Наука, скептицизъм и хумор

Има някои физически величини, с които сме изключително запознати и за които можем да направим повече или по-малко правилни оценки на стойностите. По този начин, например, можем да определим смътно теглото или размера на даден обект с повече от това да го държим или гледаме. Обаче други физически величини като енергия или налягане са много по-неуловими.

Енергията обикновено се използва ежедневно в калориен план, особено при диети, и от повече от просветлените също и в езотерични проблеми, които нямат нищо общо с реалността. Енергията обаче е много повече от това, което храната ще ни напълни и събития като това в Челябинск ни дават представа колко разрушителна може да бъде енергията, ако се отдели експлозивно.

Както ни казва Даниел Марин в своя статия за събитието в Челябинск следвайки данните, предоставени от НАСА, енергията, която астероидът е развил (ще използвам тази номенклатура, въпреки че е по-правилно да я наричам състезателен автомобил) при експлозия в атмосферата е около 500 килотона, което се равнява на около 25 ядрени бомби като тези, които са паднали върху Хирошима или Нагасаки. В случай, че все още има някакви безсмислени, килотонът е единица енергия, еквивалентна на тази на 1000 тона TNT, а мегатонът на 1 милион тона. Такова количество енергия напълно избягва всички възможни оценки, но за да ви дадем представа няма нищо по-добро от няколко примера.

По този начин въздействието на метеорита, който е унищожил динозаврите преди 65 милиона години, се изчислява да освободи енергия от 192 милиона мегатона и унищожаването на килограм материя с килограм антиматерия, според известното уравнение на Айнщайн E = mc2, се равнява на 43 мегатона. И помните ли щетите, причинени от атаката на ETA срещу T4 Barajas през 2006 г.? Е, количеството експлозив, което се изчислява в бомбата на автомобила, е между 200 и 500 кг, тоест само 0,0001% от енергията на метеорита в Челябинск.

събитието
Дървета, разрушени след събитието в Тунгуска (

15 мегатона) през 1908г

Както можете да видите, щетите, причинени от насилственото и експлозивно освобождаване на енергия, са наистина ужасяващи, но има и друга величина, която обикновено остава незабелязана, чиято разрушителна сила е толкова висока или по-голяма: натиск.

Всички сме подложени на раждане на атмосферно налягане. Не забелязваме, че е там, но целият въздух, който имаме над главите си, наистина тежи и смачква всеки квадратен сантиметър от тялото ни със сила около 1 кг. По този начин налягане от 1 атмосфера е еквивалентно на 101325 Pa, или 760 mm живак. Това налягане позволява на въздуха да задържи онзи лист хартия, с който покриваме чаша, пълна с вода, и я обръщаме; или ни поставя в трудната ситуация да се опитваме да отделим две съединени полукълба, в които е направен вакуум вътре, както Ото фон Герике вече демонстрира през 1654 г. в своя прочут експеримент върху полукълбите на Магдебург.

Какво общо има натискът със събитието в Челябинск? Е, истината е, че наистина всичко, защото това е истинската причина за почти всички щети, причинени в и от астероида.

Как се разпада астероид

Както всеки материал, въздухът може да бъде компресиран и неговите физически свойства варират в зависимост от уравненията на състоянието, които определят неговото поведение. Всички сме научени на типичното уравнение на състоянието на идеалния газ, с което могат да се правят елементарни и дидактически изчисления, но което не отразява реалното поведение на газ. Необходимо е да се прибегне до много по-сложни уравнения на състоянието, ако излезем извън нормалните условия на налягане и температура, точно както се случва, ако искаме да проучим какво се случва в астероида. Тук една област на физиката е почти толкова странна, колкото прави квантовата механика: високоскоростна физика. В този свят има място за най-любопитните явления, като въздух, който се запалва или който реже метал, сякаш е масло за рязане на нож.

Преди да продължим да говорим за астероида Челябинск, нека направим малък мисловен експеримент. Какво мислите, че би се случило, ако сте покрили нечуплива и недеформируема спринцовка, пълна с вода, и се опитате да стиснете буталото с всички сили?

