, в 4000 раз выше, чем при её получении с помощью паровой машины.
Поэтому использование взрывчатых веществ для метания, так же как и для взрыва, целесообразно только в тех случаях, когда необходимо получить огромную мощность, хотя бы и ценой высокой стоимости энергии.