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Onda explosiva

En dinámica de fluidos , una onda expansiva es el aumento de presión y flujo resultante de la deposición de una gran cantidad de energía en un volumen pequeño y muy localizado. El campo de flujo se puede aproximar como una onda de choque principal , seguida de un campo de flujo subsónico similar. En términos más simples, una onda expansiva es un área de presión que se expande supersónicamente hacia afuera desde un núcleo explosivo. Tiene un frente de choque principal de gases comprimidos. La onda expansiva es seguida por un viento de explosión de presión manométrica negativa , que succiona los elementos hacia el centro. La onda expansiva es dañina especialmente para los objetos muy cercanos al centro o en una ubicación de interferencia constructiva. Los explosivos de alta potencia que detonan generan ondas expansivas.

Fuentes

Los explosivos de alto orden (HE) son más poderosos que los explosivos de bajo orden (LE). Los HE detonan para producir una onda de choque de sobrepresión supersónica definitoria . Las fuentes de HE incluyen trinitrotolueno ( TNT ), C-4 , Semtex , nitroglicerina y fueloil de nitrato de amonio ( ANFO ). Los LE deflagran para crear una explosión subsónica y carecen de la onda de sobrepresión de los HE. Las fuentes de LE incluyen bombas de tubo , pólvora y la mayoría de las bombas incendiarias basadas en petróleo puro , como cócteles Molotov o aviones improvisados ​​como misiles guiados. Los HE y los LE inducen diferentes patrones de lesiones. Solo los HE producen verdaderas ondas explosivas. [1]

Historia

La solución clásica de flujo, la llamada solución de onda expansiva de Taylor-von Neumann-Sedov , fue ideada independientemente por John von Neumann [2] [3] y el matemático británico Geoffrey Ingram Taylor [4] [5] durante la Segunda Guerra Mundial . Después de la guerra, la solución de similitud fue publicada por otros tres autores: LI Sedov [6] , R. Latter [7] y J. Lockwood-Taylor [8] , quienes la habían descubierto de forma independiente. [9] Desde los primeros trabajos teóricos, se han realizado estudios tanto teóricos como experimentales de las ondas expansivas. [10] [11]

Caracteristicas y propiedades

Una forma de onda de Friedlander es la forma más simple de una onda expansiva.

La forma más simple de una onda expansiva ha sido descrita y denominada forma de onda de Friedlander. [12] Ocurre cuando un explosivo de alta potencia detona en un campo libre: es decir, sin superficies cercanas con las que pueda interactuar. Las ondas expansivas tienen propiedades predichas por la física de las ondas . Por ejemplo, pueden difractarse a través de una abertura estrecha y refractarse al atravesar materiales. Al igual que las ondas de luz o sonido, cuando una onda expansiva alcanza un límite entre dos materiales, parte de ella se transmite, parte se absorbe y parte se refleja. Las impedancias de los dos materiales determinan cuánto ocurre de cada una.

La ecuación para una forma de onda de Friedlander describe la presión de la onda expansiva en función del tiempo:

donde P s es la presión máxima y t* es el tiempo en el que la presión cruza por primera vez el eje horizontal (antes de la fase negativa).

Las ondas expansivas envuelven objetos y edificios. [13] Por lo tanto, las personas u objetos que se encuentran detrás de un gran edificio no están necesariamente protegidos de una explosión que se origina en el lado opuesto del edificio. Los científicos utilizan sofisticados modelos matemáticos para predecir cómo responderán los objetos a una explosión con el fin de diseñar barreras eficaces y edificios más seguros. [14]

Formación del vástago de Mach

Una onda expansiva que se refleja en una superficie y forma un mach stem . La imagen muestra una explosión aérea de 20 kilotones a 540 metros, para optimizar el área cubierta por un daño de explosión de al menos 15 psi .