Както може би се досещате, водата също има известна степен на свиваемост (очевидно много по-малка от тази на газ), но налягането, което трябва да отпечатате, е толкова голямо, че никога не бихте могли да го смачкате дори малко. Сега си представете, че имате достатъчно енергия, за да продължите да натискате буталото на тази нечуплива спринцовка с все повече и повече сила. Водата ще започне да се компресира, докато достигне своята граница и по това време тя ще търси състояние, при което системата е стабилна под толкова голямо налягане. Тоест ще повишава температурата си, докато не стане водна пара чрез промяна на състоянието.

Нека приложим този прост мисловен експеримент към случая на падащ астероид. Огромната скорост, която астероидът може да носи, между 10 и 60 км/сек, и голямата му маса, около 10 000 тона за тази на Челябинск, действат като бутало във въздуха пред него, пренасяйки също част от своята енергия. Човек, докато върви или тича, също се опитва (несъзнателно) да смачка въздуха пред нас, но ние се движим с толкова ниска скорост, че въздухът лесно може да ни се измъкне. Въпреки това, в случай на астероид, въздухът не е в състояние да се отдалечи достатъчно бързо, за да освободи пътя за него, така че постепенно се компресира отпред. И ако въздухът се компресира „извън възможностите му“, се появяват много интересни явления.

Резултатът от това ударно налягане е огромно повишаване на температурата, което превръща въздуха в плазма. Плазмата в контакт с астероида се топи и изпарява външните слоеве, което води до постепенното му разпадане. Оттук и следите от дим и пара, които остават в небето след преминаването на астероид.

Метеоритната пътека на Челябинск

Триенето с атмосферата също има какво да каже, тъй като астероидът може да бъде фрикционно спиран повече от 40 пъти. Въпреки това, противно на общоприетото схващане, не триенето чрез триене е основната причина за разпадането на астероид в атмосферата, а ерозията, причинена от въздушната компресия и последващото му превръщане в плазма пред астероида.

Както можете да си представите в този момент, следата, оставена от астроида, е много по-интензивна, тъй като се приближава до повърхността, поради увеличаването на плътността на въздуха в долните слоеве на атмосферата. Поради тази причина астероидите обикновено се консумират почти изцяло преди да стигнат до земята, при условие че размерът и съставът им позволяват. Въпреки това щетите, които могат да причинят, остават огромни, както е доказано отново в Русия. И това, без да се броят възможните щети на малките фрагменти, които са успели да достигнат земята, като този, който е породил кратера, който оглавява тази статия.

Ефекти на ударна вълна

Ударното налягане, което обсъдихме в предишните параграфи, може да се определи като налягане, поддържано от тяло, което се движи през флуид, причинявайки вид сила на плъзгане. Това налягане е пропорционално на плътността на споменатата течност и на квадрата на скоростта, носена от тялото. По този начин, ако астероидът Челябинск навлезе в атмосферата със скорост 18 km/s, скоростта едва ще намалее, докато падне под 100 км височина, където плътността на въздуха започва да бъде незначителна.

Атмосферната плътност и температура като функция от надморската височина, според модела NRLMSISE.

Правейки някои кратки изчисления, приемайки, че астероидът е бил унищожен на височина от около 15 км и че все още е имал скорост от 15 км/сек, можем да установим, че ударното налягане е еквивалентно на около 135 атмосфери. Много е трудно да се изчислят добре стойностите, тъй като една и съща скорост при само 5 км височина дава налягане над три пъти по-високо: 450 атмосфери. По този начин, оставайки в порядъка на величината и много грубо, можем да приемем налягане между 100 и 500 атмосфери (10-50 МРа). В зависимост от състава на астероида, неговата порьозност, колко и как той се е разтопил и ерозирал и много други фактори, това налягане може да бъде достатъчна причина за счупване и експлозия на астероида.

В момента, когато цялото налягане, поддържано от астероида, рязко се освобождава и както при детонацията на всеки експлозив се създава ударна вълна, която се разпространява сферично със свръхзвукова скорост. За разлика от конвенционалната вълна, ударните вълни произвеждат вариации в средата толкова бързо, че техните свойства са принудени да се променят рязко. Например, ударна вълна от взрив на TNT, движещ се с почти 7 км/сек, причинява рязка разлика в налягането във въздуха, докато се движи, което води до звуков бум. В нашия случай максималната амплитуда на ударната вълна, създадена от астероида, е свързана с ударното налягане и огромното количество химическа и кинетична енергия, отделена при експлозията.

