¿Qué tan rápido necesita moverse una bala de antimateria para perforar en lugar de explotar?

Hay un poco de matemática muy simple que te dice qué tan lejos puede penetrar algo un proyectil de antimateria, asumiendo que las cantidades masivas de energía liberada no están involucradas en esa penetración.

A medida que la bala atraviesa el objetivo, se aniquilará con la materia del objetivo en una proporción de 1:1. Lo que significa que la bala no puede hacer contacto con más que su propia masa de materia objetivo antes de convertirse por completo en energía. (Mucha, mucha, mucha energía).

Una esfera de 7 mm tiene un volumen de ~0,18 cm ³ . Ya que está haciendo balas sólidas con esto, supongamos que de alguna manera ha logrado producir, contener y disparar anti-plomo. La densidad del plomo es de 11,34 g/cm ³ , por lo que tiene 2 gramos del material. Por lo tanto, su bala se consumirá por completo con 2 gramos de materia.

Estás preguntando qué tan rápido se puede disparar el proyectil para penetrar, pero hay un problema con eso. Debes disparar la bala lo suficientemente rápido para que la reacción de aniquilación en el punto de impacto no desvíe la mayor parte de la bala de la superficie del objetivo (algo así como una gota de agua que se desliza por una superficie caliente). Sin embargo, por encima de cierta velocidad (básicamente la velocidad del sonido en el material), la materia en el objetivo físicamente no puede moverse fuera del camino de la bala, lo que significa que la bala al menos hará contacto con el cilindro (o más como el cono) de materia en su camino; no puede "acuñar" una grieta en el material y penetrar de esa manera.

Básicamente, esto se reduce a esto: si hay más de 2 gramos de materia en su camino directo, entonces no puede penetrar sin importar qué tan rápido se mueva. Un cilindro de 7 mm por 1 m mide ~38,5 cm ³ . 2 g/38,5 cm ³ es 0,053 g/cm ³ , que es menos denso que la espuma de poliestireno.

Por otro lado, la aniquilación de 2 g de antimateria con 2 g de materia liberará una pizca de 86 kilotones de energía, por lo que es casi seguro que su objetivo solo se vaporizará, momento en el que la cuestión de "penetrar" se convierte en más bien discutible.

En primer lugar, creo que debemos aclarar un poco la ciencia.

La antimateria no "explota" cuando entra en contacto con la materia: se aniquila mutuamente tanto a sí misma como a la materia con la que entra en contacto en cantidades iguales de masa, convirtiéndose en energía pura.

Esto significa que, en esencia, la bala de antimateria es mucho más eficiente en la creación de energía que un reactor de fisión, y probablemente igual de letal dado que la mayor parte de esa energía probablemente se liberaría como radiación gamma (esto se basa en la teoría actual: tienen poca experiencia práctica en la creación de explosiones de antimateria).

La fórmula E=mc ² nos dice que por cada gramo de antimateria en la bala, lo multiplicamos por el doble de la velocidad de la luz al cuadrado (porque la antimateria es solo la mitad de la masa aniquilada) para obtener un valor de liberación de energía.

Esto también está en línea con la forma en que funcionan las explosiones termonucleares en el sentido de que una bomba nuclear realmente no "explota", ya que libera una cantidad masiva de energía en forma de calor. De hecho, la fisión simplemente rompe átomos de moléculas grandes y complejas en átomos más pequeños, lo que da como resultado una disminución menor en la masa total, y el resto de la masa se convierte en energía térmica que se libera en el proceso. Lo que produce las ondas expansivas y la 'explosión' es que el calor aumenta la presión atmosférica y esta forma de liberación repentina e incontrolada de calor da como resultado un aumento repentino y masivo de la presión atmosférica, sin mencionar la creación de plasma a partir de la masa existente alrededor. la explosión - en general, es un mal resultado.

Sin embargo, en el caso de su bala de antimateria, la bala no solo creará fisión: sus moléculas literalmente dejarán de existir cuando reaccionan con una contraparte de materia normal. Toda la molécula AM y la molécula con la que reacciona se convierten en energía pura. Con la fisión, no se pierden protones, electrones o neutrones reales como tales, sino que se reconfiguran en un estado de menor energía a medida que las moléculas complejas se convierten en múltiples más simples. en el caso de la antimateria, el efecto sería mucho más devastador porque la masa se está convirtiendo literalmente en energía.

Como tal, la bala AM no es un arma cinética per se; en otras palabras, no puedes simplemente afilarlo y dispararlo a una velocidad realmente alta (incluso a velocidades relativistas) para que evite parte de la armadura y aniquile la masa detrás de él. La antimateria simplemente no funciona de esa manera.

