Geohammer và bí mật của một đòn hữu ích

23

VẬT LÝ

–

“Columbus và quả trứng”. Johann Geier, 1847 có thể dễ dàng hơn việc khám phá một vùng đất mới? Vào năm đáp số Columbus đã đưa ra cho anh ta một bài toán đơn giản: đặt một quả trứng gà theo chiều dọc. Khi không ai có thể làm được điều này, Columbus lấy quả trứng, đập vỡ một đầu và đặt lên bàn. Nó thực sự đơn giản. Các nhà quan sát thất vọng cho biết họ cũng có thể làm như vậy. “Bạn có thể, nhưng tôi thực sự đã làm được,” Columbus kết luận. Ngày nay, câu khẩu hiệu quả trứng Columbus có nghĩa là một sự việc đơn giản nhưng bất ngờ.

DÀNH CHO KỸ SƯ

Đây là một cách nghịch lý để thoát khỏi một tình huống khó khăn. Ví dụ, hãy lấy một dải giấy. Nó có thể được đặt theo chiều dọc trên bàn không? Điều này có vẻ không thể? Không, điều đó là có thể! Chỉ cần uốn cong nó dọc theo toàn bộ chiều dài của nó theo hình máng xối là đủ. Đường gấp trở thành cái gọi là gân tăng cứng. Sách giáo khoa hình học ở trường lưu ý rằng hình tam giác là một hình cứng, nhưng hình vuông, hình chữ nhật và hình bình hành thì không. Nếu bạn thêm một đường chéo vào hình vuông, bạn sẽ có được một hình cứng. Trong kỹ thuật, các phần tử kết cấu mang lại độ cứng cho kết cấu được gọi là chất làm cứng. Nếu một tờ giấy được cuộn thành ống thì ống này sẽ đủ bền và có thể chịu được tải trọng đáng kể. Một dải giấy gấp thành rãnh cũng trở nên cứng. Nó có thể được vẫy trong không khí, giống như dùi cui của người soát vé. Tương tự như vậy, trong roulette, một đoạn băng dài, có hình dạng như một rãnh, trở nên cứng và không cuộn lại được. Điều này cho phép băng được hướng thẳng đứng lên trên.

VẬT LÝ CHO KỸ SƯ

Geohammer và bí mật của một đòn hữu ích

A.FRIDRICHSON

THƯỜNG HỌC HỌC SINH TRUNG HỌC, CÓ KHẢ NĂNG VẬT LÝ, từ chối sự nghiệp khoa học, nói: “Đi vào khoa học để làm gì, nơi mà mọi thứ quan trọng đều đã được khám phá rồi? Thời của Newton, Hooke và thậm chí cả Einstein đã qua rồi, và việc viết lại luận văn của người khác với mức lương ít ỏi chẳng thú vị gì cả.” Ôi, bạn thật sai lầm, còn trẻ và tài năng. Vấn đề không phải là tiền lương – mà là sự cởi mở của mọi thứ mới là điều quan trọng. Tôi đảm bảo với bạn rằng có đủ những bí ẩn chưa được giải đáp, những hiện tượng bị hiểu lầm, những nghịch lý không thể giải thích được ngay cả trong vật lý cổ điển cho đến hết cuộc đời bạn. Hơn nữa, vật lý là một môn khoa học mà kiến ​​thức của nó có thể ảnh hưởng đến mọi lĩnh vực trong cuộc sống của chúng ta - từ kinh doanh nhỏ đến chính trị lớn, từ những quy luật đạo đức trong chúng ta cho đến các vì sao phía trên chúng ta. Nhưng vì những tuyên bố chưa được chứng minh không được chấp nhận trong khoa học này nên chúng tôi sẽ cố gắng chứng minh điều trên bằng điều sau. Hóa ra khái niệm cảm xúc như một cú đánh có một mô tả hoàn toàn hợp lý trong vật lý. Nếu bạn không sử dụng những công thức trừu tượng, thì một cú đánh là một tác dụng lực nhanh chóng (tốc độ cao - nói một cách khoa học) lên một cơ thể hoặc hệ thống cơ thể. Tuy nhiên, cao

