Огнестрельное винтовочное оружие
- Участник: Пермяков Аристарх Вадимович
- Руководитель: Зотова Татьяна Владимировна
Мне предложили поучаствовать во Всероссийском конкурсе «Физика вокруг нас», в котором нужно объяснять взаимосвязанные физические явления, присутствующие в повседневной жизни на какую-нибудь тему. Будучи спортивным стрелком, я сразу подумал о винтовочном оружии и немедленно согласился, думая, что я много об этом знаю. Оказалось, я заблуждался. Это одновременно и очень простая, и сложная тема.
Я решил исследовать, как добиться точности выстрела из орудия, применяя законы физики. Поэтому выдвинул гипотезу: если изучить баллистическое движение, то можно увеличить свои показатели в стрельбе.
Данная тема рассматривается по учебнику А.В. Перышкина в 9 классе и называется «Перемещение тела при равноускоренном движении без начальной скорости».
Начнём с основ движения пули. Основной принцип действия винтовочного оружия таков: нажатие на спусковой крючок, или курок, приводит в действие с помощью пружины боёк, который бьет по капсулю патрона. Вещество в нем затем возгорается, поджигая пороховую смесь, которая в свою очередь, сгорая, выталкивает пулю по каналу ствола наружу. Пуля, при прохождении через ствол приобретает крутящее движение. Не так уж и сложно. Но если рассматривать физические явления этот процесс сильно усложняется.
Данное движение можно отнести к теме в учебнике «Импульс тела. Закон сохранения импульса».
Итак, спусковой крючок приводит в действие пружину, которая силой упругости своего тела выталкивает боёк. Боёк с достаточной для оставления вмятины бьёт по задней части пули, а точнее по капсулю. Капсуль предназначается для воспламенения порохового состава в гильзе и представляет собой чашечку-колпачок, в котором находится ударный состав, покрытый фольговым кружочком. Ударный состав винтовочного патрона содержит примерно 16% гремучей ртути (или Hg(ONC)2), 55,5% хлората калия (или KCLO3) и 28,5% антимония (Sb2S3). Вещество в капсуле воспламеняется после удара бойка, поджигая за собой порох. А эту тему можно рассмотреть в 8 классе «Сгорание топлива».
Существует множество пороховых смесей. Самая первая и самая простая смесь это дымный порох. Дымный порох (или чёрный порох) состоит из смеси калиевой селитры (или KNO3), древесного угля (или просто углерод) и серы в примерном отношении 75:15:10. В разных странах, где его применяли в первых видах огнестрельного оружия это соотношение разное. Кстати, впервые этот вид пороха, как и вообще порох по своей сути начали использовать в Китае для фейверков и первых примитивных видах оружия. Причём название произошло от китайского «порох» от 火药/火药; пиньинь: Хо Яо, что буквально означает «Огонь медицины». Позже он распространился по миру, где везде его использовали в оружии. Сейчас его применяют в охотничьих патронах с дробью, в минах, используемых для взрывных работ (например, в карьерах, где породу взрывают, а потом раздроблённую взрывом собирают и отвозят на место переработки). Также существуют алюминиевые пороха, бездымные пороха (или нитроцеллюлозные пороха), пироксилиновые пороха, баллиститные пороха, кордитные пороха и т.д.
Все превращения и движения после удара бойка изучает наука баллистика.
Баллистика (от греческого βάλλειν — бросать) — наука о движении тел, брошенных в пространстве, основанная на математике и физике. Она занимается, главным образом, исследованием движения пуль и снарядов. Баллистика делится на внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя баллистика изучает явления, происходящие в канале ствола во время выстрела, движение снаряда по каналу ствола. Характер, сопровождающих это явление термо-аэродинамических зависимостей, как в канале ствола, так и за его пределами в период последействия пороховых газов.
Внутренняя баллистика решает вопросы наиболее рационального использования энергии порохового заряда во время выстрела с тем, чтобы снаряду при заданных условиях (вес, калибр и т.д.) сообщить определенную начальную скорость (V0) не повреждая само оружие. По данным внутренней баллистики проектируют оружие и боеприпасы к ним.
Выстрелом называется выбрасывание пули (или другого тела) из канала ствола оружия энергией газов, образующихся при сгорании пороховой смеси. Итак, в результате давления газов на дно пули она сдвигается с места и врезается в нарезы; вращаясь по ним, продвигается по каналу ствола с непрерывно возрастающей скоростью движения и скоростью вращения (увеличивается количество оборотов за единицу времени) и выбрасывается наружу по направлению оси канала ствола. Давление газов на дно гильзы вызывает движение оружия (ствола) назад. При выстреле из автоматического оружия, устройство которого основано на принципе использования энергии пороховых газов, отводимых через отверстие в стенке ствола, часть пороховых газов, после прохождения через него в газовую камеру, ударяют в поршень и отбрасывают толкатель с затвором назад. При сгорании порохового заряда примерно 25-35% выделяемой энергии затрачивается на сообщение пуле поступательного движения (основная работа), 15-25% энергии — на совершение второстепенных работ (врезание и преодоление трения пули при движении по каналу ствола и по нарезам, нагревание стенок ствола, гильзы и пули, перемещение подвижной части оружия, газообразной и не сгоревшей части пороха). И в итоге примерно 40% энергии не используется и теряется после вылета пули из ствола канала.
Выстрел происходит в очень короткий промежуток времени (0,001-0,06с.). Выстрел делится на четыре периода, идущих последовательно: предварительный, первый (или основной), второй, и третий (или период последних газов).
