www.timberships.fora.pl

kgerlach

PRĘDKOŚĆ WYLOTOWA POCISKÓW RÓŻNEJ MASY W ODPRZODOWEJ ARTYLERII GŁADKOLUFOWEJ

(Ciąg dalszy spraw niedokończonych).

Padły tutaj nie tylko ABSURDALNE pomysły na liczenie prędkości wylotowej, ale dodatkowo obnażające całkowitą nieznajomość balistyki wewnętrznej dział. Próba krytycznego podjęcia tematu przez innych Kolegów wskazuje na sensowność odniesienia się – bardzo pobieżnie - do tego zagadnienia. Oczywiście traktowanie strzelającego działa jako zakorkowanej butelki, o ciśnieniu wewnętrznym podnoszonym do wartości, przy której rozleci się korek, albo denko, jest tak groteskowe, że nie wymaga dalszego komentarza. Warto jednak zwrócić uwagę na pewne dość zaskakujące zmiany ciśnienia w lufie odprzodowej armaty gładkolufowej strzelającej pociskami tego samego kalibru, ale o różnej masie.
Zacznijmy od modelu skrajnie uproszczonego. To samo działo jest ładowane workami prochowymi tej samej wielkości i kulami o tej samej średnicy – cięższą żeliwną oraz lżejszą kamienną. Oczywiście kule wchodziły z pewnym luzem, ponieważ inaczej nie dałoby się ich w tamtych czasach wprowadzić. Po odpaleniu ładunku energia wiązań chemicznych prochu przekształca się w energię gazów prochowych. Ciśnienie za kulą gwałtownie rośnie. W tym modelu zakładamy, że - z uwagi na identyczność układu i ten sam ładunek - ciśnienie jest identyczne. Ciśnienie to siła na określonej powierzchni, więc przy kulach identycznej wielkości to samo ciśnienie da tę samą siłę pchającą pocisk. Ten ostatni zaczyna się poruszać, gdyż celem użycia armat było – co dla niektórych może stanowić zaskoczenie - strzelanie, a nie kruszenie kul. Mamy więc tę samą siłę F działającą na kule o masie m1 i m2. Nadaje ona pociskom przyspieszenia odpowiednio a1 = F/m1 oraz a2 = F/m2. Załóżmy sobie, jak to było w przybliżeniu w przypadku kul żeliwnych i kamiennych, że masa m1 jest trzy razy większa od masy m2. Oznacza to, że przyspieszenie kuli kamiennej (a2) będzie trzy razy większe niż kuli żeliwnej, czyli a2 = 3a1. Jest to całkowicie zrozumiałe, gdyż lżejszy pocisk ma mniejszą bezwładność, więc dużo łatwiej go wytrącić ze stanu spoczynku i popchnąć. Dla lubiących obrazowe porównania – proszę się zaprzeć i próbować wprowadzić w szybki ruch najpierw mysz, a potem słonia. Przy jednej lufie i kulach identycznej średnicy odległość, jaką muszą przebyć obie kule do wylotu, jest oczywiście ta sama, załóżmy z. Oba pociski przed odpaleniem ładunku miały prędkość o wartości zero. Ponieważ przyspieszenie to różnica prędkości na określonej odległości - a = (V2-V1)/z – gdzie z jest stałe, zaś V1 = 0, otrzymamy wprost proporcjonalną zależność V2 (prędkości końcowej podczas przyspieszania kuli w lufie, czyli prędkości wylotowej) od przyspieszenia. Czyli V2 dla kuli żeliwnej wyniesie a1 x z, a dla kuli kamiennej 3a1 x z. W ten prosty sposób (niestety - jak się zaraz okaże, zbyt prosty) wykazałem, że w tych samych warunkach trzykrotnie lżejsza kula kamienna wyleci z lufy z trzykrotnie większą prędkością wylotową niż kula żeliwna tej samej średnicy.

