Tudomány, szkepticizmus és humor

Vannak olyan fizikai mennyiségek, amelyekkel rendkívül ismerősek vagyunk, és amelyekkel kapcsolatban többé-kevésbé helyes becslést tehetünk az értékekről. Így például homályosan megbecsülhetjük egy tárgy súlyát vagy méretét, annál többet, mint hogy megtartanánk vagy megnéznénk. Más fizikai mennyiségek, például energia vagy nyomás azonban sokkal megfoghatatlanabbak.

Az energiát általában napi kalóriatartalommal használják, főleg a diéták során, és többen is megvilágosodtak olyan ezoterikus kérdésekben, amelyeknek semmi köze a valósághoz. Az energia azonban sokkal több annál, mint amit egy étel elhízni fog, és a Cseljabinszkhoz hasonló események ötletet adnak arról, hogy milyen romboló energia lehet, ha robbanásszerűen szabadul fel.

Ahogy Daniel Marín elmondja nekünk cikk a Cseljabinszk-eseményről a NASA adatai alapján az aszteroida által kifejlesztett energia (ezt a nómenklatúrát fogom használni, bár helyesebb ezt nevezni versenyautó), amikor a légkörben robbanásszerűen körülbelül 500 kilotonnát tett ki, ami kb. 25 atombombának felel meg, mint például azok, amelyek Hirosimára vagy Nagaszakira estek. Abban az esetben, ha még mindig van némi tanácstalanság, a kiloton az energiaegység, amely egyenértékű az 1000 tonna TNT-vel és a megaton az 1 millió tonnával. Ilyen energiamennyiség teljesen elkerüli az összes lehetséges becslést, de hogy képet alkothassunk, nincs jobb, mint néhány példa.

Tehát a dinoszauruszokat 65 millió évvel ezelőtt elpusztító meteorit hatására becslések szerint 192 millió megatonna energiát szabadít fel, és egy kiló anyagot kiló antianyaggal megsemmisítenek, Einstein híres E = mc2 egyenlete szerint. 43 megatonnak felel meg. És emlékszel a 2006-os T4 Barajas elleni ETA-támadás által okozott károkra? Nos, a robbanóanyag mennyisége, amelyet a gépkocsi bombájában becsültek, 200 és 500 kg között van, vagyis a cseljabinszki meteorit energiájának mindössze 0,0001% -a.

cseljabinszk-esemény
A fák megsemmisültek a Tunguska esemény után (

15 megaton) 1908-ban

Amint láthatja, az erőszakos és robbanásszerű energiakibocsátás által okozott kár valóban rémisztő, de van egy másik nagyságrend, amelyet általában észre sem vesznek, amelynek pusztító ereje akkora vagy nagyobb: nyomás.

Mindannyian születésünktől kezdve a légköri nyomásnak vannak kitéve. Nem vesszük észre, hogy ott van, de a levegő, amely a fejünk felett van, valóban súlya és testének minden négyzetcentiméterét kb. 1 kg erővel összezúzza. Így 1 atmoszférás nyomás egyenértékű 101325 Pa vagy 760 mm higanyval. Ez a nyomás lehetővé teszi, hogy a levegő megtartsa azt a papírlapot, amellyel vízzel teli poharat borítunk, és megfordítjuk; vagy nehéz helyzetbe hoz minket, amikor megpróbálunk szétválasztani két összekapcsolt félgömböt, amelyekben vákuum keletkezett, amint azt Otto von Guericke már 1654-ben a magdeburgi félgömbökön végzett híres kísérletében kimutatta.

Most mi köze a nyomásnak a Cseljabinszk-eseményhez? Nos, az az igazság, hogy valójában minden, mert ez az aszteroida és az aszteroida által okozott szinte összes kár valódi oka.

