ينشأ الانصعاق أوالتفرقع detonation عن انفجار غير متجانس heterogenous لمادة متفجرة ينشر موجة صدم تنطلق في الوسط الذي يوجد فيه فيتسبب في إحداث تغيير في حجمه وضغطه ودرجة حرارته وسرعته المادية، ويتم جميع ذلك بسرعة تدعى «سرعة الانصعاق»، تراوح بين 2000م/ثا و9000م/ثا. ويستفاد من ظاهرة الانصعاق خصوصاً في القلع والتقويض والتخريب وإحداث الانفجار.

نظرة تاريخية

عُرف الانصعاق بادئ ذي بدء على أنه انفجار ينتشر بمنتهى السرعة عند استعمال مُشْعِلٍ (كبسولة) مناسب، ويمكن حتى يؤدي بسبب سرعته إلى أفعال تدمير وتحطيم وتهديم تختلف كثيراً عما يؤدي إليه اضطرام deflagration المتفجرات العادية. وقد قيست سرعة انصعاق المتفجرات بساعات التوقيت المستعملة في قياس سرعة القذائف. وبالاعتماد على هذه القياسات وَجَدَ فريدرك أوگست آبل F.A.Abel عام 1874 حتى البارود القطني ينصعق بسرعة تراوح بين 5300م/ثا و6800م/ثا، وأن هذه السرعة تزداد بازدياد كثافة المتفجر بعمل الضغط. وتبين حتى البارود القطني المحدّد الكثافة، الذي يحتوي على 15% من الماء يَنْصعق بسرعة أكبر من سرعة انصعاق المتفجر الجاف نفسه. وبدا ذلك غريباً وظاهري التناقض، إلا حتى النظرية فسرته فيما بعد. وابتكر هنريخ دوتريش H.Dautriche طريقة بارعة عام 1906 جعلت قياس سرعة الانصعاق أسهل إنجازاً. أما اليوم فإن الحواسيب الحديثة مكَّنت من قياس سرعة الانصعاق بدقة تبلغ 99.98%. ومع ذلك فإن دراسة المتفجرات الغازية هي التي أدت إلى فهم صفات الانصعاق ووضع نظريته بعد حتى اكتشف مارسلان برتلوM.Berthelot وپول ڤييّ P.Vielle من جهة، وإرنست مالار E.Mallard وهنري لوشاتلييه H.Lechatelier من جهة أخرى - جميع فريق على حدة - الانصعاق في الغازات عام 1881.

الانصعاق في الغازات

ما إذا يشعل مزيج غازي متفجر موضوع في أنبوب مغلق من إحدى نهايتيه حتى تبدأ سرعة اللهب بالازدياد تدريجياً وتصل في غالب الأحيان إلى درجة عالية جداً تظل بعدها ثابتة تماماً من الناحية العملية، وقد تحقق برتلووفيي من حتى لكل مزيج غازي سرعة عظمى خاصة به. وأطلقا على هذا الأسلوب في انتشار اللهب بسرعة مرتفعة جداً اسم «موجة التفجر» وهي تعهد اليوم بالانصعاق، وتحققا أيضاً من حتى هذه السرعة مستقلة عن المادة وعن قطر الأنبوب شريطة ألاقد يكون هذا القطر صغيراً بإفراط، وألا تتغير هذه السرعة عندما يعقب الانصعاق اضطرابات، وعندما يتم الإشعال دفعة واحدة بِفُلْمينات الزئبق fulminate de mercure مثلاً.

ولا تتغير سرعة الانصعاق إلا قليلاً بتغير درجة الحرارة والضغط البدائي للغاز المنفجر، ففي مزيج الهدروجين والأكسجين مثلاً 2H2+O2 تكون سرعة الانصعاق في الضغط الجوي العادي 2821م/ثا بدرجة حر ارة 10ْس، وتكون 2790م/ثا في درجة حرارة 100ْس، وهي تبلغ 2720م/ثا في الدرجة 10ْس عندماقد يكون الضغط 0.5 بار، وتبلغ 2875م/ثا عندماقد يكون الضغط 2 بار (البار يساوي ضغطاً جوياً تقريباً).

وقد وازن برتلووفييّ بين سرعة موجة التفجر أي سرعة الانصعاق والسرعة الوسطى لجزيئات الغازات المحترقة في درجة الحرارة المرتفعة التي أوصلها إليها الانصعاق فوجدا قيماً من الرتبة نفسها. واعتقد هارولد دكسون H.B.Dixon فيما بعد حتى سرعة الانصعاق تساوي سرعة الصوت في الغازات المحترقة الساخنة. ودرس برنهارد ريمان B.Riemann، ثم هنري هوگونيوH.Hugoniot أمواج الصدم رياضياً. في حين تسقط أرثر شوستر A.Schuster عام 1893 ثم ڤييّ عام 1897 وجود علاقة بين الانصعاق وانتشار أمواج الصدم. وفي عام 1899 وضع ديڤيد ليونار شاپمان D.L.Chapman معادلات عدَّ فيها الانصعاق موجة صدم ترافق تفاعلاً كيمياوياً، وهذا التفاعل هوفي معظم الحالات تفاعل غاز قابل للاحتراق في الهواء أوالأكسجين أوأي غاز مُلْهِب آخر.