La formación de un vástago de Mach se produce cuando una onda expansiva se refleja en el suelo y la reflexión alcanza al frente de choque original, creando así una zona de alta presión que se extiende desde el suelo hasta un punto determinado llamado punto triple en el borde de la onda expansiva. Todo lo que se encuentre en esta zona experimenta presiones máximas que pueden ser varias veces superiores a la presión máxima del frente de choque original.

Interferencia constructiva y destructiva

Un ejemplo de interferencia constructiva.

En física, la interferencia es el encuentro de dos ondas correlacionadas y el aumento o la disminución de la amplitud neta , dependiendo de si es una interferencia constructiva o destructiva. Si una cresta de una onda se encuentra con una cresta de otra onda en el mismo punto, entonces las crestas interfieren de manera constructiva y la amplitud de la onda cresta resultante aumenta, formando una onda mucho más potente que cualquiera de las ondas iniciales. De manera similar, dos valles forman un valle de mayor amplitud. Si una cresta de una onda se encuentra con un valle de otra onda, entonces interfieren destructivamente y la amplitud general disminuye, formando así una onda que es mucho más pequeña que cualquiera de las ondas originales.

La formación de un vástago de Mach es un ejemplo de interferencia constructiva. Siempre que una onda expansiva se refleja en una superficie, como la pared de un edificio o el interior de un vehículo, diferentes ondas reflejadas pueden interactuar entre sí para provocar un aumento de la presión en un punto determinado (interferencia constructiva) o una disminución (interferencia destructiva). De esta manera, la interacción de las ondas expansivas es similar a la de las ondas sonoras o las ondas de agua.

Daño

Las ondas expansivas causan daños por una combinación de la compresión significativa del aire frente a la onda (formando un frente de choque ) y el viento posterior que sigue. [15] Una onda expansiva viaja más rápido que la velocidad del sonido , y el paso de la onda expansiva generalmente dura solo unos pocos milisegundos. Al igual que otros tipos de explosiones, una onda expansiva también puede causar daños a cosas y personas por el viento de la explosión, los escombros y los incendios. La explosión original enviará fragmentos que viajan muy rápido. Los escombros y, a veces, incluso las personas pueden ser arrastrados por una onda expansiva, lo que causa más lesiones, como heridas penetrantes, empalamiento y huesos rotos. El viento de la explosión es el área de baja presión que hace que los escombros y los fragmentos regresen rápidamente hacia las explosiones originales. La onda expansiva también puede causar incendios o explosiones secundarias por una combinación de las altas temperaturas que resultan de la detonación y la destrucción física de objetos que contienen combustible.

Aplicaciones

Bombas

En respuesta a una consulta del Comité MAUD británico , GI Taylor estimó la cantidad de energía que se liberaría por la explosión de una bomba atómica en el aire. Postuló que para una fuente puntual idealizada de energía, las distribuciones espaciales de las variables de flujo tendrían la misma forma durante un intervalo de tiempo dado, difiriendo las variables solo en escala (de ahí el nombre de "solución de similitud"). Esta hipótesis permite transformar las ecuaciones diferenciales parciales en términos de r (el radio de la onda expansiva) y t (tiempo) en una ecuación diferencial ordinaria en términos de la variable de similitud:

donde es la densidad del aire y es la energía liberada por la explosión. [16] [17] [18] Este resultado le permitió a Taylor estimar el rendimiento nuclear de la prueba Trinity en Nuevo México en 1945 usando solo fotografías de la explosión, que habían sido publicadas en periódicos y revistas. [9] El rendimiento de la explosión se determinó usando la ecuación:

donde es una constante adimensional que es función de la relación entre el calor específico del aire a presión constante y el calor específico del aire a volumen constante. El valor de C también se ve afectado por las pérdidas radiativas, pero para el aire, los valores de C de 1,00-1,10 generalmente dan resultados razonables. En 1950, Taylor publicó dos artículos en los que reveló el rendimiento E de la primera explosión atómica, [4] [5] que previamente había sido clasificado y cuya publicación fue, por lo tanto, una fuente de controversia. [ cita requerida ]

