Занимательная физика на войне

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.

Через несколько минут автомобиль развил полную скорость. Теперь вся работа машины идет на преодоление трений и сопротивлений, если дорога горизонтальная. А если на пути окажется подъем, то скорость автомобиля уменьшится, и значительная часть работы двигателя пойдет на работу подъема веса.

Если в пути внезапно остановить двигатель автомобиля, но не тормозить колес, он остановится не скоро, так как по инерции будет стремиться двигаться с прежней скоростью. И так как мы взяли немалый вес (10 тонн), запас энергии движения окажется у нашего автомобиля весьма солидным. В зависимости от величины трений и сопротивления воздуха, автомобиль пройдет по инерции больше или меньше, но во всяком случае немалое расстояние.

Все дело здесь в энергии движения, поэтому ее надо уметь вычислять. Для этого прежде всего необходимо знать, как перейти от веса к массе. Обычно массу измеряют весовыми единицами, говоря «грамм-масса», «килограмм-масса». Но в технике такое измерение было бы очень неудобно, так как вызвало бы измерение скорости в сантиметрах в секунду и измерение работы в очень мелких единицах — в эргах. Поэтому установили особую, так называемую техническую единицу массы, которая в 10 раз[12] больше «килограмм-массы». Поэтому, чтобы узнать, чему равна масса тела в технических единицах, надо вес тела в килограммах разделить на 10. Для нашего примера получим: 10 тонн = 10 000 кг; 10 000 кг: 10 = 1 000 единиц-массы.

Теперь энергию движения узнаем, умножив массу на квадрат скорости и разделив полученный результат пополам.

Положим, что наш автомобиль двигался перед остановкой мотора со скоростью 36 км в час, т. е. 10 метров в секунду (36 000: 3 600 = 10). 10² (в квадрате = 10 X 10 = 100; 100 X 1 000 (масса) = 100 000; 100 000: 2 = 50 000 килограмм-метров — единица работы и энергии)[13].

Итак, во время движения полной скоростью наш автомобиль имеет запас энергии движения, равный 50 000 килограмм-метров. Такая энергия в состоянии была бы поднять 1 килограмм на высоту 50 000 метров, или 10 000 кг (10 тонн) на высоту 5 метров. Автомобиль сам себя мог бы этой энергией поднять на 5 метров вверх! Естественно поэтому, что по ровному горизонтальному пути он пробежит, быть может, не один километр без всякой работы двигателя.

Теперь перейдем к снарядам. Там картина несколько иная. Пороховые газы могут толкать снаряд только в то время, пока он не вылетел из ствола. Значит, постепенно нагонять его скорость нет времени. Надо сразу в очень короткий промежуток (около 0,01 секунды или даже еще меньше) сообщить ему очень большую скорость. Иначе снаряд не получит достаточной энергии движения, а значит, и не сможет далеко двигаться по инерции.

Вот поэтому и нельзя в пушках воспользоваться таким топливом, как бензин или нефть. Тут нужно в сотые доли секунды сжечь иногда несколько килограммов топлива. Таким быстро горящим топливом может быть только порох, горение которого настолько быстро, что его называют уже не горением, а взрывом[14].

Посмотрим, однако, какую же энергию движения имеет снаряд. Для примера возьмем одну из самых легких пушек нашу 76-мм (3-дюймовую) пушку[15]. Снаряд ее (шрапнель) весит 6,5 кг и вылетает он из ствола со скоростью ок. 580 метров в секунду (сравните со скоростью автомобиля в тот же промежуток времени). Масса снаряда равна 6,5: 10 = 0,65 технич. единиц массы. Квадрат скорости получим, умножив 580 само на себя: 580 X 580 = 336 400. Теперь, как известно, надо умножить квадрат скорости на массу и разделить результат пополам: 336 400 X 0,65:2 = 109 330 килограмм-метров.

