ФИЗИКА ПУШЕЧНОГО ВЫСТРЕЛА

СИЛА ПОРОХА

В книге Раблэ «Гаргантюа и Пантагрюэль», написанной и XVI веке, встречается следующее любопытное объяснение действия огнестрельного оружия:

«При сгорании пороха происходило следующее: во избежание пустоты (которой природа не терпит, так что скорее вся механика вселенной —  небо, воздух, земля, море — превратилась бы в первобытный хаос, нежели наступила в мире пустота) ядро неистово выбрасывалось из жерла пушки, чтобы воздух мог в нее проникнуть, иначе в ней воцарилась бы пустота, так как порох был внезапно истреблен огнем».

Такое объяснение в наше время вызывает только снисходительную улыбку. Мы знаем, что природа очень хорошо «уживается» с пустотой в барометрах, катодных лампах и т. д. Кроме того уже со времен Ломоносова и Лавуазье известно, что при сгорании какого-либо вещества оно не исчезает бесследно, как думали физики XVI века, а превращается в иную форму материи — в другое вещество. Вместо сгоревшего пороха образуются газы, масса которых равна массе взрывчатого вещества.

В пороховых газах и заключается та чудовищная сила, которая сообщает снаряду начальную скорость в 500—600 и более метров в секунду.

Секрет — в быстроте и высокой температуре горения пороха.

Порох сгорает в течение ничтожной доли секунды, температура же продуктов горения достигает 3 000°. Образовавшиеся в течение такого короткого промежутка времени газы вследствие высокой температуры обладают очень большим давлением. Это давление, доходящее до 8 000 атмосфер, и выбрасывает снаряд из орудия.

ИЗ ПУШКИ НА ЛУНУ

Давление, которое выбрасывает снаряд из пушки, есть результат ударов частиц пороховых газов о дно снаряда.

Для того чтобы снаряд вылетел из пушки с какой-то определенной начальной скоростью, необходимо, чтобы средняя скорость молекул пороховых газов была бы больше этой начальной скорости.

Последнее условие оказывается роковым для проекта Жюль-Верна: выстрелить из пушки на луну.

Оригинальная идея талантливого романиста вызвала оживленную критику со стороны многих физиков. С достоверностью установлено, что живые существа, помещенные внутри ядра, неизбежно погибнут в момент выстрела (См. книгу «Межпланетные путешествия» Я. И. Перельмана).

Но, может быть, удастся послать снаряд без пассажиров, снабдив его автоматическим радиопередатчиком вроде автостратостата проф. Молчанова?

Для этого нужно сообщить снаряду начальную скорость, равную 11 000 метрам в секунду. Мы уже знаем, что по крайней мере такой же средней скоростью должны обладать и молекулы пороховых газов.

Из молекулярной физики известно, что скорости молекул зависят только от температуры газа и относятся, как квадратные корни из абсолютных температур (т. е. считаемых от -273° Ц).

\(\frac{U_1}{U_2}=\frac{\sqrt{T_1}}{\sqrt{T_2}}\) или \(\frac{U_1^2}{U_2^2}=\frac{T_1}{T_2}\)

Воспользовавшись этим соотношением, мы можем высчитать, какая температура должна быть тех газов, которые смогут выбросить снаряд из пушки со скоростью 11 000 метров в секунду.

Заглянув в справочник, найдем, что средняя скорость частиц с молекулярным весом 25 (таков средний молекулярный вес пороховых газов) при 0° Цельсия (т. е. 273° абс.) равна округленно 500 метрам в секунду. Температура \(T_2\), при которой молекулы достигнут скорости 11 000 метров в секунду, найдется из пропорции:

\(\frac{500^2}{11000^2}=\frac{273}{T_2}\),

откуда

\(T_2=\frac{273\times11000^2}{500^2}=132000\)

Сто тридцать две тысячи градусов!

Ни горючего, которое бы давало такую температуру, ни материала, который бы выдержал ее без мгновенного испарения, мы не знаем. Напомним, что температура поверхности Солнца «всего только» 6000°...

Более скромная задача создание искусственного спутника Земли. Для этого нужна начальная скорость снаряда в 8 000 метров в секунду. Но и эта задача неосуществима при помо-

щи огнестрельного орудия. Читатели легко могут проверить, что для этого понадобится температура взрыва около 70 000°!

СКОЛЬКО ВРЕМЕНИ ЖИВЕТ ПУШКА?

Нетрудно сосчитать, сколько времени снаряд скользит в канале ствола, начиная с момента вспышки пороха. Эта задача позволит нам решить любопытный вопрос о продолжительности рабочей жизни пушки.

Предположим, что движение снаряда в канале равноускоренное, т. е. скорость снаряда увеличивается каждую секунду на одну и ту же величину. Тогда мы можем воспользоваться для наших расчетов формулами равноускоренного движения, известными из физики.

Путь \(S\), пройденный снарядом за время \(t\), найдется из формулы \(S=\frac{at^2}2\), где а — ускорение.

Скорость, приобретенная снарядом за это же время, найдется из формулы \(V =at\).

Разделим первую формулу на вторую \(\frac SV=\frac t2\), откуда \(t=\frac{2S}V\).

78-миллиметровая пушка, имеющая длину 1,26 метра, стреляет с начальной скоростью \(V\) = 380 метров в секунду. Для нее

\(t=\frac{2\times1,26}{380}=0,007\)

Следовательно с момента воспламенения пороха до вылета снаряда из дула орудия проходит всего лишь 0,007 секунды.

Если пушка сделает 5 000 выстрелов прежде, чем окончательно выйдет из строя, то ее полная рабочая жизнь составляет всего \(0,007\times5000=35\) секунд!

Б. РЕВЗЮК