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只要速度够快,竹筷子也能射穿坦克钢板?

天下武功,唯快不破?

我们经常见到有这样的说法:假如一根以光速飞行的钢针击中地球,会造成如何如何的灾难。

钢针毁灭地球只是想象

热爱科学的你知道钢针没办法达到光速,因为按照爱因斯坦的质能方程,任何有质量的物体要想达到光速,它所需要的能量将是无穷大,那将消耗整个宇宙的能量,所以这个假设的前提条件不成立。

昨天又有朋友向我提出了另一个类似的问题:如果速度足够快,我们能不能用一根竹筷子戳穿坦克的装甲钢板

竹筷子插钢板,有速度就行?

这是个很有意思的假设,因为它涉及物理学,所以今天我们就来聊聊,射穿钢板,速度够了就可以吗?

“植物钢”

在南美洲,竹子这种草本植物有"植物钢"的美称。古代的中国,以竹丝为缆索的悬索桥早在1000多年前就架设在了闽江之上,它长260米,宽2.7米,堪称古代建筑的奇迹。即便在近代,竹子也以其优越的结构强度、轻巧的重量和便宜的价格成为建筑脚手架甚至建筑材料的首选。

由于竹子有比钢更良好的挠度,在施加拉伸载荷时,它的刚度与拉伸强度之比也比某些标号的钢筋还强。在一些低层建筑中,经过特殊处理的竹子作为一种“有机”和环保的建筑材料取代了混凝土里的钢筋。

国内外都有试验竹筋混凝土

竹子比钢强?这显然是一种误会。

我们中国人喜欢用竹筷子,因为它轻便、结实并且好用。但若将它与装甲钢来比高低,就跟汽车与飞机比快慢一样可笑了。

从我能搜索到的资料看,竹纤维的强度大约在350MPa~800MPa左右的范围,而用于制造坦克的装甲钢其杨氏模量高达220GPa、屈服强度大于1300MPa、抗拉强度则大于1700MPa,二者硬度差距极为悬殊。

竹子在许多方面比钢差太远

如何把坦克捅个窟窿?

以前可以用炮,现在装甲越来越厚,打坦克可是越来越难了,你得用导弹。但两辆坦克对射时,用的基本还是动能穿甲弹。

坦克前装甲

9毫米手枪子弹可以在15米距离内击穿3毫米厚的马氏体钢板;普通钢板防弹能力比较差,AK47步枪可以在100米距离内射穿10毫米厚钢板;但要换成均质装甲钢板,标准的步枪子弹就无能为力了,同样的步枪,你需要换成穿甲弹。

装甲钢的性能优异

子弹打击目标是完全非弹性碰撞的过程,在这个过程中动能并不守恒,但总的能量却是守恒的。这时,子弹飞行的动能全部转化为热能,热能使子弹和钢板同时发生变形。穿甲弹的原理就是利用其动能(质量与速度的函数)穿过装甲,为此它还需要将动能施加在最小面积上以产生最大压力。因此穿甲弹需要做得尽量重(增加动能),并且尽量细和尖(增加压力)。

脱壳尾翼穿甲弹

脱壳尾翼穿甲弹就是以此目标设计的,它被做成细长的飞镖形状,这样既可以保持动能最大化,又可以保证飞行和击中装甲的过程中横截面积始终最小。

穿甲弹造成深孔

硬度是关键因素

要想击穿钢板,你还需要比钢板更硬。当一颗柔软的铅弹击中钢板时,撞击动能所产生的热能迅速在撞击点向前后两个方向扩散开来,柔软的铅弹更加容易发生变形从而吸收更多的热能,而坚硬的钢板几乎没有什么变化。

子弹击中钢板的模拟

反器材步枪射出的穿甲弹尽管表面上看起来与普通子弹形状无异,实际上它弹头内部包裹着的是一枚坚硬的钨钢弹芯,钨更坚硬并且熔点更高,因此也更容易击穿装甲。

钨钢弹芯的穿甲弹

相比之下,竹筷子就要脆弱许多,我们也许可以通过增加速度提高其动能,但没办法让竹子变得比装甲钢更硬。当撞击发生时,竹筷子会首先碎裂并化作齑粉,而钢板上顶多只会留下一个浅浅的凹坑。

这个问题反过来思考就更容易明白:如果你用一根坚硬的钢条以同样动能射击一块25厘米(筷子长度)厚的竹板,会发生什么结果?自然是竹板被击穿一个窟窿,而钢条安然无恙。

竹筷太脆弱,单凭快是没有用的