Верхом на ядре

Барон Мюнхгаузен – знаменитый враль – рассказывал так:

«Во время войны мне доводилось ездить верхом не только на конях, но и на пушечных ядрах.

Вот как это произошло.

Мы осаждали какой-то турецкий город, и понадобилось нашему командиру узнать, много ли в том городе пушек.

Но во всей нашей армии не нашлось храбреца, который согласился «бы незаметно пробраться в неприятельский лагерь.

Храбрее всех оказался я.

Я стал рядом с огромнейшей пушкой, которая палила по турецкому городу, и когда из пушки вылетело ядро, я вскочил на него верхом и лихо понесся вперед. Все в один голос воскликнули:

„Браво, браво, барон Мюнхгаузен!“

Сперва я летел с удовольствием, но когда вдали показался неприятельский город, меня охватили тревожные мысли.

– Гм, – сказал я себе. – Влететь-то ты, пожалуй, влетишь, но удастся ли тебе оттуда выбраться? Враги не станут церемониться с тобой, они схватят тебя как шпиона и повесят на ближайшей виселице. Нет, милый Мюнхгаузен, надо тебе возвращаться, покуда не поздно.

В эту минуту мимо меня пролетало встречное ядро, пущенное турками в наш лагерь.

Не долго думая, я пересел на него и, как ни в чем не бывало, помчался обратно»…

Так рассказывал немецкий враль, барон Мюнхгаузен. Но, наверное, и сам он не надеялся, что кто-нибудь поверит его рассказу. Ведь скорость полета снаряда во времена Мюнхгаузена доходила до 200 метров в секунду.

Современные же артиллерийские снаряды летят еще быстрее. Скорость полета современного снаряда в первую секунду равна обычно 600—700 метрам, а некоторые снаряды летят еще быстрее – 1 000 и более метров в секунду. Эта скорость так велика, что снаряд, когда он летит, обычно даже не виден: глаз не успевает его уловить.

Если б в самом деле удалось кому-нибудь сесть на современный артиллерийский снаряд и полететь на нем, то за одну минуту такой «путешественник» пролетел бы 40-60 километров.

Это в сорок раз быстрее, чем ехать курьерским поездом. Это в двенадцать раз быстрее путешествия на самолете.

Впрочем, здесь идет речь об обыкновенных пассажирских самолетах и об артиллерийских снарядах, летящих со средней скоростью.

Если же взять для сравнения, с одной стороны, самый «медленный» снаряд, а с другой – рекордно быстрый самолет, тогда разница будет уже не так велика: рекордные самолеты делают в наше время около 600 километров в час, то-есть около 170 метров в секунду. А очень «медленный» снаряд, например снаряд одной из 152-миллиметровых мортир при уменьшенном заряде, пролетает в первую секунду 171 метр.

Может получиться, что рекордный самолет и не отстанет от такого снаряда, а, пожалуй, и перегонит его.

Летя на таком самолете, можно было бы ясно увидеть попутный снаряд; не только увидеть, но даже «перепрыгнуть» с самолета на снаряд. Это было бы, пожалуй, не хуже «подвига» Мюнхгаузена!

 

Что тянет снаряд вниз

Пассажирский самолет пролетает за час около двухсот пятидесяти километров. Сколько же пролетит за час снаряд, летящий в десять раз быстрее самолета?

Казалось бы, снаряд должен пролететь за час около двух с половиной тысяч километров.

На самом деле, однако, весь полет снаряда продолжается всего лишь около минуты, и снаряд пролетает обычно не больше 15-20 километров.

В чем же тут дело? Что мешает снаряду лететь так же долго и так же далеко, как летит самолет?

Рис. 96. Как летел бы снаряд при выстреле из орудия, ствол которого направлен прямо в цель, и как надо направить ствол, чтобы снаряд попал в цель

Самолет летит долго потому, что воздушный винт тянет его все время вперед. Винт работает много минут, много часов подряд. Поэтому и самолет может лететь непрерывно много часов подряд.

Снаряд же получил толчок в канале орудия, а дальше летит уже сам по себе, никакая сила больше не толкает его вперед. С точки зрения механики, летящий снаряд будет телом, движущимся по и терции. Такое тело, – учит механика, – должно подчиняться очень простому закону: оно должно двигаться прямолинейно и равномерно, если только к нему не приложена больше никакая сила.

Подчиняется ли снаряд этому закону, движется ли он прямолинейно?

Рис. 97. Брошенный камень описывает дугу

Представьте себе, что за километр от вас находится какая-либо цель, – например, неприятельский пулемет. Попробуйте навести 76-миллиметровую дивизионную пушку так, чтобы ствол ее был направлен прямо в пулемет (рис. 96), потом произведите выстрел.

