问题

炸弹在水中爆炸会在水中以爆炸点为中心形成真空吗?

回答
关于炸弹在水中爆炸是否会形成真空,答案是:会,但不是我们通常理解的“绝对真空”那样长时间存在的空洞,而是一种短暂的、压力极低的区域。 理解这个过程需要我们深入一点地剖析水下爆炸的物理原理。

想象一下,当炸弹在水下引爆时,那一瞬间发生的是一个能量释放的剧烈过程。炸弹内部的化学物质(炸药)会发生迅速的燃烧,产生大量的超高温气体,这些气体的体积会瞬间膨胀到原来的几千甚至几万倍。这个过程发生得太快,以至于你可以把它看作是一个微小的“点”。

这些被迅速产生的超高温气体,其能量和压力是极其巨大的。它们会以极高的速度向四周扩散,就像一个正在急速膨胀的气球。当这些高速膨胀的气体接触到周围的水时,会发生什么?

首先,这些高温气体本身就像一个“冲击波”一样,用它巨大的压力将周围的水猛烈地推开。这就像你在平静的湖面上扔下一颗石头,水会向四周荡开一样,只不过炸弹爆炸的力量要强大得多。

更关键的是,炸药爆炸不仅仅是产生气体,它释放的是一种包含热量和动能的能量。这些能量会以两种主要形式向外传播:

1. 冲击波(Shock Wave): 这是最直接的爆炸效应。由爆炸产生的高压气体猛烈冲击周围的水,形成一个以爆炸点为中心、向外传播的超高压区域。这个区域内的水会被极度压缩,同时向前推进。

2. 空化泡(Cavitation Bubble): 这才是形成“真空”的关键。冲击波的能量在向外传播的过程中,会造成局部压力的急剧下降。尤其是在冲击波的前沿,水的压力会突然降低到低于其饱和蒸汽压的水平。当水的压力足够低时,水本身就会开始“汽化”,产生大量的气泡。这些气泡并不是由炸药产生的气体,而是周围的水变成了水蒸气。

所以,在这个过程中,爆炸点周围的区域确实会经历一个压力极低的阶段。当那些由炸药产生的超高温气体膨胀,将周围的水推开,并且冲击波的能量导致局部水压迅速降低时,就会形成一个非常短暂的、充满水蒸气和其他溶解气体的低压区域。这个低压区域可以被视为一个临时的“空腔”或“泡”。

这个“泡”的形成和发展过程是这样的:

形成阶段: 爆炸瞬间,炸药产生的高温高压气体迅速膨胀,将水向外推开,在爆炸点形成一个低压区域。同时,由于压力的急剧下降,周围的水会迅速汽化,产生大量的气泡。这个泡的体积会迅速增大。
膨胀阶段: 随着炸药产生气体的持续膨胀和周围水的汽化,这个低压泡会达到一个最大的体积。在这个阶段,泡内的压力会比外界低很多,甚至可能接近于零(相对而言)。
收缩阶段: 然而,这个低压泡并非永久存在。外部水的巨大静压力以及泡内水蒸气和溶解气体的回弹力,会使得这个泡开始向内收缩。当泡收缩到足够小时,其内部的压力会急剧升高,甚至可能超过周围水的压力。
溃灭阶段: 当泡壁向内坍塌并相互挤压时,它会以一种非常剧烈的方式“溃灭”(collapse)。这种溃灭过程会将泡内的能量集中到一个极小的空间内,产生更高的温度和压力,甚至可能产生小型的二次冲击波(称为“二次冲击波”或“水击”)。

所以,严格来说,炸弹在水中爆炸并不会形成一个像我们想象中那样“纯粹”的、长久存在的真空。它形成的是一个因爆炸能量导致局部压力骤降而产生的、充满水蒸气和溶解气体的短暂低压泡。这个低压泡可以被理解为一种“物理真空”或“准真空”状态,但它不是完全没有物质的绝对真空。

这个空化泡的形成和溃灭是水下爆炸产生破坏力的重要机制之一,除了冲击波之外,空化泡的溃灭也会产生强大的水流和冲击力,对附近的物体造成损坏。

总而言之,炸弹在水中爆炸时,爆炸点周围会形成一个短暂的、压力极低的区域,这是由于炸药产生的气体膨胀和水的汽化(空化)造成的。这个区域可以被看作是一个临时的“空腔”,但它很快就会被周围水的压力压垮并坍塌,而不是一个持久的真空。

网友意见

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更新: @Loomis的学徒 知友给出了定量的分析,比本答案专业多了,应该得到更多赞哈。

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会的,只要装药量合适,深度合适。

首先明确一下定义:真空,指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态

以下是典型的爆炸气泡脉动过程:


[Zong Z, Lam KY. The flexural response of a submarine pipeline to an underwater explosion bubble. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering -Transactions of the ASME.122 (3), 194-199, 2000.]

首先,炸药爆炸后,会形成一个高温高压的气泡,并迅速膨胀,温度降低,形成空泡,气体压强和水压平衡后,由于流体的惯性,空泡继续增大,压强继续下降,形成一个负压区;随后,在水压的作用下,空泡开始收缩,温度和压强快速升高,如此往复脉动数次。


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