logo

logo

logo

logo

logo

الانفجار

انفجار

Explosion - Explosion

 الانفِجار

الانفِجار

أنواع الانفجارات

الآثار الناجمة عن الانفجار

تطبيقات الانفجار

 

الانفِجار explosion هو تحرر كمية كبيرة من الطاقة في مدة زمنية قصيرة جداً، يرافقها انطلاق كميات هائلة الحجم من الغازات الحارة ووميض لهب وضجيج عالٍ وموجة صدمٍ تنتشر مبتعدةً عن مركز الانفجار مسببةً أضراراً كبيرة في الوسط المحيط بمنطقته، تُطلَق صفة الانفجار مجازاً على مجالات أخرى كثيرة منها: الانفجار الكهربائي والانفجار السكاني والانفجار الأمني وغيرها.

إذا كانت سرعة انتشار موجة الانفجار أقل من سرعة الصوت وأعلى من سرعة الاحتراق combustion فإن الظاهرة تسمى احتراقاً انفجارياً deflagration، أما إذا كانت سرعتها أكبر من سرعة الصوت فتسمى انصعاقاً detonation، والانصعاق: هو تفكك انفجاري سريع جداً تفوق سرعته سرعة الصوت، ويجري تحت تأثير إحدى ظاهرتين: الأولى فيزيائية هي الصدمة، والثانية كيميائية ناتجة من تفاعلات الاحتراق؛ أي إنه عند تعرض جزيء ما من مادة متفجرة للصدم؛ يحدث ضغط ديناميكي موضعي يؤدي إلى رفع درجة حرارة المادة رفعاً مفاجئاً واشتعالها ذاتياً مع انتشار كمية كبيرة من الطاقة كافية للانتقال من جزيء إلى آخر بحيث تستمر موجة الصدم لتنتشر في المادة كلها.

أنواع الانفجارات

ثمة نوعان من الانفجارات:

1-الانفجارات الطبيعية

منها الانفجارات الحاصلة نتيجة تفاعل الموائع بعضها مع بعض أو التقائها، والانفجارات البركانية على أنواعها، والانفجارات الشمسية، وغيرها.

2 - الانفجارات الصنعية

منها الانفجارات الكيميائية والميكانيكة والنووية:

أ- الانفجارات الكيميائية

هي الانفجارات الأكثر شيوعاً في العالم، والناتجة من التفاعلات الكيميائية السريعة التي تطرأ على مادة متفجرة ما (مثل الديناميت وTNT)؛ أو على مزيج مؤلف من عدة مواد كيميائية (مادتين أو أكثر) قابلة للانفجار (مثلاً المركب B يتألف من نسبة 04% TNT و06% هكسوجين RDX).

عند تعرض مادة أو مزيج متفجر لطاقة تنشيطية محددة ناتجة من محرض خارجي (حراري، كهربائي، ميكانيكي...) تزيد على الطاقة اللازمة لتحريض التفاعلات الانفجارية؛ فإن هذه التفاعلات الكيميائية تبدأ في زمنٍ قصير منتجةً كمية كبيرة من الغازات الحارة، وتنتشر بسرعة كبيرة في الوسط المحيط مع إصدار ضجيج مرتفع وموجة صدم هائلة تؤدي إلى تخريب الوسط المحيط.

تحتوي المواد المتفجرة في معظم الأحيان على كمية جيدة من الأكسجين تكفي لاحتراقها ذاتياً، وتُعدّ مواد حساسة وغير مستقرة، وهي تنفجر بسرعة تزيد أحياناً على 8500 م/ثا مولدة موجة ضغط تتقدم في الوسط المحيط بدءاً من مركز الانفجار. كما يمكن للمواد المتفجرة الاستفادة من أكسجين الهواء، ممّا يزيد في تأثيرها ومفعولها التدميري. والمثال على ذلك انفجار العديد من المركبات الهدروكربونية الغازية أو السائلة أو الصلبة بعد امتزاجها بأكسجين الهواء.

تتصف المتفجرات الصلبة بتأثيرها التدميري الكبير مقارنة بالمتفجرات الغازية والسائلة، لذا تُستخدم بكثرة في المجالات المدنية (المقالع، شق الطرقات وغيرها) والعسكرية (القذائف والقنابل والألغام وغيرها).

ب- الانفجارات الميكانيكية

هي الانفجارات الناجمة عن تعرّض حاويات المواد لدرجة حرارة مرتفعة أو لضغطٍ زائد بحيث يزيد على تحمل غلافها، كالانفجارات الناتجة من عبوات الغاز أو سخان الماء نتيجة زيادة ضغط بخار الماء في السخان .

ج- الانفجارات النووية

تختلف الانفجارات النووية عن الانفجارات الكيميائية في أن طاقتها ناجمة عن انشطار النواة أو اندماجها، وليس عن جزيئات المادة.

