Занимательная физика на войне - Внуков Владимир Павлович
Тот же принцип сохранения устойчивости, благодаря быстрому вращению, применяют и для пуль и снарядов. Выше мы отмечали уже, что современные снаряды имеют форму заостренных цилиндров (см. рис. 13), чтобы уменьшить сопротивление воздуха в полете.
Представьте себе, как полетел бы такой снаряд, если бы он не вращался? Очевидно, столкнувшись с воздухом, снаряд начал бы закидываться головной частью назад и скоро перевернулся бы, продолжая и дальше кувыркаться во все время полета. Кувыркаясь, снаряд встречал бы воздух то боками, то дном, что вызвало бы, конечно, большое увеличение сопротивления воздуха. В результате весь смысл придания снаряду удлиненной формы пропал бы, и снаряды падали бы ближе, чем старые круглые ядра.
Чтобы этого не случилось, снарядам еще в канале ствола сообщают, кроме поступательного, также и вращательное движение. Для этого в стволе делают «нарезы» — винтообразные желобки (рис. 17 и 18), а на снарядах — медные «ведущие пояски» (см. рис. 13).[9]
Рис. 17. Нарезы в канале ствола: 1) нарез; 2) поле.
Рис. 18. Нарезы в канале ствола: 1) нарез; 2) поле.
В момент выстрела ведущий поясок, более мягкий, чем сталь ствола, врезается в нарезы и, следуя дальше вдоль канала ствола заставляет снаряд вращаться.
На пулях поясков не делают, так как оболочка их (обычно мельхиоровая) мягче стали и, чуть-чуть врезаясь в нарезы, заставляет уже пулю следовать по ним.
Вращение снарядов и пуль делает их вполне устойчивыми в полете, и они, не кувыркаясь, достигают цели всегда головкой вперед.
Еще одно состязание в скорости
Вращательное движение тел можно наблюдать и в природе и в технике. Вращается земля вокруг своей оси. Вращаются колеса всевозможных экипажей. С большой скоростью вращаются «маховые колеса» машин, пропеллер аэроплана, винты пароходов, колеса водяных и паровых турбин и т. д. Вращаются, как известно, и пули и снаряды.
Вот мы и предлагаем устроить состязание в скорости вращения всех известных нам тел и частей машин.
Выпишем сначала скорости, известные в науке и технике.
В одну секунду[10]делает оборотов:
1) Земной шар — 1/8 6400.
2) Винт пассажирского парохода — ок. 3.
3) Колесо водяной турбины — ок. 5–6.
4) Колесо велосипеда на ходу — ок. 6–8.
3) Колесо автомобиля — ок. 16.
6) Пропеллер аэроплана — до 20.
7) Колесо электропоезда ок. 25.
8) Электродвигатели — до 50.
9) Гироскопы — до 100.
10) Колесо паровой турбины — до 500 (обычно ок. 50).
Ну, а сколько же оборотов в секунду делают снаряды и пули? Сделаем расчет для снаряда знакомой уже нам 76-мм пушки. Из этой пушки снаряд вылетает со скоростью 588 метров в секунду, а один полный оборот снаряд делает, переместившись на 2,3 метра (длина «хода» винтовой нарезки пушки равна 2,3 метра).
Таким образом, в 1 секунду снаряд этой пушки сделает 256 оборотов (588: 2,3 = 256).
Результат, не выходящий за пределы нашей таблицы, и даже не так уж близок к ее рекордной цифре. Для других орудий обычное число оборотов снаряда в секунду бывает и еще меньше.
Опыт показал, что такая скорость вращения снарядов является вполне достаточной для придания им нужной устойчивости в полете (рис. 19).
Рис. 19. Снаряд в полете. При достаточных скоростях вращения ось снаряда совпадает с траекторией, и снаряд падает головкой вперед.
Совсем другое дело пули. Вес пули очень мал, и для устойчивости ее в полете нужна гораздо большая скорость вращения.
Поэтому для пуль скорость вращения намного больше, чем для снарядов.
Вот расчет: начальная скорость полета пули— 880 метров в секунду, один полный оборот пуля делает, перемещаясь на 18,5 см (приблизительно), следовательно, в секунду пуля сделает около 4 750 оборотов.
