Занимательная физика на войне

Почему пуля летит, а ружье остается на месте

Задавали ли вы себе подобный вопрос? Наверное, нет. А между тем, вопрос этот интересный. Ведь, пороховые газы в канале ствола стремятся расширяться во все стороны равномерно. Следовательно, давление[1] их на пулю (снаряд), на затвор и на стенки канала ствола равновелико, но в результате выстрела пуля летит на несколько километров, а ружье остается на том же месте, в руках стрелка.

Куда же девалось давление пороховых газов на затвор? Почему ружье не полетело назад с такой же силой, как и пуля?

Всякий, кто стрелял хоть раз из ружья, уверенно ответит на эти вопросы, так как он на себе испытал силу отдачи.

Правда, у мелкокалиберных ружей отдача очень мала, но там, ведь, и пуля летит недалеко.

У военной же винтовки отдача — не шуточная сила. Неопытный стрелок может даже опрокинуться при стрельбе стоя, с руки и без всякого упора (рис. 1).

Рис. 1. Неправильное положение стрелка при выстреле.

Знающий же стрелок умеет так стать (см. рис. 2), что сила его мышц легко справится с силой отдачи.

Рис. 2. Правильное положение стрелка при выстреле: пунктиром показано изменение положения туловища под влиянием силы отдачи.

Значит, давление пороховых газов на затвор, являясь причиной отдачи, стремится отбросить ружье назад, и лишь сила мышц стрелка удерживает ружье на месте. При этом, строго говоря, ружье не остается на месте при выстреле, а двигается сначала силой отдачи назад, а потом силой мышц стрелка вперед. Уяснив все это, не трудно понять, что ничем не сдерживаемое ружье, подвешенное, например, на нитках, полетело бы при выстреле назад.

Скорость полета ружья при выстреле

С какой скоростью вылетает из ружья пуля — не трудно узнать из специальных таблиц и справочника. А вот с какой скоростью летит (точнее, стремится лететь или полетело бы) при выстреле само ружье, об атом обычно не имеют представления даже самые опытные стрелки. А между тем, механика позволяет ответить на этот вопрос довольно точно.

Но прежде всего интересно узнать: не должно ли ружье лететь с той же скоростью, что и пуля, коль скоро силы, приводящие их в движение, равны?

Представьте себе, что вы стоите между двумя вагонетками (рис. 3) и с равной силой быстро отталкиваете их от себя.

Рис. 3. Если толкать вагонетки с равной силой, то тяжелая чуть сдвинется с места, а легкая покатится с большой скоростью.

Если вагонетки равного веса (точнее массы)[2], то они, конечно, покатятся с равной скоростью, но если одна груженая, а другая пустая, то очевидно тяжелая (большей массы) чуть сдвинется, а легкая быстро покатится.

Под действием равных сил скорости, приобретаемые телами, обратно пропорциональны их весам (массам).

Так утверждает механика и повседневный опыт.

Зная это, не трудно вычислить скорость полета ружья при выстреле.

Для примера возьмем нашу военную винтовку (обр. 1891 г.), она весит (со штыком, без патронов) от 4,5 кг, т. е. 4 500 г, и выбрасывает пулю весом 9,6 г со скоростью 880 метров в секунду. 4 500: 9,6 = ок. 468, значит, винтовка тяжелее пули в 468 раз. 880: 468 = ок. 1,8, значит, винтовка при выстреле летит назад со скоростью 1,8 метра в секунду. Скорость, как видите, небольшая — пешеход идет быстрее (до 2,5 в секунду). Поэтому легкую сравнительно винтовку при такой скорости отдачи нетрудно удержать в руках. Однако все же, как отмечено уже выше, держать винтовку при стрельбе надо умело. Кроме того, что стать нужно вертикально и расставив ноги (см. рис. 2), очень важно плотно прижать приклад к плечу. В противном случае приклад, ударив в плечо, может причинить боль, а в худшем случае даже и повреждение. Не надо забывать также, что плотно прижимая приклад к плечу, мы этим самым как бы увеличиваем массу винтовки, добавляя к ней массу тела стрелка.

Удержать орудие при выстреле

Если довольно просто удержать при выстреле винтовку, то для артиллерийских орудий дело резко меняется.

