一、沖擊動力學(xué)的基本內(nèi)涵

沖擊動力學(xué) —— 研究材料或結(jié)構(gòu)在短時快速變化的沖擊載荷作用下產(chǎn)生波動（應(yīng)力波傳播），并使固體材料產(chǎn)生運動、變形和破壞的規(guī)律，涉及固體中彈塑性波的傳播和相互作用的動力學(xué)分支學(xué)科”。

什么玩意，一臉懵逼有沒有。來點通俗易懂的，“騎馬射箭”、“槍械射擊”、“汽車碰撞”、“炸彈爆炸”這些貼近生活的情景總知道吧，這些都是典型的沖擊動力學(xué)問題。沖擊動力學(xué)，其實就是研究諸如此類的瞬變、動載荷動態(tài)作用下，結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)過程。

“原來'突然懟了一下'就是沖擊動力學(xué)？”

“咳！咳！這是你的理解，我這么嚴(yán)（裝）謹(jǐn)（X）的人才不會那么說。”

二、沖擊動力學(xué)的典型特征

言歸正傳，沖擊過程和靜力過程，到底有什么區(qū)別？

還是上圖吧，請看圖1（a）~（c），圖1（a）中的胖喵靠體型取勝，這是靜力問題，圖1（b）中的兩喵比拼的是速度，快者取勝，這就是沖擊問題，圖1（3）中的傻喵搖頭晃腦，這是疲勞問題（說不定這只喵在治療頸椎?。?/p>

總結(jié)一下（注意一下，劃考點了）：靜力學(xué)，載荷作用過程是恒定的，不隨時間變化；沖擊動力學(xué)，載荷作用的時間很短，高速高能量；疲勞問題，載荷持續(xù)周期作用。

圖 1（a） 我壓死你（靜力學(xué)問題）

圖 1（b） 我拍死你（沖擊問題）

圖 1（c） 這么晃你不吐嗎（疲勞問題）

那沖擊動力學(xué)到底有什么特點？

對于這個問題，繼續(xù)上圖。圖2給出四個戰(zhàn)場上常見的四個物件，分別是：（1）子彈、（2）沙袋、（3）刺刀、（4）鋼盔。刀劍可以輕而易舉的刺穿柔軟的沙袋，但是沙袋能輕易攔住速度為1000m/s的子彈；刺刀最多能在鬼子的鋼盔上留下一道印痕，而子彈卻能輕易擊穿頭盔并爆了小鬼子的頭（有效射程、垂直擊中）。

你可能會問”胡扯吧你，那帶頭盔有個卵用？”