Hogyan szétesik egy aszteroida

Mint minden anyag, a levegő is összenyomható, és fizikai tulajdonságai a viselkedését meghatározó állapotegyenletektől függően változnak. Mindannyian megtanítottuk a tipikus ideális gázegyenletet, amellyel elemi és didaktikai számítások végezhetők, de amely nem tükrözi a gáz valós viselkedését. Sokkal bonyolultabb állapotegyenletekhez kell folyamodnunk, ha a normál nyomás- és hőmérsékleti viszonyokon kívülre megyünk, ugyanúgy, mint akkor, ha tanulmányozni akarjuk, mi történik az aszteroidában. Itt a fizika olyan területe majdnem olyan furcsa, mint a kvantummechanika: a nagysebességű fizika. Ebben a világban van hely a legfurcsább jelenségeknek, például a levegőnek, amely kigyullad vagy fémet vág, mintha kés lenne vajvágás.

Mielőtt a Cseljabinszk aszteroidáról folytatnánk a beszélgetést, végezzünk egy kis gondolkodási kísérletet. Mit gondol, mi történne, ha letörne egy vízzel megtörhető és nem deformálható fecskendőt, és teljes erejével megpróbálná megszorítani a dugattyút?

Mint sejtette, a víznek is van bizonyos mértékű összenyomhatósága (nyilvánvalóan sokkal kisebb, mint a gázé), de a nyomtatáshoz szükséges nyomás akkora, hogy soha nem is tudná egy kicsit sem összenyomni. Most képzelje el, hogy elegendő energiája van ahhoz, hogy egyre nagyobb erővel nyomja tovább ennek a törhetetlen fecskendőnek a dugattyúját. A víz addig kezd összenyomódni, amíg el nem éri a határát, és ekkor olyan állapotot keres, ahol a rendszer stabil ilyen nagy nyomás alatt. Vagyis addig emeli a hőmérsékletét, amíg az állapotváltozás révén vízgőzzé nem válik.

Alkalmazzuk ezt az egyszerű gondolatkísérletet egy leeső aszteroida esetére. Az a hatalmas sebesség, amelyet egy aszteroida képes szállítani, 10 és 60 km/s között, és nagy tömege, mintegy 10 000 tonna Cseljabinszknál, dugattyúként hat az előtte levő levegőn, és energiájának egy részét is átadja. Séta vagy futás közben az ember megpróbálja (öntudatlanul) összezúzni az előttünk levő levegőt, de olyan alacsony sebességgel haladunk, hogy a levegő könnyen eltévedhet az utunkból. Egy aszteroida esetében azonban a levegő nem képes elég gyorsan eltávolodni ahhoz, hogy megtisztítsa az utat előtte, ezért elöl fokozatosan összenyomódik. És ha a levegőt "a lehetőségein felül" összenyomják, nagyon érdekes jelenségek jelennek meg.

Ennek az ütközési nyomásnak az eredménye egy hatalmas hőmérséklet-emelkedés, amely a levegőt plazmává alakítja. Az aszteroidával érintkező plazma megolvad és elpárologtatja a külső rétegeket, ami fokozatosan szétesik. Ezért a füst és a gőz nyomai, amelyek az aszteroida áthaladása után az égen maradnak.

A Cseljabinszk meteorit nyom

A légkörrel való súrlódásnak is van mondanivalója, mivel egy aszteroidát több mint 40-szer súrlódni lehet. Azonban és a közhiedelemmel ellentétben nem a súrlódás okozta súrlódás a fő oka egy aszteroida atmoszférában történő felbomlásának, hanem a levegő összenyomódása és az azt követő plazmává történő átalakulásának az aszteroida előtti eróziója.