Там обычно скорость отката много больше, чем для винтовки, и с этой скоростью двигается большая масса.

Сравнение с вагонетками поможет нам уяснить вопрос и здесь. Положим, по рельсам катятся с одинаковой скоростью пустая и груженая вагонетки. Первую, при небольшой скорости, шутя остановит один человек, а вторую, даже и при небольшой скорости, едва ли остановят двое. А если груженая вагонетка двигается с большой скоростью, то силой людей и вовсе не остановить ее[3].

Так и с орудиями. Для примера, возьмем нашу 122-мм (48-линейную) гаубицу обр. 1910 г.[4] Это орудие весит 1331 кг и выбрасывает снаряд весом ок. 23 кг с начальной скоростью до 335 метров в секунду. Если бы откатывалось все орудие, то скорость отката оказалась бы равной ок. 5,7 метра в секунду (вычисление предлагаем проверить самостоятельно). С такой скоростью на состязаниях бегают лыжники. А тут с этой скоростью двигалась бы масса более тонны. Очевидно, удержать при этих условиях откатывающееся орудие силою людей невозможно.

Лет 30 тому назад, когда технике неизвестны были легкие и прочные тормозы, стрельба из орудий была весьма медленна. При каждом выстреле орудие катилось назад на несколько метров, и его приходилось «накатывать» на свое место вручную.

Но с тех пор техника далеко ушла вперед, и теперь у всех почти орудий подвижным делают только ствол (рис. 4).

Рис. 4. Устройство современного артиллерийского орудия. Вид орудия при полном откате: 1) ствол; 2) тормоз; 3) сошник.

Для этого ствол кладут на особые «салазки» и связывают его с гидравлическим[5] тормозом, а станок неподвижно укрепляют на земле с помощью «сошника» (большая лопата). Гидравлический тормоз состоит из стального цилиндра (см. рис. 5), наполненного жидкостью (масло или глицерин с водой), внутри которого находится поршень с узкими отверстиями.

Рис 5. Схема гидравлического тормоза: 1) ствол; 2) цилиндр тормоза; 3) поршень с каналами для прохода масла.

Обычно вместе со стволом при откате двигается цилиндр тормоза, поршень же скреплен с неподвижной частью станка и поэтому остается на месте. Сжатая откатом жидкость с громадной скоростью пробрызгивается сквозь узкие отверстия поршня и трением своим тормозит откат.

Накатывают ствол автоматически, силою пружин или сжатого воздуха.

Так как взятая нами выше для примера гаубица имеет именно такое устройство, решение задачи на скорость отката ее требует иного подхода. Откатывающийся ствол этого орудия весит 426 кг, значит, скорость его отката, примерно, в 3 раза больше, чем вычисленная нами для всего орудия, а именно 18,6 метра в секунду. Это быстрее скаковой лошади и близко к скорости пассажирского поезда. Очевидно, тормоз тут должен быть прочный и надежный, иначе ствол полетит назад с такой силой, что поломает все орудие и искалечит обслуживающих его людей. Случаи срыва стволов при выстреле бывали и всегда заканчивались катастрофой.

Пушки без отката

Мы видели, что сила отдачи у артиллерийских орудий весьма значительна. Удержать орудие на месте невозможно, а чтобы удержать станок орудия, нужны тормозы и врытый в землю сошник.

Ну, а как же быть на воздушном корабле? Ведь, там сошник врыть некуда, да и корабль так неустойчив, что может перевернуться при выстреле. Отдача делает невозможным вооружение воздушных кораблей пушками. Но так как на войне очень важно было бы поставить на аэроплане орудие, явился ряд проектов пушек без отката.

На первый взгляд задача кажется нерешимой. Как можно избавиться от отката, раз отдача — неизбежное явление при выстреле? Оказывается, можно избавиться не только от отката, но и от отдачи.

Один из таких остроумных проектов осуществлен на практике[6].

Изобретатель решил вопрос очень просто. Пушка его (рис. 6) стреляет сразу в две стороны!

Рис. 6. Общий вид пушки без отката; 1) ствол для боевого снаряда; 2) ствол для фальшивого снаряда. Пушка открыта для заряжания.