24

KVANT 2017/№5

tốc độ là một khái niệm tương đối. Do đó, nói đúng hơn, một tác động có thể được gọi là sự tác dụng lực trong đó thời gian tác động tương xứng hoặc nhỏ hơn chu kỳ dao động tự nhiên của một vật thể hoặc hệ thống các vật thể. Điều gây tò mò là sự cân xứng lại là nguyên nhân của một số hiện tượng “sốc” ít được nghiên cứu và đôi khi nghịch lý. Bạn có thể bắt đầu chuyến du ngoạn từ một cây cầu đã bị một đại đội lính phá hủy bằng cách gõ nhịp nhàng từng bước với tần số dao động tự nhiên của kết cấu cầu. Tuy nhiên, sự cộng hưởng, tức là sự trùng khớp giữa tần số của tác động bên ngoài với tần số dao động tự nhiên của một vật thể hoặc hệ thống vật thể là một hiện tượng được nghiên cứu khá kỹ. Nhưng ví dụ về sự trùng hợp giữa thời gian va chạm với chu kỳ dao động tự nhiên, mà chúng ta thường gọi là cú đánh của búa địa chất lên một mẫu đá, không đơn giản như người ta tưởng, và là một ví dụ về một tác động rất hữu ích (không chỉ đối với địa chất) lên một vật thể rắn. Một nhà địa chất có kinh nghiệm chia mẫu thành hai phần, như thể làm dịu cú đánh. Thậm chí không phải là một loại mà là mềm mại hơn - điều này có vẻ xa lạ đối với một người quan sát thiếu kinh nghiệm. Và vô ích. Ngay cả khi không hiểu sự phức tạp của lý thuyết đàn hồi hoặc vật lý của chất rắn, một nhà địa chất có kinh nghiệm vẫn biết rằng để tách một mẫu gọn gàng làm đôi, búa phải được cung cấp một tốc độ đủ cao nhưng không đổi để gia tốc tại thời điểm va chạm là tối thiểu. Lý tưởng nhất là bằng 0. Nghịch lý? Rõ ràng. Bởi vì

Gia tốc gần như bằng 0 tại thời điểm búa địa kỹ thuật tiếp xúc với đá mang lại sự đáp ứng hữu ích định luật bảo toàn năng lượng, khi toàn bộ động năng của búa được chuyển thành nội năng của mẫu. Và không phải ở năng lượng nhiệt, mà ở năng lượng đàn hồi. Bởi vì khi tiếp xúc tự do (không có gia tốc) với đá, búa tương tác với mẫu đúng thời gian được xác định bởi đặc tính đàn hồi của chính nó. Điều này có nghĩa là thời gian tương tác của búa với đá được xác định không phải bởi nỗ lực bên ngoài của nhà địa chất, mà bởi chu kỳ dao động của chính mẫu mà anh ta đang nghiên cứu. Với các thông số tương tác như vậy, năng lượng của geohammer do được gọi là cường độ va đập sẽ được truyền một cách hoàn toàn nhất có thể thành năng lượng biến dạng đàn hồi của mẫu. Nhưng sóng xung kích trong đá, vốn sẽ chỉ làm vỡ mẫu (do gia tốc rất nhỏ), sẽ ở mức tối thiểu. Quá trình phân đôi diễn ra như thế nào? Như một quy luật, nó dễ dàng. Do biến dạng nén theo hướng va chạm, mẫu đồng thời giãn nở trong mặt phẳng vuông góc. Và khi biến dạng ngang này vượt quá biến dạng kéo tới hạn của một loại đá nhất định (tốt hơn nên nói là độ bền kéo), mẫu sẽ tách dọc theo mặt phẳng thẳng đứng yếu nhất của mẫu, tức là làm đôi để hiển thị kết cấu, thành phần và nhiều chi tiết địa chất khác của mẫu. Đúng thứ mà một nhà địa chất lành nghề cần. Hơn nữa, do cán búa dài, nhà địa chất không chỉ có thể chạm tới mảnh đá mong muốn trên hiện trường mà còn có thể điều chỉnh “cú đánh phân tích” theo cách chia nhiều mẫu khác nhau thành hai phần, cả về hình dạng và thành phần. Hơn nữa, khi biết tốc độ búa gần đúng mà tại đó mẫu đá đang nghiên cứu sẽ tách làm đôi, có thể xác định sơ bộ cái gọi là ứng suất kéo tới hạn và đây là một đặc tính rất quan trọng của đá. Nhân tiện, đặc điểm này được sử dụng bởi các nhà địa chất - thợ mỏ. Trong các mỏ đá