Сколько бы раз вы так ни стреляли, в цель вы не попадете никогда: всякий раз снаряд будет падать на землю и разрываться, пролетев всего лишь метров 300. Продолжаете опыты, и вы скоро придете к такому выводу: чтобы попасть, ствол надо направить не в цель, а несколько выше ее (рис. 96).

Выходит, что снаряд летит не прямо вперед: в полете он опускается. В чем дело? Почему снаряд летит не прямолинейно? Какая сила тянет снаряд вниз?

Ответ очень простой: сила тяжести заставляет снаряд опускаться во время полета.

Всякий знает, что брошенный камень летит не прямо, а описывает дугу и, пролетев небольшое расстояние, падает на землю или в воду (рис. 97). При прочих равных условиях камень летит тем дальше, чем сильнее он брошен, чем большую скорость он получил в момент броска.

Рис. 98. Как понижался бы снаряд под линией бросания при стрельбе в безвоздушном пространстве

Поставьте на место человека, бросающего камень, орудие, а камень замените снарядом; как и всякое летящее тело, снаряд притянется при полете к земле, а из-за этого отойдет от той линии, по которой он был брошен; эта линия так и называется в артиллерии – «линией бросания», а угол между этой линией и горизонтом орудия – «углом бросания» (рис. 98).

В первую секунду полета снаряд опустится приблизительно на 5 метров (точнее – на 4,9 метра), во вторую – почти на 15 метров (точнее-на 14,7 метра), и в каждую следующую секунду скорость падения будет увеличиваться почти на 10 метров в секунду (точнее – на 9,8 метра в секунду). Таков закон свободного падения тел, открытый Галилеем.

Поэтому-то линия полета снаряда – траектория – получается не прямой, а, точно так же как и для брошенного камня, похожей на дугу.

Теперь попытайтесь ответить на такой вопрос: нет ли связи между углом бросания и расстоянием, которое пролетает снаряд?

 

Куда летит снаряд

Попробуйте выстрелить из той же 76-миллиметровой пушки один раз при горизонтальном положении ствола, другой раз – придав пушке угол бросания в 3 градуса, а в третий раз при угле бросания в 6 градусов.

В первую же секунду полета снаряд, как мы уже знаем, должен отойти вниз от линии бросания на 5 метров. И значит, если ствол орудия лежит на станке высотой в 1 метр от земли и смотрит горизонтально, то снаряду некуда будет опускаться, он ударится о землю раньше, чем истечет первая секунда полета. Расчет показывает, что уже через шесть десятых секунды произойдет удар снаряда о землю (рис. 99).

Рис. 99. Как летел бы снаряд, если бы стволу орудия придали горизонтальное положение

Снаряд, брошенный со скоростью 600 метров в секунду, при горизонтальном положении ствола пролетает до падения на землю всего метров 300.

Теперь произведите выстрел под углом бросания в 3 градуса.

Линия бросания пойдет уже не горизонтально, а под углом в 3 градуса (рис. 100).

Рис. 100. Траектория снаряда в безвоздушном пространстве при угле бросания в 3 градуса

По нашим расчетам, снаряд должен был бы через секунду забраться уже на высоту 30 метров, но сила тяжести отнимет у него 5 метров подъема, и на самом деле снаряд окажется на высоте 25 метров над землей. Через 2 секунды снаряд, не будь силы тяжести, забрался бы уже на высоту 60 метров, на самом же деле сила тяжести отнимет на второй секунде полета еще 15 метров, а всего 20 метров. К концу второй секунды снаряд окажется на высоте 40 метров. Если продолжим расчеты, они покажут, что уже на четвертой секунде снаряд не только перестанет подниматься, но неминуемо начнет опускаться все ниже и ниже. И к концу шестой секунды, пролетев 3 600 метров, снаряд упадет на землю (рис. 100).

Рис. 101. Угол наибольшей дальности и различные траектории при стрельбе под различными углами бросания

Расчеты для выстрела под углом бросания в 6 градусов похожи на те, которые мы только что делали, но считать придется много дольше: снаряд будет лететь 12 секунд и пролетит 7 200 метров.

Вы нашли правило: чем больше угол бросания, тем дальше летит снаряд.

Но этому увеличению дальности есть предел: дальше всего снаряд летит, если его бросить под углом в 45 градусов (рис. 101).

Если еще увеличивать углы бросания, снаряд будет забираться все выше, но зато падать он будет все ближе.

Само собою разумеется, что дальность полета будет зависеть не только от угла бросания, но и от скорости: чем больше начальная скорость снаряда, тем дальше он полетит при прочих равных условиях.