Оказывается, энергия движения снаряда этой пушки более чем в 2 раза превосходит энергию движения большого грузовика на полном ходу. Естественно, что снаряд полетит много дальше, чем покатился бы автомобиль. Правда, снаряд, притягиваясь к земле, падает и, благодаря этому, не может лететь так далеко, как позволила бы ему его энергия движения. Поэтому для приведенной выше пушки дальность полета снаряда не превышает 8,5 км, но, ударяясь о землю, и в этом случае снаряд все еще имеет большую скорость (220 метров в сек.), а значит, и запас энергии движения (вычислите его сами). В силу этого снаряд, упав на землю, — зароется в нее, ударившись в стенку, — пробьет ее, попадая в орудие, — сломает его и т. п. Нечего говорить о той силе, с которой снаряд стремился бы разрушить преграду, если бы она встретилась в середине его пути.

Представим себе, что взятый нами для примера грузовик на полном ходу налетел на стену дома. А ведь, снаряд имеет в пути не меньшую энергию движения.

А что же, если взять крупнейшие орудия? Есть, например, береговая пушка, снаряд которой весит 620 кг при начальной скорости его около 1 000 метров в секунду. Тут уже энергия движения окажется в тысячи раз больше, чем для легкой пушки (36 000 000 кг-м). Такую энергию можно сравнить разве лишь с энергией скорого поезда из 6 вагонов, двигающегося со скоростью 100 км в час, причем энергия снаряда будет все же в 3 раза больше, чем энергия этого поезда. И только в пути, когда снаряд потеряет значительную долю своей энергии, она приблизится к энергии поезда. Удар такого снаряда подобен столкновению двух указанных выше поездов на полном ходу! Что при этом происходит, каждый может представить сам, если обладает достаточной фантазией.

Волховстрой и пушка

Ну уж это совсем что-то чудовищное! Пушка и автомобиль, снаряд и поезд — это еще куда ни шло. Но сравнивать пушку, бросающую снаряды, весящие около десятка килограммов, с величайшей в СССР электростанцией как-будто бы никак нельзя. Ведь, эта станция одна приводит в действие все фабрики и заводы Ленинграда и освещает громадный город! Мощность ее доходит до 67 000 лошадиных сил!

Однако не будем бояться цифр, попробуем все же… сравнить Волховстрой с обыкновенной, маленькой 76 — мм пушкой. Быть может, и не так уж разительна разница между ними.

Прежде всего вспомним, что такое мощность. Мощностью называют способность машины или живого двигателя (человека, лошади) производить работу в единицу времени. Одна машина, положим двигатель мотоцикла, каждую секунду может совершить 75 кг-м работы, другая, положим паровоз—75 000 кг-м. Очевидно, что вторая обладает в 1000 раз большей мощностью, т. е. за тот же промежуток времени исполнит в 1000 раз большую работу. За единицу мощности приняли мощность очень сильной лошади[16], которая дает в 1 секунду 75 кг-метров работы, — эту единицу мощности и называют лошадиной силой[17]. Есть еще и другая единица мощности — «киловатт», которая равна 1,3 лошадиной силы[18]. Этой единицей измеряют обычно мощность электрических установок.

Следовательно, указанная выше мощность Волховстроя (67 000 лош. сил) показывает, что эта станция в одну секунду способна дать около 5 000 000 кг-м работы.

Ну, а как пушка? Какова ее мощность?

После всего, что мы проделали выше, т. е. при условии знания производимой пушкой работы, достаточно узнать, сколько этой работы способна пушка совершить в единицу времени, и тогда узнаем ее мощность.

Пушка, о которой мы говорили раньше, т. е. 76-мм, пушка обр. 1902 г., способна выпустить в минуту, при полном напряжении всех обслуживающих ее людей и без всякого прицеливания, 20 снарядов. Иначе говоря, в течение минуты эта пушка может совершить максимум 2 186 600 кг-м (109 330 кг-м Х 20 = 2 186 600 кг-м).

В секунду это дает 2 186 600: 60 = 36 443 кг-м. Переходя к лошадиным силам, получим около 486 лош. сил.[19]Как-будто бы до Волховстроя далеко? Действительно, далеко. Да на самом деле так оно и есть. Пушка, конечно, не может совершать такую работу, как Волховстрой.