Edite, es importante tener en cuenta que parte de la energía que se libera realmente empujará la bala hacia atrás o empujará otras moléculas fuera del camino hasta cierto punto. Dicho esto, cuanta más velocidad pongas en la bala, más será aniquilada porque la radiación gamma liberada tiene que contrarrestar un mayor impulso inicial. Los fragmentos que puedan atravesar lo harían solo porque estarían montados en una onda de proa de radiación gamma y plasma, pero ya no será una bala en ninguno de los dos casos.

La buena (?) noticia es que con una masa de (digamos) 10 gramos formando el "caparazón" de 7 mm cuando golpea la armadura, la liberación de energía será tan masiva que es poco probable que la armadura sea lo suficientemente fuerte o robusta para como para resistir el ataque repentino de la radiación gamma, lo que significa que todas las personas detrás de él probablemente estén muertas por la radiación generada, incluso si no se queman debido a la liberación de calor, lo que probablemente harían .

La respuesta corta es que no puede hacer que su bala AM se vea como una bala después de pasar a través de la masa muy rápido. El contacto es todo lo que se requiere para desencadenar la reacción y, como tal, estallarán con el primer contacto con CUALQUIER masa regular. No son armas cinéticas, y no puedes pensar en ellas como tales. Son armas de liberación de energía con un gatillo de contacto.

Hay un xkcd muy relevante. ¿Y si? en este. Por supuesto, el proyectil no está hecho de antimateria y es un poco más grande que tu bala. Sin embargo, analiza las velocidades a las que "los átomos literalmente se cruzan entre sí". Eso está en la sección sobre el 99% de la velocidad de la luz.

También menciona que los átomos de aire penetran aproximadamente tres metros en un cuerpo a esa velocidad. Obviamente, los proyectiles de antimateria se detendrían antes, porque se desintegran en la primera colisión real. Pero, como mencioné, a estas velocidades los átomos se mueven uno a través del otro. Cuanto mayor es la velocidad, más pueden penetrar las partículas de antimateria en la materia antes de que logren aniquilarse con una de las partículas que atraviesan.

Entonces, la respuesta es: necesita que su proyectil de antimateria sea significativamente más rápido que el 99% de la velocidad de la luz . Esto permitirá que algunas de las partículas de la bala (no átomos completos, solo positrones, antiprotones y antineutrones individuales) atraviesen el objetivo y continúen su viaje sin obstáculos.

Tenga en cuenta que a estas velocidades las partículas pesan más de diez veces su masa en reposo. La aniquilación de materia y antimateria no sería la principal fuente de energía. La energía cinética directa sería . Entonces, si quiere ir a lo seguro, puede conformarse con la materia ordinaria y atenerse a lo que se describe en el enlace que le di.

¿Cuál sería la velocidad mínima a la que debe moverse la bala para atravesar 1 metro de material y salir sin explotar por completo?

Depende de lo que quieras decir con "explotar por completo" o "parecerse a una bala" ;-)

TL; DR: no tiene suerte, a menos que cuente algunos antineutrones perdidos que salen del otro lado.

Básicamente, no hay velocidad a la que una bala de 7 mm de largo hecha de cualquier tipo de materia normal (anti o de otro tipo) pueda penetrar un bloque de 1 m de espesor de materia normal. El camino libre medio es demasiado corto... cada átomo entrante interactuará con un átomo del material objetivo en muy poco tiempo, ya sea provocando desviación y calentamiento (para materia normal) o aniquilación parcial o total (para antimateria).

La aproximación newtoniana para la penetración del impacto es$d \approx l_p \frac{\rho_p}{\rho_t}$dónde$d$es la profundidad de penetración,$l_p$es la longitud del penetrador, y$\rho_p$y$\rho_t$son las densidades del penetrador y del objetivo respectivamente. Esto debería darle una idea aproximada de qué tan profundo podría penetrar un proyectil de antimateria... en realidad, otros efectos lo destruirían mucho antes de que alcanzara esa profundidad, pero servirá como punto de partida. Como puede ver, incluso si su bala estuviera hecha de anti-tungsteno y el objetivo estuviera hecho de agua, es posible que no pueda penetrar más allá de unos 14 cm.