“不要暴露你的無知，頭盔主要用來擋崩飛的碎石、破片的，也能把斜射子彈崩飛。當(dāng)然對我國的土掉渣的漢陽造也有很強的抵擋作用?！?/p>

很神奇有沒有，和“棒子-老虎-雞-蟲子”一模一樣嘛！“一物降一物”，萬物相生相克，不僅在自然界適用，科學(xué)領(lǐng)域同樣也是適用有木有？

圖 2沙袋、 鋼盔、 槍械、 刺刀關(guān)系圖

再來說說沖擊動力學(xué)的特點，直接上圖，大家自己體會吧。

圖3 一鐵路鐵路工人被車上扔下的饅頭砸暈

簡直就是一個饅頭引發(fā)的血案啊！

天下武功，無堅不摧，唯快不破！

以快制勝的武林高手，其口頭禪會是— —信不信我一個饅頭砸死你？

圖4 高空跳水

據(jù)報道，俄羅斯一小伙高空跳水，因入水姿勢不對，被湖面拍死。

有關(guān)研究表明，從50m高空跳水，以平趴或平仰姿勢觸水，瞬時沖擊力和砸在水泥地上的效果沒有本質(zhì)區(qū)別。

武功絕學(xué)，以剛制柔，柔中帶剛！

圖 子彈打擊厚壁鋼面過程

高速沖擊過程，材料呈現(xiàn)流體動力學(xué)特性，性質(zhì)與水類似。

子彈君，打人的時候你不挺硬氣的嗎？也有軟的時候？

剛中帶柔！只是柔沒有克得住剛~

圖 鳥撞飛機后的慘烈后果

一只7公斤的大鳥撞在時速960公里的飛機上，沖擊力將達(dá)到144噸；一只麻雀就足以撞毀降落時的飛機的發(fā)動機。

自1988年來，已超過200人由于鳥撞飛機喪生。

心中無敵，無敵于天下！不解釋了，腦補下圖！

圖 飛機鳥撞場景

圖 水中射擊

子彈在水中的阻力大致是空氣中阻力的800倍（和速度有關(guān)），一般水中射擊距離不會超過2m。

遭受恐怖襲擊時，躲在水里相對是安全的，前提是你憋氣時間夠長；電影里那些射擊水里敵人后竄出一朵血花的場景都是藝術(shù)效果。

圖 牛頓碰碰球

動量守恒、能量守恒是表象，彈性應(yīng)力波的傳遞、反射與投射才是牛頓碰碰球來回擺動的微觀實質(zhì)。

隔山打牛，借力打力！又是一種武功絕學(xué)。

總結(jié)一下沖擊動力學(xué)相對靜力學(xué)的特點：

（1）慣性效應(yīng)、阻尼效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)都不可忽略，沖擊速度越大越顯著；靜力學(xué)不需要考慮三者的影響。

（2）沖擊過程，能量是首位的，沖擊能量越高，動響應(yīng)越顯著；靜力作用，載荷是首位的，載荷越大，變形越顯著，越有可能引起結(jié)構(gòu)破壞。

（3）高速沖擊過程，材料除形狀會發(fā)生改變，物質(zhì)狀態(tài)（流體、固體、氣體）、物質(zhì)種類（化學(xué)反應(yīng)）都將可能發(fā)生顯著改變；而靜力加載，一般僅體現(xiàn)出變形和斷裂。

（4）沖擊動力學(xué)更體現(xiàn)為一個短暫過程，應(yīng)力波傳遞和結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時間變化的過程；靜力學(xué)更體現(xiàn)為一種狀態(tài)，約束和載荷綜合作用與結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)處于一種平衡狀態(tài)，內(nèi)部無應(yīng)力波傳遞。擊中典型沖擊過程的持續(xù)事件如下表：

狀態(tài)	歷時	壓力變化
核爆炸中心	幾微秒	103～104GPa
炸藥固體表面接觸爆炸	幾微秒	10GPa
子彈射擊靶板	幾十微秒	1～10GPa

這里稍微解析一下應(yīng)力波：應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動在固體種的傳播形式；主要包括：彈性波、塑性波和沖擊波等表現(xiàn)形式。波動經(jīng)過的區(qū)域，應(yīng)力水平會出現(xiàn)顯著壓力差，推動沖擊動量/能量由近及遠(yuǎn)地傳播。沖擊波是一種特殊的應(yīng)力波，波陣面的壓力是強間斷的。

做個不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕忉專槐丶?xì)追究。應(yīng)力波和水波、聲波類似，傳播形式相同。不同之處，在于傳播的地介質(zhì)，水波作用于水面，聲波常見地作用于空氣，應(yīng)力波主要作用于固體。

圖 水波

圖 聲波

三、沖擊動力學(xué)的研究領(lǐng)域：

概括來說，沖擊動力學(xué)主要研究兩類基本問題、四大研究方向。

兩類基本問題，分別是指：

（1）應(yīng)力波傳播理論。

將沖擊過程看成局部擾動的形成和傳播問題，結(jié)構(gòu)響應(yīng)僅視為應(yīng)力波傳播過程的宏觀體現(xiàn)。

彈性波、塑性波、沖擊波等應(yīng)力波方面均建立了較為成熟的理論體系，并建立了科學(xué)可靠的測試方法。

（2）結(jié)構(gòu)/材料的動態(tài)響應(yīng)。

忽略擾動傳播過程，研究結(jié)構(gòu)變形、斷裂及其與時間的關(guān)系。

根據(jù)關(guān)注點不同，又可以分為“沖擊效能”和“沖擊防護”，二者是矛與盾的關(guān)系。沖擊效能是使矛更銳，以保證能穿透盾的防護；沖擊防護是使盾更硬，以保證能抗的住的矛的攻擊。

