Фізичні основи явища пострілу
У деякому наближенні поведінка порохових газів можна описати за допомогою рівняння Менделєєва Клапейрона. Це дозволяє якісно проаналізувати явище пострілу і побудувати графіки залежності тиску газу p швидкості кулі v від шляху l. прохідного нею в каналі ствола (см. Рис.).
Розглянемо, як відбувається процес пострілу. Його тривалість можна умовно розділити на такі послідовні періоди: попередній від початку горіння порохового заряду до повного врізання оболонки кулі в нарізи стовбура; перший від початку руху кулі по стовбуру до повного згоряння порохового заряду; другий від моменту повного згоряння порохового заряду до моменту вильоту кулі зі ствола; третій від моменту вильоту кулі до припинення зростання її швидкості.
Розглянемо, як змінюється тиск порохового газу при пострілі (крива I на рис.).
Попередній період. Під час горіння заряду утворюється пороховий газ. Тиск його можна виразити формулою:
де Т, V і m відповідно температура, об'єм і маса порохового газу, М його молярна маса, R універсальна газова стала. Оскільки обсяг газу не змінюється, а температура і мас різко збільшуються, тиск газу буде рости за законом:
де С постійна величина. Тиск порохових газів буде зростати до тих пір, поки куля не зрушить з місця.
Перший період. Його умовно можна розділити на три полперіода. Розглянемо їх по черзі.
- Маса порохового газу m зростає швидше, ніж обсяг V запульного простору (обсяг, укладений між дном кулі і дном гільзи). Враховуючи що
(S площа перетину каналу ствола, l шлях кулі в каналі ствола), зміна тиску газу в перший подпериод можна представити графічно у вигляді ділянки 1-2 кривий I.
- Швидкість зростання маси порохового газу стає близькою до швидкості руху кулі, або, що одне і те ж, до швидкості зміни обсягу V. Тоді формула (1) набуває вигляду
де С1 постійна величина. Графічно зміна тиску в цей підперіоди можна представити у вигляді ділянки 3-4 кривий I.
- Обсяг V запульного простору внаслідок швидкого збільшення швидкості кулі росте набагато швидше маси m припливу порохового газу, і зміною маси можна знехтувати. Тоді формула (1) набуде вигляду:
де С2 постійна величина. Зміна тиску газу в цей підперіоди можна представити у вигляді ділянки 5-6 кривий I.
Проміжні процеси між підперіоди можна приблизно зобразити відповідними ділянками 2-3 і 4-5 кривий I.
Другий період. Так як весь пороховий заряд вже згорів, маса газу не змінюється. Тоді формула (1) набуває вигляду
де С3 постійна величина. Зміна тиску можна представити ділянкою 6-7 кривий I.
Третій період. Частина газу виривається з каналу ствола услід за кулею, при зустрічі з повітрям утворює полум'я й ударну хвилю. Отже, маса газу m зменшується. Так як при цьому збільшується обсяг газу, то, згідно з формулою (1), відбувається різке падіння тиску газу (ділянка 7-8 кривий I). Це зменшення відбувається до тих пір, поки тиск порохового газу на дно кулі не урівноважиться опором повітря.
Графік зміни швидкості кулі в каналі ствола (крива II на рис.) Можна побудувати, якщо припустити, що сила, яка діє на кулю з боку порохових газів, багато більше сили опору, сили тертя і т. Д.
У попередній період швидкість кулі не змінюється. В інші періоди прискорення кулі пропорційно тиску. Дійсно, на кулю діє сила:
де p тиск порохового газу, S площа перетину каналу ствола. Отже, якщо маса кулі m. то її прискорення
Оскільки тиск газу в каналі ствола у всі періоди багато більше атмосферного, прискорення кулі буде більше нуля, т. Е. Вона буде рухатися прискорено.
У перший подпериод прискорення збільшується, отже, швидкість кулі буде різко зростати. Графічно це зміна швидкості можна представити у вигляді ділянки 1-2 кривий II. У другій подпериод прискорення майже не змінюється, тому рух кулі буде близьким до рівноприскореному (ділянка 3-4 кривий II). У третій подпериод прискорення кулі зменшується, але залишається позитивним, отже, приріст швидкості кулі зменшується (ділянка 5-6 кривий II). У другій і третій періоди відбувається подальше зменшення прискорення, що відповідає зменшенню приросту швидкості (ділянка 7-8 кривий II).
Можна досліджувати початкову швидкість кулі за допомогою законів збереження. Початковою швидкістю кулі називається та швидкість, з якою вона залишає канал ствола. Закон збереження енергії для явища пострілу можна записати так:
Тут Е1 енергія, що виділяється при згорянні пороху, Е2 кінетична енергія кулі в момент вильоту з каналу ствола, Е3 кінетична енергія стрілецької зброї, Е4 енергія, що буря викинутими пороховими газами, що йде на нагрівання стовбура, і т. Д.
(Q теплота згоряння пороху, m1 його маса);