Фізика у воєнній справі , відеозадача

Фізика у воєнній справі

Розповідь вчителя

• Що змушує кулю рухатися? Ось перше питання, яке, природно, приходить в голову кожному, хто вперше взяв у руки гвинтівку. Коли ми кидаємо камінь або ручну гранату, то всім зрозуміла причина їх руху. Гранату змушує рухатися, м'язова сила людини яка її кинула. І чим більш сильний і спритний чоловік, тим далі може він закинути гранату. Однак, навіть самий сильний і спритний боєць не може закинути ручну гранату далі, ніж на 40 - 50 м, а куля летить на З1 км, причому, стріляючи, людина робить лише незначне зусилля, натискаючи на спусковий гачок. Очевидно, що це зусилля анітрохи не штовхає кулю, воно лише звільняє стислу бойову пружину, дозволяючи їй штовхати вперед ударник. Але і ударник теж не стосується кулі, він лише розбиває капсулу в гільзі патрона. При цьому відбувається спалах: порох в гільзі загоряється і дуже швидко (майже миттєво) перетворюється в гази. Порохові гази, прагнучі розширитися, тиснуть на всі боки, а значить, і на кулю, вставлену в гільзу. Вони і штовхають її, змушуючи рухатися та з величезною швидкістю вилітати зі стовбура гвинтівки. Таким чином, безпосередню причину руху кулі при пострілі ми знайшли. Це - сила тиску порохових газів на кулю.
• Але звідки взялася ця сила?

Витягнемо з гільзи кулю і висипаймо з гільзи порох. Перед нами будуть невеликі шматочки (крихти або зерна) жовтувато-коричневої речовини. Збираючи їх разом і підпалимо сірником. Порох спалахне і швидко згорить. Але ніякого вибуху при цьому не відбудеться, і ніякої особливої ​​сили ми при цьому у порохових газів не помітимо. Це зрозуміло. Адже при згорянні пороху на відкритому місці утворюються гази, які вільно розходяться в різні боки. У каналі ж стовбура порох замкнений в маленькій гільзі: пороховим газам нікуди діватися. Тому вони, швидко розширюючись, все сильніше і сильніше тиснуть на кулю, поки не виштовхнуть її спочатку з гільзи, а потім із стовбура.

Але ж і інші горючі речовини, згораючи, теж перетворюються в гази. Чому б не спробувати стріляти хоча б нафтою? Не варто і пробувати, - заздалегідь можна сказати, що нічого не вийде. По-перше, нафта не буде горіти в закритому місці, - їй для горіння потрібен кисень, який є в повітрі, а по-друге, навіть якби ми зуміли підвести до неї повітря і утворити горючу суміш, нафта горіла б значно повільніше, ніж порох. Повільно утворені  гази повільно виштовхували б кулю, і у неї не було б потрібної швидкості руху, щоб летіти на тисячі метрів вперед.