Например, если бросить снаряд под углом в 6 градусов со скоростью не в 600, а в 170 метров в секунду, то он пролетит не 7 2005-метров, а всего лишь 570.

Остается только проверить теперь эти вычисления опытом…

 

Что тормозит снаряд

Итак, проделаем опыт. Зарядим 152-миллиметровую мортиру таким зарядом, который выбрасывает снаряд с начальной скоростью 171 метр в секунду. При угле бросания в 20 градусов: снаряд по расчетам должен пролететь 1 900 метров. Приблизительно столько пролетит он и на самом деле, – расчеты подтвердились.

Повторим теперь наш опыт с другим орудием. Зарядим 76-миллиметровую дивизионную пушку, снаряд которой имеет скорость около 600 метров в секунду, и выстрелим так, чтобы угол бросания был равен тем же 20 градусам.

Мы ожидаем, что снаряд пролетит очень большое расстояние – 23 600 метров. А на самом деле снаряд упадет на расстоянии всего-лишь 7 200 метров от орудия (рис. 102).

Рис. 102. Как летел бы снаряд в безвоздушном пространстве, и как летит он в воздухе

Мы недоумеваем.

Рис. 103. Силы, действующие на снаряд в полете

В чем дело? Неужели на этот раз мы ошиблись в расчетах?

Нет, расчеты верны. Но они неполны: мы считали, что на снаряд в полете действует только сила тяжести. Это было бы верно, если бы мы стреляли в безвоздушном пространстве. А при полете снаряда в воздухе возникает еще одна сила, которую нельзя сбросить со счета: это – сила сопротивления воздуха (рис. 103).

Сопротивление воздуха резко возрастает, когда увеличивается: скорость движущегося тела.

Когда вы идете пешком, вы вовсе не чувствуете сопротивления воздуха. Но попробуйте сесть в открытый автомобиль и развить, скорость 60 километров в час, то-есть всего лишь около 17 метров в секунду, – и вы почувствуете, как даже в самый тихий день сильный «ветер» начнет трепать ваши волосы, срывать фуражку с головы. А если вы высунетесь в полете из кабины пассажирского самолета, летящего со скоростью около 60 метров в секунду, то страшный «ураган» начнет так хлестать вам в лицо, что не даст даже смотреть: придется надеть авиационные очки.

Рис. 104. Быстро идущая яхта создает две волны – носовую и кормовую

Так же обстоит дело и со снарядом. Если выстрелить из орудия, бросающего снаряд с небольшой скоростью, то сопротивление воздуха полету такого снаряда будет ничтожно, оно почти не отразится на его полете. Так и случилось со снарядом 152-миллиметровой мортиры. Но положение резко изменится, как только произведем выстрел из 76-миллиметровой пушки. Ведь ее снаряд летит со скоростью 600 метров в секунду – в двенадцать раз быстрее самолета; представьте же себе, как сопротивляется воздух полету этого снаряда! Понятно, что из-за сопротивления воздуха наш снаряд и пролетел не 23 600 метров, а всего лишь 7 200. Очевидно, в этом случае нельзя уже не считаться с огромной силой, которая втрое уменьшила дальность полета снаряда.

Почему же воздух тормозит снаряд? Потому что воздух, как и всякое другое вещество, обладает плотностью. Он состоит из бесчисленного количества частиц.

Бегущий человек вынужден замедлить свой бег, если ему приходится бежать вброд через реку: он расходует часть своей энергии на преодоление сопротивления окружающей среды. Так и снаряд расходует часть своей энергии на то, чтобы растолкать частицы воздуха, мешающие его полету.

Посмотрите с берега на быстро идущую яхту (рис. 104).

Рис. 105. Снаряд в полете создает в воздухе волны и завихрения

Впереди яхты бурлит вода, которую режет нос. Образуется волна. Она тем выше, чем больше скорость яхты. Длинные волны бегут далеко вправо и влево от этой носовой волны.

За кормой тоже бурлит вода: она спешит занять место, освободившееся после того, как яхта прошла. И за кормой также тянутся длинные волны вправо и влево.

Нечто подобное происходит и в воздухе во время полета снаряда (рис. 105).

Перед его головной частью образуется уплотнение воздуха; его и рассекает все время голова снаряда.

От этого уплотнения расходится во все стороны головная волна.

Позади летящего снаряда образуется зона разреженного воздуха: пустота, которую оставил позади себя снаряд, вытолкнувший частицы воздуха, еще не успевает заполниться.