وإثر ذلك أطلق كروسار L.Crussard عام 1907 على هذه الظاهرة اسم «موجة الصدم والاحتراق». لأن سطح الموجة هوسطح انقطاع لا للسرعة المادية والضغط ودرجة الحرارة فقط ولكن يضم أيضاً الهجريب الكيمياوي.

واتى إميل جوگيه E.Jouguet فوضع بين عامي 1901 و1906 النظرية الدقيقة لهذه الأمواج بمعزل عن شابمان، فَعُرفَت عالمياً باسم «شرط شاپمان - جوگيه» أو«النظرية الثرموديناميكية للانصعاق» لأن المعادلات الأساسية لهذه النظرية تصح على المتفجرات الغازية كما تصح على المتفجرات الصلبة، وإن كانت أصعب تطبيقاً على هذه الأخيرة لعدم فهم معادلة حالة منتجات الانصعاق تحت ضغوط تراوح بين 50 و300 كيلوبار.

الانصعاق في المتفجرات الصلبة والسائلة

يوافق انتشار الانصعاق في وسط متفجر انتشار موجة صدم، أي موجة يعاني منها حجم الوسط وضغطه ودرجة حرارته وسرعته على جانبيها تغيراً مباغتاً وعنيفاً. ويتوقف شكل موجة الصدم هذه على شكل المتفجر وطريقة إشعاله (إزكائه). ولما كانت دراسة انتشار هذه الأمواج من التعقيد بمكان فإن تناولها يتم هنا في حالة خاصة جداً.

الانصعاق المثالي

في هذه الحالة يمكن تخيل وسط منفجر لا حدود له مع افتراض عدم وجود الإشعال للتمكن من عد موجة الصدم موجة مستوية، وعد النظام نظاماً دائما. وعندئذ يوصف الانصعاق بكونه «مثالياً»، وتدعى موجة الصدم الموافقة باسم «موجة الانصعاق المثالي»، وهي تنتشر في الوسط المتفجر بسرعة تدعى «سرعة الانصعاق المثالي»، وهي تابعة لطبيعة المتفجر وكثافة حمولته.

إن سرعة الانصعاق المثالي هذه سرعة نظرية كلياً، إلا حتى فائدتها تكمن في حتى بالإمكان حسابها بسهولة ويسر باعتماد بعض الفرضيات المتممة من أجل إعطاء فكرة جيدة عن الواقع. وهي السرعة التي تتعمق عند انصعاق حشوة كبيرة القطر جداً شريطة حتىقد يكون الانصعاق بعيداً جداً عن الإشعال (الإزكاء).

وتنحصر سرعة انصعاق المتفجر هذه عموماً بين 2000م/ثا (في حالة متفجر نتراتي يحتوي على 50 % من كلوريد الصوديوم)، و9000 م/ثا (في حالة متفجر مضغوط يحتوي على 95 % من الأكتوجين (حلقي رباعي متيلن رباعي النترامين).

الانصعاق غير المثالي - مفهوم القطر الحرج

إن سرعة الانصعاق المثالي لمتفجر هي السرعة الناتجة عندماقد يكون قطر الحشوة كبيراً جداً. أما إذا وضعت المتفجرات الصلبة في عبوات أسطوانية مختلفة الأقطار وأُشعلت من أحد طرفيها. فقد عثر حتى انصعاقها يعاني ضغطاً تحت قيمة محددة لقطر الصعقة، ثم يتوقف الانصعاق إذا أخذت هذه القيمة بالصغر، تاركاً جزءاً من المتفجر سليماً. ويتضح ذلك من رسم منحني تغير سرعة الانصعاق لشحنة متفجرة من البارود قيست بدقة بدلالة القطر. ويعطي هذا المنحني بالتمديد الخطي (الاستقراء) سرعة الانصعاق المثالي. ويبين الشكل التالي على سبيل المثال المنحنيات التجريبية الحاصلة عند انصعاق مادة التوليت tolite (ثلاثي نترات التولوين trinitrotoluene ت. ن. ت) وفق قياسات شتى لنسب الحبات.

ويطلق على هذا القطر الأصغري اسم «القطر الحرج» وهويختلف باختلاف المتفجر كما يتضح من الجدول 1:

وبزيادة القطر بدءاً من قيمته الحرجة تزداد سرعة الانصعاق حتى تبلغ قيمةً حدية ثابتة يوافقها ما يدعى «القطر الحدي». ويوصف الانصعاق عند استعمال الأقطار الأعلى قيمة من القطر الحدي باسم «الانصعاق المثالي». وفي الانصعاقات غير المثالية يفقد التمدد الجانبي لمنتجات الانصعاق جزءاً من الطاقة المغذِّية لموجة الصدم الخاصة المكوِّنة لجبهة الانصعاق، وتكون السرعة الملاحظة عندئذ أقل قيمة من سرعة الانصعاق المثالي. أما تحت القطر الحرج فيبلغ فَقْد الطاقة من الشدة حداً يستحيل معه حصول نظام انصعاق ثابت. أما في المتفجرات الموضوعة في عبوات (ظروف) معدنية ثخينة فإن هذه العبوات تعاكس التمدد الجانبي للغازات منْقِصة الفقْد في الطاقة ومتيحة الحصول على سرعة انصعاق مثالي بقطر أصغر من القطر الحدي.

