Физика

Физические основы явления выстрела


                     Физические основы явления выстрела

      В некотором приближении поведение  пороховых  газов  можно  описать  с
помощью  уравнения  Менделеева  (  Клапейрона.  Это  позволяет   качественно
проанализировать явление выстрела и построить графики  зависимости  давления
газа p скорости пули v от пути  l,  проходимого  ею  в  канале  ствола  (см.
Рис.).
      Рассмотрим, как происходит процесс выстрела.  Его  длительность  можно
условно разделить на такие последовательные периоды:  предварительный  (  от
начала горения порохового  заряда   до  полного  врезания  оболочки  пули  в
нарезы ствола; первый (  от  начала  движения  пули  по  стволу  до  полного
сгорания порохового заряда; второй ( от момента полного сгорания  порохового
заряда до момента вылета пули из ствола; третий ( от момента вылета пули  до
прекращения возрастания её скорости.
       Рассмотрим,  как  меняется  давление  порохового  газа  при  выстреле
(кривая I на рис.).


Предварительный период. Во время горения заряда образуется пороховой газ.
Давление его можно выразить формулой:

                            [pic]                                (1)

где Т, V и m ( соответственно температура, объём и масса порохового газа,  М
( его молярная масса, R ( универсальная газовая постоянная. Поскольку  объём
газа не меняется, а температура и масс резко  увеличиваются,  давление  газа
будет расти по закону:

                            [pic],

где С ( постоянная величина. Давление пороховых газов  будет  возрастать  до
тех пор, пока пуля не сдвинется с места.
       Первый  период.  Его  условно  можно  разделить  на  три  полпериода.
Рассмотрим их поочерёдно.
     1. Масса порохового газа m возрастает быстрее, чем объём V  запульного
        пространства (объём, заключённый между дном пули  и  дном  гильзы).
        Учитывая, что

                            [pic]

        (S ( площадь сечения канала ствола, l ( путь пули в канале ствола),
        изменение  давления  газа  в  первый  подпериод  можно  представить
        графически в виде участка 1-2 кривой I.

     2. Скорость возрастания массы порохового  газа  становится  близкой  к
        скорости движения пули, или, что одно и то же, к скорости изменения
        объёма V. Тогда формула (1) принимает вид

                            [pic],

         где С1 ( постоянная величина. Графически изменение давления в  этот
         подпериод можно представить в виде участка 3-4 кривой I.

     3. Объём V  запульного  пространства  вследствие  быстрого  увеличения
        скорости пули растёт гораздо быстрее  массы  m  притока  порохового
        газа, и изменением массы можно пренебречь. Тогда формула (1) примет
        вид:

                            [pic],
        где С2 (  постоянная  величина.  Изменение  давления  газа  в  этот
        подпериод можно представить в виде участка 5-6 кривой I.

       Промежуточные   процессы   между   подпериодами   можно   приближённо
изобразить соответствующими участками 2-3 и 4-5 кривой I.
      Второй период. Так как весь пороховой заряд уже сгорел, масса газа  не
меняется. Тогда формула (1) принимает вид

                            [pic],
где С3 ( постоянная величина. Изменение давления можно представить  участком
6-7 кривой I.
      Третий период. Часть газа вырывается из канала ствола вслед за  пулей,
при встрече с воздухом образует пламя и ударную волну. Следовательно,  масса
газа m уменьшается. Так как при этом увеличивается объём газа, то,  согласно
формуле (1), происходит резкое падение давления  газа  (участок  7-8  кривой
I). Это уменьшение происходит до тех пор, пока давление порохового  газа  на
дно пули не уравновесится сопротивлением воздуха.
      График изменения скорости пули в канале ствола  (кривая  II  на  рис.)
можно построить,  если  предположить,  что  сила,  действующая  на  пулю  со
стороны пороховых газов, много больше силы сопротивления, силы трения  и  т.
д.
      В предварительный  период  скорость  пули  не  меняется.  В  остальные
периоды ускорение пули  пропорционально  давлению.  Действительно,  на  пулю
действует сила:

                                  [pic],

где p ( давление  порохового  газа,  S  (  площадь  сечения  канала  ствола.
Следовательно, если масса пули m, то её ускорение

                                  [pic].

Поскольку давление  газа  в  канале  ствола  во  все  периоды  много  больше
атмосферного, ускорение пули будет больше нуля, т. е.  Она  будет  двигаться
ускоренно.
      В первый подпериод ускорение  увеличивается,  следовательно,  скорость
пули  будет  резко  возрастать.  Графически  это  изменение  скорости  можно
представить в виде участка 1-2 кривой  II.  Во  второй  подпериод  ускорение
почти не изменяется, поэтому движение пули будет близким к  равноускоренному
(участок 3-4 кривой II). В третий подпериод ускорение пули  уменьшается,  но
остаётся положительным, следовательно,  прирост  скорости  пули  уменьшается
(участок 5-6 кривой II). Во второй и третий  периоды  происходит  дальнейшее
уменьшение  ускорения,  что  соответствует  уменьшению   прироста   скорости
(участок 7-8 кривой II).
       Можно  исследовать  начальную  скорость  пули   с   помощью   законов
сохранения. Начальной скоростью пули называется та скорость, с  которой  она
покидает канал ствола. Закон сохранения энергии для явления  выстрела  можно
записать так:

                                 [pic].                                (2)

Здесь Е1 ( энергия, выделяющаяся при  сгорании  пороха,  Е2  (  кинетическая
энергия пули в момент вылета из канала ствола,  Е3  (  кинетическая  энергия
стрелкового оружия, Е4 ( энергия, уносимая выброшенными  пороховыми  газами,
идущая на нагревание ствола, и т. д.
      Очевидно,

                                  [pic]                                (3)

(q ( теплота сгорания пороха, m1 ( его масса);

                                  [pic]                                (4)

(m2 ( масса пули, V ( её скорость в момент вылета из ствола);

                                  [pic]                                (5)

(m3 ( масса оружия, u ( скорость отдачи  при  выстреле),  причём,  поскольку
согласно закону сохранения импульса,

                                  [pic],

выражение (5) можно записать в виде:

                                                                     [pic].
                       (6)

Энергия Е4 зависит прежде всего от длины ствола l.  При  малой  длине  много
энергии  будет  выбрасываться   наружу,   при   слишком   большой   окажутся
значительными  потери  энергии  на  нагревание  ствола  и  преодоление   сил
сопротивления, действующих  на  пулю  в  его  канале.  Следовательно,  важно
выбрать некоторую оптимальную длину ствола, при  которой  энергия  Е4  будет
минимальной.
      Учитывая (3)-(6) и приведённые выше рассуждения, выражение  (2)  можно
переписать в виде:

                        [pic].

      Откуда начальная кинетическая энергия пули:

                       [pic].

С помощью этой формулы легко доказать следующие утверждения:

      . начальная скорость пули зависит от длины ствола, массы пули,  массы
        порохового заряда и от других факторов;

      . чем длиннее ствол (до известных пределов), тем дольше действует  на
        пулю пороховой газ и тем больше её начальная скорость;

      . при постоянных длине ствола и  массе  порохового  заряда  начальная
        скорость пули тем больше, чем меньше её масса.

      Можно сказать, что  скорость  пули  зависит  и  от  массы  стрелкового
      оружия.

-----------------------
[pic]




смотреть на рефераты похожие на "Физические основы явления выстрела"