25

VẬT LÝ

–

phát triển do nổ, điện tích trong các lỗ nổ cũng như khoảng cách giữa các lỗ nổ được tính toán dựa trên đặc tính cường độ của đá. Một người đọc chú ý khi nhìn vào bảng ở đây chắc chắn sẽ chú ý đến hai chi tiết: 1) khả năng chống đứt tạm thời (sức căng) là một bậc có độ lớn nhỏ hơn khả năng chịu nén và thậm chí uốn; 2) việc nghiên cứu đá theo thông số này (độ bền kéo) bị tụt lại phía sau đáng kể, điều này rõ ràng là do quá trình nghiên cứu sử dụng nhiều lao động hơn. Không giống như các nhà địa chất, các thợ mỏ cần phải làm nổ đá càng mịn càng tốt để dễ dàng chất lên các phương tiện và sau đó xử lý nó, chẳng hạn như thành đá dăm. Sóng xung kích được tạo ra chính xác bởi gia tốc cao của đá trong vụ nổ, trái ngược với cấu trúc địa chất mỏng manh

DÀNH CHO KỸ SƯ

tác động mạnh, nghiền nát đá theo từng vùng tương ứng với đường kính lỗ nổ. Nhưng do năng lượng của sóng xung kích giảm mạnh ở khoảng cách vài mét tính từ giếng, đá bị tách ra “theo nguyên lý của búa địa kỹ thuật” - trên các mặt phẳng bị suy yếu do các vết nứt vi mô, khi đá bị phá hủy do biến dạng kéo mô tả ở trên. Trong bối cảnh này, kiến ​​thức ít ỏi (như chúng ta thấy từ bảng) về đá về biến dạng kéo tới hạn không cho phép các kỹ sư khai thác mỏ tính toán chính xác hơn năng lượng vụ nổ. Thật vậy, đối với nhu cầu của ngành khai thác mỏ, đá bị vỡ thành bụi do sóng xung kích cần ít hơn nhiều so với việc chia thành các mảnh một cách tối ưu. Tuy nhiên, điều được biết chắc chắn là sự phụ thuộc nghịch đảo của sự phân mảnh vào năng lượng vụ nổ (cũng như vào cú sốc cơ học): hơn là

26

KVANT 2017/№5

Năng lượng càng lớn thì sự phân mảnh của đá bị phá hủy càng mịn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong một số trường hợp thì điều ngược lại cũng đúng: sự phân mảnh trước khi bị phá hủy càng mịn thì năng lượng cần thiết để phân mảnh tiếp theo càng lớn. Rốt cuộc, đá càng có nhiều vết nứt trước vụ nổ thì càng có nhiều chướng ngại vật tự nhiên đối với sóng xung kích nghiền nát. Và phần lớn năng lượng của vụ nổ sẽ không được dùng để nghiền nát mà để di chuyển những mảnh đá tự do bên trong các vết nứt. Các kỹ sư khai thác mỏ có kinh nghiệm cũng tính đến điều này, nhìn chung ít được nghiên cứu, độ tinh tế của việc nổ mìn. Trong mọi trường hợp, để tính toán chính xác năng lượng vụ nổ, ngoài đặc tính cường độ của đá, người ta còn tính đến “độ khối” của nó - kích thước trung bình của một mảnh đá giữa các vết nứt trên một khu vực nhất định của mỏ đá. Các nhà địa vật lý gọi đặc tính tương tự là “sự nứt gãy” và tính đến nó để tính toán năng lượng của một tác động thực nghiệm (thường là tác động của một tải trọng rơi từ một độ cao nhất định lên bề mặt trái đất). Nếu sóng địa chấn được kích thích bởi một vụ nổ thì sự nứt vỡ của khối đá cũng được tính đến. Tuy nhiên, ở mức độ lớn hơn, hiệu quả của vụ nổ thử nghiệm và quan trọng nhất - ít gây thiệt hại cho môi trường hơn, bị ảnh hưởng bởi các chỉ số như độ brisance, gần với geohammer, tức là tốc độ nổ. Giống như một nhà địa chất có kinh nghiệm cố gắng hạ chiếc búa của mình xuống đá với gia tốc tối thiểu, các nhà địa vật lý có kinh nghiệm chọn một chất nổ có độ sáng tối thiểu để kích thích các rung động địa chấn - sao cho phần lớn năng lượng của vụ nổ không chuyển thành sóng xung kích (chu kỳ của nó nhỏ hơn chu kỳ dao động tự nhiên của đá), mà chuyển sang dạng đàn hồi, tức là chính sóng địa chấn (chu kỳ là chu kỳ dao động tự nhiên của địa khối). Nói cách khác, sự phá hủy do va chạm càng nhỏ thì càng thu được nhiều thông tin khoa học hơn từ kết quả của nó - ví dụ như về một khối đá. Điều ngược lại, như các nhà địa vật lý nói, bài toán, cũng có thể được giải quyết: nếu biết đặc điểm cường độ của đá, thì bằng số phần bị tách ra trong quá trình va chạm, có thể xác định được năng lượng ban đầu của chính va chạm này. Tương tự, tùy theo kích thước của một mảnh đá trung bình