Amint elképzelhető ezen a ponton, az asztroid által hagyott nyom sokkal intenzívebb, amikor a felszínhez közeledik, a légkör alsó rétegeiben a légsűrűség növekedése miatt. Emiatt az aszteroidákat általában teljesen elfogyasztják, mielőtt a földre érnének, feltéve, hogy méretük és összetételük lehetővé teszi. Ennek ellenére az általuk okozott kár továbbra is óriási, amit Oroszországban ismét bizonyítottak. És ezt nem számolva azoknak a kis töredékeknek az esetleges károsodásával, amelyeknek sikerült elérniük a földet, mint például a krátert, amely ezt a cikket vezeti.

Lökéshullámok

Az előző bekezdésekben tárgyalt ütközési nyomás úgy határozható meg, mint egy folyadékon keresztül mozgó test által támogatott nyomás, amely egyfajta húzóerőt okoz. Ez a nyomás arányos az említett folyadék sűrűségével és a test által hordozott sebesség négyzetével. Így, ha a Cseljabinszk aszteroida 18 km/s sebességgel lépne be a légkörbe, a sebesség alig csökken, amíg 100 km alá nem esik, ahol a légsűrűség nem elhanyagolható.

A légköri sűrűség és a hőmérséklet a magasság függvényében, az NRLMSISE modell szerint.

Néhány rövid számítást feltételezve, hogy az aszteroida körülbelül 15 km magasságban pusztult el, és még mindig 15 km/s sebességgel rendelkezik, megállapíthatjuk, hogy az ütközési nyomás körülbelül 135 atmoszférának felel meg. Nagyon nehéz jól megbecsülni az értékeket, mert ugyanaz a sebesség mindössze 5 km magasan több mint háromszor nagyobb nyomást eredményez: 450 légkört. Így nagyságrendben maradva és nagyon durván, feltételezhetünk 100 és 500 atmoszféra közötti nyomást (10-50 MPa). Az aszteroida összetételétől, porozitásától, mennyit és hogyan olvadt és erodálódott, valamint sok más tényezőtől függően ez a nyomás elegendő oka lehet az aszteroida törésének és robbanásának.

Abban a pillanatban, amikor az aszteroida által támogatott összes nyomás hirtelen felszabadul, és mint bármely robbanóanyag felrobbantásakor, lökéshullám jön létre, amely szférikusan terjed szuperszonikus sebességgel. A hagyományos hullámokkal ellentétben a lökéshullámok olyan gyorsan változtatják a közeget, hogy tulajdonságaik erőteljesen megváltozni kényszerülnek. Például a csaknem 7 km/s sebességgel haladó TNT-robbanás által okozott lökéshullám hirtelen nyomáskülönbséget okoz a levegőben, miközben halad, és szonikus boomot eredményez. Esetünkben az aszteroida által létrehozott lökéshullám maximális amplitúdója összefügg az ütközési nyomással és a robbanás során felszabaduló óriási mennyiségű kémiai és mozgási energiával.

Ismét nagyjából korlátozhatjuk a nyomáshullám maximális és minimális értékét, figyelembe véve a bekövetkezett hatásokat, például az üvegtörést.

Összetört ablakok Cseljabinszkban

Az üvegtörési feszültség (attól függően, hogy van-e rajta karcolás vagy mikrorepedés) körülbelül 200-500 atmoszféra (20-50 MPa) között van, így a nyomáshullám, annak ellenére, hogy a felszín felé haladt, csillapodott, ezt az értéket. A hullámnyomás jobb korlátozása valamivel bonyolultabb, de figyelembe véve, hogy az autó karosszériái (acélból és alumíniumból), ha jól tudom, nem szenvedtek horpadást, újra becslést tehetünk.