كما تتبع سرعة انصعاق المتفجرات الصلبة كثافةَ التحميل، ويكون هذا التابع خطياً عند انصعاق المتفجرات المنتْرجة العادية في مجال من الكثافات يراوح بين 1.10 غ/سم3 و1.60غ/سم3. وتنحصر سرعة انصعاق جميع هذه المتفجرات تقريباً بين 6500 م/ثا و7500 م/ثا عندما تكون الكثافة مساوية 1.5 گ/سم3 وكذلك الحال في المتفجرات السائلة كما يتبين من الجدول 2:

ويكون القطر الحدي للمتفجرات الكلوراتية والنتراتية في الكثافات التي تستعمل فيها في أعمال اللَّغْم من الرتبة 100مم. وتتناقص سرعة انصعاق الحشوات ذات العبوات الورقية (وهي عبوات لاعطالة لها) وذوات الأقطار 25 مم أو30 مم أو40 مم، وهي الأكثر استعمالاً حدثا ازداد صغر القطر. وتوافق جميع قطر كثافة تكون فيها السرعة أعظمية وثابتة.

واتىت دراسة نقص السرعة بين القطر الحدي والقطر الحرج لتوضح ثخن منطقة التفاعل، أي المنطقة المحصورة بين جبهة موجة الصدم والمستوي المسمى «شرط شاپمان - جوگيه» حيث يتم التفاعل الكيمياوي غير القابل للانعكاس الناتج بالصدم، فوجِد ما يلي (الجدول 3):

ويتم تفاعل الانفجار في المنطقة المذكورة في مدة تراوح بين 0.1 ميكروثانية و1.2 ميكروثانية منصعقاً على جدار صلب رقيق على تماس مع المتفجر مؤدياً آنياً تقريباً إلى ضغط مرتفع قاذفاً بشظايا الجدار المذكور بسرعة تبلغ عدة كيلومترات في الثانية. ويمكن عند جعل هذه الشظايا تتجمع في نقطة الحصول على قدرة ثقب مرتفعة تبلغ فيها سرعة القذفعشرة كم/ثا، وذلك إذا ما أُعطي الجدار شكلاً ملائماً (الحشوات الجوفاء).

ويمكن حتى تُنتِج موجة الصدم الصادرة من متفجر ما في الهواء أفعالاً مدمِّرة مختلفة في الوسط المحيط، كما يمكن حتى تصعق شحنةً متفجرة أخرى تقع على مسافة ما، ويطلق على هذه الظاهرة اسم «الانصعاق بالتأثير». تأثير الحصر: تنقص الخسارات الجانبية في الحالة التي تكون فيها طلقة المتفجر في داخل أنبوب، أي في مجال محصور، ويزداد هذا النقص بازدياد مقاومة الظرف الذي يحويها. ويستتبع هذا حتى تكون سرعة انصعاق المتفجر تابعاً متزايداً لثخن الظرف عند ثبات القطر والمادة التي خلق منها الظرف. ويمكن من أجل جميع حصر - عند ثبات ثخن الظرف ومادته - تحديد قطرٍ حرجقد يكون دائماً أدنى من القطر الحرج في حالة إبقاء الشحنة عارية.

وقد اقترح مُنظّرون كثيرون نماذج تتيح حساب سرعة الانصعاق في حالة الشحنات المحصورة. ومنح جونز Jones النتيجة التالية: يجب في حالة متفجر (نتراتي مثلاً) طول منطقة التفاعل فيه س= 5مم والمشحون بكثافة قدرها 1.5 في أنبوب من حديد قطره الداخلي20مم، حتىقد يكون ثخن المعدن مساوياً 24مم كيقد يكون النقص النسبي في سرعة الانصعاق «سر» بالنسبة إلى السرعة المثالية «سرم» مساوياً 1%. أي:

( سر_م - سر ) / سر = 0.01

ويبين الجدول (4) حتى هذا النقص النسبي في سرعة الانصعاق بالنسبة إلى السرعة المثالية يكافئ في حالة هذا النمط نفسه من المتفجر نقصاً يحصل بشحنة عارية قطرها قط= 40مم تقريباً.

الموضوعات ذات الصلة

• انفجار
• متفجر
• موجة الصدم
• قسم تفجير من متفجر، Detonator.
• اختبار نووي
• Detonation diamond
• Predetonation of nuclear weapons
• شرط شاپمان - جوگيه
• Engine knocking

المصادر