sau một vụ nổ (ví dụ, trong các mỏ đá vôi, đá sa thạch hoặc đá granit để sản xuất thành phần quan trọng nhất của xây dựng đường - đá dăm), có thể xác định được năng lượng của vụ nổ. Định luật bảo toàn năng lượng có tính phổ quát và đối xứng trong thời gian và không gian. Do đó, mức độ phá hủy (và do đó phân mảnh) của bất kỳ vật chất nào đều phụ thuộc vào năng lượng hủy diệt ban đầu và ngược lại. Và ngay cả trong cuộc điều tra quan trọng nhất về thảm họa gần Donetsk, sự phụ thuộc này cũng có thể được áp dụng. Trong trường hợp này, sự phụ thuộc của năng lượng vụ nổ vào kích thước trung bình của các mảnh vỡ của thân tàu bị phá hủy. Nhiều chuyên gia đã thu hút sự chú ý đến mảnh vỡ rất nhỏ tại hiện trường vụ rơi máy bay Boeing của Malaysia, từ đó có thể tính toán được năng lượng của vụ nổ ban đầu, dù chỉ là gần đúng. Phép tính đơn giản nhất cho thấy với sự phân mảnh như vậy, năng lượng của vụ nổ ban đầu sẽ nằm trong khoảng $10^{12}$ joules. Đây là năng lượng khổng lồ, tương xứng với năng lượng của một vụ nổ lớn ở mỏ đá lớn hoặc năng lượng của một trận động đất nhỏ có cường độ 1. Năng lượng nổ của tên lửa BUK-M khét tiếng (ngay cả khi nó phát nổ không phải bên ngoài máy bay mà là bên trong) ít nhất là một trăm lần. Nguồn năng lượng duy nhất tương đương với những con số được đưa ra là vụ nổ (nổ tức thời) của tất cả các thùng nhiên liệu của Boeing, miễn là chúng đã đầy. Cũng cần lưu ý rằng việc phát nổ đồng thời nhiên liệu có thể không phải do tác động bên ngoài mà là do tác động bên trong, được chuẩn bị đặc biệt - nói cách khác là một ngòi nổ khởi động gần chính thùng nhiên liệu. Điều gì đã gây ra sức hủy diệt mạnh mẽ như vậy, lớn hơn hàng nghìn lần so với khả năng của bất kỳ loại tên lửa nào, không còn là câu hỏi khoa học. Nhưng nó đã được đặt ra bởi một chuyên gia đáng tin cậy - định luật bảo toàn năng lượng. Tác giả đã trải nghiệm được sự hỗ trợ đắc lực của quy luật này trong thực tiễn thực tế của mình. Chuyện xảy ra tại mỏ đá granit Svetlogorsk ở Karelia (mỏ đá đang nổ tung loại đá mạnh nhất để biến nó thành loại đá nghiền mạnh nhất để lấp đầy mặt đường trong cả nước). Tính toán cái gọi là lưới nổ, tức là

