Физика взрыва и удара

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
ФИЗИКА ВЗРЫВА И УДАРА 
 
 
Методические указания  
к выполнению лабораторных работ 
 
 
 
Под редакцией Л.П. Орленко 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

УДК 532.5:539.5 
ББК 22.213 
Ф50 
Ре це нз е нт Н.А. Гладков 
 
Ф50
 
Физика взрыва и удара : метод. указания к выполнению лабораторных работ / А.В. Бабкин, Д.В. Гелин, С.В. Ладов, В.А. Марков, Л.П. Орленко, С.В. Федоров ; под ред. Л.П. Орленко. — М. : 
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. — 75, [1] с. : ил. 
 
Дано описание лабораторных работ, посвященных исследованию 
ударных волн в воздухе и воде, определению кинематических и энергетических характеристик кумулятивной струи, определению скорости метания плоской металлической пластины. Рассмотрены физические основы исследуемых процессов, экспериментальные и расчетные 
методы определения их основных характеристик. 
Для студентов 4-го курса, обучающихся по специальности 
«Средства поражения и боеприпасы» и изучающих курс «Физика 
взрыва и удара». 
 
УДК 532.5:539.5 
ББК 22.213 
 
Учебное издание 
Бабкин Александр Викторович 
Гелин Дмитрий Владиленович 
Ладов Сергей Вячеславович 
Марков Владимир Александрович 
Орленко Леонид Петрович 
Федоров Сергей Владимирович 
 
ФИЗИКА ВЗРЫВА И УДАРА 
 
 
Редактор С.А. Серебрякова 
Корректор Р.В. Царева 
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой 
Подписано в печать 08.04.2010. Формат 60×84/16. 
Усл. печ. л. 4,42. Тираж 100 экз. Изд. № 72. Заказ    . 
 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5. 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 
 
2 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
Цель лабораторных работ по курсу «Физика взрыва и удара» —  
ознакомление с различными аспектами взрывных явлений, а также освоение экспериментальных и расчетных методов определения основных 
параметров ударных волн (УВ), кумулятивных струй (КС) и метаемых 
взрывом инертных элементов (пластин). 
Студенты выполняют четыре лабораторные работы. 
Работа № 1 посвящена экспериментальному методу изучения распространения УВ, возбуждаемых посредством газового взрыва, в воздухе.  
С помощью пьезоэлектрических датчиков давления ножевого типа студенты определяют избыточное давление на фронте воздушной УВ и его 
зависимость от расстояния до места взрыва. Другие параметры на фронте 
УВ определяются расчетом. Затем проводят обработку и анализ экспериментальных данных. 
Работа № 2 аналогична работе № 1, но средой распространения УВ 
является вода.  
Работа № 3 посвящена изучению экспериментальных методов определения массы, скорости и энергии элементов КС. Рассмотрены рентгенографический и калориметрический методы, методы определения параметров элементов КС по деформированию цилиндрического образца из 
пластичной стали и по скорости проникания в цилиндрический образец 
из пластичной стали. Проводится сравнение энергии КС, определенной 
различными способами. 
Работа № 4 посвящена изучению метода определения скорости метаемых взрывом пластин с помощью реостатного датчика и осциллографа. Одновременно студенты оценивают угол разворота пластины в процессе метания, исследуют схемы метания как одной, так и двух пластин 
при взрыве слоя конденсированного взрывчатого вещества (ВВ). Полученные экспериментальные данные затем сравнивают с расчетными. 
Перед началом работ необходимо изучить инструкции по охране 
труда при работе на конкретных видах оборудования и с конкретными 
материалами на объектах, где проводится соответствующая лабораторная работа.  
По окончании выполнения лабораторных работ предусматривается 
их защита с анализом полученных результатов и ответами на контрольные вопросы. 
 