Esta es la razón por la que los proyectiles penetrantes de blindaje del mundo real son largos y delgados, como este proyectil antitanque APFSDS :

Si disparó su bala a velocidades relativistas (digamos, el 90% de la velocidad de la luz o más), es posible que parte de la ronda entrante salga por el otro lado, tal vez en forma de algunos antineutrones perdidos, pero yo Supongo que eso no es realmente lo que querías. Además, si tienes un arma relativista, también puedes disparar materia regular, porque todo el empuje está en la energía cinética, y la contribución de la masa-energía en una bala de antimateria rápidamente se volvería insignificante y ciertamente no vale la pena molestarse.

Ahora, también debe tener en cuenta que su penetrador cinético de antiuranio empobrecido tampoco podrá perforar grandes trozos de materia y salir intacto. El problema que tendrás es que al contacto con el objetivo, comenzará la aniquilación. Es casi seguro que esto no hará que la bala salga disparada del objetivo.

Lo que obtendrá es un chorro de rayos gamma de aniquilación de electrones y positrones (511 keV), rayos gamma rápidos de alta energía de la aniquilación de nucleones (energía MeV), algunos piones neutros de muy corto alcance que decaerán casi inmediatamente en más rayos gamma (dos cada uno). , con un total de >135MeV) y un montón de piones cargados que viajarán distancias cortas antes de interactuar con la materia regular y detenerse, y luego decaer produciendo más rayos gamma o causando ionización y calentamiento. Los rayos gamma son muy penetrantes. Esto significa que viajarán de alguna manera tanto a través del objetivo como del penetrador antes de interactuar con él, generalmente provocando ionización y calentamiento. Por lo tanto, una gran parte del objetivo y la mayor parte del penetrador se calentarán bastante y explotarán. Esto producirá una nube de ambiplasma denso y caliente que luego terminará de aniquilarse en un tiempo relativamente corto.

Por lo tanto, la mayor parte del impactador se aniquilará y la mayor parte de la energía se liberará en un volumen bastante amplio de materia alrededor del punto de impacto. Una pequeña parte de la parte posterior del impactador saldrá volando, sin aniquilarse.

El mensaje para llevar a casa debería ser "no uses antimateria si quieres rondas perforantes".

Lo más cercano que podemos llegar a una respuesta numérica a esta pregunta sería:

¿Qué tan rápido tendría que ir la bala AM, de modo que si golpea una pared con más masa que ella misma, entonces cada positrón y antiprotón es aniquilado en lugar de ser expulsado por la fuerza de la energía liberada por las aniquilaciones que ocurren frente a ella?

Probablemente podemos suponer que la energía liberada se expandirá en un estallido relativamente esférico de radiación gamma y de rayos X. (Juego de palabras con relatividad intencionado, ya que estamos trabajando en radiación EM de alta energía). Afortunadamente, dado que las cosas están sucediendo a velocidades relativistas Y gran parte de la energía viaja a la velocidad de la luz por definición, esto significa que no necesitamos preocuparse mucho por los marcos de referencia. La energía se expande como una esfera, ya sea que tu marco de referencia sea la bala o el barco... Y si eres cualquiera de los dos, tampoco tendrás que preocuparte por los marcos de referencia después del impacto.

Entonces, en el momento de la aniquilación de cada partícula, aproximadamente la mitad de la energía está trabajando para apartar la nave de su camino, y la otra mitad de la energía está trabajando para reducir la velocidad de la bala.

Para calcular cuánta energía cinética necesitamos, tomamos los 86 kilotones ("prestados" de la excelente respuesta de Salda) de energía explosiva, los cortamos a la mitad y los convertimos en julios. En menos de lo que le toma a un ser humano pensar, habrá 179,912,000,000,000 julios entregados en la bala que tendremos que superar.

Con 2 gramos, si no existiera la relatividad, nuestra bala tendría que viajar a ~360 000 000 000 000 000 m/s, o alrededor de mil millones de veces la velocidad de la luz.

Afortunadamente con la relatividad, no necesitamos ir tan rápido (pero SÍ necesitamos inyectar tanta energía en nuestra bala 2g). Simplemente necesitamos acelerar nuestra bala al 99,999999999% de la velocidad de la luz, o algo así.

Tenga en cuenta que todos estos son tipos de cálculos de vaca esférica en un plano infinito y sin fricción. Si hay menos de 2 g de materia en el camino de una bala AM, esta es la velocidad a la que tendrá que ir para garantizar que algunas partes lo atraviesen. No se parecerá a una bala, pero serán fragmentos de antimateria que seguirán yendo en la dirección correcta.

