要計算炸藥的爆發力,我們可以透過基本的物理定律來估算爆炸的能量輸出。這裡的關鍵是
將爆炸視為將人孔蓋與小女孩一起拋出的瞬間作用力,並透過運動學與能量公式來分析。
1. 定義已知條件
‧ 人孔蓋直徑:1 m(假設為圓盤)
‧ 小女孩體重:25 kg
‧ 總時間(上升+下降):4 秒
‧ 地球重力加速度: g = 9.81 \, m/s^2
2. 估算飛行的最高高度
當爆炸發生時,產生的能量將物體拋射至空中,飛行的總時間為 4 秒,因此:
1. 由於拋射為對稱運動,上升時間 t_up = 4/2 = 2 秒。
2. 使用自由落體運動公式來求最高高度:
v_f = v_i - g t
最高點速度 v_f = 0 ,因此:
0 = v_i - 9.81 \times 2
解得:
v_i = 19.62 \text{ m/s}
使用運動學公式計算上升高度:
h = \frac{v_i^2}{2g} = \frac{(19.62)^2}{2 \times 9.81} = 19.62 \text{ m}
3. 計算最小爆炸能量
爆炸的能量最少需要提供物體上升到 19.62 m 的重力位能:
E = mgh
由於人孔蓋的質量未知,假設其材質為鑄鐵,密度約 7200 kg/m3 ,厚度取 5 cm (0.05 m)
,則質量為:
m_{蓋} = \text{密度} \times \text{體積} = 7200 \times (\pi \times (0.5)^2 \times
0.05)
= 7200 \times (3.1416 \times 0.25 \times 0.05) = 282.74 kg
總質量:
m_{\text{total}} = 282.74 + 25 = 307.74 kg
E = 307.74 \times 9.81 \times 19.62
= 59099.8 \text{ Joules} \approx 59 \text{ kJ}
4. 對應 TNT 當量
TNT 的爆炸能量密度約為 4.184 MJ/kg,則:
\text{所需炸藥質量} = \frac{59 \text{ kJ}}{4184 \text{ kJ/kg}} = 0.014 \text{ kg
} = 14 \text{ g}
結論
最小炸藥當量約為 14 克 TNT,但這是假設能量完全傳遞的理想狀況。實際爆炸會有能量損
失,因此可能需要 數倍以上的炸藥 才能達到此效果。