Si bien las explosiones nucleares se encuentran entre los ejemplos más claros del poder destructivo de las ondas expansivas, las ondas expansivas generadas por la explosión de bombas convencionales y otras armas fabricadas con explosivos de alta potencia se han utilizado como armas de guerra debido a su eficacia para crear lesiones politraumáticas. Durante la Segunda Guerra Mundial y la Guerra de Vietnam , la neumonía por explosión era una lesión común y a menudo mortal. Las mejoras en los equipos de protección personal y de vehículos han ayudado a reducir la incidencia de la neumonía por explosión. Sin embargo, a medida que los soldados están mejor protegidos de las lesiones penetrantes y sobreviven a exposiciones que antes eran letales, las lesiones en las extremidades, los ojos, los oídos y el cerebro se han vuelto más frecuentes.

Efectos de las cargas explosivas en los edificios

El comportamiento estructural durante una explosión depende de los materiales utilizados en la construcción del edificio. Al impactar contra la fachada de un edificio, el frente de choque de una explosión se refleja. Este impacto con la estructura imparte impulso a los componentes exteriores del edificio. La energía cinética asociada de los componentes móviles debe ser absorbida o disipada para que sobrevivan. Generalmente, esto se logra convirtiendo la energía cinética del componente móvil en energía de deformación en elementos resistentes. [19] Normalmente, los elementos resistentes, como ventanas, fachadas de edificios y columnas de soporte, fallan, causando daños parciales hasta el colapso progresivo del edificio.

Astronomía

La llamada solución de Sedov-Taylor (ver § Bombas) se ha vuelto útil en astrofísica . Por ejemplo, se puede aplicar para cuantificar una estimación del resultado de las explosiones de supernovas . La expansión de Sedov-Taylor también se conoce como la fase de "onda explosiva", que es una fase de expansión adiabática en el ciclo de vida de la supernova. [20] : 96  La temperatura del material en una capa de supernova disminuye con el tiempo, pero la energía interna del material es siempre el 72% de E 0 , la energía inicial liberada. Esto es útil para los astrofísicos interesados ​​en predecir el comportamiento de los remanentes de supernova.

Investigación

Las ondas explosivas se generan en entornos de investigación utilizando tubos de choque impulsados ​​por gas comprimido o explosivos en un esfuerzo por replicar el entorno de un conflicto militar para comprender mejor la física de las explosiones y las lesiones que pueden resultar, y para desarrollar una mejor protección contra la exposición a las explosiones. [21] Las ondas explosivas se dirigen contra estructuras (como vehículos), [22] materiales y muestras biológicas [23] o sustitutos. Los sensores de presión de alta velocidad y/o las cámaras de alta velocidad se utilizan a menudo para cuantificar la respuesta a la exposición a explosiones. Los dispositivos de prueba antropomórficos (ATD o maniquíes de prueba ) desarrollados inicialmente para la industria automotriz se están utilizando, a veces con instrumentación adicional, para estimar la respuesta humana a los eventos de explosión. Por ejemplo, se ha simulado el personal en vehículos y el personal en equipos de desminado utilizando estos ATD. [24]

Combinados con experimentos, se han elaborado modelos matemáticos complejos de la interacción de las ondas expansivas con estructuras inanimadas y biológicas. [25] Los modelos validados son útiles para experimentos hipotéticos (predicciones de resultados para diferentes escenarios). Dependiendo del sistema que se esté modelando, puede ser difícil tener parámetros de entrada precisos (por ejemplo, las propiedades materiales de un material sensible a la velocidad a velocidades de carga de la explosión). La falta de validación experimental limita gravemente la utilidad de cualquier modelo numérico.