الآثار الناجمة عن الانفجار

1 - الضغط :

عند انفجار شحنة متفجرة تنشأ كتلة غازية كبيرة جداً؛ إذ يتحول متر مكعب واحد من المتفجرات إلى ما بين 10000 و15000م3 من الغازات في فترة قياسية قصيرة جداً لا تتجاوز أحياناً 0,001 من الثانية، وبسرعة قد تزيد على 8000 م/ثانية. ويتولد ضغط يتجاوز أحياناً 200 طن/سم2، يحطم أي جسم يقع ضمن مجال منطقة تأثيره. كما تتشكل موجة صدم خارج منطقة التفاعل تُغير في ضغط الوسط المحيط وارتفاع درجة حرارته وكثافته، ولهذا الضغط طوران (الشكل 1) هما:

الشكل (1) تغير ضغط موجة الصدم بدلالة الزمن.

- الطور الإيجابي positive phase

هو الطور المهم والمدمِّر في الانفجار، حيث تتغير قيمة الضغط فجأة من الضغط الجوي المحيطي (P0) ambient pressure إلى الضغط (P) الذي يسمى الضغط الزائدoverpressure ، ثم تتناقص شيئاً فشيئاً في مدة زمنية (td) تسمى زمن الطور الإيجابي لتعود إلى الضغط الجوي المحيطي (P0).

- الطور السلبي negative phase

هو أقل أهمية من الطور الإيجابي، وفيه يحدث تخلخل في الهواء قيمته تحت خط قيمة الضغط الجوي، وذلك فور انتهاء الطور الإيجابي نتيجةً لرد الفعل، ثم يعود الهواء ليملأ الفراغ الذي خلّفه الطور الإيجابي، ويعود الضغط إلى التوازن مع الضغط الجوي المحيطي.

2 - الدفع النوعي specific impulse

تسمى المساحة الواقعة تحت منحني الضغط بالدفع النوعي I (الشكل 1) حيث يزداد الأثر التدميري طرداً مع زيادة كلٍ من P وI التي تعطى قيمتها بالعلاقة (1):

واستناداً إلى هذا الشكل فإنه ينتج من الانفجار نوعان من الدفع النوعي: الإيجابيpsi+ والسلبي –psi؛ لكن الدفع الإيجابي هو الأهم.

3 - درجة الحرارة

يؤدي الأثر الحراري واللهب الناتجان من الانفجار (درجة حرارة الغازات الناجمة عن الانفجار من جهة ودرجة حرارة الوسط المحيط نتيجة انضغاط الهواء من جهةٍ أخرى) إلى حدوث حرائق كثيرة، ويساعد على ذلك توفر المواد القابلة للاشتعال في المنطقة. كذلك قد يؤدي الانفجار إلى حدوث تماس كهربائي يزيد من احتمال حدوث حرائق كبيرة ضمن تلك المنطقة.

تزداد درجة حرارة الانفجار بزيادة كثافة المادة المتفجرة، وإذا أضيف إليها مواد أخرى كذرور المعادن (ذرور المغنزيوم أو الألمنيوم) فإن درجة حرارة الانفجار تزداد كثيراً، كما تطول مدة الأثر الحراري، وهذا ما يُترجم بزيادة الطاقة الانفجارية للمزيج.

4 - التدمير

هو الأثر التخريبي الذي تسببه موجة الصدم الناجمة عن الانفجار قي أثناء تقدمها في الوسط المحيط. يُعبر عن ضغط هذه الموجة بالضغط الزائد (الفرق بين قمة ضغطها والضغط الجوي المحيطي)، وتقل قيمته كلما ابتعد عن مركز الانفجار. وتعطى قيمته بالعلاقة التجريبية (2):

حيث:Δp : الضغط الزائد = (P-P0)(كغ/سم2).

meq : الكتلة المكافئة من الـ TNT (كغ).

r: البعد عن مركز الانفجار.

ويبين الجدول (1) قيمة الضغط الزائد الموافق لنصف القطر التدميري لمختلف الأهداف:

الجدول (1)

درجة تدمير الأهداف

الضغط الزائد (كغ/سم2)

نصف القطر التدميري (م)

تدمير الأبنية الزجاجية

0.05- 0.1

200-120

الجدران القرميدية من الطابق الأرضي

0.45

50

تدمير جزئي للجدران

0.35

55

تدمير الجدران الإسمنتية المسلحة (سماكة ٢٥سم)

