Оглавление Введение................................................................................................................. 1

Цель работы................................................................................................................................. 1

1.  Кумулятивный эффект.......................................................................................................... 1

1.1. История открытия........................................................................................................... 1

1.2. Применение кумулятивного эффекта......................................................................... 2

1.3. Кумулятивная струя....................................................................................................... 4

2. Исследование кумулятивной струи в условиях школьной лаборатории.................... 5

2.1. Кумулятивная струя из упавшей пробирки............................................................... 5

2.2. Зависимость высоты кумулятивной струи от скорости движения жидкости.... 6

2.3. Создание математической модели зависимости кумулятивной струи от скорости движения жидкости............................................................................................................... 9

3. Выводы...................................................................................................................................... 9

3.1. Условия возникновения кумулятивной струи.......................................................... 9

3.2. Зависимость высоты кумулятивной струи от скорости движения жидкости.... 9

Литература................................................................................................................................. 10

Введение  

Наверное, нет такого человека, которому никогда не приходилось видеть как при падении редких капель дождя в лужу образуются всплески воды. Это маленькие кумулятивные струи.

Термин кумуляция происходит от латинского cumulatio — «скопление» или cumulo — «накапливаю» и дословно означает увеличение или усиление какого-либо эффекта за счет сложения или накопления нескольких однородных с ним эффектов.

Когда физики говорят о кумуляции, они обычно подразумевают кратковременные процессы, например взрывы, и под кумуляцией понимают усиление в определенном месте или направлении действия этих процессов.

Понятно, что кумулятивные струи жидкости могут появляться не только при взрывах. Для их образования достаточно создать такие условия, при которых плотность кинетической энергии движущейся жидкости быстро возрастает в сравнительно небольшом объеме. Если этот объем не сферически-симметричен, то обязательно возникнет кумулятивная струя.

Свою работу я решил посвятить исследованию кумулятивного эффекта.

Цель работы

Моя работа посвящена экспериментальному изучению кумулятивной струи

1.                  Кумулятивный эффект

Кумулятивный эффект, эффект Манро — усиление действия взрыва путѐм его концентрации в заданном направлении, достигаемое применением заряда с выемкой, противоположной местонахождению детонатора и обращѐнной в сторону поражаемого объекта. Кумулятивная выемка обычно конической формы, покрывается металлической облицовкой, толщина которой может варьироваться от долей миллиметра до нескольких миллиметров.

1.1.  История открытия.

 В 1792 году горный инженер Франц фон Баадер высказал предположение, что энергию взрыва можно сконцентрировать на небольшой площади, используя полый заряд. Однако в своих экспериментах фон Баадер использовал чѐрный порох, который не может формировать необходимую детонационную волну. Впервые продемонстрировать эффект применения полого заряда удалось лишь с изобретением высокобризантных взрывчатых веществ. Это сделал в 1883 году изобретатель Макс фон Фѐрстер (MaxvonFoerster). 

В Советском Союзе в 1925—1926 годах изучением зарядов взрывчатых веществ с выемкой занимался профессор М. Я. Сухаревский.

Рентгено-импульсная съемка процесса, осуществленная в 1939 — начале 1940-х годов в лабораториях Германии, США и Великобритании, позволила существенно уточнить принципы действия кумулятивного заряда (традиционная фотосъѐмка невозможна из-за вспышек пламени и большого количества дыма при детонации).

Кумулятивные боеприпасы впервые были применены в боевых условиях 10 мая 1940 г. при штурме форта Эбен-Эмаэль (Бельгия). Тогда для подрыва укреплений диверсионным отрядом использовались переносные заряды в виде полусфер весом 12,5 и

50 кг.

Одним из неприятных сюрпризов лета 1941 года для танкистов РККА стало применение войсками Германии кумулятивных снарядов и гранат. На подбитых танках обнаруживались пробоины с оплавленными краями, поэтому снаряды получили название «бронепрожигающих». 23 мая 1942 года на Софринском полигоне были проведены испытания снаряда к 76-мм полковой пушке, разработанного НИИ-6 на основе трофейного немецкого снаряда. По результатам испытаний 27 мая 1942 года первый советский кумулятивный снаряд БП-353А принят на вооружение.

