當導彈或隕石撞擊地面時，地面以下是什麼狀況？

當有導彈或是隕石撞擊地面，對地表造成的巨大的衝擊是顯而易見的，但地表以下究竟發生了什麼，就很難一窺究竟了。來自杜克大學的物理學家已經研究出了這樣一種技術，能夠在實驗室中模擬人工土壤和砂地遭受高速撞擊的情境，隨後可以利用超慢動作回放對地表以下的狀況進行近距離的觀察。

一項發表在學術期刊《物理學評論》（Physical Review Letters）上的研究報告稱，類似於土壤和砂質的物質在經受撞擊後強度會變高，而且撞擊越猛烈強度就越高。研究人員稱，這一發現解釋了為什麼如果要使探地導彈進入地下更深的位置，僅靠猛烈和高速的對地射擊效果反而非常有限。拋射物進入土壤和砂地的速度越是快，就會遭遇越強的抵抗並越快停止前進。由於該項研究是由美國五角大廈的防恐怖威脅署（DTRA）出資，所以可能最終的研究方向會致力於更有效地控制地面穿透型導彈的穿透力，該類導彈的設計初衷是用於破壞被深埋在地底的目標，如敵對方的地堡或地下武器物料儲備。

為了模擬撞擊進入地表的導彈或隕石，研究人員從7英尺高（213.36米）的天花板上向一個布滿各種小珠的坑中投擲帶有圓錐形尖頭的金屬拋射物。在碰撞過程中，拋射物的動能被轉移到了這些小珠子上，並且由於坑中表層以下的小珠子們緊密地首尾相接，動能被分散，衝擊形成的力量因此被吸收掉了。

為使衝擊力從撞擊產生的點開始逐漸消逝的過程可視化，研究人員使用了由透明塑料製造的小珠子，這種珠子在其遭受撞擊發生改變時透光性會發生改變。當通過像太陽鏡一樣的偏光濾光鏡觀察時，遭受壓力最大的區域會顯示出樹枝狀的光鏈，名為「應力鏈」（force chain），應力鏈會沿著一顆小珠子向著下一顆逐次傳導，其可視化過程頗似閃電在天空中蜿蜒蛇行的曲線。

金屬拋射物以每秒6米或時速接近15英里的速度撞擊小珠子堆中，而通過使用不同硬度的珠子，研究人員能夠使其穿過珠子時產生從時速67英里到670英里不等的脈衝。每一次衝擊都迅速到無法用肉眼捕捉到，所以研究人員使用了每秒鐘能夠拍攝40000張圖像的高速攝影機來記錄這一過程。研究人員通過慢鏡頭回放時，發現不同撞擊速度下的應力鏈在小珠子中形成的枝狀網路在形態上有很大不同。

上圖是用高速攝影機拍攝的金屬物體分別猛烈撞擊人工土壤層、砂質地層和岩層時的畫面，分別顯示了低碰撞速度（第一組）、中碰撞速度（第二組）和高碰撞速度（第三組），照片所記錄下來的衝擊力變化軌跡解釋了為什麼土壤與砂層越是大力撞擊越是會變硬的事實。

研究的共同作者、杜克大學的物理學教授Robert Behringer解釋道：在低速撞擊的情況下，承受衝擊力的珠子網路非常稀疏；但在速度加快時，應力鏈就會變得更加密集，從而使得衝擊力能夠以比先前的模型所預測的更快的速度從撞擊點開始消退。在高速撞擊的情況下，珠子之間會產生新的接觸形式，使得他們被擠壓到緊貼在一起，這時材料的強度就增加了。

「設想一下，你正在試圖穿過一個擠滿了人的房間，」 研究的共同作者、耶魯大學機械工程學博士後研究生Abram Clark說道，「通常在你穿過房間時，人們會重新安排各自的站位以便給你讓開一條路。但如果這時你是一邊跑著一邊推搡他們，速度超過了他們重新調整位置的速度，人們來不及閃開就被你施加了大量的壓力，於是他們就被壓力推得更緊密了，形成了一道堅固的『人牆』並且會本能地產生向外反彈的力量。於是你越是想快速衝過去，越是被憤怒的人牆頂住，反而過不去了。」

（via Sciencedaily）

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