Véase también

Referencias

  1. ^ Explosiones y lesiones por onda expansiva: una introducción para médicos (PDF) (Informe). Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC). Archivado (PDF) del original el 4 de marzo de 2022. Consultado el 7 de marzo de 2022 .
  2. ^ Neumann, John von, "La solución de la fuente puntual", John von Neumann. Obras completas, editado por AJ Taub, vol. 6 [Elmsford, NY: Permagon Press, 1963], páginas 219-237.
  3. ^ Bethe, HA, et al, BLAST WAVE, Informe Los Alamos LA-2000, cap. 2, (1947). leer en línea
  4. ^ ab Taylor, Sir Geoffrey Ingram (1950). "La formación de una onda expansiva por una explosión muy intensa. I. Discusión teórica". Actas de la Royal Society A . 201 (1065): 159–174. Bibcode :1950RSPSA.201..159T. doi :10.1098/rspa.1950.0049. S2CID  54070514.
  5. ^ ab Taylor, Sir Geoffrey Ingram (1950). "La formación de una onda expansiva por una explosión muy intensa. II. La explosión atómica de 1945". Actas de la Royal Society A . 201 (1065): 175–186. Código Bibliográfico :1950RSPSA.201..175T. doi : 10.1098/rspa.1950.0050 .
  6. ^ Sedov, LI, "Propagación de fuertes ondas de choque", Revista de Mecánica y Matemáticas Aplicadas , vol. 10, páginas 241 - 250 (1946); en ruso: Седов Л. И. "Распространение сильных взрывных волн", Прикладная математика и механика, т. X, № 2, С. 241-250.
  7. ^ Latter, R. , "Solución de similitud para una onda de choque esférica", Journal of Applied Physics , Vol. 26, páginas 954 – 960 (1955).
  8. ^ Lockwood-Taylor, J., "Una solución exacta del problema de la onda expansiva esférica", Philosophical Magazine , Vol. 46, páginas 317 – 320 (1955).
  9. ^ ab Batchelor, George, La vida y el legado de GI Taylor , [Cambridge, Inglaterra: Cambridge University Press, 1996], páginas 202 – 207.
  10. ^ Dewey JM. 53 años de investigación sobre ondas expansivas, una historia personal. XXI Simposio Internacional sobre Explosiones y Armas Militares, Israel, 2010
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  12. ^ Dewey JM. LA FORMA DE LA ONDA EXPLOSIVA: ESTUDIOS DE LA ECUACIÓN DE FRIEDLANDER. Presentado en el 21.° Simposio Internacional sobre Aspectos Militares de las Explosiones y los Choques, Israel 2010. Leer en línea
  13. ^ Remmenikov AM. Modelado de cargas explosivas en edificios en geometrías urbanas complejas. Computers and Structures, 2005, 83(27), 2197-2205. leer en línea
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  16. ^ Discusión de soluciones de similitud, incluyendo la de GI Taylor: Teorema Pi de Buckingham
  17. ^ Derivación de la solución de similitud de GI Taylor: http://www.atmosp.physics.utoronto.ca/people/codoban/PHY138/Mechanics/dimensional.pdf
  18. ^ Discusión sobre la investigación de GI Taylor, incluida su solución de similitud: http://www.deas.harvard.edu/brenner/taylor/physic_today/taylor.htm Archivado el 4 de febrero de 2012 en Wayback Machine.
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  21. ^ Rinehart, Dr. EJ, Henny, Dr. RW, Thomsen, JM, Duray, JP Pruebas de efectos de armas de la DTRA: una perspectiva de treinta años. Applied Research and Associates, División de Física de Choques
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  23. ^ Cernak, I. La importancia de la respuesta sistemática en la patobiología del neurotrauma inducido por explosión. Frontiers in Neurology, diciembre de 2010.
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  25. ^ por ejemplo, Stuhmiller JH. Modelado matemático en apoyo de la medicina operativa militar, informe final J3150.01-06-306 preparado para el Comando de Investigación y Material Médico del Ejército de los EE. UU. Fort Detrick, Maryland 21702-5012 OMB No. 0704-0188, julio de 2006.

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