Более четырех тысяч оборотов в секунду! Эта скорость уже во много раз превышает скорость вращения самого скорого из двигателей — паровой турбины.
Итак, победителем на нашем состязании оказалась маленькая ружейная пуля. Военной технике принадлежит еще один из рекордов скоростей на земле.
Глава II. ОГНЕСТРЕЛЬНОЕ ОРУЖИЕ КАК ТЕПЛОВАЯ МАШИНА
Порох вместо бензина, снаряд в роли поршня
Машина, перерабатывающая тепловую энергию в механическую, называется тепловой машиной. Паровая поршневая машина, паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания — все это тепловые машины, которые за счет энергии топлива дают механическую энергию движения. Во всякой тепловой машине, кроме турбины, главной частью являются цилиндр и поршень. В цилиндр вводят перегретый (значит, под большим давлением) пар или горючую смесь жидкого топлива с воздухом (бензин, нефть, газолин и т. п.). В первом случае пар, стремясь расшириться, будет толкать поршень, а во втором случае смесь топлива с воздухом, быстро сгорая (взрываясь), превратится в сильно нагретые газы, которые также, стремясь расшириться, толкнут поршень. Быстро следующие друг за дугой толчки заставляют поршень двигаться взад и вперед, что в свою очередь помощью особой передачи приводит в движение рабочий вал или колесо машины.
Казалось бы, все это не имеет ничего общего с устройством огнестрельного оружия. Там нет ни цилиндра, ни поршня, ни топлива… Да и какую же работу совершает пушка или ружье?
Но это только так кажется на первый взгляд. Разобравшись же подробнее, увидим, что пушка и тепловая машина очень похожи по принципу своего действия. Можно даже утверждать, что всякое огнестрельное оружие есть не что иное, как один из видов тепловой машины особого назначения.
Посмотрим, действительно ли это так. Вот на рис. 20 основные части огнестрельного оружия.
Рис. 20. Основные части огнестрельного оружия: 1) ствол; 2) снаряд; 3) заряд (порох); 4) затвор.
Ствол (стальная труба) заменяет цилиндр тепловой машины. Снаряд (твердый кусок стали или свинца), плотно пригнанный к стволу, мало чем отличается от поршня. А вместо нефти или бензина в ствол вкладывают быстро горючее топливо — заряд пороха. Бензин, сгорая, превращается в газы, и порох — тоже. В тепловой машине, газы, расширяясь, толкают поршень, и в орудии они же толкают снаряд. Разница лишь в том, что поршень связан (штоком) с валом, или колесом, а снаряд ничем не связан с орудием. Поэтому поршень через мгновенье вернется назад, снаряд же полетит далеко и никогда уже не попадет снова в орудие. Чтобы заставить пушку работать дальше, придется вложить в нее новый поршень — другой снаряд.
Но где же тут работа машины? Всякий двигатель даёт полезную работу: движет сам себя (паровоз, автомобиль, аэроплан), тащит с собой не мало груза, приводит в движение другие машины (электрическая станция, фабрика или завод), заставляет работать насосы, поднимает тяжести и т. д. и т. п. А пушка остается на месте или откатывается назад, что составляет вредную, а не полезную работу. Но зато с громадной скоростью движется снаряд — его движение и есть работа орудия. Чем тяжелее снаряд и чем быстрее он движется, тем больше работы совершает орудие.
Снаряд и автомобиль
Вот, для примера, представим себе работу грузового автомобиля и сравним ее с работой орудия.
Автомобиль весом, положим, в 10 тонн (вместе с грузом) стоит на месте. Чтобы заставить его двигаться, надо прежде всего преодолеть инерцию[11] автомобиля. Если бы мы захотели двинуть его сразу с большой скоростью, для преодоления инерции понадобилась бы очень большая аила. Но нам этого не нужно. Мы сначала чуть сдвинем автомобиль с места и лишь постепенно, за счет работы двигателя, будем сообщать ему все большую и большую скорость. И в то же время часть работы двигателя пойдет на преодоление трений колес о землю, осей колес о подшипники, трений всего кузова о воздух и т. п.