• Отже, особливість дії пороху пояснюється перш за все великою швидкістю його перетворення в значну кількість газів.
• Будь-яке перетворення речовини із одного виду в інший пов'язано з перетвореннями енергії, якою володіє речовина. Частинки пороху, мають величезну хімічну енергію, яка при згорянні пороху і перетворенні його в гази переходить в теплову форму енергії або, коротше, в теплоту. Частинки розпечених порохових газів безладно рухаються з величезними швидкостями, стикаючись і розлітаючись в різні боки. Такий рух і характеризує теплову форму енергії. Б'ючись об дно кулі, частки порохових пазів повідомляють їй поступальний рух. А так як перетворення пороху в розпечені гази відбувається майже миттєво, то тиск газів на кулю величезна, і під дією цього тиску куля летить на кілька кілометрів. Таким чином, безладний рух молекул порохових газів перетворюється в переміщення кулі, т. е. теплота перетворюється в механічну енергію. А в разі удару кулі (наприклад, про броню танка) механічний рух кулі знову перетворюється в теплоту (куля розплавляється).
• Фізика, як відомо, вивчає будову речовини і різні види енергії, а також перетворення її з одного виду в інший. Після всього сказаного зрозуміло, що військова справа тісно пов'язана з фізикою.
• Сотню років тому артилерійські знаряддя стріляли чавунними даровими гранатами. Влаштована була така граната надзвичайно просто. Порожній чавунний куля наповнювали порохом і вставляли в нього дерев'яну трубку, теж наповнену порохом. У момент пострілу порох в трубці спалахував від спалаху заряду пороху в стволі, і граната летіла з палаючої трубкою. Догоряючи до кінця, порох в трубці запалював порох всередині гранати, відбувався вибух, граната розривалася, і осколки вражали людей. Так як дальність стрільби була  незначна (менше 2 км), то розрив відбувався зазвичай після падіння гранати на землю, іноді відразу, а іноді через кілька секунд.
• Сучасні підривники дуже складні, але ідея пристрою більшості з них надзвичайно проста. Ця ідея полягає в використанні явища інерції.
• Згадаймо, що, згідно з першим законом Ньютона, всяке тіло зберігає стан спокою або рівномірній  прямолінійний рух до тих пір, поки зовнішні сили не спонукають його змінити свій стан. Ось цю властивість тіл - їх інерцію - використовують в снарядах і в деяких зразках куль для автоматичного приведення в дію спеціальних пристосувань, за допомогою яких вони розриваються в потрібний момент.
• За останні сто років військова техніка далеко пішла вперед. Тепер гармати стріляють на десятки кілометрів, а снаряди мають точні пристосування - підривники, викликають вибух їх в потрібному місці і в потрібний момент .
• Пропоную вам згадати закони   механіки и розв’язати задачу.   

Розв’язування задачі  «Ручні гранати»

Граната, яку кинули від поверхні землі під кутом 30⁰ до горизонту з початковою швидкістю ʋ₀= 10 м/с, в верхній точці траєкторії   вибухає і розколюється на два однакові уламки, швидкості  яких одразу після вибуху напрямлені  горизонтально. На якій  відстані ℓ один від одного впадуть уламки, якщо кінетична енергія, надана їм після вибуху Е= 18 Дж, а маса гранати m= 1 кг? Опором повітря знехтуємо,  прискорення вільного падіння  g = 10 м/c² .

Самостійна робота. Відеозадача.

(https://drive.google.com/open?id=1C2kPb16VpmB2raDNyICxjMjZkvLxTU1L)

Розв’язання. Найпростіше розв’язати задачу якщо перейти в рівномірно рухому  систему відліку  зі швидкістю, яку мала граната до вибуху. В цій  системі сумарний імпульс уламків дорівнює нулю, тому їх швидкості після вибуху протилежні за напрямком, і при рівності маси кожного, однакові по величині. У результаті вибуху  уламкам надається кінетична енергія Е, яка порівну ділиться між ними. Позначимо  через  ʋ величину швидкості кожного з уламків, маємо:

набуваючи такі швидкості,  які напрямлені горизонтально, уламки падають на землю, час їх падіння визначаємо з кінематичних співвідношень:

t₀

За цей час кожен з уламків зміщується по горизонталі на відстань ʋ t_0. В обраній системі відліку їх переміщення напрямлені протилежно одне одному, тому відстань між точками падіння дорівнює ℓ=2 ʋ₀ t. Об’єднуємо   записані вирази і отримуємо відповідь:

Зрозуміло, що відповідь не залежить від вибору системи відліку , тому що відстань  між двома  точками  в усіх системах відліку однакова.

Джерела:

1. Физика. Практический курс для поступающих в университеты. Владимир Макаров, Сергей Чесноков, Константин Дробович
2.  В.П. Внуков «Физика и оборона страны»  Гостехиздат 1943 год.