в какую сторону закручивается пуля
Вращение пули вокруг своей оси
Известно, что тело приобретает значительную устойчивость, если ему придать быстрое вращательное движение вокруг своей оси. Примером устойчивости вращающегося тела может служить игрушка «волчок» (рис. 14).
 Рис. 14. Волчок |  Рис. 15. Канал ствола нарезного оружия |
Не вдаваясь в подробности объяснения физических явлений, связанных с действием сил на тело, испытывающее сложное движение, необходимо все же сказать о том, что пуля при полете совершает правильные
колебания и своей головной частью описывает вокруг траектории окружности (рис. 16). При этом продольная ось пули как бы «следит» за траекторией, описывая вокруг нее коническую поверхность (рис. 17).
Рис. 16. Коническое вращение головной части пули
Рис. 17. Полет вращающейся пули в воздухе
Если применить законы механики к летящей пуле, то станет очевидным, что чем больше скорость ее движения и чем пуля длиннее, тем сильнее воздух стремится ее опрокинуть. Ввиду этого пулям патронов разного типа необходимо придавать различную скорость вращения.
Однако вращательное движение пули, столь необходимое для придания ей устойчивости во время полета, имеет и свои отрицательные стороны.
На быстро вращающуюся пулю, как уже было сказано, оказывает непрерывное опрокидывающее действие сила сопротивления воздуха, в связи с чем ее головная часть описывает вокруг траектории окружность. В результате сложения этих двух вращательных движений возникает новое движение, отклоняющее ее головную часть в сторону от плоскости стрельбы[2] (рис. 18). При этом одна боковая поверхность пули подвергается давлению частиц больше, чем другая, что и отклоняет ее в сторону от плоскости стрельбы. Боковое отклонение вращающейся пули от плоскости стрельбы в сторону ее вращения называется деривацией (рис. 19).
Рис. 18. В результате двух вращательных движений пуля постепенно
поворачивает головную часть вправо (в сторону вращения)
Рис. 19. Явление деривации
При стрельбе на ближние и средние расстояния деривация не имеет большого практического значения для стрелка. Так, при дальности стрельбы на 300 м деривационное отклонение равно 2 см, а на 600 м – 12 см. Деривацию приходится учитывать только при особо точной стрельбе на дальние расстояния, внося соответствующие поправки в установку прицела, сообразуясь с таблицей деривационных отклонений пули для определенной дальности стрельбы.
Устройство для придания снаряду (пуле) вращательного движения
Известно устройство для закручивания снаряда или пули, именуемое «нарезы» в канале оружейного ствола для придания снаряду или пуле вращательного движения, благодаря чему обеспечивается его устойчивость на траектории, дальность полета и кучность стрельбы.
Предлагаемым изобретением решаются следующие задачи.
1. Возможность придания снаряду или пуле вращательного движения без использования нарезов.
2. 3начительное упрощение производства оружейных стволов.
3. Повышение кучности и дальности стрельбы.
5. Возможность применения цельнометаллических снарядов или пуль латунных, медных, стальных, что положительным образом скажется на пробивной способности.
Техническим результатом, получаемым от изобретения, является придание снаряду или пуле вращательного движения в гладкоствольном оружии.
Указанный технический результат достигается тем, что для придания снаряду или пуле вращательного движения используется давление пороховых газов или иных газов посредством специальных боковых прорезей в устройстве. Под термином “иные газы” автор предполагает любые другие газы, посредством давления которых достигается метание снаряда или пули.
Заявленное изобретение может быть применено в стрелковом, пневматическом оружии, артиллерии и в других устройствах, где требуется метание баллистического снаряда под давлением газов. Кроме того, указанное изобретение может быть применено в уже имеющемся нарезном оружии для увеличения скорости вращательного движения снаряду или пуле.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, неизвестны. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Устройство для придания снаряду или пуле вращательного движения представляет собой участок ствола или насадку к стволу, имеющие боковые прорези, расположенные под углом к каналу ствола.
Устройство работает следующим образом.
Устройство для придания снаряду или пуле вращательного движения, отличающееся тем, что осевое вращение снаряда или пули достигается за счет давления пороховых газов с помощью боковых прорезей в участке ствола или ствольной насадке, при этом эти прорези расположены под углом к каналу ствола.