Рис. 106. Распространение звуковых волн, порожденных в воздухе снарядом, двигающимся со скоростью звука

Частицы воздуха несутся со всех сторон в эту пустоту, стремясь ее заполнить. Образуются завихрения.

За дном снаряда тянется во все стороны хвостовая волна.

Сгущение воздуха впереди головной части снаряда тормозит его полет. Разреженная зона позади снаряда засасывает снаряд и этим еще усиливает торможение. Кроме того, стенки снаряда испытывают трение о частицы воздуха.

Сопротивление воздуха резко возрастает, когда скорость снаряда приближается к скорости звука (рис. 106). Скорость звука, как известно, приблизительно равна 340 метрам в секунду, и снаряды многих орудий летят вдвое ж даже втрое быстрее звука.

В этом случае снаряд обгоняет все волны, образующиеся перед его головной частью (рис. 107).

Снаряд при этом сильно тормозится и быстро теряет свою скорость.

Рис. 107. Распространение звуковых волн, порожденных в воздухе снарядом, двигающимся скорее звука

Опыты показывают, что даже при скоростях снаряда, меньших скорости звука, сопротивление воздуха растет не пропорционально скорости снаряда, а гораздо быстрее: если выбросить снаряд с удвоенной скоростью, то потеря им скорости из-за сопротивления воздуха возрастет примерно вчетверо. Утройте скорость снаряда – замедление возрастет примерно в девять раз.

Словом, при скоростях до 300 метров в секунду замедление полета снаряда возрастает приблизительно пропорционально квадрату скорости его полета, а при больших скоростях полета снаряда– и еще того больше.

 

Цилиндр или сигара?

Воздух тормозит летящий снаряд, замедляет его полет.

Можно ли бороться с этим замедлением?

Один способ мы уже знаем – уменьшить скорость самого снаряда. Но ведь снаряд, летящий медленнее, упадет ближе. Этот способ применим только в том случае, когда нам нет надобности забрасывать снаряд далеко.

А на войне важно иметь возможность забросить снаряд как можно дальше. Поэтому уменьшать его скорость не годится.

Поищем, нет ли других, более выгодных способов бороться с замедлением полета снаряда из-за сопротивления воздуха.

Такие способы существуют.

Представьте себе, что вы хотите выбраться из трамвая, битком набитого пассажирами. Попробуйте итти прямо – грудью вперед; пожалуй, вы не доберетесь до выхода. Но если вы начнете пробираться боком, вам уже не так трудно будет протолкаться.

Нечто подобное испытывает и снаряд в полете: не безразлично, как он будет пробираться между частицами воздуха.

Был в старину – во времена севастопольской обороны – такой снаряд: светящее ядро к полупудовой медной мортире. Это ядро имело форму цилиндра.

В полете оно подставляло воздуху плоскую поверхность – круг. Оно наталкивалось на большое сопротивление воздуха, подобно человеку, который пробивается сквозь толпу грудью вперед. А сзади этого цилиндрического ядра получалась большая зона разреженного воздуха, сильно засасывавшая это ядро, отнимавшая у него скорость.

Такое ядро летело всего лишь метров на пятьсот.

Обыкновенное шаровое ядро той же мортиры, хотя и встречало также большое сопротивление воздуха, но все же по форме было выгоднее цилиндра: оно могло пролететь метров восемьсот – в полтора раза дальше светящего ядра.

Заострить головную часть снаряда еще выгоднее: как заостренный нос быстро идущей яхты легко рассекает воду, так и снаряд с заостренной головной частью разрезает воздух легче, чем цилиндрическое или шаровое ядро.

Вот почему головную часть снаряда начали заострять, едва лишь научились делать устойчивым в полете продолговатый снаряд, – еще в середине девятнадцатого века.

Рис. 108. Если бы снаряд с плоской поверхностью вылетел со сверхзвуковой скоростью, он вызвал бы огромное сопротивление воздуха и через короткое время потерял бы свою скорость

Рис. 109. Велико было бы сопротивление воздуха шаровому ядру, летящему со сверхзвуковой скоростью

Рис. 110. Наименьшее сопротивление воздуха вызывает современный дальнобойный снаряд обтекаемой формы

Донная часть такого снаряда оставалась, однако, еще цилиндрической, и позади снаряда получалась большая зона разреженного воздуха, сильно засасывавшая снаряд, отнимавшая у него значительную часть скорости (рис. 105).

В двадцатом веке резко возросли скорости транспорта всех видов, быстро развилась авиация. Во всех странах начали изучать действие сопротивления воздуха на быстро движущиеся предметы разной формы. Оказалось, что не только для самолета, но даже для быстроходного автомобиля или поезда важна такая форма, которая является удобообтекаемой. Если автомобилю придать такую форму, то при большой скорости движения он начинает экономить 10-15 процентов горючего или при том же расходе горючего начинает двигаться заметно быстрее.

