צפו בניסוי שערכנו – בעירה של אבק שריפה באוויר הפתוח ובחלל סגור
בסרטון הקודם על אבק שריפה הסברנו על אופן פעולתו, וסיימנו בחידה – היכן יבער אבק שריפה מהר יותר: באוויר הפתוח או בחלל סגור. צפו בתוצאות:
בוער בכל מקום
כפי שהוסבר בכתבה הקודמת, אבק השריפה השחור הוא תערובת של שלושה חומרים בלבד: חנקת אשלגן, פחם וגופרית – כאשר המפתח לדליקותו הרבה טמון דווקא בחומר הלא דליק שבתערובת – חנקת אשלגן. בשביל שאש תבער דרושה נוכחות של שלושה גורמים: חום, חומר דליק וחומר מחמצן. ברוב המקרים החומר המחמצן הוא החמצן שבאוויר. באבק שריפה חנקת האשלגן היא המשמשת כחומר המחמצן (למעשה, כשמחממים אותה היא פולטת חמצן לאוויר) כך שאבק השריפה לא צריך את האוויר כדי לבעור – יש בו מעין 'מקור חמצן', או ליתר דיוק, מקור חימצון – מוצק פנימי. בגלל העובדה הזאת, בניגוד לדברים דליקים אחרים שבוערים רק באוויר הפתוח, הוא יכול לבעור בנקיקים, בתוך צינורות, במקומות אטומים לחלוטין ואפילו מתחת למים: ראו ניסוי שלנו כאן המדגים חומר דומה לאבק שריפה הבוער מתחת למים, ואפילו בחלל החיצון.
בניגוד לחומרים אחרים אי אפשר לכבות אבק שריפה באמצעות 'חניקת' האש, כלומר בידודה מהאוויר, כי הוא לא זקוק לו. תכונה זו הפכה אותו מהר מאוד לכלי מלחמה. כבר בשנת 904 החלו להופיע בסין 'חיצי אש' – חצים שחובר אליהם מעין כדור ממולא באבק שריפה, המובער באמצעות פתיל. הלוחמים הדליקו את הפתיל וירו את החץ אל עבר האוייב. כאשר פגע החץ במטרה אבק השריפה שבו בער בחוזקה ושימש כמעיין פצצת תבערה.
חץ אש' סיני – השימוש המלחמתי הראשון באבק שריפה | מתוך ספר מלחמה סיני מהמאה ה-17
שימוש ראשוני כזה אמנם ניצל את תכונת הדליקות של אבק השריפה, אבל לא את מלא יכולותיו – יכולות ההדף שלו, המתבססות על תכונות נוספות של החומר.
גזים דוחפים ומעיפים
תוצרי הבעירה של אבק השריפה הם רבים ומגוונים – ומכילים גזים רבים שהעיקריים שבהם הם: חנקן (N2), פחמן דו חמצני (CO2) ופחמן חד חמצני (CO). גזים אלו שנפלטים במהירות רבה בזמן בעירת אבק השריפה אפשרו לו לשמש כחומר הודף בשני סוגים של כלי נשק: רקטות מצד אחד ורובים ותותחים מן הצד השני – כולם הומצאו בסין העתיקה.
תותח, רובה ורקטה בסין העתיקה | מתוך ספר המלחמה הסיני הולונג'ינג (Huolongjing) שנת 1350
פעולת הרקטות (וגם הטילים) מבוססת על עקרון פיזיקלי הנקרא 'החוק השלישי של ניוטון', הקרוי על שמו של אייזק ניוטון שניסח אותו. החוק השלישי קובע כך: "בטבע, לכל פעולה יש תמיד תגובה נגדית שווה לה בעוצמתה והפוכה בכיוונה". ניוטון התכוון בניסוח הזה לכוחות, אך בהמשך התגלה שהחוק של ניוטון כללי יותר ותקף גם בהקשרים אחרים ורחבים בפיזיקה.
אפשר להרגיש בקלות את החוק השלישי של ניוטון אם מניחים יד על הקיר ודוחפים אותו בכוח הולך וגובר. מיד נרגיש שככל שנדחוף את הקיר יותר חזק, כך נידחף אנחנו חזק יותר לכיוון הנגדי, כלומר הקיר "דוחף" אותנו כאילו היה אדם שמפעיל עלינו כוח. למעשה, אם הרצפה חלקה מספיק יכול מאוד להיות שכתוצאה מהדחיפה שדחפנו בעצמנו נחליק אחורה בכיוון הפוך מהקיר.
הרקטות הראשונות שהומצאו לא שונות ברמת העיקרון מהרקטות והטילים המודרניים: בכולם צינור המכיל חומר דליק בשילוב עם חומר מחמצן (בעבר אבק שריפה, היום חומרים אחרים). כאשר התערובת מוצתת, נפלטת כמות גדולה של גזים מפתח הרקטה בצדה התחתון. לפי החוק השלישי של ניוטון, הגזים שנפלטים בכיוון אחד דוחפים את הרקטה לכיוון הפוך וכך הרקטה עפה למרחקים. רקטה גדולה מספיק יכולה לצאת גם לחלל החיצון כי אין לה כל מגבלות חמצן לצורך הבעירה. ברקטות הכוח הדוחף קיים באופן רציף לזמן ארוך יחסית, כל עוד יש חומר הודף הבוער בתוך הרקטה.
