Физика огнестрельного оружия

С точки зрения физики ( а точнее динамики ) огнестрельное оружие , как и большинство других видов оружия , представляет собой систему доставки максимальной разрушительной энергии к цели с минимальной доставкой энергии стрелку. ^{[ Править ]}импульс доставлены к цели, однако, не может быть больше , чем (из - за отдачи) на стрелку. Это происходит из-за сохранения количества движения , которое требует, чтобы импульс, передаваемый пуле, был равен импульсу, передаваемому системе стрелок, и был противоположен ему. ^{[ неудачная проверка ]}

Энергоэффективность огнестрельного оружия [ править ]

С термодинамической точки зрения огнестрельное оружие - это особый тип поршневого двигателя или, в общем, тепловой двигатель, в котором пуля выполняет функцию поршня. Эффективность преобразования энергии огнестрельного оружия сильно зависит от его конструкции, особенно на его калибра и длины ствола. Однако, для иллюстрации, вот энергетический баланс типичного небольшого огнестрельного оружия для боеприпасов .300 Hawk: ^[1]

Трение ствола 2%
Движение снаряда 32%
Горячие газы 34%
Нагрев бочки 30%
Несгоревший порох 1%.

что сравнимо с типичным поршневым двигателем.

Более высокая эффективность может быть достигнута в огнестрельном оружии с более длинным стволом, поскольку оно имеет лучшее соотношение объема. Однако прирост эффективности меньше, чем соответствующий объемному соотношению, потому что расширение не является действительно адиабатическим, и сгоревший газ быстрее охлаждается из-за теплообмена со стволом. Огнестрельное оружие большого размера (например, пушки) обеспечивает меньшие потери при нагревании ствола, поскольку оно имеет лучшее соотношение объема к поверхности. Большой диаметр ствола также полезен, поскольку уплотнение вызывает меньшее трение ствола по сравнению с ускоряющей силой. Сила пропорциональна квадрату диаметра ствола, в то время как потребности в уплотнении пропорциональны периметру при том же давлении.

Force [ править ]

Если предположить, что пистолет и стрелок находятся в состоянии покоя, сила, действующая на пулю, равна силе, действующей на стрелка. Это связано с третьим законом движения Ньютона (для каждого действия есть равное и противоположное противодействие). Рассмотрим систему, в которой пистолет и стрелок имеют общую массу $M,$ а пуля имеет массу $m$ . Когда пушка стреляет, две системы удаляются друг от друга с новыми скоростями $V$ и $v$ соответственно. Но закон сохранения количества движения гласит, что величины их импульсов должны быть равны:

{\ Displaystyle MV + mv = 0 \ qquad (1)}

Поскольку сила равна скорости изменения количества движения, а начальные импульсы равны нулю, сила, действующая на пулю, должна быть такой же, как сила, действующая на оружие / стрелок.

Пострадавшие от огнестрельного оружия часто падают или падают во время выстрела; это не столько результат толкающей их импульса пули, сколько в первую очередь вызвано физическим повреждением или психологическим воздействием, возможно, в сочетании с потерей равновесия. Это не тот случай, если в жертву попадают более тяжелые снаряды, такие как снаряд 20-мм пушки, где импульсное воздействие может быть огромным; вот почему очень мало такого оружия можно стрелять без установки на оружейной платформе или без использования безоткатной системы (например, из безоткатной винтовки ).

Пример: .44 Remington Magnum с пулей в оболочке размером 240 гран (0,016 кг) стреляет со скоростью 1180 футов в секунду (360 м / с) ^[2] по 170-фунтовой (77 кг) цели. Какая скорость сообщается цели (предположим, что пуля остается в цели и, таким образом, практически теряет свою скорость)?

Пусть $m$ _$b$ и $v$ _$b$ обозначают массу и скорость пули, последняя - непосредственно перед поражением цели, и пусть $m$ _$t$ и $v$ _$t$ обозначают массу и скорость цели после попадания. Сохранение импульса требует

м

_$б$

v

_$б$ =

м

_$т$

v

_$т$ .

Решение для скорости цели дает

v

_$t$ =

m

_$b$

v

_$b$ /

m

_$t$ = 0,016 кг × 360 м / с / 77 кг = 0,07 м / с = 0,17 миль / ч.

Этот пример показывает, что цель практически не двигается. Это не значит, что нельзя было остановить поезд, стреляя в него пулями, это просто совершенно непрактично. ^[3]

Скорость [ править ]

Из уравнения. 1 мы можем написать для скорости пушки / стрелка: V = mv / M. Это показывает, что, несмотря на высокую скорость пули, небольшое отношение массы пули к массе стрелка приводит к низкой скорости отдачи (V), хотя сила и импульс равны.

Кинетическая энергия [ править ]

Однако меньшая масса пули по сравнению с массой системы «пистолет-стрелок» позволяет передать значительно больше кинетической энергии пуле, чем стрелку. Кинетическая энергия для двух систем относится к системе пистолет-стрелок и для пули. Энергия, передаваемая стрелку, может быть записана как: ${\ displaystyle {\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ end {matrix}} MV ^ {2}}$ ${\ displaystyle {\ begin {matrix} {\ frac {1} {2}} \ end {matrix}} mv ^ {2}}$

{\ displaystyle {\ frac {1} {2}} MV ^ {2} = {\ frac {1} {2}} M \ left ({\ frac {mv} {M}} \ right) ^ {2} = {\ frac {m} {M}} {\ frac {1} {2}} mv ^ {2}}

Если мы теперь запишем соотношение этих энергий, мы получим:

{\ displaystyle {\ frac {{\ frac {1} {2}} MV ^ {2}} {{\ frac {1} {2}} mv ^ {2}}} = {\ frac {m} {M }} \ qquad (2)}

Отношение кинетических энергий такое же, как отношение масс (и не зависит от скорости). Так как масса пули намного меньше, чем у стрелка, пуле передается больше кинетической энергии, чем стрелку. После выстрела из оружия энергия пули затухает на протяжении всего полета, пока остаток не рассеется при столкновении с целью (например, деформируя пулю и цель).

Передача энергии [ править ]

Когда пуля поражает, ее высокая скорость и малое лобовое сечение означают, что она будет оказывать сильное сосредоточенное напряжение в любом поражаемом объекте. Обычно в результате он проникает в более мягкий материал, например, в плоть. Затем энергия рассеивается вдоль раневого канала, образованного прохождением пули. См. Терминальную баллистику для более полного обсуждения этих эффектов.

Пуленепробиваемые жилеты работают за счет другого способа рассеивания энергии пули; Материал жилета, обычно арамид ( кевлар или тварон ), представляет собой серию слоев материала, которые захватывают пулю и распределяют ее силу по большей площади, надеясь остановить ее, прежде чем она сможет проникнуть в тело за жилетом. . В то время как жилет может предотвратить проникновение пули, на пользователя все равно будет влиять импульс пули, который может вызвать ушибы .

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Термодинамическая эффективность патрона .300 Hawk, http://www.z-hat.com/Efficiency%20of%20the%20300%20Hawk.htm Архивировано 28февраля2009 г. на Wayback Machine.
^ "Чак Хоукс" .
^ "XKCD" .

[1] Термодинамическая эффективность патрона .300 Hawk, http://www.z-hat.com/Efficiency%20of%20the%20300%20Hawk.htm Архивировано 28февраля2009 г. на Wayback Machine.

[2] "Чак Хоукс" .

[3] "XKCD" .

[1]