Новое в блогах
Физический вопрос
Мы знаем, что в нарезном оружии пуля специально закручивается с целью повышения стабильности полёта. Однако, мы ещё неоднократно видели, как закрученный мяч влетает в ворота по эффектной дуге. Причём, не только в вертикальной плоскости, но ещё и в горизонтальной.
Внимание, вопрос: как же так? В одном случае закрутка объекта повышает стабильность полёта, а в другом цинично её понижает?
alex Bronstain # написал комментарий 9 сентября 2014, 02:35 Внимание, ответ:
У пули ось вращения совпадает с направлением движения, и потому (момент импульса сохраняется, видите ли) такая пуля «летит по прямой».
У мяча ось вращения перпендикулярна траектории, и т.н. эффект Магнуса создает силу, перпендикулярную траектории движения (газодинамический эффект, однако, в пустоте его не было бы).
Вообще, не следует думать, что сходные действия порождают одинаковые результаты, тут надо смотреть на все явление шире.
Например, Х и У потратили те же деньги, и оба купили в подарок своим дамам пузырьки веществ сходного состава. После этого У прекрасно провел с дамой и вечер, и ночь, а у Х-а вечер кончился тем, что он со своей дамой поругался. Как так?
Момент импульса сохраняется, а потому у закрученной пули ось врашения не меняет ориентации в пространстве.
Вам рассказали, как можно экспериментально показать, что вращающаяся пуля летит стабильно вдоль направления вращения, а не вдоль своей геометрической оси (у круглой пули выделенной геометрической оси нет).
Не хотелось бы Вас обидеть, но похоже, что Вы эту тему открыли, только чтобы блеснуть своим знанием старинного (действительно забавного) объяснения устойчивости вращающихся снарядов.
Такие же понятия, как «момент импульса», «физический эксперимент», для Вас совершенно незнакомы.
Как летит пуля. Стабилизирующее вращение и сила Магнуса
Взаимодействие моментов при полете пули
Сила Магнуса и момент Магнуса
Двухплечевая модель рыскающего движения пули
Статически нестабильная пуля
Самовыравнивание пули вдоль набегающего потока воздуха
Выводы
Большинство людей полагает, что пули летят носиком вперед и остаются стабилизированными от дула до мишени, но это не обязательно так. На коротких дальностях большинство траекторий можно аппроксимировать до прямых линий, в то время как для больших дальностей необходимо принимать в расчет изгиб траекторий.
Большинство экспертов по стрелковому оружию принимают тот факт, что пули может болтать, когда они задевают какие-то объекты, или когда они пролетают промежуточные мишени. Тем не менее, как будет выяснено, некоторые физические условия должны быть выполнены для того, чтобы гарантировать стабильный полет, и пуля не будет стабилизироваться автоматически. Закручивание пули наделяет ее гироскопическими свойствами, которые очень важны – но не достаточны – для обеспечения стабильности пули.
Тем не менее, с точки зрения преподавания, движение вращающегося гироскопа является одним из наиболее сложных движений, с которым студенты-физики не дружат во время лекций по классической механике. Хотя движение гироскопов в целом может быть описано и полностью понято только путем тщательных математических расчетов, это вступление делает попытку описать элементы этого предмета посредством большого количества иллюстраций. Использование формул ограничено и предназначено только для тех, кто бы хотел их видеть Для объяснения некоторых основных физических терминов, используемых в статье, интересующийся читатель может обратиться к учебнику по элементарной физике.
Отметьте изменение типа потока от ламинарного к турбулентному на каннелюре пули. Можно различить по крайней мере три ударные волны. Первая и наиболее интенсивная исходит от носика пули и называется конусом Маха. Вторая ударная волна начинается от расположения каннелюры, и третья ударная волна формируется за донцем пули. Кроме того, можно увидеть высоко турбулентный поток позади донца, который называется турбулентный след. Тип потока на поверхности пули изменяется от ламинарного пограничного слоя в переднем регионе пули, который характеризуется параллельными обтекающими линиями, до турбулентного потока, демонстрирующего завихрения, начинающиеся от каннелюры.