В 1950-е годы был достигнут огромный прогресс в понимании принципов формирования кумулятивной струи. Предложены методы усовершенствования кумулятивных зарядов пассивными вкладышами (линзами), определены оптимальные формы кумулятивных воронок, применена ступенчатая облицовка конуса для компенсации вращения снаряда, разработаны специальные составы взрывчатых веществ.

Многие из обнаруженных в те далекие годы явлений изучаются и до настоящего времени.

1.2.  Применение кумулятивного эффекта 

Кумулятивный эффект широко используется в военном деле.

Несмотря на относительно слабое заброневое действие, кумулятивная граната при попадании в башню, как правило, убивает одного или более членов экипажа бронемашины, может вывести из строя вооружение, подорвать боекомплект. Попадание в моторное отделение делало машину неподвижной мишенью, а если на пути кумулятивной струи встречались топливопроводы, происходило воспламенение.

Основной поражающий фактор кумулятивного заряда - это отрываемые осколки и капли брони. При попадании на боекомплект танка осколков и капель от пробитой брони возможно его воспламенение и детонация с разрушением бронемашины. Если кумулятивная струя и  капли   брони не поражают людей и пожаро-взрывоопасное оборудование танка, то в целом прямое попадание даже мощного кумулятивного заряда может не вывести из строя танк.

По бронепробиваемости валовые кумулятивные боеприпасы примерно равноценны современным кинетическим боеприпасам, но принципиально могут иметь значительные преимущества по бронепробиваемости перед кинетическими снарядами, пока не будут существенно (более чем до 4000 м/c) увеличены начальные скорости последних или удлинение сердечников БОПС. Для калиберных кумулятивных боеприпасов можно употреблять понятие «коэффициента бронепробиваемости», выражающегося в отношении бронепробиваемости к калибру боеприпасов. Коэффициент бронепробиваемости у современных кумулятивных боеприпасов может достигать 6-7,5 клб. Перспективные кумулятивные боеприпасы, снаряжѐнные специальными мощными ВВ, снабжѐнные облицовкой из материалов типа обедненного урана, тантала и пр., могут иметь коэффициент бронепробиваемости до 10 клб. и более. Кумулятивные боеприпасы имеют и недостатки по бронепробиваемости, например недостаточное заброневое действие при работе на пределах бронепробиваемости, возможность разрушения или расфокусировкикумулятивной струи, достигаемые различными и часто достаточно простыми способами обороняющейся стороной.

По обзору исследований кумулятивных боеприпасов поражение защищѐнной цели достигается действием короткой кумулятивной струи небольшого диаметра, но за счет этого создающего давление в несколько тонн на квадратный сантиметр, что превышает предел текучести металлов и пробивает небольшое отверстие около 80 мм в броне. Весь наблюдаемый визуально взрыв кумулятивного заряда происходит до брони и избыточное давление и температура не могут проникнуть через небольшое отверстие и не являются основными поражающими факторами. Устанавливаемые внутри танков датчики давления и температуры не фиксируют существенного фугасного или термического воздействия после пробивания брони кумулятивной струей. Основной поражающий фактор кумулятивного заряда - это отрываемые осколки и капли брони. Попадание в моторное отделение делало машину неподвижной мишенью, а если на пути кумулятивной струи встречались топливопроводы, происходило воспламенение. Если кумулятивная струя и  капли   брони не поражают людей и пожаро-/взрывоопасное оборудование танка, то в целом прямое попадание даже мощного кумулятивного заряда может не вывести из строя бронемашину.

1.3.  Кумулятивная струя.

 После взрыва капсюля-детонатора, находящегося на противоположной по отношению к выемке стороне заряда, возникает детонационная волна, которая перемещается вдоль оси заряда.

Волна, распространяясь к боковым образующим конуса облицовки, схлопывает еѐ стенки друг навстречу другу, при этом в результате соударения стенок облицовки давление в еѐ материале резко возрастает. Давление продуктов взрыва, достигающее порядка 10¹⁰ Па (10⁵ кгс/см²), значительно превосходит предел текучести металла, поэтому движение металлической облицовки под действием продуктов взрыва подобно течению жидкости, однако обусловлено не плавлением, а пластической деформацией.

