烏克蘭百姓 守衛家園 汽油彈 能量比砲彈高

文/施奇廷   |2022.03.17
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最近大家都十分關注烏克蘭的狀況,通常大家都是就地緣政治、戰略戰術的角度著眼,那物理學家能對「戰爭」說上什麼話呢? 能說的可多了,沒有物理的話,戰爭就打不起來囉~ 這次的俄烏之戰中,烏克蘭以小搏大,全民抵抗侵略者,自製名為「莫洛托夫雞尾酒」(Molotov's cocktail)的汽油彈,對抗俄羅斯的戰車大砲。乍看之下,這種「土製武器」,應很難跟現代科技抗衡才對,不過實戰結果,似乎還真的可以一戰。圖/樹下繪本

文/施奇廷  

最近大家都十分關注烏克蘭的狀況,通常大家都是就地緣政治、戰略戰術的角度著眼,那物理學家能對「戰爭」說上什麼話呢?

能說的可多了,沒有物理的話,戰爭就打不起來囉~

這次的俄烏之戰中,烏克蘭以小搏大,全民抵抗侵略者,自製名為「莫洛托夫雞尾酒」(Molotov's cocktail)的汽油彈,對抗俄羅斯的戰車大砲。乍看之下,這種「土製武器」,應很難跟現代科技抗衡才對,不過實戰結果,似乎還真的可以一戰。

我們可以從物理學最基本的「能量」概念來看這個問題。戰車砲用的「穿甲彈」,是利用高速飛行的砲彈打穿敵軍裝甲,或是破壞建築物的牆壁。擊中的瞬間砲彈減速,並把能量轉移到被擊中的物體。

利用同學們都還記得(應該吧?)的動能公式「動能(單位焦耳)=1/2×質量(單位公斤)×速率(單位公尺每秒)的平方」,我們可以估計一下砲彈動能大約是1千1百萬焦耳,也可以寫成11MJ,MJ「百萬焦耳MegaJoule」的意思。

看起來很猛,對不對?

脂肪能量 超乎想像



接下來看看「汽油彈」。它的能量來自於汽油燃燒的過程中,把本來儲存在分子裡面的化學能以「熱的形式」釋放出來。大家小時候都學過食物的能量,跟汽「油」最接近的就是1公克9千卡(或者說「9大卡」,1千卡 = 1大卡)的「脂肪」了,變胖就是脂肪吃太多。

假如一個寶特瓶能裝1公斤的汽油——內含的能量跟脂肪一樣是每公克9大卡的話,1公斤就是9千大卡了,然後1大卡相當於4.2焦耳,所以這1公斤的汽油內含能量大約40000kJ(千焦耳),也就是40MJ。

所以一個老百姓將汽油裝進寶特瓶裡,它的「威力」(能量)比起以4.5倍音速射出來的戰車砲彈威力,還居然高出近4倍!

所以就這個觀點來看,老百姓手上的汽油彈,絕對是不能小覷的武器啊!

化學能小 高速反應



等等,砲彈不只是靠彈體的動能,裡面還有裝填火藥呢!「動能」加上火藥爆炸的「能量」,可就不會輸了吧?

出乎意料的,其實火藥內含的「化學能」很小,以黃色炸藥TNT來說,以食物的算法,大約是每公克1千卡而已(或者是4.2MJ/公斤),只有脂肪的1/9,甚至澱粉類都是炸藥的4倍呢!所以如果前面說的10公斤砲彈有一半是火藥的話,5公斤的火藥可以提供21MJ的能量,結果動能跟炸藥爆炸的能量加起來是32MJ,還是只有汽油彈能量「打8折」而已。

當然這裡不是要說,汽油彈這麼猛又這麼好做,那還要那些戰車大砲幹嘛?因為就「能量」這個物理量來說,的確雖然汽油彈略勝一籌;不過戰車砲在其他物理量上面,可就遠遠勝過汽油彈了,因為「速度」(包含「速率」與「方向性」)不只是它能量的來源,也讓它可以迅速打擊遠方的特定目標,所以縱使你手上的汽油彈「能量滿滿」,但是敵人得要在你伸手可及的範圍內,才派得上用場;流線型的彈體頭部尖銳,使得接觸面積極小,在打擊點會造成極大壓力(力/接觸面積),這也是「穿甲彈」能夠「穿甲」的原因。

黃色炸藥看起來很廢,不過爆炸的反應速率超快,可以在極短的時間內把所有的能量釋放出來,所以有很強的殺傷力。物理學中最多人知道的物理公式:「E = mc2」把質量全部變成能量,所以能量密度剛好就是「光速的平方」。



學到幾件事

由這些「能量」的特性,我們可以學到幾件事情:

1當「手無寸鐵的老百姓」碰上「裝備精良的軍隊」時,幾乎沒有選擇,就只能靠「高能量密度」來對抗了。

2人類火力發電用的這麼凶,也是因為石化燃料是除了「核反應」之外,能量密度名列前茅的東西。

3為何減肥超難:肥胖是吃太多(攝取化學能),減肥是靠運動(以動能來消耗),可是動能比化學能小太多啦……

請注意,當你吃下1公斤油脂豐富、美味無比的漢堡時,那個能量等於大約5公斤的黃色炸藥爆炸,這樣你還吃的下去嗎?

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