Теневая фотография демонстрирует поле обдувания пули, в основном состоящее из ламинарной и турбулентной областей. Поле обдувания в частности зависит от скорости, с которой движется пуля, формы пули и качества ее поверхности, как от наиболее важных факторов. Поле обдувания, очевидно, стремительно изменяется, когда скорость падает ниже скорости звука, которая составляет около 115 фт/с (340 м/с) для стандартных атмосферных условий.
9-мм оболочечная пистолетная пуля (9 mm Luger FMJ), летящая немного быстрее скорости звука.
Можно заметить серьезные отличия: конус Маха все еще присутствует, но он больше не прикреплен к носику пули, и угол открытия конуса увеличился. Турбулентный след все еще виден, но пограничный слой является ламинарным от носика до донца, на всем протяжении поверхности пули.
Математические формулы, посредством которых можно определить параметры поля обдувания (к примеру, давление и скорость поля обдувания в каждом положении) хорошо известны в математике, как уравнения Навье-Стокса. Тем не менее, данные уравнения и их действительные корни являются совершенно различными вещами. Даже с помощью мощных компьютеров до сих пор удалось найти всего лишь несколько применимых решений для некоторых специфических конфигураций. В виду таких математических ограничений баллистики по всему миру рассматривают движение пули в атмосфере, не учитывая специфических характеристик поля обдувания, и применяя упрощенную точку зрения: поле обдувания характеризуется силами и моментами, действующими на тело. В общем случае, эти силы и моменты должны быть определены экспериментально, что осуществляется в процессе стрелковых экспериментов и тестированием в аэродинамических трубах.
В общем случае, тело, движущееся через атмосферу, подвергается влиянию различных сил. Некоторые из этих сил являются силами массы, и прикладываются к СG (центру тяжести) тела и зависят от массы тела и ее распределения по телу. Вторая группа сил называется аэродинамическими силами. Эти силы происходят от взаимодействия поля обдувания с пулей и зависят от формы и качества поверхности тела. Некоторые аэродинамические силы зависят от рыскания, либо от вращения, либо от обоих из них.
Так как мы пытаемся изучать движение пуль на Земле, нам необходимо принимать во внимание ее вращение. Тем не менее, формулы Ньютона для движения справедливы только в инерциальной справочной системе координат – которая либо покоится, либо движется с постоянной скоростью. Поскольку мы считаем, что пуля движется в справочной системе координат, закрепленной на вращающейся Земле, нам приходится иметь дело с системой координат, движущейся с ускорением. Но мы можем компенсировать это – и все еще использовать формулы Ньютона – добавлением двух дополнительных сил.
Взаимодействие моментов при полете пули
Гироскопический эффект может быть описан и объяснен исходя из общих законов физики и может быть подтвержден математическими вычислениями. В данный момент мы просто должны принять то, что мы наблюдаем: ввиду гироскопического эффекта продольная ось пули движется в противоположном направлении от опрокидывающего момента, как показано стрелкой на рисунке.
В общем случае из-за влияния гироскопического эффекта, ось симметрии пули будет двигаться по поверхности конуса со скоростью, вектор которой будет направлен по оси конуса. Это движение часто называется прецессией. Тем не менее, более современные источники называют это медленной модой осцилляции. Опрокидывающий момент стремиться повернуть пулю вокруг оси, которая проходит через CG и которая перпендикулярна плоскости рыскания, плоскости, сформированной вектором скорости v и продольной осью пули. При отсутствии вращения угол рыскания d будет возрастать, и пуля начнет болтаться.
Если пуля обладает существенным вращением, скажем, если она вращается достаточно быстро вокруг оси своей симметрии, будет иметь место гироскопический эффект: продольная ось пули движется в направлении опрокидывающего момента, перпендикулярно к плоскости сопротивления. Тем не менее, эта ось смещается вместе с плоскостью сопротивления, которая затем поворачивается вокруг вектора скорости.
Чтобы еще больше все усложнить, скажем, что реальное движение стабилизируемой вращением пули еще более запутано. В дополнение к этому, к медленной осцилляции добавляется еще и быстрая осцилляция.
