高中物理动能和动能定理(2)人教版必修三.doc

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动能和动能定理
动能武器简介
动能武器是利用弹丸、碎片或其他兵器的动能来达到毁伤目的的武器。我国古代冷兵器如刀、枪、剑、戟等，就是动能武器中的一类。
随着火（炸）药的发明，利用炸药驱动的枪、炮的弹丸或手榴弹的碎片，成为毁伤效果更为巨大的另一类动能武器。
在美国的战略防御计划中，所发展的一系列非核太空武器中，动能武器占有重要地位。例如最近他们研制成了代号叫“闪光卵石”的太空拦截器，长为1.02米、直径为0.3米，质量小于45千克，飞行高度为644千米，飞行速度约6.4千米/秒。它是利用直接撞击以摧毁来袭导弹的，这就是它为什么又称拦截器的原因。显然，要能使这种武器发挥威力，必需有一套跟踪、瞄准、寻的、信息、航天等高新技术作为基础才能实现。正是因为近几十年来，微电子技术、光电技术、航天和信息等基础技术得到了高速发展，武器的命中精度提高到米数量级，这就促使人们能够避免使用大范围毁伤的核武器，而发展一系列靠直接与靶标（例如导弹、卫星等航天器）相互作用达到毁伤目的的武器。本文介绍的动能武器以及激光、粒子束等向能武器，就属于这一类武器。
除了在大气层外太空能利用动能武器摧毁靶标外，大气层内也在发展比一般炸药驱动的弹丸或碎片速度大得多的动能武器，例如利用电磁加速原理研制的电磁轨道炮等。加速后的弹丸的速度可达每秒几千米，甚至超过第一宇宙速度（7.9千米/秒）。
作为高技术的产物——现代动能武器已得到了相当大的发展，但是，要成为军队装备，技术成熟的武器系统，还有大量的技术困难有待突破。1991年美国在动能武器发展上已经化了13.5亿美元。
1动能武器的分类

可以将动能武器大体分为三类：靶标不产生任何破坏；靶标产生崩裂；与弹丸接触的靶标部分产生液化或气化的相变而成坑或穿孔。固体材料破坏的特点是抗拉强度Y比抗压强度c和抗剪强度s小得多，因此固体材料最易被拉力所破坏。固体的拉伸应变能密度wy为

式中E为材料的杨氏模量。当武器的动能小于wy时，材料不致遭到拉裂。例如对于铝材，Y=104牛/厘米2，E=1.4×104牛/厘米2，因此当速度满足条件

则密度为0，速度为v1的弹丸不致对铝材产生破坏。有时称其为低速碰撞，刀枪剑戟等冷兵器就是这一类。它主要不是通过与靶标的能量交换，而是通过动量交换达到毁伤的目的。若冷兵器的质量为m，速度为v，与靶标作用的时间为，根据动量定理，作用在靶标上冲击力F为

若冷兵器作用在靶标上的面积为A，作用在靶标上的冲击的压强p为

这个公式表明，冷兵器的杀伤力主要决定于质量、速度和作用面积三个要素。例如，用弓射出的箭头就是主要靠速度和箭头的尖锐；铜锤则主要靠提高质量和打击的速度。
当武器动能大于固体材料的拉伸应变能wy，小于液化热Lm的情况下，固体材料可能遭到拉裂、压碎或剪切破坏，这个速度v2可以估计为

式中为靶材的密度。仍然以铝材为例，Lm=3.96×102焦/克，则

这个条件属于中速碰撞。碰撞后武器的动能转化为材料的压碎或者剪切形变能，造成靶标被压碎或剪切破坏。
超过V2的高速，特别是动能超过靶标汽化热Lv的高速运动的动能武器更为引人注目。当

武器对靶标的破坏主要靠其动能转化为靶材的内能而造成的。如果弹丸和靶材都是铝，它的Lv=104焦/克，则
v3=4.5×105厘米/秒
根据这个判据，美国研制的“闪光卵石”太空拦截器，其速度为6.4千米/秒，属于高速运动的动能武器。
当前美国利用电磁轨道炮或其它原理在大气层中发射的弹丸速度可达2～3千米/秒，也属于高速运动的动能武器。
2动能武器与靶标相互作用的机理
这里介绍速度大于v3的高速弹丸或碎片与靶标相互作用的机理。
第二次世界大战后，武器对靶标的破坏机理已发展成专门学科，有的正趋于成熟，如终点弹道学、射流理论和爆炸力学等。这里仅介绍射流模型和爆炸力学模型。
2.1射流模型
能够穿透坦克厚达10厘米以上的装甲的穿甲弹，是在炸药上采用聚能穴的办法产生高速金属射流而穿透装甲。也就是说穿甲弹是靠射流来达到穿甲目的的。聚能产生的射流速度可达几千米/秒甚至达到10～20千米/秒。
若圆柱形（轴对称）射流处于x0位置的速度为v0，穿甲后射流速度随穿甲深度x呈线性衰减

穿甲深度L一般是射流直径的6～7倍。如果射流长度Li为已知，L也可以表示成

式中0、分别是射流和靶材的密度。
射流在靶标表面产生的压强p是大得惊人的，压强p可以用下列公式估计：

若v0取10千米/秒，0为1克/厘米3，则表面压强达到5×1010帕。
当速度大于第一宇宙速度的弹丸撞击在靶标上时迅速汽化，和金属射流类似，其直径略大于或近似为弹丸的等效直径。特别是当弹丸速度大于第二宇宙速度（11.2千米/秒），和金属射流情况更为类似。这样就可以运用较为成熟的射流理论来描述动能武器的作用机理。
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