Владимир Внуков - Занимательная физика на войне
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.