Тем большее значение имеет форма снаряда: ведь снаряд движется во много раз быстрее автомобиля, он встречает огромное, сопротивление воздуха.

Взгляните на рисунки 105 и 108 – 110. Перед вами четыре снаряда разной формы. На рисунках изображены волны и завихрения воздуха, которые сопровождали бы полет каждого из этих снарядов, если бы скорость их всех была одна и та же, и притом больше, чем скорость звука. Площадь, на которую сильно давит воздух, тем меньше, чем острее головная часть снаряда. Разреженная зона за снарядом также тем меньше, чем больше скошена его донная часть; меньше в этом случае и завихрений позади летящего снаряда.

Очевидно, что при такой скорости наиболее выгодна форма снаряда, изображенная на рис. 110.

Более подробное изучение этого вопроса показало, что каждой скорости полета соответствует своя наиболее выгодная форма снаряда.

Чем больше скорость снаряда, тем острее должна быть его головная часть.

Допустим, что воздух давит на головную часть снаряда с силой в 4 атмосферы, а в разреженной зоне позади снаряда давление составляет всего лишь четверть атмосферы.

Давление на дно снаряда уменьшилось против нормального на три четверти атмосферы: это составляет примерно пятую часть того давления, которое испытывает голова снаряда.

А вот другой снаряд: скорость его значительно больше, чем у первого, а потому он испытывает и большее сопротивление воздуха, – предположим, равное давлению в 100 атмосфер. Пусть он летит так быстро, что за ним позади образуется почти полная пустота: частицы воздуха не успевают ее заполнить. Разница с нормальным давлением составляет целую атмосферу. Но это всего лишь один процент – всего сотая часть – того давления, которое испытывает голова такого снаряда!

Вот почему снарядам, летящим с очень большой скоростью, придают теперь такую форму, при которой головная часть их очень сильно заострена. А снарядам, летящим сравнительно медленно можно и не очень заострять головную часть, но зато нужно обязательно удлинить и сильно скосить их донную часть.

Двадцать лет тому назад граната 75-миллиметровой французской пушки могла пролететь около 8,5 километра.

Рис. 111. Увеличение дальности полета снаряда при улучшении его формы

Но стоило только заострить ее головную часть, удлинить и скосить донную часть, как граната такого же веса стала лететь больше чем на 11 километров; простое изменение формы снаряда увеличило почти на одну треть дальность его полета (рис. 111).

 

Какой снаряд летит дальше – легкий или тяжелый?

Но секрет дальнобойности – не только в форме снаряда.

Выпустим снаряды одинаковой формы из трех разных орудий.

Орудия эти подобраны так, что начальная скорость их снарядов одна и та же – 442 метра в секунду. Снаряды почти совершенно одинаковы по форме. Пусть и угол бросания у всех трех орудий будет один и тот же – 20 градусов (рис. 112).

Рис. 112. Как действует сопротивление воздуха на снаряды разного веса

Снаряд 37-миллиметровой пушки при этих условиях пролетит 4100 метров.

Снаряд 76-миллиметровой пушки– пролетит 5 700 метров.

А снаряд 152-миллиметровой пушки залетит дальше всех – на 6 300 метров.

Рис. 114. Вот как выросли снаряды за последние 80 лет!

Рис. 115. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в самом начале его полета

Рис. 116. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в полете

Рис. 117. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в полете

В чем же дело? Ведь форма у всех трех снарядов одна и та же, и скорость почти одинакова, и угол бросания один и тот же.

Неодинаков только размер и вес этих снарядов: 37-миллиметровая граната весит полкилограмма; 76-миллиметровая граната – побольше, она весит шесть с половиной килограммов, то-есть она в тринадцать раз тяжелее 37-миллиметровой гранаты; а 152-миллиметровая граната всех больше и всех тяжелее – она весит около сорока одного килограмма.

Выходит так: чем тяжелее снаряд, тем меньше влияет на него сила сопротивления воздуха.

Чем же объяснить такое влияние веса снаряда?

Попробуйте проделать такой простой опыт. Подберите одинаковой величины и формы пробку и камешек. Бросьте их из окна пятого этажа. Вы увидите, что камешек долетит до земли раньше, чем пробка.

Закон свободного падения– один и тот же для всех тел. Форма и величина у камня и пробки одинаковы, – значит, в начале падения одинаково и сопротивление воздуха их движению.

Почему же его влияние на пробке сказалось сильнее, чем на камешке? Почему воздух больше затормозил полет пробки, чем полет камешка?