Но вот попробуем себе задать такую задачу: какую мощность должна бы иметь электростанция, чтобы выполнять работу пушки? Чего же проще. Ответ готов: мощностью в 486 лош. сил. Оказывается, не тут-то было. Такая установка не смогла бы бросить снаряд весом в 6,5 кг даже и на 0,5 километра…

В чем же секрет? Секрет весь в том промежутке времени, в течение которого пушка совершает свою работу.

В минуту можно выпустить не больше 20 снарядов лишь потому, что много времени идет на смену снарядов и зарядов, на открывание и закрывание затвора и т. п. Выстрел же происходит, как отмечалось уже выше (см. стр. 33), в сотые, а то и тысячные доли секунды. В частности для 76-мм пушки выстрел занимает, примерно, одну сотую секунды (0,01 сек.).

Вот тут уже уместно будет спросить себя: а сколько энергии выделяет Волховстрой в такой же промежуток времени? В секунду он совершает 5 000 000 кг-м, значит, в 0,01 сек. работа его равна 50 000 кг-м.

А пушка за это же время дает выстрел и сообщает снаряду 109 330 кг-м энергии, т. е. совершает 109 330 кг-м работы.

Теперь, оказывается, сравнение с Волховстроем было вполне уместно…

Чтобы бросать даже небольшие снаряды на 8 километров электроэнергией, понадобилась бы установка в 2 раза больше Волховстроя! По этой-то причине можно усомниться в возможности устройства выгодных электрических пушек.

Порох пока незаменим как источник энергии для огнестрельного оружия. Всякая другая известная нам энергия способна совершать работу, выделяясь непрерывно, но небольшими порциями, порох же в одно мгновение дает громадную энергию. Итак, пушка, конечно, не может заменить Волховстроя, но Волховстрой тоже не может заменить пушку в выполняемой ею работе.

Вывод неожиданный, но верный.

В заключение надо заметить, что для пороха мы считали не всю выделенную им энергию, а лишь полезную работу, совершаемую им. А так как электрическая пушка тоже не могла бы всю энергию использовать на выбрасывание снаряда (нагревание проводов, преодоление трений снаряда о ствол, придание ему вращения и т. п.), то очевидным становится еще меньшая возможность использования электрической энергии для стрельбы.

Введя все эти поправки, можно придти к выводу, что электростанция, мощностью в 3–4 раза больше Волховстроя, только-только смогла бы совершать работу подобную 76-мм пушке.

Может ли ружье обжечь

Всякий стрелявший быстро ответит — может.

После нескольких выстрелов ствол ружья становится заметно теплее, а после нескольких десятков выстрелов до него дотронешься и тотчас отдернешь руку.

Не даром всякое ружье имеет деревянное «ложе». Дерево плохой проводник тепла, поэтому, сколько ни стреляй, ложе сильно не нагреешь.

Откуда же берется теплота, нагревающая так сильно ствол?

Прежде всего, конечно, от горения (взрыва) пороха. Порох при взрыве выделяет очень много тепла в очень короткий промежуток времени, поэтому образовавшиеся при взрыве газы нагреваются до очень высокой температуры, в несколько тысяч градусов (от 2 000 до 3 500). Часть этого тепла превращается в механическую энергию (выбрасывание пули), значительная же часть (ок. 2/3) идет на нагревание ствола. Естественно поэтому, что ствол так сильно нагревается при стрельбе, что может обжечь неосторожного.

Однако для ружья (винтовки) это существенного значения не имеет, так как редко, когда подряд, без перерывов, приходится делать много выстрелов. Обычно стрелок, выпустив 10–15 патронов, передохнет. А в это время ствол остынет. Одним словом, у ружей на нагревание ствола их не вызывает особенных неудобств.

Совсем другое дело пулемет. Тут уж, благодаря автоматичности заряжания и стрельбы, выстрелы следуют один за другим с большой скоростью. Здесь уже ствол так сильно накаляется, что если его не сменять или не охлаждать искусственно, стрельба станет невозможной.

Некоторые пулеметы, например, системы Кольта (рис. 21), специально для более быстрого охлаждения имеют ствол особой ребристой формы.

Рис. 21. Пулемет системы Кольта: 1) ствол ребристой формы для уменьшения нагревания его при стрельбе.

