تفجير

الانفجار ( من اللاتينية detonare بمعنى " يُدوي/يُطلق " ) ^{[ 1 ]} هو نوع من الاحتراق يتضمن جبهة طاردة للحرارة تفوق سرعة الصوت تتسارع عبر وسط ما، مما يؤدي في النهاية إلى توليد جبهة صدمية تنتشر أمامها مباشرة. تنتشر الانفجارات بسرعة تفوق سرعة الصوت عبر موجات صدمية تبلغ حوالي 1 كم/ثانية، وتختلف عن الاحتراق البطيء الذي يتميز بسرعات لهب دون سرعة الصوت تبلغ حوالي 1 م/ثانية. ^{[ 2 ]} قد ينشأ الانفجار من انفجار خليط الوقود والمؤكسد. بالمقارنة مع الاحتراق البطيء، لا يحتاج الانفجار إلى مؤكسد خارجي. يختلط المؤكسد والوقود عند حدوث الاحتراق البطيء. يُعد الانفجار أكثر تدميراً من الاحتراق البطيء. في الانفجار، تنتقل جبهة اللهب عبر خليط الهواء والوقود بسرعة تفوق سرعة الصوت؛ بينما في الاحتراق البطيء، تنتقل جبهة اللهب عبر خليط الهواء والوقود بسرعة أقل من سرعة الصوت.  

تحدث الانفجارات في كل من المتفجرات الصلبة والسائلة التقليدية، ^{[ 3 ]} وكذلك في الغازات التفاعلية. يُعدّ كل من مادة تي إن تي والديناميت ومادة سي 4 أمثلة على المتفجرات عالية القدرة التي تنفجر. وتكون سرعة الانفجار في المتفجرات الصلبة والسائلة أعلى بكثير من سرعتها في المتفجرات الغازية، مما يسمح بمراقبة نظام الموجات بتفاصيل أدق ( دقة أعلى ).

توجد أنواع عديدة من الوقود في صورة غازات (مثل الهيدروجين )، أو رذاذ، أو غبار معلق. بالإضافة إلى الأكسجين، تشمل المؤكسدات مركبات الهالوجين، والأوزون، وبيروكسيد الهيدروجين، وأكاسيد النيتروجين . غالبًا ما ترتبط الانفجارات الغازية بمزيج من الوقود والمؤكسد بنسب أقل من نسب الاشتعال التقليدية. تحدث هذه الانفجارات في أغلب الأحيان في الأنظمة المغلقة، ولكنها قد تحدث أحيانًا في سحب بخارية كبيرة. أما مواد أخرى، مثل الأسيتيلين والأوزون وبيروكسيد الهيدروجين ، فهي قابلة للانفجار حتى في غياب المؤكسد (أو المختزل). في هذه الحالات ، تنتج الطاقة المنبعثة عن إعادة ترتيب المكونات الجزيئية للمادة. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

اكتُشف الانفجار عام 1881 على يد أربعة علماء فرنسيين هم مارسيلين بيرتيلو وبول ماري أوجين فييل ^{[ 6 ]} وإرنست فرانسوا مالارد وهنري لويس لو شاتيليه . ^{[ 7 ]} أُجريت التنبؤات الرياضية لانتشار الانفجار لأول مرة على يد ديفيد تشابمان عام 1899 ^{[ 8 ]} وإميل جوجيه في أعوام 1905، ^{[ 9 ]} و1906، و1917. ^{[ 10 ]} أما التقدم التالي في فهم الانفجار فقد تحقق على يد جون فون نيومان ^{[ 11 ]} وفيرنر دورينغ ^{[ 12 ]} في أوائل الأربعينيات، وياكوف ب. زيلدوفيتش وألكسندر سولومونوفيتش كومبانيتس في الستينيات. ^{[ 13 ]}

تُعرف أبسط نظرية للتنبؤ بسلوك الانفجارات في الغازات بشرط تشابمان-جوجيه (CJ)، الذي طُوّر في مطلع القرن العشرين. تُصوّر هذه النظرية، التي تُوصف بمجموعة بسيطة نسبيًا من المعادلات الجبرية، الانفجار على أنه موجة صدمية منتشرة مصحوبة بانبعاث حرارة طاردة. وتصف هذه النظرية العمليات الكيميائية وعمليات النقل الانتشارية بأنها تحدث فجأة عند مرور موجة الصدمة.

طُرحت نظرية أكثر تعقيدًا خلال الحرب العالمية الثانية بشكل مستقل من قِبل زيلدوفيتش ، وفون نيومان ، ودورينغ . ^{[ 13 ] [ 11 ] [ 12 ]} تُعرف هذه النظرية الآن بنظرية ZND ، وهي تُقرّ بوجود تفاعلات كيميائية ذات معدل محدود، وبالتالي تصف الانفجار على أنه موجة صدمية رقيقة للغاية، تليها منطقة من التفاعل الكيميائي الطارد للحرارة. وباعتبارها إطارًا مرجعيًا لموجة صدمية ثابتة، يكون التدفق اللاحق دون سرعة الصوت، بحيث تتبع منطقة التفاعل الصوتي مباشرةً جبهة الرصاص، وهو ما يُعرف بشرط تشابمان-جوجيه . ^{[ 14 ] [ 9 ]}

