2009/07/19

The anatomy of an explosion 爆炸的原理

這篇爆破特效文章翻譯自Ground Zero FX網站, 作者是Kieron Helsdon. 在3ds Max環境中要製作真實爆破的話 分成三部分:一為物體模型的碎裂 可透過Rayfire這類外掛來處理 免費的Maxscript如Fracture Voracronoi則是不錯的選擇; 其二是爆炸的煙塵效果 可由SitniSati AfterburnFumeFx來處理, 如果要更近一步處理碎片或是調整爆炸的效果 Particle Flow或是Cebas Thinkingparticles則必須導入.

不論是用哪套軟體 怎樣的外掛 能夠了解爆炸的原理多少對特效製作有幫助. 有個好的參考圖也會幫助特效師製作更具說服力的爆破效果, 以下中文翻譯跟各位分享:

----以下翻譯自Ground Zero FX網站----

這篇文章的目的是要讓讀者了解各種爆炸,為何發生 從而了解爆炸的架構與如何製作爆炸動畫。網路上有很多相關文章 本篇只專注在動畫的部份。為了要正確地製作爆破動畫 我們要先知道爆炸的物理本質。我們必須確認這是什麼類型的爆炸,它的燃料是什麼,由什麼觸發或啟動爆炸?這些答案將有助於我們了解爆炸時間序列會發生哪些細節。

爆炸的類型
爆炸分成自然產生的或人造的-簡單的定義就是突然的能量釋放。爆炸會突然增加物質 同時會增加大量的壓力 通常會有一個閃光與巨響,被稱為爆炸。爆炸會在區域產生壓力震波。如果這些壓力波的速度達到超音波時 就會被稱為deflagrations。例如火藥或燃料內燃機爆炸。 Deflagrations會比引爆好的控制- 因為其目的是要將某物體快速移動(例如槍管中的子彈,或是引擎中的活塞),是由突然的空氣擴張所引發的。

自然界的爆炸
世界上最小的爆炸之一 就是液體之間的相互作用,用高速攝影就可以看到流體交互作用的細節。

這些照片是由Dave Palmer拍出來的。高品質的流體高速攝影。你可以在他網站上看到更照片。

自然界最大的爆炸就是火山引發的爆發。這包含火山爆發,噴泉,海底噴口和地震。間歇泉是溫泉爆發噴泉和定期的水蒸汽噴發。這是發生在密閉空間中當地下水加熱到沸點時。當壓力略降或溫度增加將導致一些水達到沸點,然後引發水蒸氣壓力自縫隙中噴發出來。這些減少的水更近一步地降低地下水的壓力 造成剩餘的水突然轉化成水蒸氣 而導致水在路面爆發開來。

岩漿則是從熔岩的開洞中被迫推擠出來的。爆炸發生火山噴發時,岩漿上升積累了大量的溶解氣體。當熔岩升起導致氣體自溶液中形成泡泡飄出來 因此使體積劇烈增加。普通人會以為火山噴射大量的煙霧及火焰,事實上這些煙是由很細微的煙塵所構成 摻雜了硫磺的蒸氣。那些好像是火焰的東西其實是噴發物質的高溫所引起的眩光感。這個炫光在煙塵中散射看起就像火一般。

當岩漿流到海水中時會發生蒸氣爆炸。

熔岩有三種形態; ' A'a ,枕頭狀熔岩及Pahoehoe 。 ' A'a發音'啊,啊' (見下文)是夏威夷對熔岩流的稱呼 其表面粗糙且含有破碎的岩漿塊稱為熟料。在熟料的表面下面 其實暗藏了密度很高的核心 含有岩漿流 最活耀的核心。當岩漿在核心中移動 熟料也會在表面移動。
枕頭熔岩是由各類岩石在海底火山的熔岩噴出時形成地。它的形成長條狀的熔岩丘'枕頭 經由重複流出與擠壓高熱的玄武岩。光亮地殼在新擠出的熔岩周圍形成,構成一個擴大的枕頭岩石。壓力不斷累積,直到新的表殼斷裂,並像擠牙膏般擠出玄武岩,形成另一個枕頭。

Pahoehoe是夏威夷對玄武熔岩的稱呼 具有平滑,丘狀,或寙狀表面。Pahoehoe流通常會有一系列小型葉狀分支,自冷卻的殼中不斷分支開來。

更多關於火山和圖片訊息可到美國地質調查局網站查看

太陽耀斑是在太陽表面經常發生的爆炸現象。當太陽表面的大氣磁能量累積到一定程度突然釋放時 竟會產生太陽耀斑。以下圖片是用x光拍攝的照片。右邊顯示的白色是後耀斑環,是在太陽耀斑後的殘留熱環。這些耀斑的總量釋放能量相當於數以百萬計的100萬噸氫彈在同一瞬間爆炸。