Ребра на стволе, с одной стороны, увеличивают нагреваемую массу а, с а с другой стороны — они увеличивают площадь охлаждения.

Чем больше масса тела, тем меньше оно нагреется одним и тем же количеством теплоты.

А чем больше площадь охлаждения, т. е. поверхность, соприкасающаяся с воздухом, тем быстрее тело охладится.

Однако после нескольких сотен выстрелов и такой ствол накалится весьма значительно. И если его не сменить, ствол быстро испортится благодаря размягчению стали.

По всем этим причинам при пулемете Кольта есть всегда запасный ствол, заменить которым накалённый ствол можно в несколько секунд. Чтобы не обжечь при этом рук, пулеметчик надевает особые асбестовые[20] перчатки.

Самый скорый «самовар»

Необходимость смены стволов в пулемете Кольта делает их неудобными во многих случаях боя. Поэтому наиболее употребительны в войсках пулеметы системы Максима (рис. 22), имеющие водяное охлаждение ствола.

У таких пулеметов поверх ствола одевают особый «кожух» — полый железный цилиндр с отверстиями для наливания и выпуска воды и для выхода пара (см. рис. 22).

Рис. 22. Пулемет системы Максима: 1) ствол; 2) кожух; 3) отверстие для доливки воды; 4) отверстия для выпуска воды; 5) отверстие для выхода пара (на рисунке не видно).

Перед стрельбой кожух наполняют водой, которую наливают до тех пор, пока она не начнет вытекать из пароотводной трубки. При этих условиях воды в кожухе помещается около 4 кг.

Но вот пулемет стреляет. При каждом выстреле выделяется теплота. Вода в кожухе становится все теплее и теплее.

Но, ведь, мы знаем, что без конца воду нагревать нельзя. При 100° Ц вода закипит.

Когда же это случится? Через сколько времени? Сколько выстрелов успеет сделать пулемет, прежде чем закипит вода.

Все эти вопросы и интересы и важны. Ведь, если вода выкипит, надо будет ее долить, иначе пулемет можно испортить.

Решим же эту задачу, пользуясь знаниями, которые дает нам физика.

Прежде всего вычислим: сколько теплоты выделяется при каждом выстреле из пулемета? Заряд пороха в патроне пулемета весит 3,2 г. Теплотворная способность пороха равна 900, т. е. один килограмм пороха сгорая дает 900 бол. калорий[21] теплоты, а один грамм— 900 мал. калорий.

Значит, 3,2 г. пороха сгорая дают: 3,2 X 900 = 2.880 мал. кал.

Из этой теплоты ок. 2/3 идет на нагревание воды: 2/3 от 2 880 = 1 920 мал. кал., т. е. близко к 2 000 мал. кар. или 2 бол. калориям. А для нагревания на 1° всей воды в кожухе пулемета надо затратить 4 бол. калории (почему, догадайтесь сами).

Отсюда совсем нетрудно вывести, что каждые 2 выстрела из пулемета нагревают воду в кожухе его на 1°, а от 0° до 100° нагреют 200 выстрелов.

Вот один ответ уже и готов. После выстрелов вода в кожухе пулемета закипит, даже если температура ее была 0°.

Сколько же это займет времени? В одну секунду пулемет делает 10 выстрелов: 200: 10= 20, значит, вода закипит через 20 секунд.

Скоро это или нет?

4 кг воды— это, примерно, 16 стаканов. Чайник на 16 стаканов очень большой. Обычно, чайники делают на 8-10 стаканов (вымеряйте свой чайник стаканами). Вспомните или заметьте по часам, сколько минут нужно греть чайник на примусе, чтобы вода в нем закипела. Наверное, минут 10 пойдет на это… То же и с самоваром. Самовар на 20 стаканов будет «готов», примерно, через 15–20 минут.

Выходит, что пулемет кипятит воду с громадной скоростью, и его смело можно назвать «самым скорым самоваром». Тем более, что мы предполагали температуру воды в кожухе пулемета самую низкую — 0°. А если бы дело было летом, то, очевидно, вода закипела бы еще быстрее. Каждый уже сам без труда решит, через сколько секунд закипит вода в пулемете, если перед стрельбой температура ее была 10°, 20°, 30°?