3 

Работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ  
УДАРНЫХ ВОЛН 
Цель работы — изучение экспериментального метода исследования УВ в воздухе, определение параметров на фронте УВ, возбуждаемой посредством газового взрыва, и определение закономерностей распространения УВ в воздухе. 
1.1. Теоретическая часть 
Общие положения. Волновым движением (или волной) в физике называется процесс распространения колебаний в пространстве с 
течением времени. Для звуковой волны, распространяющейся со 
скоростью c0 в воздухе от источника колебаний, гармонически колеблющегося со звуковой частотой 
20...20000
ν =
 Гц, характерное 
распределение давления p и массовой скорости u показано на  
рис. 1.1. Избыточное давление в пространстве, окружающем источник колебаний, меняется в соответствии с гармоническим законом 
2
2
(
)
cos
p
p
t
x
T
 
max
п
⎛
⎞
π
π
Δ = Δ
−
⎜
⎟
λ
⎝
⎠
 
и характеризуется периодическим изменением во времени в каждой точке пространства (
const
x =
) с периодом 
п
1
T =
ν , а также 
периодическим изменением по координате для каждого момента 
времени с периодом, равным длине волны λ. 
Ударная волна — это скачок параметров среды, распространяющийся в пространстве со сверхзвуковой скоростью D (рис. 1.2). 
Основным признаком УВ является существование фронта — поверхности, в которой значения параметров движения среды (на 
4 

пример, массовой скорости u) и параметров состояния (например, 
плотности ρ, давления р, температуры Т, удельной внутренней 
энергии Е) резко увеличиваются по сравнению со значениями, соответствующими невозмущенной и покоящейся среде (
0,
u =
 
0
0
0
0
,
,
,
p
p
T
T
E
E
=
ρ = ρ
=
=
). Толщина фронта УВ очень мала — 
например, в воздухе она составляет около 10–8 м. Поэтому при рассмотрении технических задач обычно считают, что толщина фронта УВ равна нулю и фронту УВ соответствует бесконечно большой 
градиент изменения параметров движения и состояния (
,
u
x
∂
∂= ∞ 
,
p
x
∂
∂= ∞ …, где x — координата в направлении распространения фронта УВ). 
 
 
Рис. 1.1. Профиль звуковой волны в воздухе 
Ударные и звуковые волны имеют сходные и отличительные 
признаки. В обоих случаях происходит распространение возмущений параметров движения и состояния в пространстве с течением 
времени. Различие между волнами состоит в том, что звуковой 
волне соответствует периодическое изменение параметров среды в 
пространстве и с течением времени, в то время как УВ — это одиночный скачок параметров с крутым фронтом. Кроме того, в звуковой волне перемещение среды в направлении распространения в 
среднем равно нулю, а в УВ среда за ее фронтом движется в направлении распространения. Скорость звуковой волны постоянна 
и не зависит от давления, она равна скорости распространения 
 
5 

звука в среде (c0), а скорость УВ (D) является сверхзвуковой 
(
0
D
c
>
) и зависит от давления.  
 
 
Рис. 1.2. Профиль ударной волны в воздухе 
 
Ударные волны возникают, когда энергия внезапно высвобождается в среде (газообразной, жидкой или твердой) или вводится в 
нее извне. Это происходит, например, при электрическом разряде, 
извержении вулкана, ударе метеорита о земную поверхность, 
взрыве заряда химического ВВ. 
При взрыве сферического заряда химического ВВ процесс идет 
следующим образом. Когда химическая энергия внезапно (в течение нескольких микросекунд) высвобождается в воздухе, в воде 
или под землей, образуется сферический объем раскаленного газа, 
находящегося под высоким давлением, который, расширяясь, вызывает УВ в окружающей среде. Ударная волна также создает поток вещества, который следует за ней. По мере того как сферическая УВ охватывает все большие объемы вещества, она 
постепенно затухает, превращаясь в звуковую волну. Ударная 
волна имеет большую интенсивность вблизи источника взрыва, 
поэтому затухание происходит очень быстро. Слабое затухание 
имеет место, когда УВ превращается в звуковую. 
 