3

15

تدمير طفيف للطائرات المدنية

0.2-0.1

110-70

تدمير كامل للطائرات المدنية

1

30

تدمير طفيف للطائرات الحربية

0.5-0.2

70-40

تدمير شديد للسيارات المصفحة

15-0.45

-

تدمير للقطارات العامة

0.35-0.3

60-50

أذى شديد للأشخاص

1-0.5

40-25

5 - الأمواج المنعكسة أو المرتدة reflected waves

تتقدم موجة الضغط في جميع الاتجاهات X,Y,Z، وعند اصطدامها بجسم ما (جدار مثلاً ) تدعى عندئذ موجة ضغط وارد incidental pressure تنعكس عنه مشكلةً موجات منعكسة (الشكل 2)، كما هي الحال في الموجات الصوتية والأشعة الضوئية، ويؤدي هذا الانعكاس إلى فقدان الموجة الانفجارية جزءاً من طاقتها وسرعتها. ومع استمرار الموجة المنعكسة في تقدمها تفقد قوتها وتتلاشى إذا كان المجال مفتوحاً أمامها. أما إذا كان المجال محصوراً (ضمن المدن مثلاً) فيؤدي الانعكاس دوراً إيجابياً؛ إذ تتضخم الموجة الواردة على الهدف نتيجة تشكل موجات صدم هي محصلة الأمواج الواردة والمنعكسة معاً.

الشكل (2) أمواج الضغط الواردة والمنعكسة في الاتجاهات الثلاثة X,Y,Z.

6- التشظي fragmentation

عند انفجار قنبلة متشظية (الشكل 3) تنطلق القطع المتشظية الناتجة منها أو من تحطم المكونات المحيطة بها في جميع الاتجاهات في مسارٍ أشبه بمستقيم وبسرعةٍ عالية. تمتلك هذه الشظايا طاقة حركية مرتفعة قادرة على تدمير الأهداف الواقعة ضمن حدود تأثيرها، كما يمكن أن تصل سرعتها الوسطية إلى أكثر من 2000 م/ثا، وهي سرعة مرتفعة تكسب الشظية طاقة تدميرية مميزة.

الشكل (3) تناثر شظايا الانفجار في جميع الاتجاهات.

يستهلك التشظي جزءاً مهماً من طاقة الانفجار، ويُستهلك الباقي لدفع الشظايا بعيداً عن مركز الانفجار. إن الطاقة الحركية Ei لشظية كبيرة تزداد طرداً بزيادة كتلتها ومربع سرعتها، كما هو مبين في العلاقة (3):

حيث: Mi: كتلة الشظية.

V : سرعتها.

وتعطى سرعة الشظية بعلاقة غورني Gurney البسيطة (العلاقة 4):

حيث :µ: M/C

M: كتلة الغلاف المعدني المحيط بالمادة المتفجرة.

C: كتلة المادة المتفجرة.

: ثابت غورني Gurney ويعطى بالعلاقة (5):

D: سرعة انفجار المادة المتفجرة.

n: ثابت قيمته تساوي 1 للغلاف المعدني المستوي، و2 للغلاف المعدني الأسطواني و3 للغلاف المعدني الكروي.

تكون الشظايا حادة الأطراف ورقيقة إذا استُخدمت مادة متفجرة شديدة الفعالية نتيجة ارتفاع الضغط والحرارة الناجمين عن الانفجار. أما إذا كانت المادة المتفجرة ضعيفة فإن الشظايا تكون أكبر حجماً وأقل تمدداً. وفي كلتا الحالتين فإن تحزيز الغلاف المعدني بأخاديد متقاطعة يؤدي إلى تكون شظايا متماثلة شكلاً وحجماً تسمى شظايا مسبّقة التشكيل (الشكل 4). ويُفضل أن يكون التحزيز من الداخل للقنابل والرؤوس الحربية الكبيرة (الشكل 5).

الشكل (4) رمانة يدوية دفاعية محززة من الخارج.
الشكل (5) جسم معدني لرأس حربي محزز من الداخل.

تطبيقات الانفجار

تُستخدم الانفجارات في المجالات المدنية والعسكرية.

1 - الاستخدامات المدنية

يُلجأ إلى عمليات التفجير على نطاق واسع في المقالع وعند شق الطرقات وإطفاء آبار النفط المشتعلة وتهديم الأبنية المتقادمة ولحام المعادن وغيرها.

2 - الاستخدامات العسكرية

يختلف استخدام الانفجارات في المجالات العسكرية بحسب الغاية منها، وهي المبدأ الذي تعمل عليه الأسلحة النارية والقذائف والقنابل والألغام والشحنات المتفجرة وغيرها.

حسن عيطة

مراجع للاستزادة:

- M. J. Assael and K. E. Kakosimos, Fires, Explosions, and Toxic Gas Dispersions, CRC Press, 2010.

- B. E. Gelfand, M. V. Silnikov, S. P. Medvedev and S. V. Khomik, Thermo-Gas Dynamics of Hydrogen Combustion and Explosion (Shock Wave and High Pressure Phenomena), Springer, 2012.

- R. M. Leroy and C. J. Mullen, Deepwater Horizon Explosion: Containment Technology & Development, Nova Science Publishers Inc., 2011.

- PL. Sachdev, Shock Waves & Explosions, Chapman and Hall/CRC, 2004.

 


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد الرابع
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 555
الكل : 29602961
اليوم : 57877