Аналогично жидкости, металл облицовки формирует две зоны: большой по массе

(порядка 70—90 %) медленно двигающийся «пест» и меньшую по массе (порядка 10— 30 %) тонкую (порядка толщины облицовки) гиперзвуковую металлическую струю, перемещающуюся вдоль оси симметрии заряда, скорость которой зависит от скорости детонации взрывчатого вещества и геометрии воронки. При использовании воронок с малыми углами при вершине возможно получить крайне высокие скорости, но при этом возрастают требования к качеству изготовления облицовки, так как повышается вероятность преждевременного разрушения струи. В современных боеприпасах используются воронки со сложной геометрией (экспоненциальные, ступенчатые и др.) с углами в диапазоне от 30 до 60°; скорость кумулятивной струи при этом достигает 10 км/с.

Поскольку при встрече кумулятивной струи с бронѐй развиваются очень высокие давления, на один-два порядка превосходящие предел прочности металлов, то струя взаимодействует с бронѐй в соответствии с законами гидродинамики, то есть при соударении они ведут себя как идеальные жидкости. Прочность брони в еѐ традиционном понимании в этом случае практически не играет роли, а на первое место выходят показатели плотности и толщины бронирования.^[2]

Теоретическая пробивная способность кумулятивных снарядов пропорциональна длине кумулятивной струи и квадратному корню отношения плотности облицовки воронки к плотности брони. Практическая глубина проникновения кумулятивной струи в монолитную броню у существующих боеприпасов варьируется в диапазоне от 1,5 до 4 калибров.

При схлопывании конической оболочки скорости отдельных частей струи оказываются различными, и струя в полѐте растягивается. Поэтому небольшое увеличение промежутка между зарядом и мишенью увеличивает глубину пробивания за счѐт удлинения струи. Однако при значительных расстояниях между зарядом и мишенью непрерывность струи нарушается что снижает бронебойный эффект. Наибольший эффект достигается на так называемом «фокусном расстоянии», на котором струя максимально растянута, но ещѐ не разорвана на отдельные фрагменты. Для выдерживания этой дистанции используют различные типы наконечников соответствующей длины.

При перемещении в твѐрдой среде градиентно разорванная кумулятивная струя самоцентрируется, а диаметр трека по мере удаления от точки фокуса уменьшается. При перемещении разорванной на фрагменты кумулятивной струи в жидкостях и газах — каждый фрагмент перемещается по собственной траектории, а диаметр трека по мере удаления от точки фокуса увеличивается. Этим объясняется резкое снижение пробивной способности высоко градиентных кумулятивных струй при использовании противокумулятивных экранов.

Использование заряда с кумулятивной выемкой без металлической облицовки снижает кумулятивный эффект, так как вместо металлической струи действует струя газообразных продуктов взрыва; однако при этом достигается значительно более сильное заброневое действие.

2.  Исследование кумулятивной струи в условиях школьной лаборатории.

2.1.  Кумулятивная струя из упавшей пробирки.

Известный специалист в области физики и техники взрыва профессор Г. И. Покровский предложил простой и изящный опыт, демонстрирующий образование кумулятивной струи. Чтобы поставить этот опыт, требуются лишь   стеклянная пробирка и вода.

Нальем воду в чистую стеклянную пробирку внутренним диаметром 15 мм и длиной 150 мм. Поскольку вода смачивает стекло, поверхность воды в пробирке образует вогнутый мениск. Таким образом, мы уже имеем углубление в поверхности жидкости. Осталось как-то заставить схлопнуться это углубление. Самый простой способ заключается в следующем. Возьмем пробирку с водой правой рукой за ее край,  поднимем пробирку над твердой поверхностью стола на высоту 5—10 см и, убедившись, что пробирка висит в пальцах вертикально, отпустим ее. В момент удара пробирки возникает тонкая кумулятивная струя, поднимающаяся на высоту, значительно превышающую ту, с которой падала пробирка! Например, если пробирка с водой падает с высоты 50 мм на поверхность толстой мраморной плиты, кумулятивная струя имеет длину порядка метра.

При ударе о поверхность стола пробирка и находящаяся в ней жидкость почти мгновенно останавливаются. При действии таких отрицательных ускорений жидкость становится как бы очень тяжелой и ее поверхность,         искривленная            капиллярными          силами, выравнивается. Края опускаются вниз, а средняя часть немного поднимается.   Путем       простого         расчета           можно            установить следующее. Пусть край поверхности жидкости в пробирке расположен выше средней части этой поверхности на величину d. Пусть высота падения пробирки h и путь ее торможения при ударе равен Ah. Тогда высота, на которую может подняться возникающая   при   ударе   струйка   жидкости,   оказывается равной

Если, например, d = 0,1 см, h = 10 см, ∆h =10^-3 см, то l = 10 м. Фактически струйка на такую высоту подняться не может,

потому что этому препятствует сопротивление воздуха. Однако и в воздухе подъем струйки может составить несколько десятков сантиметров и поэтому описываемое явление проявляется очень ярко.

