Владимир Внуков - Занимательная физика на войне
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.
Глава II. ОГНЕСТРЕЛЬНОЕ ОРУЖИЕ КАК ТЕПЛОВАЯ МАШИНА
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.