Поверхностное трение на поверхности пули замедляет ее вращательное движение. Момент затухания вращения (также момент затухания оборачивания) рассчитывается по приведенной выше формуле. Коэффициент затухания вращения зависит от геометрии пули и типа обтекания (ламинарное или турбулентное).
Сила Магнуса и момент Магнуса
В общем случае ветровая нагрузка будет являться доминирующей аэродинамической силой. Тем не менее, существует еще несколько более мелких сил, но нам бы хотелось упомянуть только силу Магнуса, которая, как оказывается, является очень важной для стабилизации пули.
Двухплечевая модель рыскающего движения пули
Теперь мы закончили обсуждать наиболее важные силы и аэродинамические моменты, влияющие на движение пули, но пока мы не видели, как выглядит результирующее движение пули. В данный момент нас не интересует сама по себе форма траектории (поступательное движение тела), но мы хотим сконцентрироваться на вращении вокруг ЦТ. Рыскающее движение пуль, стабилизируемых вращением, производимое суммой всех аэродинамических моментов, может быть смоделировано в виде суперпозиции быстрой и медленной мод осцилляции, и наиболее простым образом может быть объяснено и понято посредством двухплечевой модели.
Представьте себе, что вы смотрите на пулю сзади, как показано на рисунке. Простая двухплечевая модель адекватно описывает рыскающее движение пули, стабилизированной вращением, происходящее от взаимодействия всех аэродинамических моментов.
Рыскающее движение может быть осознано как суперпозиция быстрой и медленной осцилляций, часто называемых нутацией и прецессией. Представьте, что вы смотрите на пулю сзади. Плечо медленной моды от CG до A должно иметь точкой вращения CG и вращается с частотой медленной моды. Таким образом, А движется по окружности вокруг (красная окружность). Плечо быстрой моды от A до T, где T – носик пули, должно иметь точкой вращения точку А и вращаться с частотой быстрой моды. Таким образом, T вращается по окружности вокруг А. Расстояние от CG до T – это проекция продольной оси пули.
В соответствии с рисунком, представьте, что вы смотрите на пулю, летящую в сторону глаза наблюдателя. Тогда носик пули движется по спиралевидной (она еще называется геликоидной) траектории, как показано на рисунке, в то время, как CG остается закрепленным в центре окружности. Носик пули периодически возвращается назад, перпендикулярно к траектории. Если это происходит, угол рыскания становится минимальным.
Данный рисунок схематически показывает основное угловое движение пули, стабилизированной вращением, вблизи от дульного среза. Представьте, что CG пули закреплен в центре системы координат, и таким образом, пуля летит в направлении глаза наблюдателя. Тогда ее носик движется по спиралевидной траектории (как показано кривыми линиями) в направлении стрелок. На дульном срезе (t=0) угол рыскания может быть маленьким, но возрастать до максимального значения примерно в 1°, уменьшаясь затем снова почти до нуля.
Отметьте, что величина успешных максимальных углов рыскания будет меньше, чем у их предшественников, так как пуля на рисунке предполагается динамически стабильной (максимальный угол рыскания уменьшается по мере того, как пуля продолжает продвигаться вперед).
Эта простая модель адекватно описывает рыскающее движение, если дополнительно принять, что частота быстрой моды превосходит частоту медленной моды, и длины плеч для медленной моды и быстрой моды для динамически стабилизированной пули постоянно укорачиваются.
ак как частота вращения w уменьшается намного медленнее, чем скорость vw, фактор гироскопической стабильности sg, как минимум вблизи от дульного среза, постоянно возрастает. Практический пример показан на рисунке 10 Этот рисунок демонстрирует фактор гироскопической стабильности для пули М80 калибра 7.62 x 51 НАТО, выстреленных под углом вылета 32° со скоростью 870 м/с из ствола с шагом нарезов в дульной части в 12 дюймов. Пуля M80 демонстрирует статическую стабильность на всем протяжении траектории полета, так как условие статической стабильности sg>1 сохраняется везде. Величина sg имеет минимальное значение 1.35 на дульном срезе.
