Занимательная физика на войне - [6]
Казалось бы, все это не имеет ничего общего с устройством огнестрельного оружия. Там нет ни цилиндра, ни поршня, ни топлива… Да и какую же работу совершает пушка или ружье?
Но это только так кажется на первый взгляд. Разобравшись же подробнее, увидим, что пушка и тепловая машина очень похожи по принципу своего действия. Можно даже утверждать, что всякое огнестрельное оружие есть не что иное, как один из видов тепловой машины особого назначения.
Посмотрим, действительно ли это так. Вот на рис. 20 основные части огнестрельного оружия.
Рис. 20. Основные части огнестрельного оружия: 1) ствол; 2) снаряд; 3) заряд (порох); 4) затвор.
Ствол (стальная труба) заменяет цилиндр тепловой машины. Снаряд (твердый кусок стали или свинца), плотно пригнанный к стволу, мало чем отличается от поршня. А вместо нефти или бензина в ствол вкладывают быстро горючее топливо — заряд пороха. Бензин, сгорая, превращается в газы, и порох — тоже. В тепловой машине, газы, расширяясь, толкают поршень, и в орудии они же толкают снаряд. Разница лишь в том, что поршень связан (штоком) с валом, или колесом, а снаряд ничем не связан с орудием. Поэтому поршень через мгновенье вернется назад, снаряд же полетит далеко и никогда уже не попадет снова в орудие. Чтобы заставить пушку работать дальше, придется вложить в нее новый поршень — другой снаряд.
Но где же тут работа машины? Всякий двигатель даёт полезную работу: движет сам себя (паровоз, автомобиль, аэроплан), тащит с собой не мало груза, приводит в движение другие машины (электрическая станция, фабрика или завод), заставляет работать насосы, поднимает тяжести и т. д. и т. п. А пушка остается на месте или откатывается назад, что составляет вредную, а не полезную работу. Но зато с громадной скоростью движется снаряд — его движение и есть работа орудия. Чем тяжелее снаряд и чем быстрее он движется, тем больше работы совершает орудие.
Снаряд и автомобиль
Вот, для примера, представим себе работу грузового автомобиля и сравним ее с работой орудия.
Автомобиль весом, положим, в 10 тонн (вместе с грузом) стоит на месте. Чтобы заставить его двигаться, надо прежде всего преодолеть инерцию[11] автомобиля. Если бы мы захотели двинуть его сразу с большой скоростью, для преодоления инерции понадобилась бы очень большая аила. Но нам этого не нужно. Мы сначала чуть сдвинем автомобиль с места и лишь постепенно, за счет работы двигателя, будем сообщать ему все большую и большую скорость. И в то же время часть работы двигателя пойдет на преодоление трений колес о землю, осей колес о подшипники, трений всего кузова о воздух и т. п.
Через несколько минут автомобиль развил полную скорость. Теперь вся работа машины идет на преодоление трений и сопротивлений, если дорога горизонтальная. А если на пути окажется подъем, то скорость автомобиля уменьшится, и значительная часть работы двигателя пойдет на работу подъема веса.
Если в пути внезапно остановить двигатель автомобиля, но не тормозить колес, он остановится не скоро, так как по инерции будет стремиться двигаться с прежней скоростью. И так как мы взяли немалый вес (10 тонн), запас энергии движения окажется у нашего автомобиля весьма солидным. В зависимости от величины трений и сопротивления воздуха, автомобиль пройдет по инерции больше или меньше, но во всяком случае немалое расстояние.
Все дело здесь в энергии движения, поэтому ее надо уметь вычислять. Для этого прежде всего необходимо знать, как перейти от веса к массе. Обычно массу измеряют весовыми единицами, говоря «грамм-масса», «килограмм-масса». Но в технике такое измерение было бы очень неудобно, так как вызвало бы измерение скорости в сантиметрах в секунду и измерение работы в очень мелких единицах — в эргах. Поэтому установили особую, так называемую техническую единицу массы, которая в 10 раз[12] больше «килограмм-массы». Поэтому, чтобы узнать, чему равна масса тела в технических единицах, надо вес тела в килограммах разделить на 10. Для нашего примера получим: 10 тонн = 10 000 кг; 10 000 кг: 10 = 1 000 единиц-массы.
Теперь энергию движения узнаем, умножив массу на квадрат скорости и разделив полученный результат пополам.
Положим, что наш автомобиль двигался перед остановкой мотора со скоростью 36 км в час, т. е. 10 метров в секунду (36 000: 3 600 = 10). 10>2 (в квадрате = 10 X 10 = 100; 100 X 1 000 (масса) = 100 000; 100 000: 2 = 50 000 килограмм-метров — единица работы и энергии)[13].
Итак, во время движения полной скоростью наш автомобиль имеет запас энергии движения, равный 50 000 килограмм-метров. Такая энергия в состоянии была бы поднять 1 килограмм на высоту 50 000 метров, или 10 000 кг (10 тонн) на высоту 5 метров. Автомобиль сам себя мог бы этой энергией поднять на 5 метров вверх! Естественно поэтому, что по ровному горизонтальному пути он пробежит, быть может, не один километр без всякой работы двигателя.
Теперь перейдем к снарядам. Там картина несколько иная. Пороховые газы могут толкать снаряд только в то время, пока он не вылетел из ствола. Значит, постепенно нагонять его скорость нет времени. Надо сразу в очень короткий промежуток (около 0,01 секунды или даже еще меньше) сообщить ему очень большую скорость. Иначе снаряд не получит достаточной энергии движения, а значит, и не сможет далеко двигаться по инерции.