У пушки как бы два ствола, составляющиеся вместе. В каждый из них вкладывают снаряд и заряд; но так как заряды соприкасаются, можно считать их за один. При выстреле пороховые газы выбрасывают оба снаряда, и, значит, естественно, отдачи нет. Чтобы второй снаряд не причинил вреда своим войскам его делают из мелкой дроби, спрессованной, вязкой массой (вазелин). Немедленно по вылете из канала ствола этот «фальшивый» снаряд разлетается (распыляется). Очевидно, на воздушном корабле установка такого орудия вполне возможна (рис. 7).

Рис. 7. Пушка без отката на аэроплане. Поверх ствола пушки прикреплен пулемет.

Неудобства ее лишь в большом сравнительно весе зарядов и снарядов, которых нужно иметь двойное количество (фальшивые снаряды имеют тот же вес, что и настоящие). Зато общий вес пушки чрезвычайно мал по сравнению с обычными орудиями на станках с противооткатными приспособлениями.

Кто дальше бросит камень

Пробовали ли вы бросать камни или литой мяч для лапты? Если пробовали, то наверное заметили, что один раз камень (мяч) летит дальше, а другой раз ближе. Также заметили вы, вероятно, что некоторые из ваших друзей бросают почти всегда дальше вас, а другие ближе. Отчего это зависит? В чем секрет уменья бросать камни дальше других? На этот вопрос физика дает исчерпывающий ответ. Вот на рис. 8 показано, как летит камень.

Рис. 8. Искусство бросать камни: полет камня в безвоздушном пространстве при скорости броска 50 м в секунду.

Вы видите, что он описывает в воздухе дугу, которую, как и всякую линию движения тела, называют «траекторией». Если бы не было силы тяжести, т. е. камень не притягивался бы к земле, он полетел бы прямо по направлению броска. Но так как камень все время притягивается к земле, он не только летит вперед, но одновременно падает. Скорость его падения всегда одинакова и не зависит ни от уменья бросать, ни от веса камня. В первую секунду камень, падая, опустится вниз на 5 метров[7], во вторую секунду еще на 15 метров, в третью еще на 25 м и т. д. Значит, за первую секунду полета камень «упадет» на 5 метров, за вторую секунду на 20 метров (5+15), за третью — на 45 метров (20 + 25) и т. д. (см. рис. 8). Вот теперь и сравним, как далеко упадут камни, брошенные с разной силой и под разными углами к горизонту. Если сила броска будет больше, то, значит, и скорость, с какой он будет двигаться, также окажется больше. Влияние воздуха на летящий камень мы пока в расчет не будем принимать. Из. рисунков 8 и 9 ясно видно, что быстрее летящий камень, пролетая каждую секунду большее расстояние, упадет дальше, чем брошенный под тем же углом, но с меньшей скоростью.

Рис. 9. Полет камня в безвоздушном пространстве при скорости 25 м в секунду.

А теперь положим, что камни брошены с равной, скоростью, но под разными углами к горизонту (рис. 10).

Рис. 10. Полет камня в безвоздушном пространстве при различных углах бросания.

Тут, очевидно, дело не так просто. Камень, брошенный прямо вверх, т. е. под углом 90°, упадет на то же место, значит, дальность его полета — ноль. Камни, брошенные близко к этому углу, очевидно, далеко не полетят. Выходит, что есть какой-то угол бросания — больше 0°, но меньше 90°. Опыт и теория показывают, что таким углом в безвоздушном пространстве является угол, равный 45°. В воздухе наивыгоднейший угол броска получается несколько меньше, ок. 42–43°.

Итак, дальше упадет тот камень, который брошен с большей силой (а значит, и с большей скоростью) и направление броска которого ближе к 42–43°.

Проверьте это в поле, подобрав камни равного веса и, примерно, одинаковой формы, и вы убедитесь в правильности этого вывода. Это же правило вполне применимо к пулям и снарядам. Поэтому, чтобы дальше бросить пулю или снаряд, стараются сообщить им побольше начальную скорость, что достигается увеличением заряда пороха. Увеличивают также и угол бросания, но здесь чисто военные причины заставляют часто отказываться от наивыгоднейшего угла. Для примера отметим хотя бы необходимость пробить вертикальную стенку. Если снаряд будет брошен под большим углом, он упадет сверху и стенку не пробьет. А если его бросить «настильно», т. е. под малым углом, то при достаточной силе удара стенка окажется пробитой.

