Физика огнестрельного оружия - Physics of firearms

С точки зрения физика (динамика, а точнее), огнестрельное оружие, как и большинство оружие, это система для нанесения максимально разрушительного энергия к цели с минимальной подачей энергии на стрелка.^{[нужна цитата ]} В импульс доставляется к цели, однако, не может быть больше, чем это (из-за отдачи) у стрелка. Это связано с сохранение импульса, что означает, что импульс, сообщаемый пуле, равен и противоположен импульсу, передаваемому системе стрелок.^{[неудачная проверка ]}

Энергоэффективность огнестрельного оружия

С термодинамической точки зрения огнестрельное оружие представляет собой особый тип оружия. поршневой двигатель, или вообще Тепловой двигатель где пуля выполняет функцию поршня. В эффективность преобразования энергии огнестрельного оружия сильно зависит от его конструкции, особенно от его калибра и длины ствола. Однако, для иллюстрации, вот энергетический баланс типичного небольшого огнестрельного оружия для патронов .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 истинным адиабатический и горелый газ остывает быстрее из-за теплообмена со стволом. Огнестрельное оружие большого размера (например, пушки) обеспечивает меньшие потери на нагрев 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.

Сила

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 и пуля имеет массу м. Когда пушка стреляет, две системы удаляются друг от друга с новыми скоростями. V и v соответственно. Но закон сохранение импульса утверждает, 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 ружье / стрелка.

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 жертва поражена более тяжелыми снарядами, такими как снаряд 20-мм пушки, где импульсное воздействие может быть огромным; вот почему очень мало такого оружия можно стрелять без установки на платформа для оружия или использовать безоткатную систему (например, безоткатное ружье ).

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

Позволять м_б и v_б обозначают массу и скорость пули, последняя - непосредственно перед поражением цели, и пусть м_т и v_т обозначают массу и скорость цели после попадания. Сохранение количества движения требует

м_бv_б = м_тv_т.

Решение для скорости цели дает

v_т = м_бv_б / м_т = 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

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

Однако меньшая масса пули по сравнению с массой стрелковой системы позволяет значительно увеличить кинетическая энергия быть переданным пуле, чем стрелку. Кинетическая энергия для двух систем равна ${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}MV^{2}}$ для системы пистолет-стрелок и ${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}mv^{2}}$ для пули. Энергия, передаваемая стрелку, может быть записана как:

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

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). Поскольку 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

Когда пуля попадает, ее высокая скорость и малое лобовое сечение означают, что она будет сильно сфокусирована. подчеркивает в любой объект, который попадает. Обычно это приводит к проникающий любой более мягкий материал, например плоть. Затем энергия рассеивается по каналу раны, образованному прохождением пули. Видеть терминальная баллистика для более полного обсуждения этих эффектов.

Бронежилеты работать, рассеивая энергию пули другим способом; материал жилета, обычно Арамид (Кевлар или же Twaron ), представляет собой серию слоев материала, которые захватывают пулю и распределяют передаваемую ей силу на большую площадь, надеясь остановить ее, прежде чем она сможет проникнуть в тело за жилетом. В то время как жилет может предотвратить проникновение пули, на владельца все равно будет влиять импульс пули, который может вызвать ушибы и даже серьезно внутренние травмы.

Смотрите также

• Баллистика
• Внутренняя баллистика
• Внешняя баллистика
• Таблица пистолетных и винтовочных патронов

Рекомендации

1. Термодинамическая эффективность патрона .300 Hawk, http://www.z-hat.com/Efficiency%20of%20the%20300%20Hawk.htm В архиве 2009-02-28 в Wayback Machine
2. "Чак Хокс".
3. «XKCD».