Выясним, насколько существенно смачивание водой стенок пробирки. Для этого поместим внутрь стеклянной пробирки небольшой кусочек парафина. Нагреем пробирку на пламени сухого горючего или спиртовки так, чтобы парафин расплавился. Вращая удаленную из пламени пробирку вокруг ее оси, равномерно покроем внутреннюю поверхность пробирки тонким слоем парафина. После затвердевания парафина и охлаждения пробирки нальем в нее воду и повторим опыт Покровского. Мы обнаружили, что в этом случае кумулятивная струя не образуется! Следовательно, смачиваемость стенок пробирки жидкостью является существенным условием получения кумулятивной струи.

2.2.  Зависимость высоты кумулятивной струи от скорости движения жидкости.

Наверное, нет такого человека, которому никогда не приходилось видеть, как при падении редких капель дождя в лужу образуются всплески воды. Это маленькие кумулятивные струи. Чтобы убедиться в сказанном, можно проделать следующую серию простых опытов.

На стол поставим стеклянный стакан с водой и над ним укрепим капельницу, дающую капли воды диаметром около 3 мм. Мы наблюдаем, что всякий раз, когда капля долетает до поверхности воды в стакане и исчезает, вслед за этим над водой появляется кумулятивная струя. Если посмотреть на стакан сбоку, то хорошо видно, что в момент удара капли в верхнем слое воды образуется полусферическое углубление. Схлопывание именно этого углубления и приводит к возникновению кумулятивной струи.

Наблюдения показали, что следующие одна задругой капли дают различные по высоте кумулятивные струи. Почему? Капельница, очевидно, «вырабатывает» капли равной массы, имеющие одинаковые начальные скорости, причем эти капли проходят до встречи с поверхностью воды равные расстояния. Мы убедились, что за обнаруженный эффект ответственны волны на

поверхности воды в стакане. Первая капля, упавшая в воду, возбуждает расходящуюся от места падения волну, которая доходит до стенки   стакана и отражается назад.

Интерференция падающей и отраженной волн приводит к тому, что на поверхности воды на некоторое время устанавливается стоячая волна.

Результат опыта по образованию кумулятивной струи, безусловно, зависит от того, упадет ли вторая капля во впадину или в горб стоячей волны. Чтобы исключить этот нежелательный эффект, нужно либо увеличить промежуток времени между двумя следующими друг за другом каплями, либо заменить стакан с водой на сосуд большего диаметра, что мы и сделали во второй серии опытов. Добившись, чтобы каждая капля падала на спокойную поверхность воды, мы убедились, что капли дают практически одинаковые по форме и высоте кумулятивные струи.  

Исследуем зависимость получающейся в рассматриваемых опытах кумулятивной струи от скорости порождающей ее капли. Если изменять расстояние от поверхности воды в сосуде до капельницы в пределах от 0 до 1 м, то скорость капли в момент соприкосновения ее с водой будет увеличиваться от  м/с, где g — ускорение свободного падения, h — высота, с которой упала капля (сопротивлением воздуха мы пренебрегаем).

Постепенно поднимая капельницу, мы обнаружили, что уже начиная с высоты 1—2 см капли дают углубления, но кумулятивные струи не формируются. Объясняется это тем, что углубления в поверхности воды захлопываются недостаточно  быстро.

При подъеме капельницы на высоту около 5 см начинают появляться небольшие тонкие кумулятивные струи. Дальнейший подъем капельницы над поверхностью воды приводит к росту образующихся кумулятивных струй по высоте. Однако начиная с определенного расстояния между поверхностью воды в сосуде и капельницей рост кумулятивных струй в высоту прекращается, зато начинает увеличиваться их диаметр: получаются толстые всплески воды, на конце которых обязательно вырастает капля. При последующем подъеме капельницы упавшие капли вначале порождают толстые всплески и вслед за ними появляются тонкие кумулятивные струи, нередко более высокие, чем первоначальный  всплеск.