6 

Расстояние, на котором УВ ослабляется до звуковой, в газе намного больше, чем в жидкости, а в жидкости немного больше, чем 
в твердом теле. При заданном начальном радиусе заряда это расстояние в воздухе составляет несколько сотен радиусов заряда, в 
воде — около десяти радиусов заряда и в твердом теле — меньше 
двух радиусов. Нагретая взрывом сфера расширяется и пульсирует 
до тех пор, пока не достигнет равновесного размера. Затем продукты детонации (ПД) смешиваются с воздухом, в воде дробятся 
на пузырьки газа, а под землей заполняют полые пространства. 
Во время грозы энергия быстро отводится по длинному зигзагообразному каналу посредством электрического разряда. Первоначально толщина канала разряда составляет всего несколько миллиметров. За несколько десятков микросекунд канал расширяется 
до нескольких десятков миллиметров. Высвобождающаяся электрическая энергия нагревает и ионизирует воздух внутри канала. 
Температура на этом этапе расширения сохраняется на уровне  
20 000 °С, а давление падает от 3,5 до 0,5 МПа. Канал электрического разряда может иметь длину несколько километров, а сила 
тока в нем достигает сотен тысяч ампер. Установлено, что на Земле ежегодно бывает более 16 000 000 гроз и что ежесекундно в атмосфере происходит около 100 грозовых разрядов. 
В природе УВ могут также образовываться при извержении 
вулкана, когда раскаленные газы и жидкости, находящиеся под высоким давлением внутри Земли, внезапно выбрасывают в воздух 
значительную часть содержимого жерла вулкана. Например, во 
время извержения вулкана Кракатау в 1883 г. между островами Ява 
и Суматра в атмосферу было выброшено несколько кубических километров вулканического пепла и других продуктов извержения. 
Взрыв был слышен на расстоянии более 4 800 км от источника. 
Тротиловый эквивалент взрыва составил 5 000 Мт (250 тыс. бомб, 
тождественных сброшенной на Хиросиму). Вулкан, который до извержения имел высоту 820 м, опустился ниже уровня моря, и в результате возникла чудовищная волна — цунами высотой 45 м, — 
обрушившаяся на Яву и погубившая более 36 тыс. человек. 
При входе крупного метеорита в атмосферу Земли возникают 
баллистические УВ. В момент столкновения метеорита с поверхностью Земли также образуются УВ, распространяющиеся и в воздухе, и в грунте. Во время этого процесса значительная часть ме 
7 

теорита и почвы с места его падения испаряются, расширяющийся 
газ и осколки образуют кратер. Самый большой кратер на Земле, 
происхождение которого не вызывает сомнений, — Унгавский — 
расположен в Канаде. Его диаметр составляет 3500 м, а максимальная глубина достигает 435 м. Ударная волна Тунгусского метеорита, который взорвался над Сибирью в 1908 г., не достигнув 
поверхности Земли, была так сильна, что на площади 2 000 км² 
был повален весь лес. Высвободившаяся энергия была равна энергии взрыва бомбы тротиловым эквивалентом 25...250 Мт. 
Когда сильная УВ давлением порядка нескольких атмосфер 
распространяется в воздухе, его давление, температура и плотность значительно повышаются. Поэтому люди и животные, попавшие в зону действия УВ, гибнут, а сооружения разрушаются. 
Распространение УВ сопровождается интенсивным движением 
воздушной среды (ветер), которое может нанести большой ущерб 
людям, животным и сооружениям. Даже в случае слабых УВ силы 
давления обычно вызывают паническое состояние несмотря на то, 
что избыточное давление может составлять всего одну тысячную 
долю атмосферы (100 Па). Примерно такое же избыточное давление на поверхности Земли возникает при полете современного 
сверхзвукового самолета со скоростью 2000 км/ч на высоте 15 км. 
При движении самолета образуются головная и хвостовая УВ конической формы, пересечение которых с Землей по форме напоминает подкову шириной 80...160 км, проходящую по земной или 
водной поверхности вдоль всего пути самолета. Возникающая 
волна порождает звуковой удар. 
Для создания УВ в лабораторных условиях существует множество относительно простых устройств. Это различные газодинамические ударные трубы, высокоскоростные баллистические трассы, 
химические ВВ, сверхзвуковые аэродинамические трубы. С помощью лабораторных установок УВ можно изучать очень подробно с 
небольшими материальными затратами, сравнивая данные экспериментов с теоретическими расчетами. 
Математическое описание ударной волны. Параметры движения и состояния на фронте и перед фронтом УВ связаны определенной системой соотношений. 
Систему соотношений на фронте УВ получают на основе рассмотрения распространения плоской стационарной УВ в трубе, 
 
8