Eksplosioner og detonationer – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Eksplosioner og detona...

11. november 2013

Eksplosioner og detonationer

Hej Spørg om Fysik
En eksplosion aftager over tid, men hvordan beregner man den tid en eksplosion er accelererende, og hvordan beregner man denne tid, hvis eksplosionen sker i rummet?

Med venlig hilsen
M F

Det du omtaler som eksplosioner, dækker nok to begreber, hvor det andet er en detonation.

Sortkrudt

Eksplosioner er f.eks. når sortkrudt brændes af i en kanon eller i et kanonslag. Ved ild startes en kemisk reaktion, hvor stofferne i sortkrudtet reagerer kemisk med hinanden (der kræves ikke ilt eller luft for at få en eksplosion med sortkrudt, alle nødvendige stoffer er i blandingen), men generelt kaldes det en forbrænding, og på meget kort tid omdannes den til varme gasser, som ekspanderer voldsomt til et meget større rumfang end de faste stoffer.

Sådan foregår en eksplosion

Det der sker, er en oxidation (iltning). Energien i stoffet omdannes til luftbevægelse væk fra stedet. Dette sker på hundrededele eller tusindedele af et sekund, og når det er overstået breder denne forskydning af luften omkring eksplosionsstedet sig til alle sider med en hastighed, der er mindre end lydhastigheden i luft. Det er altså det brag der høres fra et kanonslag. Virkningen aftager så stort set dog afhængig med omgivelserne, med afstandens kvadrat. Det er altså en flytning af en luftmasse.

Trotylpulver

En eksplosion er god til at skubbe ting foran sig. Eksplosionens virkning er størst på flader, der er vinkelret på udbredelsesretningen. Forbrændingshastigheden kan være varierende fra få cm/sek. til over 300 m/s og afhænger af form, indpakning og for store mængder den opvarmning eksplosionen fremkalder i reaktionsfronten. Forskellen på en almindelig forbrænding af trækul eller papir og krudt er, at krudtets kemikalier selv indeholder den nødvendige ilt til processen. 

TNT sprænglegemer (100 og 500 g)

Almindelig forbrænding kræver ilt fra luften, det er også afgørende i resultatet i form af forbrændingshastighed. Iltningsmidlet er salpeteren/kaliumnitratet. Det kendes i det mindste fra omkring år 400 fra fjernøsten, her i Europa fra middelalderen ca. år 1350. Kanonen opfundet i Europa i 1400 tallet og betød efterhånden endeligt for de klassiske borge, hvis mure ikke kunne klare belejring med kanoner.

Sådan foregår detonation

Detonationer er processer, der breder sig med væsentlig større hastighed end lydhastigheden. Det der sker, er stort set, at man som regel ved et slag med et andet sprængstof, får det pågældende kemiske stof til at gå i stykker (molekylerne falder fra hinanden) og omdanne sig til gas. Mange er udviklet til militært brug (sikkerhedssprængstoffer, som er svære at få til at gå af ved uheld eller tilfælde) og det kan være TNT (2,4,6-trinitrotoluen ), hvor detonationen breder sig i sprængstoffet med 6800 – 7100 m/s, Tetryl 7200 – 7500 m/s, Hexogen (RDX) 8600 m/s, Pentrit 7500 – 8500 m/s, Pentolit 7500 m/s, Amatol 5000 m/s, (ikke sikkerhedssprængstoffer blyazid 5500-6000 m/s og knaldkviksølv 5500 – 60000 m/s).

Trykket fra en sprængning

Også ammoniumnitrat med diselolie virker under rette forhold som detonerende sprængstof. Et af de mest populære detonerende sprængstoffer er composition B (60 % TNT og 40 % RDX). Detonerende sprængstoffer fås i form pulver, blokke, formbart sprængstof men også i form af sprængsnor eller sprængrør. Startes detoneres en sådan snor/rør på Rådhuspladsen i København vil detonationen altså kunne nå Kronborg  (nogen og 40 km) på ca. 7 sekunder.

Resultatet af en brosprængning

Civilt tidligt nitroglycerin (1,2,3-trinitroxypropane), som har været anvendt siden ca. 1860, en meget lunefuld tyktflydende væske, som kan detonere ved let anslag og ild. Her er udbredelseshastigheden omkring 7700 m/s. Det lunefulde blev taget af stoffet af Alfred Nobel i ca. 1864 (på det tidspunkt i Tyskland), som opsugede væsken i lerarter mm. (ca. 75 % nitroglycerin) og lavede dynamit. Her tjente han penge, som gik til de priser, der har hans navn.