Если в этих условиях вы посмотрите внутрь воды через прозрачную стенку сосуда, то обнаружите, что падение капли приводит к образованию полусферического углубления, которое, схлопываясь, дает толстую струю, а она уже вновь продавливает поверхность воды, создавая вытянутое вниз углубление, при схлопывании которого и получается более тонкая струя. Все это происходит настолько быстро, что для уверенной регистрации указанных стадий процесса нужно проделать по крайней мере несколько наблюдений. Наконец, если капли падают в воду с высоты 2,5—3 м, то они вообще не дают кумулятивных струй: на поверхности воды вместо углублений получаются какие-то пузыри.

В ходе экспериментов мы устанавливали капельницу на различную высоту с шагом

5 см и с помощью видеосъемки измеряли высоту получившейся кумулятивной струи.

Результаты опытов были сведены в таблицу и проанализированы с помощью программы Microsoft Excel.

Полученные данные, графики и их корреляция приведены в приложении.

Эксперимент и теоретическая оценка показывают, что капля воды радиусом 2 мм, упавшая в воду с высоты 200 мм, порождает струю высотой l≈40 мм. Наибольшая плотность энергии в такой струе 𝑊 = 𝜌𝑔𝑙 ≈ 392 Дж/м³, т. е. примерно в 17 раз больше, чем плотность энергии в жидкости, давшей струю. Таким образом, при схлопывании углубления в поверхности жидкости действительно происходит увеличение плотности энергии в определенном направлении, т. е. имеет место кумулятивный эффект.

2.3.     Создание математической модели зависимости кумулятивной струи от скорости движения жидкости.

Для анализа полученных данных и получения математической модели используем возможности программы Microsoft Excel. Занесем полученные данные в таблицу и рассчитаем скорость движения капли в зависимости от высоты падения:

 , где v – скорость движения капли;

H – высота падения;

G – ускорение свободного падения.

На основании полученных данных строим диаграмму зависимости высоты кумулятивной струи l от скорости движения жидкости v. Наложим на полученный график линию тренда и получим примерную формулу. Анализ графика показывает, что наиболее вероятной будет являться логарифмическая зависимость:

.

Прогнозируя линию тренда на 5 периодов, можно предположить, что примерно с высоты падения 1 м. высота кумулятивной струи практически не будет меняться. Это хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными и литературными источниками.

3.  Выводы.

3.1.  Условия возникновения кумулятивной струи. 

Проведенные эксперименты показали, что задача получения кумулятивной струи может быть решена, если тем или иным способом в поверхности жидкости сделать углубление, например, коническое или сферическое, и затем быстро захлопнуть его так, чтобы скорости частиц жидкости были направлены перпендикулярно поверхности углубления.

3.2.  Зависимость высоты кумулятивной струи от скорости движения жидкости. 

Проведенные эксперименты доказали, что при падении капли воды с высоты более 50 мм. возникает кумулятивный эффект. Проведенный анализ позволил получить следующую зависимость высоты кумулятивной струи от скорости движения жидкости:

Литература

1.      Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, – 3-е изд., М.: Педагогика, 1973 

2.      Уокер Дж. Физический фейерверк: - 2-е изд. Пер.с англ./ Под ред. И.Ш.Слободецкого. – М.: Мир, 1998.  

3.      Уилкинсон У. Л., Неньютоновские жидкости, пер. с англ., М., Издательство: Мир , 1964 

4.      В. М. Шаповалов.  Валковые течения неньютоновских жидкостей. М.: Педагогика, 1993 

5.      Энциклопедический словарь юного физика / Сост.В.А.Чуянов. – 2-е изд., испр. и доп.- М.:

Педагогика, 1991. – 336с. 

6.      6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, М.: Наука, 1979.- 944 с. 

7.      http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_6291.html статья А. Я. Малкина, H. Б.

Урьева. 

8.      http://www.labh.ru/ классификация неньютоновских жидкостей 

9.      http://www.d3o.com  военная энциклопедия 

10.  http://www.ai08.org/index.php  технический словарь, вязкоупругие тела 

11.  http://www.femto.com.ua  энциклопедия физики и техники внутреннее трение 

12.  http://files.school-collection.edu.ru о реологии, как науки о деформациях и текучести сплошных сред 

13.  http://www.highexpert.ru  физические свойства жидкостей 

14.  http://dxdy.ru/ научный форум, помощь в некоторых вопросах 

15.  http://www.techgidravlika.ru классификации жидкости