Отново можем грубо да ограничим максималната и минималната стойност на вълната под налягане, като вземем предвид настъпилите ефекти, като счупване на стъкло.

Разбити прозорци в Челябинск

Напрежението при счупване на стъклото (в зависимост от това дали има драскотини или микропукнатини) е между около 200 и 500 атмосфери (20-50 МРа), така че вълната под налягане, въпреки затихването по пътя си към повърхността, имаше пик по-висок от тази стойност. Ограничаването на налягането на вълната превъзходно е малко по-сложно, но като се има предвид, че каросериите на автомобилите (изработени от стомана и алуминий), доколкото знам, не са имали вдлъбнатини, можем да направим прогноза отново.

За разлика от стъклото, което винаги претърпява счупване, без да претърпи почти никаква деформация, известна като крехко счупване, металите се деформират преди счупване, преминавайки първо през фаза на пластифициране. През пролетта и трите режима на даден материал могат лесно да се наблюдават. Първият е еластичният режим, при който деформациите са обратими, тоест пружината се разтяга и свива, но винаги възстановява първоначалната си форма. Ако опънем прекалено много пружината, тя вече не успява да възстанови първоначалната си форма, което на разговорния език би било „дал си я от себе си“. Това е пластичният режим, при който деформациите стават трайни. И накрая, има режим на счупване, при който материалът вече не може да издържи на по-голямо напрежение и счупвания. Между първия и втория режим има точка, известна като граница на еластичност, докато между втория и третия имаме напрежение при скъсване.

Опростена основна схема на механичното поведение на материала.

По този начин стоманата има своята граница на еластичност около 2500 атмосфери, докато алуминият има около 2000 атмосфери; следователно вълната на налягане, претърпяна в Челябинск, трябваше да има по-ниска максимална амплитуда от тези стойности. Следователно ще говорим за ударна вълна с приблизително максимално налягане между 200 и 2000 атмосфери (20-200 МРа).

За съжаление на жителите на Челябинск нещата не спират до тук. След пика на налягането идва долина с налягане много по-ниско от атмосферното налягане (т.е. като вакуум), което може да причини още по-големи щети. И още повече, като се има предвид, че това огромно изменение на налягането се извършва за период от няколко милисекунди. Ако някое изтърпяно стъкло е живяло след въздействието на ударната вълна, последващият вакуум вероятно е в крайна сметка го счупил.

От само себе си се разбира, че целият този опит за поставяне на числа във феномена е напълно спекулативен, тъй като е почти невъзможно да се знаят с точност всички физически променливи, които се намесват в случай на тези характеристики. Въпреки това е интересно упражнение, което ни помага да разберем по-лесно и качествено явление, което е напълно несъразмерно с това, което сме свикнали да виждаме в ежедневието си; с много високи енергии и налягания и с нетривиална физика.

ЗАБЕЛЕЖКА: Изчисленията, които се появяват в тази статия, се основават единствено на свойствата на материалите, така че изследването на явлението е непълно. Механичната устойчивост на даден материал е свързана с различни фактори, като геометрията му. По този начин 1 см стъкло не е толкова устойчиво, колкото 10 см стъкло. Според ESA налягането, необходимо за счупване на стъклото в случай на тези характеристики, е само 10-20 атмосфери. Приблизителните ми оценки са твърде високи, така че са неправилни. Разликата е, освен факта, че не отчитам много структурни фактори, в това, че механичните свойства на материала са много различни при изучаване на високоскоростни явления (какъвто е случаят) и "нормалните" стойности Не може да се приложи. Затова вижте тази статия като опит да се обясни качествено феномена; и чиито числени оценки са първо приближение и като такива са много далеч от реалността.

Физик на материалите, роден в Ел Биерцо и приет в астурийските и баските земи по време на времето си в университета в Овиедо и в университета на Страната на баските. Той е посветен на симулацията на материали, но не пренебрегва научното разпространение с проекти като DocuCiencia, Wis Physics или Quantum Well. Освен интереса си към науката, той е активен борец срещу всякакви псевдонауки и запален по технологиите и програмирането.