27

VẬT LÝ

–

Khoảng cách giữa các lỗ nổ là có thể, như độc giả của chúng tôi đã biết, chỉ khi biết đặc tính của khối đá như vết nứt. Đối với lời giải điều này bài toán chúng tôi đã có sẵn một tổ hợp đo địa chấn (dành cho nghiên cứu lỗ khoan và lỗ khoan chéo): máy thu địa chấn và nguồn rung đàn hồi. Nếu phần tử đầu tiên là một vật nặng vài trăm gam thì nguồn rung động nặng năm mươi kilôgam. Nhưng vấn đề chính thậm chí không phải là trọng lượng: sau khi hạ thiết bị này xuống giếng và cố định nó vào thành giếng, nó bị đập từ trên cao xuống bằng một chiếc búa tạ đo địa chấn đặc biệt nặng hơn đáng kể so với một chiếc búa địa chất. Tác động này được truyền qua các bộ chuyển đổi cơ học tới thành giếng và do đó tạo ra những rung động rất đàn hồi mà chúng tôi lẽ ra phải thu được bằng máy thu địa chấn ở giếng lân cận. Bằng tốc độ di chuyển của chúng, người ta có thể đánh giá mức độ gãy xương - tốc độ càng thấp thì vết nứt càng lớn và ngược lại. Nó có vẻ đơn giản bài toán. Tuy nhiên, sau ba bốn lần va chạm, nguồn giếng của chúng tôi bị kẹt nhiều đến mức việc nâng cấu trúc kim loại nặng này lên mặt nước đã là một vấn đề lớn. Kết quả là, năng suất nghiên cứu ghi nhật ký của chúng tôi giảm mạnh và câu hỏi đặt ra là phải làm gì (và chúng tôi đã biết ai là người chịu trách nhiệm, vì bản thân chúng tôi cũng chưa nghĩ đến tất cả các chi tiết kỹ thuật). Kết quả của quá trình động não, người ta đã đề xuất sử dụng… những quả bóng bay thông thường, được hạ xuống trên một ống từ bộ thu không khí của xe thám hiểm GAZ-66 của chúng tôi vào giếng - để “nổ” tiếp theo trong khoang của nó. Tất nhiên, vẫn có những nghi ngờ: năng lượng không khí, ngay cả dưới áp suất 1-2 atm, có thể không đủ để “xuyên thủng”, hay chính xác hơn là “âm thanh” khối đá cách 10-20 mét đến giếng lân cận, nơi máy thu địa chấn nhỏ gọn của chúng tôi đang “làm mát” trong vô vọng chờ hoạt động hiệu quả. Hãy tưởng tượng sự ngạc nhiên của những người không tin vào sự thành công khi trên địa chấn đồ, chúng tôi không chỉ nhận được một tín hiệu mà còn lớn hơn nhiều lần so với những gì chúng tôi đã nhận được trước đây qua proxy.

DÀNH CHO KỸ SƯ

dùng “búa tạ”. Đó là tất cả về cường độ năng lượng của nguồn khí nén được phát minh của chúng tôi. Khi bầu khí quyển của ô tô nở ra, quả bóng cao su được nén bởi thành lỗ khoan, khối đá granit xung quanh cảm nhận được năng lượng này “chậm mà chắc”, về cơ bản là không bị mất đi - biến dạng từng micron một trong vài giây. Khi sản phẩm cao su tuyệt vời nổ tung, một cú sốc động “ngược lại” đã xảy ra. Điều này xảy ra, chẳng hạn như khi loại bỏ các tầng tên lửa đã qua sử dụng hoặc khi dỡ bỏ nguồn gây ra trận động đất. Chúng tôi cố tình cung cấp những ví dụ vĩ mô như vậy vì thí nghiệm đá granit năm 1984 của chúng tôi cho thấy rằng nguyên lý này đúng trên mọi quy mô, từ nguồn gốc của một trận động đất đến khinh khí cầu. Vì vậy, vấn đề đã được giải quyết thành công và công việc tiếp theo diễn ra như kim đồng hồ, hay đúng hơn là như không khí. Hóa ra, cú sốc giải phóng áp suất đã được sử dụng nhiều lần trong lịch sử khoa học và công nghệ, nhưng đây là lần đầu tiên để kích thích các dao động đàn hồi trong giếng. Và khi trở về từ chuyến thám hiểm, chúng tôi đã nộp “bằng sáng chế cho phương pháp” mà chúng tôi đã nhiều lần sử dụng thành công trong các chuyến thám hiểm tiếp theo - và không chỉ trên đá granit mà còn trên đá sa thạch, đá vôi và đá dolomit. Tuy nhiên, không có gì đáng kinh ngạc khi quả bóng bay thay thế một chiếc “búa tạ” nặng nhiều kg. Mọi thứ đều hiển nhiên: một bầu khí quyển nhân với 1/10 mét khối (đây là cách tính năng lượng mà quả bóng bay được bơm căng truyền qua thành giếng vào khối địa chất) là 10.000 joules. Khi tính đến hiệu suất cao, có thể so sánh nguồn khí nén của tác động động ngược như vậy với tác động trực tiếp của tải nặng 100 kg rơi từ độ cao 10 mét (điều này không tính đến tổn thất năng lượng đáng kể trong quá trình tác động trực tiếp như vậy - khi nghiền đá mịn, sóng xung kích không đàn hồi và năng lượng nhiệt, tất nhiên, được giải phóng vào không gian xung quanh). Nguồn của loại được mô tả không có những tổn thất này. Do đó, định luật bảo toàn năng lượng toàn cầu đã giúp giải quyết câu đố kỹ thuật và địa vật lý cụ thể bài toán.