Интересно отметить, каких пределов достигла здесь военная техника. Очевидно, наивыгоднейший угол бросания изменить нельзя, поэтому тут как раньше, так и теперь у дальнобойных орудий, в зависимости от назначения их, стремятся лишь приблизиться к этому углу наклона. Что же касается силы броска, от которой зависит скорость полета снарядов, то с каждым годом техника дает нам новые достижения в этой области. Двадцать лет тому назад скорость полета снарядов не превышала 800 метров в секунду. Теперь же ряд орудий дает начальную скорость снарядов значительно больше 1 000 метров в секунду, и у некоторых образцов она достигает 1 500—1 700 метров в секунду! Чтобы понять как велики эти скорости, сравним их со скоростями других известных нам движений (рис. 11).

Рис. 11. В одну секунду проходят…

Однако не следует думать, что достижения здесь беспредельны. Уже сейчас для получения таких громадных скоростей в орудия кладут заряды пороха до 200 кг. Взрыв таких количеств пороха требует громадной прочности стволов, что достигается их утолщением.

Но опыт показал, что тут тоже есть предел, дальше которого утолщение ствола не повышает уже его прочность. Этим пока и ограничены дальнейшие увеличения скоростей полета снарядов, а значит, и дальности их броска.

Мешает ли воздух двигаться

При медленных движениях (пешеход, экипаж) присутствие воздуха почти незаметно, и влияние его на скорость движения тел ничтожно. При всяком же быстром движении (велосипед, поезд, автомобиль, аэроплан) воздух уже заметно тормозит движение, так как вокруг двигающегося тела образуются препятствующие передвижению тел вихри. Вопрос этот приобрел особенно большое значение с развитием авиации, и в настоящее время изучению его уделяют большое внимание ученые всех стран.

Проверить опытом влияние воздуха на движение тел совсем нетрудно. Дайте падать двум одинаковым кускам картона с одной высоты, но в разных положениях: один плашмя, другой ребром. Даже при небольшой высоте заметно будет, что картон ребром упадет скорее, чем плашмя.

Другой пример: бросьте лист бумаги. Далеко ли он упадет? Теперь сожмите лист в комочек и снова бросьте. Он упадет гораздо дальше. Влияние воздуха в обоих опытах очевидно и зависит от площади и формы двигающихся тел.

Насколько все это имеет значение на практике, можно видеть из следующих примеров.

Круглая шрапнельная пуля, брошенная с аэроплана вниз, сначала, как все падающие тела, двигается ускоренно[8], но в некоторый момент своего падения скорость ее перестанет возрастать, и она будет падать равномерно. Это наступит тогда, когда сила тяжести окажется равной силе сопротивления воздуха. Сила тяжести остается во все время падения пули постоянной, а сопротивление воздуха увеличивается с увеличением скорости движения пули. Поэтому настает такой момент, когда силы эти сравняются. В результате, круглая пуля, брошенная с любой высоты, доходит до земли с небольшой сравнительно скоростью и благодаря этому почти безвредна. Ударившись о мягкую шапку, пуля обычно не в состоянии пробить даже ее толщину.

Другое дело, если с аэроплана бросить острую стрелу. Так как стрела легко разрезает воздух, сопротивление его окажется ничтожным, и скорость стрелы у земли может дойти до нескольких сотен метров в секунду. Это делает стрелы, брошенные с аэроплана, очень опасными, так как они способны пробить насквозь десяток дюймовых досок, а попадая в человека, пробивают его от плеча до пятки и зарываются еще в землю на несколько сантиметров. Все сказанное указывает на один из способов борьбы с сопротивлением воздуха. Способ этот заключается в придании двигающимся телам «удобообтекаемой» формы. Опытом установлено, что такой формой при небольших скоростях является форма капли воды (рис. 12).

Рис. 12. Сопротивление воздуха двигающимся в нем телам одинаковой толщины (одного диаметра), но разной формы: А — пластинка; Б — шар; В — тело удобообтекаемой формы. Слева показана величина сопротивления воздуха каждому из этих тел.