To, że tak jednak naprawdę nie było, wynikało z wielu względów.
Po pierwsze, balistyka wewnętrzna to coś znacznie bardziej złożonego niż równania z podstaw fizyki (już nie mówiąc o „udowadnianiu matematycznym”). Odpalenie identycznego ładunku miotającego wcale nie oznaczało uzyskania takiego samego ciśnienia, a tym samym - identycznej siły oddziałującej na pocisk. Ciśnienie narastało do maksymalnej wartości w zależności od oporu stawianego przez bezwładność kuli. Lekka kula kamienna, o małej bezwładności, łatwo dawała się wprowadzić w ruch, więc ciśnienie za nią nie miało czasu na uzyskanie wysokiej wartości. Ciężką kulę żeliwną na skutek jej dużej bezwładności znacznie trudniej było wytrącić ze stanu spoczynku, więc ciśnienie gazów prochowych rosło za nią do wyższej wartości. W rezultacie siła działająca na kulę cięższą była większa. Nie da się jednak wprowadzić tutaj prostego współczynnika proporcjonalności (typu liczby 2 czy 3) i wszelkie „bezpieczne przyjmowanie” jest całkowicie pozbawione sensu, z uwagi na stopień komplikacji zjawiska – np. większy opór kuli cięższej oznaczał zarazem, że większa niż dla kuli lekkiej część gazów prochowych wylatywała bezproduktywnie szczeliną między pociskiem a przewodem lufy, osłabiając efekt wyższego wzrostu ciśnienia.
Po drugie, chociaż zjawisko narastania i potem spadku ciśnienia wzdłuż długości lufy było rozłożone w czasie, to jednak dla prochu czarnego przebiegało bardzo gwałtownie, z wielkimi różnicami wartości. W rezultacie oddziaływanie na kulę w tamtej epoce można przyrównać bardziej do kopniaka, niż do działania tłoka hydraulicznego przepychającego pocisk wzdłuż przewodu ze stałą siłą. Maksymalna i niezmienna siła nie działała więc na całej długości z, stąd przytoczone wyżej wzory na przyspieszenie nie są całkiem adekwatne do sytuacji. Kula uzyskiwała takie przyspieszenie w chwili startu, potem wartość siły oddziałującej gwałtownie malała (ale nie do zera!), a opory rosły. Oczywiście to nadal był ruch przyspieszony, jednak nie ze stałą wartością a, więc nie jednostajnie przyspieszony, a do niego odnoszą się równania znane z podstaw fizyki.
Po trzecie, niewątpliwie istniała różnica w wytrzymałości pocisków żeliwnych i kamiennych, więc nie mogły być poddawane takim samym siłom maksymalnym. Co prawda, wbrew naiwnym wyobrażeniom, nie strzelano zawsze z maksymalnie wielkimi ładunkami prochu – różnicowano je na próbne, potem te przeznaczone do ostrzału z wielkiej odległości, z odległości standardowej i wykorzystywane przy walce burta w burtę. Mogły się zatem zdarzyć sytuacje, kiedy te same czy zbliżone ładunki miotające znalazły się w armacie do wyrzucania kuli żeliwnej i drugiej, przeznaczonej do strzelania kulami kamiennymi. Jednak działa kamienne miały swoją specyficzną konstrukcję, z węższą komorą prochową (przyjmującą mniejsze ładunki) MIĘDZY INNYMI dlatego, by zapewnić bezpieczne działanie gazów prochowych na pocisk o mniejszej wytrzymałości. Czyli w przypadku armat tego samego kalibru, przy chęci strzelania z maksymalnymi, standardowo wykorzystywanymi na morzu ładunkami, nie było w zasadzie możliwe użycie identycznego ładunku prochowego w dziale kamiennym i tym dla kul żeliwnych. Stąd użyty na początku model fizyczny jest zbyt uproszczony.

W wyniku tych PRZECIWSTAWNYCH uwarunkowań, rzeczywista kula kamienna o tej samej średnicy co żeliwna nie wylatywała z działa z trzykrotnie większą prędkością wylotową, jak wynikałoby z pierwszego modelu fizycznego. Jednak wszelkie „bezpieczne zakładanie”, na podstawie komicznych modeli, że jej prędkość była dwukrotnie czy trzykrotnie mniejsza, jest pozbawione wszelkich podstaw. Proste porównywanie wymaga stosowania tych samych warunków brzegowych, co w tym przypadku nie jest możliwe. Jesteśmy za to w stanie zbudować repliki dział „zwykłych” i kamiennych z tego samego okresu, o tym samym kalibrze, po czym użyć na próbach ilości prochu zapisane w ówczesnych traktatach oraz regulaminach, odpowiednie dla armaty danej konstrukcji (a nie całkiem identyczne!). Otrzymujemy wówczas zbliżone prędkości wylotowe, nieznacznie wyższe dla kul kamiennych.
Oczywiście kule kamienne i tak leciały na dużo mniejszą odległość, ponieważ miały znacznie większy współczynnik balistyczny, przez co szybko wytracały swoją prędkość – ale to już zupełnie inna historia, dotycząca balistyki zewnętrznej, nie wewnętrznej.