宇宙其實還有更大的爆炸 稱為超新星爆炸,這屬於星級爆炸。

比上述還更大的爆炸是伽馬射線脈衝,這些是自令人難以置信的深太空所發出的爆炸,但其確切的發生原因性質仍然不確定。他們會短暫發出具有萬萬億個太陽那樣強度的亮光 目前幾乎肯定是由於恆星崩潰所產生的。該理論認為,因為它們折疊束的能量發射沿軸向星的自轉及如果梁目的是地球伽瑪射線爆發可以被記錄下來。最接近的記錄一個地球2.6億光年的距離,觀測這次爆炸支持領先的模式被稱為火球模型理論。這支撐源源不斷的物質和能量的賽車離港。更多關於伽馬射線脈衝這裡&這裡。

人工爆炸
最常見的人工爆炸是利用化學物質製作的爆炸物。這種東西在點燃燒後會以極迅速的速度產生大量氣體,這個熱氣非常迅速地礦大,產生壓力。爆炸物是依照它所引發的能量來分類的。引發爆炸的起始能量可能是震波 衝擊 或是摩擦,放電來引起主要的爆炸。化學炸藥也分類成為高爆炸藥和低炸藥,但某些爆裂物可能同時是高爆炸物與低爆炸物 端看它是如何被引爆的。

低炸藥是透過緩燃(deflagration)的方式引爆 而不是透過爆轟波 這類通常需要熱與封閉空間才能引發爆炸。高能炸藥會以超音速的速度爆炸而且不需要封閉空間,他們是由震波或是熱產生的炸藥震力(Brisance)來引發的。有了炸藥震力摧毀了它周遭的直接接觸物質。炸藥震力是一個用來決定爆炸效力的重要指標,例如砲彈碎片,砲彈外殼,手榴彈等
初級炸藥極為敏感,只需要少量的能源就能引發。它們的功能主要用於雷管發起二級爆炸。二級炸藥相對不敏感(穩定),需要大量的能源才能引爆。跟初級炸藥比起來 二級炸藥更不容易引爆 所以才需要初級炸藥的雷管設計,例如:炸藥, TNT炸藥,RDX, PETN, HMX,硝酸銨, tetryl ,picric acid,硝化棉, gelignite 。

這些引爆的東西對做爆炸特效的你極為重要,因為爆裂物是如何引爆的 他的物質 這會對你製作的動畫會有明顯的影響。請記住,一級爆炸與二級爆炸不是完全分開的,當一級爆炸發生後會引發二級爆炸 一級爆炸會引發它周遭的物質後觸動爆炸區域(物質)。

火藥爆炸是首次被發現的人工爆炸。歷史學家相信,早在2000年前的中國煉金術士偶然發現混合硫磺,木炭和硝石可以製造出硝煙。這混合物乾燥成片狀黑色粉末,當點燃時會產生巨大的火焰,它不如現代的火藥強大,因為這混合物中並沒有包含硝酸鉀,儘管如此這個發明仍能產生高熱與閃光。當把這粉末投入到竹桶中 煙火就產生了。

有趣的是,2000年前煙火中的只有火藥中的橘色,金屬粉末產生的白光這兩種顏色而已。但在19世紀,科學就已經發展到製作紅色,綠色,藍色,黃色的煙火 藉由添加金屬鹽(鍶=紅色,鋇=綠色,銅=藍色,鈉=黃色)和氯化粉末混合物產生的焰火。

其他重要的火藥發展史 例如1865年諾貝爾發明的硝化棉( guncotton ),後來被作為子彈推進劑。

當然1866年 諾貝爾發明了炸藥。炸藥基本上只是某種吸水材料(如木屑)浸泡在硝化甘油。吸收材料使硝酸甘油更穩定,通常你需要一個雷管引爆炸藥,雷管產生小爆炸,引發炸藥本身的更大的爆炸。

史上第一個最大爆炸發生在1917年12月6日的哈利法克斯港,新斯科舍省。這個爆炸發生是由於法國彈藥船與比利時貨輪相撞。相撞產生的火花引發了爆炸。法國船舶載超過2,700噸炸藥,包括TNT炸藥, guncotton ,與picric acid。該船漂向碼頭,那裡聚集了很多人群 法國水兵警告岸上人離開 但是沒有人聽的懂他們的警告,一旦發生火災就引發了大規模爆炸。當船舶爆發時火焰如高樓般竄起 瞬間消耗光方圓一英哩的空氣,窗戶破裂散開到一百公里以外的特魯羅,法國船的錨在五公里外被找到 大約在兩公里個裡的範圍內被移為平地 超過1500人死亡和9000人被玻璃碎片割傷。
爆炸的瞬間,港口的水底部可見。爆炸引發了巨大的波浪,並推向港岸。煙囪被摧毀,建築物從基部被扳起 木製房屋被徹底消滅。除了火焰,剪力把爐子炸垮,掉落在房子上。強大的熱氣引發了小龍捲風或颶風,造成更大的破壞。