Az üvegetől eltérően, amely mindig törésen megy keresztül anélkül, hogy alig lenne deformálódás, amelyet törékeny törésnek neveznek, a fémek deformálódnak, mielőtt megtörnének, és először egy lágyító fázison mennek keresztül. Tavasszal az anyag mindhárom rezsimje könnyen megfigyelhető. Az első a rugalmas rezsim, ahol a deformációk visszafordíthatók, vagyis a rugó megnyúlik és összezsugorodik, de mindig visszanyeri eredeti alakját. Ha túlságosan megnyújtjuk a tavaszt, akkor már nem sikerül visszaszereznie eredeti alakját, amire a köznyelvben „önmagát adta volna”. Ez a plasztikus rezsim, ahol a deformációk tartóssá válnak. Végül van egy olyan törési rezsim, amikor az anyag már nem képes ellenállni az esetleges további stresszeknek és töréseknek. Az első és a második rendszer között van egy pont, amelyet rugalmas határnak nevezünk, míg a második és a harmadik között megszakító feszültségünk van.

Az anyag mechanikai viselkedésének egyszerűsített alapdiagramja.

Így az acél rugalmas határa körülbelül 2500 atmoszféra, míg az alumíniumé körülbelül 2000 atmoszféra; ezért a Cseljabinszkban elszenvedett nyomáshullámnak alacsonyabb maximális amplitúdóval kellett volna rendelkeznie, mint ezek az értékek. Ezért olyan lökéshullámról kellene beszélnünk, amelynek hozzávetőleges maximális nyomása 200 és 2000 atmoszféra (20-200 MPa) között van.

Cseljabinszk lakosainak sajnos a dolgok itt nem állnak meg. A nyomáscsúcs után egy völgy jön, amelynek nyomásai jóval alacsonyabbak, mint a légköri nyomás (vagyis olyan, mint egy vákuum), amely még nagyobb károkat okozhat. És még inkább, ha figyelembe vesszük, hogy ez az óriási nyomásváltozás néhány milliszekundum alatt történik. Ha a megrázkódott hullám a lökéshullám becsapódása után élt, a későbbi vákuum valószínűleg megtörte azt.

Magától értetődik, hogy ez a kísérlet a számok hozzáadásához a jelenséghez teljesen spekulatív, mivel szinte lehetetlen pontosan megismerni az összes fizikai változót, amely beavatkozik e jellemzők bekövetkezésekor. Ennek ellenére ez egy érdekes gyakorlat, amely segít könnyebben és kvalitatívabban megérteni egy olyan jelenséget, amely teljesen aránytalan ahhoz, amit mindennapi életünkben szoktunk látni; nagyon nagy energiákkal és nyomásokkal, és nem triviális fizikával.

JEGYZET: Az ebben a cikkben szereplő számítások kizárólag az anyagok tulajdonságain alapulnak, ezért a jelenség vizsgálata nem teljes. Az anyag mechanikai ellenállása különféle tényezőkkel, például geometriájával függ össze. Így az 1 cm-es üveg nem olyan ellenálló, mint egy 10 cm-es. Az ESA szerint az üveg építéséhez szükséges nyomás ezen jellemzők esetén csak 10-20 atmoszféra. Becsléseim messze felül vannak, tehát tévesek. A különbség azon kívül, hogy nem veszek figyelembe sok szerkezeti tényezőt, abban az értelemben, hogy az anyag mechanikai tulajdonságai nagyon különböznek a nagy sebességű jelenségek tanulmányozásakor (mint ez a helyzet), és a "normál" értékek Nem alkalmazható. Ezért tekintsük ezt a cikket arra, hogy megpróbáljuk a jelenséget minőségileg megmagyarázni; és amelynek számszerű becslései első közelítésnek számítanak, és mint ilyenek, nagyon messze vannak a valóságtól.

Anyagfizikus, El Bierzóban született, és az Oviedói Egyetemen és a Baszkföldi Egyetemen töltött ideje alatt Asztúriában és Baszkföldön fogadta örökbe. Elkötelezett az anyagok szimulációja mellett, de nem hagyja el a tudományos terjesztést olyan projektekkel, mint a DocuCiencia, a Wis Physics vagy a Quantum Well. A tudomány iránti érdeklődésén kívül aktív harcos mindenféle áltudomány ellen, szenvedélyes a technika és a programozás iránt.