核爆的威力有多大?今天带你“感受”一下

作者: 阿樂 & 小帕 & iu

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-05-27 13:10:44

本文通过一个实验展示了核爆冲击波的模拟过程,解释了冲击波的形成原理,并通过对比不同材料的碰撞结果,说明了冲击波的形成条件。

说到核弹,大家应该都能想到核爆产生的巨型冲击波。今天,跟着小编一起用两颗钢球和铝箔复现一个缩小版的核爆冲击波。实验器材包括铝箔、两颗钢球、乒乓球。实验过程分为三个步骤:步骤一,用双手拿着两个钢球,放在铝箔的两侧,然后让两球在铝箔处发生碰撞。可以观察撞击处不仅形成了一个坑,还在坑的旁边出现了“波纹”。步骤二,将一个钢球换成乒乓球,重复上面的过程。可以发现,此时撞击点处仅仅形成了一个非常普通的坑。

步骤三,将铝箔平铺到地面上,然后将钢球从高处释放,自由下落到铝箔上。这时,可以看出由于钢球多次弹起在铝箔上砸出的多个“弹坑”,但是每个弹坑都是普通的圆形坑,在四周也没有观察到波纹。

小球对撞在铝箔上产生的一圈圈波纹,其实就是冲击波的痕迹。冲击波,也叫做激波,是多层弱压缩波叠加成一层强压缩波的结果。在同种均匀介质中,波的传播是从波源开始的匀速直线运动,就好像一圈圈的水波,每一圈就是一道波的波面;但是当介质的压力、温度或者速度性质发生阶跃式变化,波源产生波的速度会超过声速,这使得后面产生的压缩波将追上前面的压缩波,多层压缩波集合在一起组成了一道极强的压缩波,也就是冲击波。

一道水波的能量很小,带不来什么破坏,但是当上图中的所有水波并成一道波时,能量就变得非常大了,海啸的恐怖破坏力就是这样产生的。实验中,当我们将两个小球对撞时,对撞点的铝箔瞬间受到了极大的力的作用,也就形成了与水波类似的一圈圈的冲击波;由于铝箔具有良好的可塑性,冲击波就会在铝箔上留下相应的波纹形状。

至于小球与乒乓球碰撞以及小球落地的实验,由于乒乓球与地面相比金属小球都不是理想刚体,易发生形变,撞击产生的大量能量通过乒乓球、地面释放,于是在铝箔上就只能看到撞击留下的“陨石坑”。

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