Si la nave objetivo tiene menos protección, no tienes que reducir tanto la velocidad, por supuesto... Es decir, si solo habrá 1 g de materia frente a tu bala de antimateria, solo necesitarás ir la mitad de rápido, alrededor del 99,999999995 % de c (es decir, solo tendrás que poner la mitad de la energía cinética detrás de la bala, que debido a la naturaleza de la relatividad, solo parece un cambio muy pequeño en la fracción de la velocidad de luz que viaja nuestra bala, a pesar de ser bastante significativa.)

Independientemente de si su bala es antimateria o no, no penetrará a 1 m.

Tu bala mide 7 mm de largo. Tendrá una densidad similar a la armadura del objetivo. Así que la ley de profundidad de impacto de Newton nos dice que penetrará unos 14 mm.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Impacto_profundidad

Las otras respuestas fueron largas y prolijas, así que si esto ya está cubierto, mis disculpas.

La razón por la que las balas hechas de materia ordinaria pueden penetrar la armadura (o cualquier obstáculo que no sea demasiado resistente) es porque el primer contacto entre la bala y el objetivo serán las fuerzas electrostáticas de los electrones de los átomos que componen tanto la bala como el objetivo. Los electrones se repelen entre sí (tanto que los átomos realmente nunca se tocan), y el impulso de la bala empuja el material del objetivo fuera del camino.

Con una bala de antimateria, no funcionará de esa manera. Los positrones de los antiátomos de la bala y los electrones de los átomos del objetivo se atraerán entre sí y se aniquilarán entre sí, y luego los antiprotones de la bala serán atraídos hacia los protones del objetivo. y la voluntad se aniquilará entre sí de manera similar (arrastrando los antineutrones y los neutrones a las festividades).

No habrá penetración a menos que el blindaje sea mucho más delgado que el diámetro de la bala, y sólo si el impulso de los antiátomos supervivientes no ha sido impedido por la violencia de la aniquilación de materia y antimateria.

Lo que parece estar buscando es la última bala perforante de alto explosivo, ¿correcto?

Si ese es el caso, en lugar de balas de antimateria, desea disparar microagujeros negros a una velocidad relativista.

Mira, todos los agujeros negros se evaporan e irradian energía en forma de radiación de Hawking. Cuanto más grande es el agujero negro, más lento irradia. Los pequeños agujeros negros son esencialmente bombas ridículamente poderosas, porque esa radiación aumenta como loca en los últimos microsegundos de la existencia del agujero negro. Cuanto más rápido irradia, más rápido se encoge, y cuanto más pequeño se vuelve, más rápido irradia.

Ahora combine esto con la dilatación del tiempo causada por viajar a una velocidad relativista. Si controla cuidadosamente la rapidez con la que lanza el agujero negro, puede cronometrar con mucha precisión cuándo se evapora por completo. Cuanto más rápido va, más dura desde tu punto de vista y el de tu objetivo.

Ninguna cantidad de armadura puede detener un agujero negro. Cada átomo de armadura que golpea el agujero negro simplemente cae en la singularidad.

Entonces, póngalo todo junto, y lo que tiene es un agujero negro que pesa tanto como un tren que perfora un agujero de unas pocas moléculas a través de la armadura del objetivo y detona en el interior con una energía similar al impacto que mató a los dinosaurios.

Intenta usar materia extraña. Háganos saber el resultado experimental.

La materia degenerada de neutrones (también conocida como neutronio) fue mi primera opción, pero no hay razón para esperar que sea estable fuera del intenso campo de gravedad de una estrella de neutrones.

Si la hipótesis de los extraños es cierta, podría ser posible. Dado que el extraño sería eléctricamente neutro, atravesará la materia, interactuando solo si logra golpear las partículas muy pequeñas en los átomos mismos.

Al ser eléctricamente neutro, interpenetra la materia en mucha mayor medida que la antimateria normal (Quizás, sb)

Sin embargo, como un objetivo de 1 metro de espesor requeriría perder aproximadamente 50-100 millones de núcleos atómicos para salir con contacto (los números reales dependen del material del objetivo), por lo que estadísticamente es muy poco probable.

Re: el Quizás anterior: sin duda, las propiedades de un strangelet de desconocido, y es muy probable que no pueda simplemente tratar esto como una colección estable de quarks que interactúan libremente, donde cada quark tiene que impactar una partícula. De hecho, para que existan los strangelets, probablemente estén muy unidos entre sí, lo que impide que esto funcione.

Entonces, aunque no espero que la extraña antimateria haga el trabajo, realmente no lo sabemos. Así que ejecuta el experimento y escribe tus resultados para su publicación.