Плотность пробки меньше плотности камешка. В пробке меньше вещества. Стало быть, меньше и инерция пробки – ее способность сохранять то состояние, в котором она находится. Пробку поэтому легко затормозить. Камень гораздо тяжелее пробки, вещества в нем во много раз больше. Значит, и инерция камня во столько же раз больше. Его движение затормозить гораздо труднее.

Каждый железнодорожник знает, что груженый поезд труднее затормозить, чем порожний.

Тяжелый снаряд испытывает при своем полете точно такое же сопротивление воздуха, как и легкий, если их размеры, скорость и форма одинаковы.

Выгоднее всего, значит, увеличить вес снаряда, не увеличивая в то же время площади его поперечного сечения, то-есть площади, на которую давит воздух.

Для этого достаточно сделать снаряд длиннее.

Так на деле и поступают: на смену шаровым снарядам пришли продолговатые; и эти продолговатые снаряды делаются, по мере своего совершенствования, все длиннее и длиннее.

В артиллерии принято измерять длину снаряда не в линейных мерах, а в калибрах; если длина снаряда вдвое больше его диаметра, то говорят: снаряд имеет длину в два калибра (рис. 114).

Так вот, круглая граната, длина которой, разумеется, один калибр, сменилась продолговатой, в два калибра длиной. Это был снаряд начала шестидесятых годов девятнадцатого века. Десять лет спустя граната достигла длины в три калибра. Ко времени империалистической войны снаряд вытянулся еще больше и достиг четырех калибров в длину. А современная граната имеет в длину примерно уже пять калибров (рис. 114).

Заметно подросли снаряды за последние 80 лет!

Однако, если это так выгодно, почему бы не сделать снаряд еще длиннее, например, в десять калибров длиной? Почему бы не создать очень длинный снаряд – «снаряд-копье»? Оказывается, этому мешает все тот же воздух. Вглядитесь в рисунок 115, – снаряд выброшен из орудия головой вперед: сила сопротивления воздуха только тормозит движение снаряда. Но под действием силы тяжести он стал опускаться все ниже под линией бросания (рис. 116). И чем больше он опускается, тем больше подставляет сопротивлению воздуха уже не голову, а бок. Площадь, на которую давит воздух, становится больше (рис. 116), и сила сопротивления воздуха стремится уже не то лько4 тормозить, но и опрокинуть снаряд головой назад (рис. 117), снаряд начнет кувыркаться (рис. 118).

Кувыркающийся снаряд подставляет воздуху то один бок, то другой, то дно; он быстро теряет скорость и падает на землю.

Мы старались сделать снаряд подлиннее для того, чтобы он лучше преодолевал сопротивление воздуха. А оказывается: чем длиннее снаряд, тем легче его опрокинуть. Кувыркаясь же, снаряд, конечно, будет испытывать большее сопротивление воздуха.

Неужели же тут нет выхода?

Рис. 118. Так летел бы в воздухе невращающийся продолговатый снаряд

 

Волчок на службе в артиллерии

Жонглер в цирке держит на кончике тросточки тарелку. Чтобы тарелка не упала, жонглер заставляет ее быстро вращаться.

Рис. 119. Гироскоп

Рис. 120. Как изменится положение оси вращения гироскопа, получившего толчок

Каждый видел детскую игрушку «волчок». Пока «волчок» быстро вертится, он стоит на своей острой ножке.

Еще интереснее прибор, известный из физики – гироскоп (рис. 119 и 120).

Гироскоп состоит из маховика, который может вращаться вокруг трех осей: во-первых, вокруг своей основной оси, на которую он посажен; во-вторых, вместе с кольцом, поддерживающим основную ось, – вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к первой, и, в-третьих, вместе с внешним полукольцом – вокруг вертикальной оси.

У гироскопа есть замечательное свойство: когда он быстро вращается, он не только сохраняет положение своей оси в пространстве, но и сопротивляется всяким попыткам изменить ее положение.

Этой замечательной способностью вращающегося тела сохранять свою устойчивость и воспользовались артиллеристы: они заставили снаряд быстро вращаться в полете.

Ствол орудия не оставляют теперь гладким внутри, а растачивают в нем пологие винтообразные желобки-нарезы. Благодаря этому внутри ствола оказываются углубления и выступы. Едва снаряд двинется с места, его медный поясок врезается в эти выступы.

На мягкой меди пояска образуются тогда свои выступы и углубления.

Все вперед и вперед скользит снаряд в стволе по его нарезам, точно по рельсам.