彈藥
我們都知道槍是一種武器,以高速度發射對準目標。子彈是由火藥推進產生的拋射物 如果子彈本身又帶有火藥就是一種砲彈。

槍可分成三種。首先是手槍(用手射擊的槍) 。這裡有一些優秀的高速攝影拍攝的畫面(砲口閃光及殼牌彈射) 當在槍管中發燒爆炸時 推進子彈移動,爆炸產生的氣體將子彈推進 於是產生了閃光與煙霧排放。
第二類是步槍/卡賓槍。這些包括火槍,氣動槍,步槍,獵槍,半自動,衝鋒槍和機槍。每種槍都有它特殊的外觀與特性。他們之間的作用會很不同。你可以看這裡有不同的機槍構造。這裡有更多的槍的技術文章。
最後一類是砲。
砲是指大口徑的砲管 發射含有火藥的彈藥或火箭 。砲的體積和重量必須要有個專門的載具才有辦法操作 例如飛機 船艦或戰車。歷史上出現的砲請點這裡。槍和砲的主要差別在大小,一般來說口徑小於20mm的就稱為槍。
不同的砲口制動器會產生不同形狀的煙霧,由於受到不同的反作用力而有不同形狀。砲口制動器轉移推進氣體到槍管的背面或是上方。這種氣體的排放使槍管得以在發射時能穩定 減少槍管的翻動 讓使用者快速再次瞄準目標。口徑越是,砲口制動器就越重要。請注意,手槍不使用槍口制動器,他們使用補償器,具有類似的功能但會產生非常不同的閃光和和煙霧排放。

現代槍砲管越來越多是平滑的內管,而不是像手槍有膛線。膛槍並不如膛線槍穩定,但他們以更快的速度推動火箭而不會讓火箭磨損。
在衝擊的瞬間,導彈穿透牆並在兩面爆炸,大部分爆炸發生在正面,碎片粉末則是在另外一面。當你製作火箭動畫時 請注意它會穿透物體 產生一個洞口 然後穿過爆炸點。

上圖顯示兩種不同的反坦克導彈擊中的測試指標,請仔細看。標槍從右邊射入產生驚人的綠色閃光 在影片的前幾格中顯示了幾段干擾。另外還可以看到旋轉的油罐彈跳到前景中灑出液體。

現代坦克射擊發射兩種類型的砲彈 一者稱為稱為熱砲彈(高爆反坦克砲彈)及脫殼砲彈。熱砲彈使用大量炸藥的火力,而不是產生穿透裝甲的動能。脫殼砲彈沒有任何爆炸性的火力,但它具有穿透裝甲的剪力 就像弓箭的箭頭一般。脫殼彈提供彈道導彈優勢 因為直徑更小的彈丸將有更好的彈道係數。脫殼穿甲彈後面接了火炮 當點燃時子彈就在砲管中推進。火炮與脫殼穿甲彈之間黏的不是很緊,因此發射時他會很快脫離。

請注意上圖的炸彈,在不同的時間引爆,如果你要製作動畫 把時間錯位可以產生更自然生動的爆炸。

燃料空氣炸藥 將燃料噴發成雲狀 由雷管引發爆炸。快速擴大的壓力波前把周圍的雲層物體迅速壓扁,而破壞性也十分驚人。燃料空氣炸藥的主要破壞力是超高呀,可用來對付軟目標,如地雷區,裝甲車輛,停在掩體中的飛機。燃料空氣的設備在軍事方面的應用 其實也廣為使用在各行個業中,例如如果你把小麥塵埃噴發成雲狀,也可以很容易引發爆炸。更多資訊點這裡
衝擊波有兩種-衝擊波和推動波。爆炸性物質產生衝擊波,能以超音速噴發開來。驅動波是由一個物體不斷持續地產生(例如,太陽風) 。驅動波可以達到穩定態 連結到風中。在點然火炸藥時 迅速擴大的大量的空氣產生了衝擊波。高爆炸藥(如我們見下文)的衝擊波能達到超音速,這會讓空氣中的水份瞬間凝結。這會產生瞬間白雲與閃光 。這閃光時間很短暫 會由白色 變成黃色或是橘色。