圖 沖擊效能與沖擊防護的關(guān)系

上述三者，再加上材料動力學(xué)研究，就構(gòu)成了沖擊動力學(xué)的四大研究方向，分別為：

（1）材料的動態(tài)力學(xué)性能；

（2）應(yīng)力波理論；

（3）沖擊效能研究；

（4）沖擊防護研究。

四、因沖擊導(dǎo)致的災(zāi)難性事故

隨著人類文明進步和科學(xué)技術(shù)的提高，人類能操縱的能量等級越來越高，給人類帶來巨大便利的同時，由沖擊現(xiàn)象導(dǎo)致的生命損失和經(jīng)濟損失也越來越嚴(yán)重。

下面列舉一些代表性的災(zāi)難性事故。

圖 汽車碰撞

據(jù)統(tǒng)計，僅在中國，每年因汽車碰撞事故而導(dǎo)致的死亡人數(shù)就多大10萬人。

圖 艦船碰撞

圖 飛機墜撞

每年全球出現(xiàn)數(shù)百起軍民機墜撞事故。據(jù)統(tǒng)計，民機墜撞的死亡率高達(dá)46%。

圖 火車碰撞

2011年7月23日20時30分05秒，兩輛高鐵在溫州境內(nèi)發(fā)生追尾事故，造成40人死亡、172人受傷，直接經(jīng)濟損失1.94億元。

圖 哥倫比亞號航天飛機失事

2003年1月16日，哥倫比亞號航天飛機失事，七名航天員喪生。

原因是火箭燃料箱的隔熱泡沫脫落時撞擊了航天飛機的左機翼，導(dǎo)致左機翼被撞出一個25公分開口。航天飛機重返大氣層時，超高溫氣體得以從裂隙處進入"哥倫比亞"號機體，造成航天飛機解體。

圖 衛(wèi)星碰撞

2009.02.10，美國一顆商用通信衛(wèi)星與俄羅斯一顆報廢軍用通信衛(wèi)星在太空碰撞，兩顆衛(wèi)星均完全損毀，產(chǎn)生約12,000個太空垃圾。

圖 911事件

2001年9月11日，美國遭遇了迄今為止人類歷史上最為嚴(yán)重的恐怖襲擊。紐約五角大樓先后遭到恐怖主義分子劫持的波音757、767飛機猛烈撞擊，導(dǎo)致世貿(mào)雙塔轟然倒塌，共造成3000多人死亡和失蹤。

圖 核彈爆炸

1945年，美國在日本廣島和長崎投放兩顆原子彈，原子彈爆炸導(dǎo)致數(shù)十萬人死亡，兩座城市幾乎夷為平地。

圖 隕石撞地球

6500萬年前一顆直徑10千米的隕石撞擊地球，導(dǎo)致恐龍滅絕。

據(jù)相關(guān)專家估計，直徑在一二百米的隕石會造成毀滅性的氣候巨變，造成至少90%的人類死亡。

五、沖擊動力學(xué)在工程上的應(yīng)用

沖擊動力學(xué)在日常生活中，也得到廣泛應(yīng)用。在民用領(lǐng)域，主要應(yīng)用于生產(chǎn)；而在軍事應(yīng)用領(lǐng)域主要用于破壞或防護。

• 在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，舉例如下：

圖 釘釘子

圖 沖擊壓路機

圖 噴丸強化

圖 定向爆破

圖 沖擊沉樁

圖 沖擊成型

• 在軍用方面的應(yīng)用，舉例如下：

圖 穿甲彈

圖 摧毀掩體

圖 民機抗沖擊吸能結(jié)構(gòu)

圖 古代攻城器械

圖 各種導(dǎo)彈

六、總結(jié)

（1）沖擊動力學(xué)主要研究瞬變、動載荷作用下，應(yīng)力波傳播及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一門固體力學(xué)學(xué)科；

（2）沖擊動力學(xué)的標(biāo)簽：慣性效應(yīng)、阻尼效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)、高速高能量、固體流變、化學(xué)反應(yīng)、應(yīng)力波、侵徹……；

（3）沖擊動力學(xué)研究的兩類基本問題：應(yīng)力波傳播、結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)；

（4）沖擊載荷嚴(yán)重威脅人類安全，同時又在軍民領(lǐng)用有廣泛應(yīng)用。