Но нарезы идут винтообразно, как винтовая лестница. Поэтому снаряд, следуя по ходу нарезов, начинает быстро вращаться.

Вылетев из ствола, он сохраняет вращение и в воздухе. Вращается он в наших орудиях слева вверх направо, то-есть, если смотреть сзади, – по направлению движения часовой стрелки.

Снаряды различных орудий делают от 200 до 500 оборотов в секунду.

Колесо автомобиля на полном ходу делает в секунду около 16 оборотов, винт самолета – от 35 до 75. Снаряд вращается в тридцать раз быстрее автомобильного колеса и в пять-семь раз быстрее, чем воздушный винт самолета.

Эта огромная скорость достаточна, чтобы обеспечить устойчивость современного продолговатого снаряда в полете.

 

Летящий гироскоп

Но если бы снаряд был в полете вполне устойчив, он летел бы, как изображено на рисунке 121, и падал бы на землю не головой, а дном.

На самом же деле снаряд летит не так.

Еще один опыт с гироскопом поможет нам лучше понять особенности полета снаряда.

Поставим на гироскоп фигуру. В ее вытянутую руку вложим груз, как изображено на рисунке 119.

Вы думаете, вращающийся гироскоп наклонится вниз, в сторону груза? Ничуть не бывало: гироскоп повернется вокруг своей вертикальной оси слева направо.

Попробуйте теперь толкнуть гироскоп, ударить по одному из концов горизонтальной оси (рис. 120). Казалось бы, гироскоп должен от такого толчка повернуться на своей вертикальной оси.

Не тут-то было: на самом деле гироскоп начнет поворачиваться вокруг горизонтальной оси так, что фигура упадет с него.

В этом и заключается основное свойство гироскопа: он изменяет положение своей оси, двигаясь всегда под прямым углом к направлению действия внешней силы и в сторону своего вращения.

Быстро вращающийся в полете снаряд напоминает маховик гироскопа. Как и гироскоп, снаряд стремится сохранить положение своей оси в пространстве. Но при этом снаряд, конечно, опускается под линией бросания: траектория изгибается. Пока ось снаряда совпадала с касательной к траектории, сопротивление воздуха распределялось равномерно по всем точкам головной части снаряда и только замедляло его полет (рис. 115).

Рис. 121. Так летел бы вращающийся снаряд в безвоздушном пространстве

Но едва лишь ось снаряда начала отходить от касательной к траектории (это произошло в самом начале движения), как снаряд подставил сопротивлению воздуха свой бок (рис. 116).

Рис. 122. Как отражается на вращающемся снаряде полученный им толчок

Рис. 123. Одно из действий сопротивления воздуха на снаряд

Рис. 124. Коническое вращение головной части снаряда

Невращающийся снаряд опрокинулся бы при этом.

Но снаряд вращается. Как и маховик гироскопа, он стремится сохранить устойчивость; на действие внешней силы он отвечает поворотом в направлении, перпендикулярном тому, по которому действует сила. При этом он подчиняется такому правилу: если какая-то точка снаряда получила толчок, направленный перпендикулярно (по нормали) к оси снаряда, то от толчка голова снаряда отклонится в ту сторону, куда должна притти через три четверти оборота точка, получившая толчок (рис. 122).

Сопротивление воздуха толкает голову снаряда снизу вверх; снаряд отвечает на это тем, что поворачивает голову вправо, под прямым углом к направлению действия внешней силы и в сторону своего вращения (рис. 123).

В этом новом положении воздух сильнее давит на снаряд слева, стремится повернуть его голову вправо. Упрямый снаряд-гироскоп повернет ее вниз. Тогда воздух, действуя на снаряд сверху, начнет загибать его голову вниз. А снаряд-гироскоп сделает опять по-своему – и повернет ее влево. Как только воздух попробует свернуть голову снаряда влево, снаряд поднимет ее вверх. И такая борьба снаряда-гироскопа с силой сопротивления воздуха продолжается во все время полета: Голова снаряда перемещается то вправо, то вниз, то влево, то вверх, то-есть описывает около траектории круг, а ось снаряда описывает коническую поверхность (рис. 124).

Рис. 125. Так летит в воздухе «послушный» вращающийся снаряд

В результате, вращающийся снаряд летит все время головой вперед и в таком же положении падает на землю (рис. 125).

И получается, что та же самая сила сопротивления воздуха, которая мешала, опрокидывала невращающийся снаряд, начинает помогать, как только снаряд приобретает вращательное движение: сила сопротивления воздуха теперь уже «привязывает» голову снаряда к траектории, делает его послушным.