Если, наоборот, пуля динамически нестабильна, угол рыскания увеличивается. Появление начального угла рыскания на дульном срезе вовсе не является индикатором нестабильности пули. В некоторых последних публикациях утверждения «пуля не стабилизирована» и «пуля показывает (большой) угол рыскания» используются как синонимы, что неверно. Наоборот, начальный угол рыскания на дульном срезе неизбежен и происходит из-за различных возмущений.
Равновесный угол рыскания (или рыскание покоя, также называемое равновесным рысканием) – это угол, на который отклоняется мгновенная ось прецессии от направления полета (см. рис). В результате влияния этого маленького наклона, возникает постоянный воздушный поток, который стремится отклонить пулю вправо. Таким образом, возникновение рыскания покоя является причиной, по которой пуля отклоняется вправо (для правосторонних нарезов) или влево (для левосторонних нарезов).
Поскольку мгновенное рыскание, получаемое на дульном срезе, у стабильной пули гасится, угол d становится равным рысканию покоя. Величина угла рыскания покоя обычно составляет лишь доли градуса около дульного среза, но может достигать существенных значений в верхней точке траектории, особенно для больших углов вылета.
Возникновение рыскания покоя ответственно за боковой снос стабилизируемых вращением снарядов даже при отсутствии ветра. Зависящий от вращения боковой снос также называется деривацией. Также можно показать, что для правостороннего вращения рыскание покоя лежит справа от траектории. Таким образом, носик пули описывает розочку со средним смещением вправо, что приводит к боковому сносу вправо.
Статически нестабильная пуля
Возникает вопрос, в каких случаях эти нестабильности имеют существенный практический эффект. Если говорить о коротких дистанциях до нескольких тысяч калибров, динамическую нестабильность пули определить трудно, если, конечно, не применять очень сложную технику измерений. Если пуля сильно превышает эту дальность, угол рыскания достигает существенных значений, сопротивление возрастает и кучность падает. Скорее всего, вариации от выстрела к выстрелу будут ненормальными, а траектории станут непредсказуемыми.
Измерение скорости Доплеровским радаром для стандартной пули НАТО калибра 7.62×51, выстрелянной под углом 38.7° демонстрирует быструю потерю скорости вблизи дульного среза, но осциллирующую природу скорости для полетного времени, превышающего 14 секунд. Считается, что такая осцилляция скорости с частотой 1.0. 1.6 Гц может быть объяснена прецессионной нестабильностью, приводящей к конусообразному движению пули.
С первого взгляда все выглядит нормально. Скорость пули существенно уменьшается вблизи дульного среза, и после общего времени полета примерно в 30 секунд, пуля падает на дальности более 2,5 километров. Более пристальное изучение кривой зависимости скорости от времени, начиная с 14 секунд полета, четко демонстрирует осциллирующее поведение. Увеличенный сектор кривой зависимости скорости от времени показан на нижней иллюстрации рисунка.
Расчеты показывают, что частота колебания скорости возрастает от примерно одного оборота в секунду на 20 секундах полетного времени до почти двух оборотов в секунду на 28 секундах. Нет никаких сомнений в том, что измерения при помощи Доплеровского радара не являются ошибочными. С другой стороны, мы столкнулись не с аэродинамической силой, которая может быть ответственна за ускорение или замедление пули и вызывать осцилляции скорости. Это экспериментальное наблюдение можно объяснить динамической нестабильностью пули 7.62 х 51 НАТО на низких скоростях.
Из предыдущих рисунков мы узнали, что пуля калибра 7.62 х 51 НАТО статически и динамически стабильна вблизи дульного среза. Таким образом, рыскающее движение будет затухать, и после пролета определенной дистанции рыскание, за исключением небольшого рыскания покоя (деривации), практически окажется нулевым.
Когда скорость пули существенно снизится, и она начнет лететь на дозвуковой скорости, спектр обтекания сильно изменится. Это было подтверждено экспериментальными исследованиями BRL (смотри Выводы), и одним из последствий изменения спектра обтекания станет смещение центра давления для силы Магнуса. Для сверхзвуковой скорости эта точка располагается позади ЦТ, но перемещается вперед ЦТ на дозвуковых скоростях. Как было показано ранее (смотри рисунок 7 ), момент Магнуса становится сильным дестабилизирующим моментом, и как следствие, пуля становится динамически нестабильной.