如圖中所見 你可以看到凝結的震波碰觸到建築物的左下半部,由慢速度播放你可以看到在火球發生前 碎片的擾動。

你可以在這張圖看到更大的衝擊波,在Ivy King這個地方 由核裂變裝置引爆的炸彈。

你可以在這裡看到更多傳統流體力學的資訊。

原子彈
人類發明威力最強大的炸彈是核彈。 1939年,傳聞納粹已經研發出核彈,所以美國自己也開始投入研究計劃,這個計畫隸屬陸軍工程兵部隊 1942年6月 也就是所謂的曼哈頓計劃。
為了正確衡量爆炸強大 科學家必須要調整儀器。因此,在1945年5月7日 100噸的炸藥被引爆。這項試驗使用多達一百零八噸TNT炸藥堆放在木製平台上面。史上第一次核爆炸發生在新墨西哥州。該核子是被稱為小工具。
爆炸產生的衝擊波把120英里以外的窗戶給震碎,而在160英里以外都能感受到震波。爆炸造成的閃光在整個新墨西哥州和部分亞利桑那州,德克薩斯州和墨西哥都可以看到。在蘑菇雲在幾分鐘內上到38,000英尺。
你可以在圖中看到由核爆產生的巨大的空氣壓力變化,當震波界觸到假人 假人升到半空中 被往後扔。
這是一個典型的地下核爆炸,你可以清楚地看到衝擊波,對地面物質造成擾動。

裂變炸彈使用類似鈾-235的元素 來產生核爆,燃料必須存放在單獨的容器中,避免融合提前發生引發爆炸。這兩大物質必須要混合在一起才能形成超過零界點的物質作為引爆。要把這兩大物質群擺在一起需要一個技術叫做:槍觸發與
上圖是被成為小男孩的核彈 被用在投到日本廣島 以B – 29轟炸機Enola Gay所投射。他是槍觸發的裂變炸彈當大量的鈾經由管狀物發射到另外一大量的鈾引發巨量的爆炸力 相當於20000噸的TNT炸藥。
胖子炸彈則是第二個用在戰爭的核彈 於1945年投在日本長崎。他是屬於內爆式的核彈 使用钚元素。大量的钚被安置在空心球的中心 然後大量的雷管位於表面同時引爆。這會產生衝擊波,會壓縮核彈的核心 於是在一秒內開始發生壓縮裂變反應。

裂變炸彈是會爆炸的,但卻不是很有效率的運作。融合炸彈,也稱為熱核炸彈,會產生更多的千噸爆爆炸威力 也比裂變炸彈更有效率。Stanislaw Ulam認為,核裂變反應產生的輻射主要是X射線,這些X光會產生高溫和壓力作為融合的條件。其結果會產生巨大的爆炸,會是比廣島小男孩核彈的700倍以上的威力。它會產生有10,000千噸的威力。

史上最大的核彈是在1961年由俄羅斯製造的。被稱為Tsar Bomba(炸彈之王 ) 下圖是其原設要產生的100萬噸炸彈的威力。即使在是50兆噸的威力也是很壯觀地。
“儘管爆炸發生在4,000公尺高空( 13,000英尺) 那巨大火球仍接觸到地面,而膨脹上升至接近非飛機的高度。在爆炸所產生的壓力是300 PSI 是廣島核彈的六倍。引發的閃光非常明亮,即使天空多雲,遠在1000公里都能夠看到。一位參與測試的測試員 在距離270公里遠的地方 透過黑色閃光護目鏡仍然看到閃光 而且還能感受到熱脈衝。

一位攝影記者說:飛機下的雲彩被強烈的閃光照亮。大量的光線在機艙口擴散開來,甚至使雲彩開始發光,雲還變成透明的。在那一刻,我們的飛機從兩個雲層穿出 下面出現巨大的亮橙色的火球。火球很強大感覺像木星一樣傲慢。它靜靜地慢慢爬向上....突破了一層厚厚的雲層。它似乎要把整個地球都吸進去。這精彩的場面是,虛幻,超自然的。

另一位觀察員,在更遠的距離的地方,描述了他看到的畫面: ...一個強大的白光出現在地平線上 經過很久時間後,他聽到一個很遠的,沉重撞擊聲,聽起來就像整個地球被摧毀了!
有趣的是,核爆產生的蘑狀雲是很多變的,而不只是刻板香菇狀。

你可以在核武資料庫網頁看到更多有關核子武器。另一個有趣的網站是關於美國的核武器計劃的電影。

----翻譯完畢----

[更多資訊]
brandonriza.com (超棒的爆破特效參考影片! 強力推薦)



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