Изготавливая все быстродвигающиеся предметы, теперь и стараются придать им удобообтекаемую форму. Кузов автомобиля и аэроплана, очертание пули, аэропланной бомбы и снаряда (рис. 13) — все это имеет особый смысл и предназначено для уменьшения сопротивления воздуха.

Рис. 13. Пули и снаряды раньше и теперь: 1) круглое ядро; 2) старая пуля; 3) современная пуля; 4) современные снаряды; 5) снаряды и пули, предполагаемые к введению в будущем; А — ведущий поясок на снарядах.

Последнее время задумали заострять снаряды и пули не только спереди, но и сзади (см. рис. 13), но к окончательным выводам еще не пришли ввиду сложности вопроса выбрасывания таких снарядов из орудий.

Насколько большое значение имеет всё же сопротивление воздуха для пуль и снарядов, несмотря на заостренную их форму, видно из рис. 14, где показаны линии полета, какие были бы в безвоздушном пространстве и какие получаются в воздухе.

Рис. 14. Как летит острая пуля в воздухе и как летела бы она в пустоте.

В особенности заметно влияние воздуха для легкой сравнительно пули.

Дальность полета ее в воздухе в 22 раза меньше, чем была бы в безвоздушном пространстве! Но и тяжелые снаряды теряют на этом немало, стоит сравнить лишь начальную и конечную скорость полета их: обычно последняя в 3 или 4 раза меньше первой, Значит, не будь воздуха, снаряды летели бы в 3 или 4 раза дальше, чем они летят сейчас.

Кто выше всех поднимался над землей

Одни решат, что аэроплан, другие подумают о птицах, третьи вспомнят воздушный шар. Но все окажутся неправыми. Выше всех поднимаются над землей снаряды.

Вот на рис. 15 показаны предельные достижения подъема над землей человека, птицы и снарядов.

Рис. 15. Кто выше всех поднимался над землей.

Как видите, снаряды забираются много выше всех остальных участников в этом «состязании на высоту».

Зачем же понадобилось забрасывать снаряды так высоко? На это есть, конечно, свои причины.

Во-первых, желая особенно далеко забросить снаряд, приходится, естественно, высоко поднимать его траекторию. А, во-вторых, здесь скрыт секрет «сверхдальней» стрельбы: второй способ борьбы с влиянием воздуха на полет снаряда.

Совершенно очевидно, чем воздух плотнее, тем большее сопротивление оказывает он летящему снаряду. Но, ведь, воздух имеет неодинаковую плотность на разной высоте. Чем выше, тем воздух реже, и на больших высотах плотность воздуха ничтожна. Считают, что на высоте в 17 км воздух имеет плотность в 100 раз меньшую, чем у поверхности земли, а еще выше плотность воздуха такова, что практически с ней можно не считаться и пространство считать безвоздушным.

Вот и подумайте, какую выгоду имеет снаряд, летящий большую часть своего пути в таком редком воздухе. Сопротивление воздуха полету снаряда на этом участке его пути вовсе не будет иметь места, а значит, и скорость его будет оставаться почти постоянной. В результате это приводит к дальностям стрельбы более 100 километров.

Что это не мечта, а действительность, доказывает обстрел немцами Парижа в мировую войну.

Волчок и пуля

Поставьте любой волчок на пол, и он тотчас упадет. А если волчок быстро вращается, он прочно стоит не только на плоскости но и на бечевке, на краю стакана и т. п. (рис. 16).

Рис. 16. Особый волчок — гироскоп. Благодаря быстрому вращению сохраняет устойчивость в любом положении.

Последнее возможно, правда, не для всякого волчка, а лишь для имеющих особое устройство; их называют «гироскоп».

Факт устойчивости волчка, благодаря вращению, явление не только интересное, но и полезное. Благодаря большим тяжелым гироскопам возможна однорельсовая железная дорога, вагоны которой сохраняют полную устойчивость, несмотря на наличие лишь двух колес. Гироскопы позволяют на аэропланах в любой момент узнать наклон свой к горизонту. Гироскопы находят себе все большее и большее применение в технике.

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.