הטכנולוגיות חדישות, אבל העקרונות ישנים. תותח, רובה ורקטות המשמשים צבאות מודרניים | צילומים: Shutterstock
הרובה והתותח פועלים בשיטה מעט שונה: אבק השריפה ממולא בתוך צינור אטום (בעבר זה היה קנה התותח או הרובה, בימינו זה התרמיל של הקליע), מעליו מונח בצורה מהודקת מה שרוצים להעיף: פגז או קליע. את אבק השריפה מציתים באמצעות פתיל דק או ניצוץ (בימינו באמצעות 'פיקה' נפיצה): אבק השריפה שבוער בחלל הסגור מייצר כמות גדולה של גזים לוהטים, הכמות הגדולה של מוצקים ההופכים לגזים והעובדה שמדובר בטמפרטורות גז גבוהות גורמת ללחצים עצומים בתוך כלי הירי, והם מעיפים בעוצמה אדירה את הפגז או הקליע בכיוון שמיועד לכך – דרך הקנה.
הבעירה של אבק השריפה בתוך חלל סגור ואטום גורמת לתהליך היזון חוזר (פידבק) חיובי שמאיץ מאוד את תהליך הבעירה: עם בעירת הגרגר הראשון של אבק השריפה נפלטת מעט אנרגיית חום לסביבה, כלומר לשאר גרגירי האבקה – ומחממת אותם, כמו כן נפלטים מעט גזים לסביבה האטומה, מה שמעלה את הלחץ על הגרגירים. כיוון שבעירה של אבק שריפה היא למעשה תגובה כימית, הגרגיר הבא של אבק השריפה כבר יבער במהירת גדולה יותר משום שטמפרטורה ולחץ מאיצים תגובות כימיות. גם הגרגיר השני שבוער פולט אנרגיה וגזים לסביבה הסגורה, ומעלה את הטמפרטורה עוד יותר, כך שהגרגר הבא כבר יבער עוד יותר מהר – והתוצאה היא תגובה שהולכת ומואצת (לפעמים עד כדי פיצוץ). אבק השריפה בוער בתוך הרובה תוך חלקיק של שנייה ויוצר לחץ אדיר שמעיף את הקליע.
הלחצים בתוך רובים מודרניים יכולים להגיע ליותר מ-3,000 אטמוספרות. לשם השוואה, לחץ הגז בתוך מכל חמצן או אוויר לצלילה, למשל, הוא "רק" 150 אטמוספרות. הלחץ בקנה הרובה שווה ערך למסה של שלוש טונות המונחת על שטח סנטימטר רבוע בלבד. מסיבה זו קליע הרובה או פגז התותח יכולים לעוף למרחקים שבין מאות מטרים לעשרות קילומטרים. בניגוד לטיל, כאן כוח הדחיפה של אבק השריפה הוא רגעי, לא רציף: ברגע שהקליע עוזב את קנה הרובה, וזה קורה תוך חלקיק שנייה, כבר לא פועל עליו שום כוח שדוחף אותו קדימה. כמובן שהחוק השלישי של ניוטון מתקיים גם ברובה – ולכן ברגע שהקליע עף קדימה, הרובה (או התותח) נדחפים אחורה, זהו הרתע: דחיפה חזקה אחורה שמרגיש כל מי שיורה בכלי נשק.
מנוע רקטי במקום רובה
בניסוי שערכתי בסרטון, רציתי לדמות את המתרחש בתוך רובה – שם כאמור הלחץ והטמפרטורות העולים גורמים לאבק שריפה לבעור במהירות אדירה. בפועל – כיוון שלא אטמתי את חור הבעירה מה שיצרתי הוא סוג של מנוע רקטי הבוער זמן ארוך ולא קליע של רובה. לא נוצרו בחור עליית לחץ ו/או טמפרטורה, ולכן לא הואצה התגובה כפי שרציתי. למעשה היא הייתה יותר איטית אפילו בהשוואה לבעירה באוויר הפתוח, כנראה בגלל הבדלים ברוחב שובל אבק השריפה (באוויר הפתוח היה רחב יותר) – כלומר בכך רגע בער בחור פחות אבק שריפה, ובכך שזה בוער מלמעלה למטה רק השכבה העליונה נחשפת לחום ובוערת באיטיות. אם הייתי אוטם את החור ומבעיר את אבק השריפה באמצעות פתיל או אמצעי הצתה פנימי – אז ללא כל ספק אבק השריפה היה בוער מהר יותר, שהרי כך עובדים כל הרובים.