وهناك أيضاً بعض الأدلة على أن منطقة التفاعل شبه معدنية في بعض المتفجرات. ^{[ 15 ]}

تصف كلتا النظريتين جبهات موجية أحادية البعد وثابتة. مع ذلك، كشفت التجارب في ستينيات القرن الماضي أن انفجارات الطور الغازي تتميز في أغلب الأحيان ببنى ثلاثية الأبعاد غير مستقرة، والتي لا يمكن التنبؤ بها، إلا بشكل متوسط، باستخدام النظريات أحادية البعد الثابتة. في الواقع، تتلاشى هذه الموجات مع تدمير بنيتها. ^{[ 16 ] [ 17 ]} يمكن لنظرية وود-كيركوود للانفجار أن تعالج بعض هذه القيود. ^{[ 18 ]}

كشفت الدراسات التجريبية عن بعض الشروط اللازمة لانتشار هذه الجبهات. في بيئة محصورة، يكون نطاق تركيب مخاليط الوقود والمؤكسد والمواد ذاتية التحلل مع المواد الخاملة أقل بقليل من حدود القابلية للاشتعال، وبالنسبة للجبهات المتوسعة كرويًا، يكون أقل بكثير منها. ^{[ 19 ]} وقد تم توضيح تأثير زيادة تركيز المخفف على توسع خلايا التفجير الفردية بشكل دقيق. ^{[ 20 ]} وبالمثل، يزداد حجمها مع انخفاض الضغط الأولي. ^{[ 21 ]} ونظرًا لضرورة مطابقة عرض الخلايا مع الحد الأدنى لأبعاد الحاوية، فإن أي موجة تتجاوز قوة البادئ ستخمد.

لقد تطورت النماذج الرياضية بشكل مطرد لتتنبأ بحقول التدفق المعقدة خلف الصدمات التي تحفز التفاعلات. ^{[ 22 ] [ 23 ]} وحتى الآن، لم يصف أي منها بشكل كافٍ كيفية تشكل البنية واستمرارها خلف الأمواج غير المحصورة.

عند استخدامها في الأجهزة المتفجرة، يُعدّ السبب الرئيسي للضرر الناتج عن الانفجار هو جبهة الانفجار فوق الصوتية ( موجة صدمية قوية ) في المنطقة المحيطة. وهذا يُمثّل فرقًا جوهريًا عن الاحتراق البطيء، حيث تكون الموجة الطاردة للحرارة دون سرعة الصوت، ويبلغ أقصى ضغط لجزيئات الغبار غير المعدنية ما يقارب 7-10 أضعاف الضغط الجوي. ^{[ 24 ]} لذلك، يُستخدم الانفجار لأغراض تدميرية، بينما يُفضّل الاحتراق البطيء لتسريع مقذوفات الأسلحة النارية . مع ذلك، يُمكن استخدام موجات الانفجار لأغراض أقل تدميرًا، بما في ذلك ترسيب الطلاءات على الأسطح ^{[ 25 ]} أو تنظيف المعدات (مثل إزالة الخبث ^{[ 26 ]} )، وحتى لحام المعادن معًا بشكل انفجاري، والتي قد لا تنصهر لولا ذلك. تستخدم محركات الانفجار النبضي موجة الانفجار في دفع الطائرات. ^{[ 27 ]} جرت أول رحلة طيران لطائرة تعمل بمحرك تفجير نبضي في مطار موهافي الجوي والفضائي في 31 يناير 2008. ^{[ 28 ]}

يُعدّ الانفجار غير المقصود عند الرغبة في حدوث احتراق سريع مشكلة في بعض الأجهزة. في دورة أوتو ، أو محركات البنزين، يُطلق عليه اسم طرق المحرك أو رنينه، وهو يُسبب فقدانًا في الطاقة. كما يُمكن أن يُسبب ارتفاعًا مفرطًا في درجة الحرارة، وصدمة ميكانيكية شديدة قد تؤدي في النهاية إلى تعطل المحرك. ^{[ 29 ]} في الأسلحة النارية، قد يُسبب عطلًا كارثيًا وربما مميتًا .

محركات التفجير النبضي هي شكل من أشكال محركات النفاثات النبضية التي تم تجربتها في عدة مناسبات لأنها توفر إمكانية تحقيق كفاءة جيدة في استهلاك الوقود .

• الصاعق
• تفجير شحنة متفجرة
• ماس التفجير
• مانع اللهب الانفجاري
• انفجار ودي
• التجارب النووية
• التفجير المسبق
• شرط تشابمان-جوجيه
• طرق المحرك
• انفجار
• عامل الفعالية النسبية

• فيديو على يوتيوب يوضح فيزياء الموجة الانفجارية
• قاعدة بيانات تفجيرات مختبر ديناميكيات الانفجارات التابع لمركز GALCIT، مؤرشفة بتاريخ 11 مارس 2014 على موقع Wayback Machine.
• ما الذي يؤثر على التأثيرات؟ | مختبر لوس ألاموس الوطني. ماذا يحدث نتيجة انفجار نووي؟ جيبسون، 2 أبريل 2024