Физика огнестрельного оружия

С точки зрения физики ( динамики а точнее ), огнестрельное оружие , как и большинство видов оружия , представляет собой систему доставки максимальной разрушительной энергии к цели при минимальной доставке энергии на стрелка. ^{[ нужна ссылка ]} Однако импульс , передаваемый цели, не может превышать импульс стрелка (из-за отдачи). Это происходит из-за закона сохранения импульса , который диктует, что импульс, сообщаемый пуле, равен импульсу, сообщаемому системе пистолет-стрелок, и противоположен ему. ^{[ не удалось пройти проверку ]}

Энергоэффективность огнестрельного оружия

С термодинамической точки зрения огнестрельное оружие представляет собой особый тип поршневого двигателя или вообще тепловую машину , в которой пуля выполняет функцию поршня. Эффективность преобразования энергии огнестрельного оружия сильно зависит от его конструкции, особенно от калибра и длины ствола. Однако для иллюстрации приведем энергетический баланс типичного стрелкового огнестрельного оружия под патрон .300 Hawk: ^[1]

Трение ствола 2%
Движение снаряда 32%
Горячие газы 34%
Нагрев ствола 30%
Несгоревшее топливо 1%.

что сопоставимо с типичным поршневым двигателем.

Более высокая эффективность может быть достигнута при использовании огнестрельного оружия с более длинным стволом, поскольку оно имеет лучшее соотношение объемов. Однако прирост эффективности меньше, чем соответствует объемному соотношению, поскольку расширение не является истинно адиабатическим и сгоревший газ остывает быстрее из-за обмена тепла со стволом. У большого огнестрельного оружия (например, пушек) потери на нагрев ствола меньшие, поскольку у него лучшее соотношение объема к поверхности.Большой диаметр ствола также полезен, поскольку уплотнение вызывает меньшее трение ствола по сравнению с ускоряющей силой. Усилие пропорционально квадрату диаметра ствола, а потребность в уплотнении пропорциональна периметру при том же давлении.

Сила

Согласно ньютоновской механике, если ружье и стрелок первоначально находятся в покое, сила, действующая на пулю, будет равна силе, действующей на ружье-стрелка. Это связано с третьим законом движения Ньютона (на каждое действие есть равное и противоположное противодействие). Рассмотрим систему, в которой ружье и стрелок имеют общую массу $m$ _g , а масса пули — $m$ _b . выстреле две массы удаляются друг от друга со скоростями $и$ _vg vb $соответственно$ _При . Но закон сохранения импульса гласит, что величины их импульсов должны быть равны, а так как импульс является векторной величиной и их направления противоположны:

{\displaystyle m_{g}v_{g}+m_{b}v_{b}}=0

В технических математических терминах производная импульса по времени — это сила, что означает, что сила, действующая на пулю, будет равна силе, действующей на пистолет, а импульс пули/стрелка можно получить путем интегрирования функции силы-времени пуля или стрелок. Математически это записывается следующим образом:

\int _{0}^{t_{g}}F_{g}(t)\,dt=-\int _{0}^{t_{b}}F_{b}(t)\,dt=m_{g}v_{g}=-m_{b}v_{b}

Где $g,b,t,m,v,F$ представляют пистолет, пулю, время, массу, скорость и силу соответственно.

Голливудские изображения жертв огнестрельного оружия, выброшенных через стеклянные окна, неточны. Если бы это было так, стрелок также был бы отброшен назад, испытывая еще большее изменение импульса в противоположном направлении. Жертвы огнестрельного оружия часто падают или теряют сознание при выстреле; это не результат инерции пули, толкающей их, а в первую очередь вызвано физическим повреждением или психологическим воздействием, возможно, в сочетании с потерей равновесия. Это не тот случай, если жертва поражена более тяжелыми снарядами, такими как снаряд 20-мм пушки, где импульсный эффект может быть огромным; Вот почему очень немногие виды такого оружия могут стрелять без установки на оружейную платформу или без использования безоткатной системы (например, безоткатного орудия ).

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

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

м

_$б$

v

_{$б знак$} равно

м

_$т$

v

_$т$ .

Решение 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 в час.

Это показывает, что цель, несмотря на свою огромную массу, почти не движется. И это несмотря на игнорирование сил сопротивления, которые на самом деле привели бы к потере энергии и импульса пули в полете.

Скорость

Из уравнения. 1 мы можем записать скорость ружья/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

Однако меньшая масса пули по сравнению с массой системы «пистолет-стрелок» позволяет значительно большую кинетическую энергию сообщить пуле , чем стрелку. Кинетическая энергия для двух систем равна ${\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}MV^{2}$ для системы «пистолет-стрелок» и ${\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}mv^{2}$ для пули. Тогда энергию, переданную стрелку, можно записать как:

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

Для отношения этих энергий имеем:

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

Отношение кинетических энергий такое же, как и соотношение масс (и не зависит от скорости). Поскольку масса пули значительно меньше массы 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 мишень).

Передача энергии

Когда пуля попадает в цель, ее высокая скорость и небольшое лобовое сечение означают, что она будет оказывать высококонцентрированное напряжение в любом объекте, в который попадает. Обычно это приводит к тому, что он проникает в любой более мягкий материал, например, в плоть. Затем энергия рассеивается по раневому каналу, образованному прохождением пули. См. терминальную баллистику для более полного обсуждения этих эффектов.

Пуленепробиваемые жилеты рассеивают энергию пули другим способом; материал жилета, обычно арамид ( кевлар или тварон ), представляет собой ряд слоев материала, которые улавливают пулю и распределяют сообщаемую ей силу на большую площадь, в надежде остановить ее, прежде чем она сможет проникнуть в тело за жилетом. . Хотя жилет может предотвратить проникновение пули, на его владельца все равно будет влиять инерция пули, что может привести к ушибам .

См. также

Ссылки

^ Термодинамическая эффективность патрона .300 Hawk, http://www.z-hat.com/Efficiency%20of%20the%20300%20Hawk.htm. Архивировано 28 февраля 2009 г. на Wayback Machine.
^ «Чак Хоукс» .

[1] Термодинамическая эффективность патрона .300 Hawk, http://www.z-hat.com/Efficiency%20of%20the%20300%20Hawk.htm. Архивировано 28 февраля 2009 г. на Wayback Machine.

[2] «Чак Хоукс» .

[1]

[2]