Первый, или основной, период длится от начала движения пули до момента полного сгорания порохового заряда. В этот период горение порохового заряда происходит в быстро изменяющемся объеме. В начале периода, когда скорость движения пули по каналу ствола еще невелика, количество газов растет быстрее, чем объем пространства за пулей (пространство между дном пули и дном гильзы), давление газов быстро повышается и достигает наибольшей величины. Это давление называется максимальным давлением. Оно создается у стрелкового оружия при прохождении пулей 4 – 6 см пути. Затем, из-за этого давления скорость пули увеличивается на столько, что объём пространства за пулей начинает увеличиваться быстрее притока пороховых газов, и давление начинает падать. К концу периода оно равно примерно 2/3 максимального давления. Скорость движения пули постоянно возрастает и к концу периода достигает примерно 3/4 начальной скорости. Пороховой заряд полностью сгорает незадолго до того, как пуля вылетит из канала ствола.
Второй период длится с момента полного сгорания порохового заряда до момента вылета пули из канала ствола. С началом этого периода приток пороховых газов прекращается, однако сильно сжатые и нагретые газы расширяются и, оказывая давление на пулю, увеличивают скорость ее движения. В этом периоде происходит сильный спад давления. Скорость пули в момент вылета ее из канала ствола (её ещё называют дульной скоростью) несколько меньше начальной скорости (давление изучается в 8 классе).
Третий период, или период после действия газов длится от момента вылета пули из канала ствола до момента прекращения действия пороховых газов на пулю. В течение этого периода пороховые газы, истекающие из канала ствола со скоростью 1200 – 2000 м/с, продолжают воздействовать на пулю и сообщают ей дополнительную скорость. Наибольшей (максимальной) скорости пуля достигает в конце третьего периода на удалении нескольких десятков сантиметров от дульного среза ствола. Этот период заканчивается тогда, когда давление пороховых газов на дно пули будет уравновешено сопротивлением воздуха.
Также, пуля после начала движения в канале ствола врезается в специальные выемки – нарезы. Нарезы в канале ствола расположены под углом относительно оси движения пули и придают пуле вращательное движение. Вращательное движение вокруг продольной оси стабилизирует полет пули и удерживает её от запрокидывания. Пуля в полете совершает правильные колебания и своей головной частью описывает вокруг траектории окружности. При этом продольная ось пули как бы следит за траекторией, описывая вокруг нее коническую поверхность. Если применить законы механики к летящей пуле, то станет очевидно, что чем больше скорость движения пули и чем она длиннее, тем сильнее воздух стремится опрокинуть ее. Поэтому патронам разного типа необходима различная скорость вращения. Так, легкая пуля, выпущенная из служебной винтовки, имеет скорость вращения 3604 об/сек, а из малокалиберной винтовки (из подобных мы и стреляем в тире) – только 830 об/сек.
Однако вращательное движение пули, столь необходимое для придания ей устойчивости во время полета, имеет и свои отрицательные стороны.
На быстро вращающуюся пулю, как мы уже знаем, непрерывно оказывает опрокидывающее действие сила сопротивления воздуха, в связи с чем головная часть пули описывает вокруг траектории окружность. В результате сложения этих двух вращательных движений возникает новое движение, отклоняющее ее головную часть в сторону от плоскости стрельбы (вертикальную плоскость, проходящую через ось канала ствола). При этом одна боковая поверхность пули подвергается давлению частиц воздуха больше, другая меньше. Это и отклоняет пулю в сторону.
Боковое отклонение вращающейся пули от плоскости стрельбы в сторону ее вращения называется деривацией. По мере удаления пули от дульного среза оружия величина деривационного отклонения ее быстро и прогрессивно возрастает. При стрельбе на ближние и средние дистанции деривация не имеет большого практического значения. Так, при стрельбе на дистанцию 300 м деривационное отклонение равно 2 см, на дистанцию 600 м – 12 см. Деривацию учитывают в основном при особо точной стрельбе на дальние дистанции, внося соответствующие поправки в установку прицела.
Внешняя баллистика это наука, изучающая движение пули после прекращения действия на нее пороховых газов. Основную задачу внешней баллистики составляет изучение свойств траектории и закономерностей полета пули. Внешняя баллистика дает данные для составления таблиц стрельбы, расчета шкал прицелов оружия, и выработки правил стрельбы. Выводы из внешней баллистики широко используются в стрельбе при выборе прицела и точки прицеливания в зависимости от дальности стрельбы, направления и скорости ветра, температуры воздуха и других условий стрельбы.
Траекторией называется кривая линия, описываемая центром тяжести пули в полете. Пуля при полете в воздухе подвергается действию двух сил: силы тяжести и силы сопротивления воздуха. Сила тяжести заставляет пулю постепенно понижаться, а сила сопротивления воздуха непрерывно замедляет движение пули и стремится опрокинуть ее. В результате действия этих сил скорость полета пули постепенно уменьшается, а ее траектория представляет собой по форме неравномерно изогнутую кривую линию. Сопротивление воздуха полету пули вызывается тем, что воздух представляет собой упругую среду и поэтому на движение в этой среде затрачивается часть энергии пули (виды сил были изучены в 7 и 9 классах по учебнику А.В. Перышкина).
Теперь вернёмся к гипотезе. На основе выше написанного я твердо могу сказать, что зная всю теорию можно серьёзно улучшить результаты стрельбы.
Ссылка на видеоресурс: https://drive.google.com/file/d/0Bz70DG5FOyZ9NWJOVUgwRzFZUG8/view?usp=sharing