Осцилляция на низких частотах, также называемая прецессией, больше не будет угасать и начинает медленно усиливаться. Тем не менее, пуля все еще имеет повышенную статическую стабильность, и, таким образом, гироскопический эффект продолжает иметь место. В конце концов, продольная ось пули смещается к поверхности конуса, в то время, как траектория является осью конуса. Так как эта осцилляция незатухающая, угол открытия конуса постоянно возрастает. Рисунок 26 схематически показывает конусообразное движение пули НАТО на ниспадающей ветви траектории.
Очевидно, что динамическая нестабильность пули НАТО оказывает заметное влияние на ее траекторию. По мере увеличения рыскания, скорость пули еще больше уменьшается, и дальность падает. Было отмечено, что для изучаемой партии пуль НАТО нестабильности были не воспроизводимы, и дальности, таким образом, даже при стрельбе на практически одинаковых дульных скоростях и при практически одинаковых углах вылета отличались существенно, по случайному закону. Стоит еще отметить, что расчеты внешней баллистики (смотри Выводы), основанные как на модели точечной массы, так и на модифицированной модели точечной массы не способны точно предсказать траекторию такой нестабильной пули.
Самовыравнивание пули вдоль набегающего потока воздуха
Пуля вылетает из ствола в неподвижную воздушную среду, т.е. воздух стоит на месте и бокового ветра нет. В горизонтальной плоскости все физические свойства гиростабилизированной пули имеют одинаковое значение относительно траектории ее полета. Углы рыскания влево и вправо одинаковы и компенсируют друг друга. Учитывая уменьшение этих углов по мере движения по траектории, мы можем принять, что пуля летит строго по линии вращения. Эта линия задана первоначально стрелком при выстреле.
Так она и будет лететь пока нет бокового ветра. Центр давления или максимального сопротивления набегающего потока воздуха находится впереди центра тяжести и располагается на линии полета. Пуля как бы закреплена в этом центре давления.
Далее появляется боковой ветер. Он осуществляет смещение вбок конуса ударной волны и через центр давления старается повернуть носик пули относительно центра тяжести. Дополнительно появляется набегающий поток воздуха внутри конуса ударной волны, который добавляет дополнительное отклонение по аналогии с подъемной силой крыла самолета на сверхзвуке.
Гироскоп, который представляет пуля, тут же старается вернуть ось своего вращения к ориентации, которая была до возмущения. Этот возврат происходит не центром давления, а центром тяжести. Пуля занимает первоначальное положение немного в стороне от прежней линии полета.
Мы знаем, что у гироскопа ось вращения уходит не по прямой от линии давления бокового воздуха, а и дополнительно отклоняется либо вверх, либо вниз, в зависимости от направления ветра. Это дополнительное отклонение так же приходит в ноль за счет гироскопического эффекта. В итоге пуля займет свою первоначальную ориентацию не только немного в стороне, а и выше, либо ниже.
Но ветер снова повторяет отклонение оси вращения пули и пуля снова компенсирует это отклонение гироскопическим эффектом. Так и идет борьба между боковым ветром и гироскопическим эффектом.
Как только ветер прекратится, этой борьбы не будет и пуля продолжит свой полет в той ориентации, которую обеспечивает гироскопический эффект.
Что касается набегающего потока воздуха внутри конуса ударной волны. При любом отклонении оси вращения, пуля перейдет, как вы сказали, в «мелкопериодические колебания». Набегающий поток будет не только с одной стороны, а и с противоположной. Сила его не одинакова слева и справа, поэтому в совокупности с основной силой отклонения ветром, появится некий малый угол.
Считается, что при боковом ветре в 20 миль в час центральная линия пули наклонится на угол 0,52 градуса относительно направления полета. Такой маленький и даже больший угол очень трудно заметить среди отклонений точек попадания пуль.
До настоящего времени не существует иного удобного метода, кроме эксперимента, с помощью которого можно предсказать динамическую нестабильность пули, особенно на дальних дистанциях. Некоторые очень сложные компьютеризованные процедуры (численные решения формул Навье-Стокса) для решения этих проблем только разрабатываются исследователями-баллистами.