Detonationen bevirker at gasserne fra sprængstoffet når 5000 ®C og rumfanget forøges ca. 1200 gange. Processen forløber på få millionte dele af et sekund, afhængigt af stof, stoffets form mm.  De fleste civile sprængstoffer er i tæt familie med dynamit.

Sprængning i åben mine med et sprængmiddel med ammoniumnitrat som bestanddel. De er ofte i styrke sammenlignelige med små atomvåben

Opdeling af detonerende sprængstoffer

Detonerende sprængstoffer deles normalt i to klasser. Følsomme detonerende sprængstoffer - de anvendes i små mængder til antændelse af de mindre følsomme sprængstoffer (de ovenfor omtalte sikkerhedssprængstoffer) detonerende sprængstoffer, og man søger normalt at holde disse to grupper fra hinanden indtil anvendelse. De følsomme sprængstoffer monteres som regel i et hylster til fastklemning på en krudtlunte eller til elektrisk tænding. De elektriske kan fås med en tidsnøjagtighed på tænd tidspunktet på 1,2.osv. tusindedele sekund.

Almindelig detonator og el-detonatorer

Sammenlignes afbrænding af en krudtladning med et kraftigt skub, må man sammenligne en detonation med et slag. Der kommer en trykbølge med overlydshastighed, hvor overtrykket kan være 5 gange atmosfæretrykket i nærheden af ladningen. I stof og bevirker trykbølgen, at stoffet f.eks. beton eller klippe, sønderdeles så strukturen ødelægges og efterlader et grusagtigt produkt i en kugle omkring ladningen (sammenhængskraften i materialerne ødelægges). Kuglens størrelse afhænger af ladningens størrelse. Bruges en passende ladning i kontakt med metaller f.eks. stål, vil en passende ladning i reglen bevirke, at et stykke af stålet med bredde som ladningen slynges væk (og konstruktionen bryder så sammen). På jernbeton slås betonen væk fra stålet (det bryder så sammen) og passende formede ladninger vil også kunne slå stålet over i betydelig dybde.

Antipansergranat, princip (Munroe-effekt)

Antipanser granater

Detonerende sprængstoffer anvendes også i antipanser granater. Disse er udstyret med en hul forflade belagt f.eks. med kobber, og antændes fra bagsiden. Kobberlaget slynges så frem, og danner en dråbe, som rammer panseret med en hastighed omkring 5 km/s, der smelter sig igennem, og rydder det der er bag panserpladen igennem et hul på måske 1 cm i diameter. Granaten kan gennembryde flere gange 10 cm panserstål (det kaldes Munroe-effekten efter opdageren).

Panserplader med hul fra sprængstråleladnings granat

Tidsforløbet for krudteksplosioner måles altså i tusindedele sekunder, for detonationer i milliontedele sekunder. Trykbølgen breder sig med ca. 0,8 gange lydhastigheden for krudt, og chokbølgen for detonerende sprængstoffer ca. 20 gange lydhastigheden lige ved en detonerende ladning, og aftager forholdsvis hurtigt udad. Når man når ned på lydhastighed, breder trykbølgen sig som lyd med lydhastigheden, og amplituden (størrelsen) aftager med omkring afstandens kvadrat. Hvornår man er under lydhastighed afhænger af størrelsen af ladningen, se grafen.

Kernebombe eksplosion

A-våben og brintbomber

De største ladninger der leverer en detonation er A-våben og brintbomber. Disse giver frygtindgydende trykbølger, idet ca. 50 % af eksplosionseffekten bliver til trykbølge. Styrken måles i kT TNT dvs. i enheder af 1000 kg TNT og ligger imellem ca. 1-3 kT og 50 000 kT.

Den største detonation før atomvåben skete i Halifax i 1917. Et fransk skib Mont-Blanc stødte i indsejlingen til havnen sammen med et andet skib. Mont-Blanc var lastet med 35 tons benzol på dækket, som løb ud og begyndte at brænde, desuden med 26 tons TNT og skydebomuld (nitreret bomuld, der bruges som drivstof ved skydning med kanoner) og 300 runder ammunition til kanoner. Da skibet eksploderede ødelagdes 12000 bygninger, og knap 2000 mennesker omkom, ca. 9000 sårede. Der fremkom en tsunami ca. 18 m høj. Eksplosionen skulle kunne høres 300 km væk.

Med venlig hilsen
Malte Olsen