Теперь, когда мы уже узнали все силы, действующие на снаряд во время полета, мы должны понять разницу в очертаниях траекторий, показанных на рисунке 109

Рис. 126. Элементы траектории

На самом деле траектория всегда несимметрична: дальняя – нисходящая – ветвь у нее круче и короче восходящей, и снаряд падает круче, чем вылетает из орудия, то-есть угол падения снаряда всегда больше угла бросания (рис. 126).

Рис. 127. Полигональный снаряд Витворта

Рис. 128. Нарезной снаряд Шарбонье

Снаряд-копье

Вернемся теперь к вопросу – почему же не сделать очень длинный снаряд, так сказать, снаряд-копье?

Оказывается, такой снаряд был бы все же недостаточно устойчив в полете.

Чтобы обеспечить ему устойчивость, надо было бы вращать его еще раза в два-три быстрее, чем вращается современный снаряд.

Для этого и нарезы в орудии надо было бы сделать раза в два-три круче, чем их делают теперь.

Но тогда мягкий медный ведущий поясок снаряда не выдержал бы громадного давления, какое пришлось бы на его долю при такой крутой нарезке и при большом весе длинного снаряда.

Нужны, значит, какие-то новые технические приемы, чтобы обеспечить такому длинному и тяжелому снаряду достаточно быстрое вращение.

Что можно сделать в этом направлении?

Еще в шестидесятых годах девятнадцатого века англичанин Витворт предложил многоугольный (или, как говорят, полигональный) снаряд (рис. 127). Разумеется, и канал орудия Витворта представлял собой в сечении многоугольную призму, несколько скрученную, – вроде того, как скручивается веревка, – чтобы придать вращение этому снаряду.

В свое время это предложение не нашло широкого применения, а вскоре и вовсе было заброшено. Однако в наши дни его извлекли из архивов и проводят опыты со снарядами Витворта.

Есть и другие предложения. Уже после империалистической войны француз Шарбонье предложил и сумел изготовить снаряд с готовыми выступами, или, иначе, «нарезной снаряд» в десять калибров длиной (рис. 128). Снаряд этот имеет большие преимущества перед старыми: поперечная нагрузка у снаряда Шарбонье вдвое больше, чем у обычного, а поэтому и летит он заметно дальше. Вес снаряда Шарбонье примерно вдвое больше, чем вес старого снаряда, а потому в нем помещается значительно: больше взрывчатого вещества, чем в старом.

Во время своих опытов Шарбонье стрелял из 155-миллиметровой пушки снарядом в 90 килограммов весом вместо обычных 43. Снаряд этот пролетал 19 километров вместо обычных 16.

Но изготовлять такие снаряды с готовыми нарезами трудно и дорого, а заряжать орудие таким снарядом долго и неудобно: уже во время заряжания снаряд должен двигаться своими выступами по нарезам орудия.

Вот почему снаряды Шарбонье пока еще не нашли широкого применения.

 

В стратосферу

Как видите, много хлопот причинило артиллеристам сопротивление воздуха. Кое с чем удалось справиться, и притом с успехом: заставив снаряд вращаться, добились того, что он стал устойчив на полете, а головой начал следить за траекторией.

Но главное заключается в том, что сопротивление воздуха все же резко сокращает дальность полета снаряда.

Нельзя ли избавиться и от этого действия воздуха? Но для этого надо избавиться от сопротивления воздуха. А как же это сделать? Ведь воздухом окутана вся земля!

Да, вся земля окутана воздухом. Но зато плотность его различна на разных высотах. На большой высоте, в стратосфере, воздух сильно разрежен, сопротивление его ничтожно. Пусть хотя бы часть пути снаряд пролетит без воздействия воздуха!

Во время мировой войны немцы, испытывая одно из дальнобойных орудий, случайно установили, что дальность стрельбы из орудий резко увеличивается в том случае, если траектория снаряда поднимается выше 20 километров. Этот принцип они и использовали для создания специальных сверхдальнобойных орудий. Орудия эти были предназначены для варварского обстрела мирной столицы Франции-Парижа – с расстояния более 100 километров.

Снаряд этого орудия быстро пробивал нижний плотный слой воздуха и вырывался на простор стратосферы, входя в нее под углом в 45 градусов, то-есть как раз под углом наибольшей дальности полета в безвоздушном пространстве (рис. 129).

К этому времени снаряд сохранял еще скорость около 1000 метров в секунду. Такая скорость позволяла ему пролететь в безвоздушном пространстве около 100 километров, после чего он спускался на землю с заоблачных высот.

Рис. 129. Траектория снаряда сверхдальнобойной пушки, стрелявшей по Парижу

Какое же орудие необходимо для стрельбы на такое громадное расстояние?