В ряде американских послевоенных журналов была опубликована удивительная фотография последствий взрыва атомной бомбы в г.Нагасаки, снятая с точки, над которой разорвалась бомба (рис.5.1). На различных расстояниях от эпицентра хорошо видны сохранившиеся заводские трубы, которые выстояли, а большинство других сооружений было полностью разрушено. В чем же тут дело? Почему ветер с легкостью может ломать стволы деревьев, а взрывная волна даже чудовищной силы только обрывает листья и мелкие ветки. Об этом могут рассказать Вам тысячи фронтовиков. И это бесспорно. И в первом примере - заводские трубы это в какой-то мере аналог ствола дерева - данный вертикальный стержень одной жесткой заделкой. Взрывная волна имеет скорость звука, около 354 м/с, а характерный размер деревьев (его диаметр) около 0,3м. Взаимодействие ствола с пиком давления (ударной нагрузкой) продолжается не более 8,4 10-4сек. Из теории колебаний мы хорошо знаем, что для возбуждения максимальных колебаний необходимо, чтобы частота воздействия была равна или ниже собственной частоты колебаний тела. У дерева собственная частота первого тона - 0,1-1-1 Гц (в зависимости от размеров), а нестационарное ударное возбуждение ударной волной имеет частоту около 1,2 кГц. Для дерева это мгновенное действие, и в этом случае сила действует настолько быстро, что весь процесс нагружения заканчивается значительно раньше, чем выполняется полный цикл свободных колебаний основной частоты. Такой вид нагружения называют импульсным. Из законов механики мы хорошо знаем, что приобретенное под действием силы количество движения системы равно импульсу силы. После приложения импульса в системе устанавливаются свободные колебания скоростью воздействия (сообщенная импульсом) свободные колебания постепенно затухают, завершая процесс колебаний. За короткое время действия нагрузки система почти не деформируется, и максимальное перемещение достигается позднее (в процессе свободных колебаний). И конечно, ударная волна теоретически не может вызвать перегиб ствола и вызвать слом, так же как и не может уронить хрупкую заводскую трубу.
А теперь нам надо обратиться к довоенному времени в далекий 1935 год. Тогда в английском журнале института гражданских инженеров был описан странный феномен. При постройке моста Ватерлоо огромные бабы забивали железобетонные сваи в дно реки и вершины свай взрывались вверх. Исследования показали, что причина этого - волны внутри свай. Резкие удары посылали волну вниз по свае, на дне она встречала упругое сопротивление глины и отражалась назад со скоростью 3500 м/с, достигая вершины, как только молот оторвался от нее. Волна вызывала в вершине напряжение растяжения, и этого было достаточно, чтобы ее расколоть. Английские инженеры, вспомнив работы Гопкинсов (отца и сына) начала века, быстро решили проблему, установив между бабой и сваей амортизатор - подушку [1,2].
Бесспорно специфическое Тунгусское землетрясение и прохождение волны по криопласту в 30 см от ствола дерева (а именно такие условия были при радиальном «лесоповале»). Прохождение волны по криопласту било снизу по корневой системе и стволам со скоростью около 6 106см/с, и при таких «легких» условиях сжимающие напряжения у вершины очень малы, и вследствие малого сопротивления вершины волна напряжения отражается в виде волны растяжения (в зависимости от скорости удара) в определенной части ствола возникнут растягивающие напряжения, а у дерева они во много раз меньше предельных напряжений сжатия. Даже апеллируя к школьному курсу механики, несложно вывести формулу предельной скорости удара и она будет не более, чем 3,2 м/с (без учета демпфирования корневой системы - работающей как английская подушка - амортизатор).
Конечно, корневая система значительно уменьшила силу удара. Вполне возможно объяснение лежит не в напряжениях растяжения, а в напряжениях сжатия, которые примерно аналогичны.
Все те, кто изучал последствия землетрясений, хорошо знают, что Тунгусское разрушение ствола типично [3]. А теперь мы опять вернемся к ядерным взрывам. В 1958 г. издательство иностранной литературы перевело и издало небольшую, но очень хорошую книгу трех индийских ученых Котхари, Блабха и Кханолкара [4], которую издатели считали компилятивным трудом .... Но современный взгляд говорит, что эта книга наиболее удачная, и стоит привести из нее фрагмент таблицы (рис.5.3). И, исходя из всего вышесказанного, совершенно ясно, что высотный взрыв в 20 мегатонн никакого вывала леса не вызвал бы. «И не повалил бы заводские трубы».
Конечно, взрыв на несколько порядков более слабый, но наземный, мог бы вызвать или спровоцировать землетрясение, и поверхностная волна сделала бы свое дело, но, увы, наземного взрыва никто из очевидцев не описал, так как и не ощущал, и не описал высотного!
Для большей убедительности стоит привести еще две фотографии из книги [5]. На рис.5.3 показан штаб военного округа Тюгоку Хиросима до взрыва и после на нижней части боковые крылья сгорели и их нет. Обратите внимание, что стволы деревьев уцелели (взрывная волна оборвала листву) до эпицентра 800 м.
На рис.5.4 показана конечная трамвайная остановка в Нагасаки. Все разрушено, но столбы целы от эпицентра 150 м.
Рис. 5.1 Картина разрушения в г.Нагасаки вблизи взрыва атомной бомбы. Дымовые трубы выдержали воздействие ударной волны, остальные здания обрушились.
Рис.5.2 Радиусы поражения ударной волной атомной бомбы
Рис. 5.3 Штаб военного округа Тюгоку Хиросима до взрыва и после
Рис. 5.4 Конечная трамвайная остановка в г.Нагасаки
Литература
- Рейнкарт Дж., Пирсон Дж. Поведение металлов при импульсных нагрузках. И.Л., 1958, с.224-225.
- Разрушение. Под ред. Либовиц, Мир, М., 1973, с.571-608.
- Шолпо. Земля раскрывает свои тайны. М., Недра, 1979.
- Ядерные взрывы, И.Л., М., 1958., с.84-169.
- Medical Effects of the Atomic BOMB in Japan New York 1956
Рис.5.5. Вот такие метеориты удалось собрать Бийским полицейским в 1904 г. на Телеутском озере. На такие маленькие метеоритики Кулик не обратил бы внимания, а в конце 50 годов их было уже не найти (см. начало гл.4)