سيكون مشهدًا غريبًا حقًا مشاهدة مدفع من العصور الوسطى يتم تحريكه على عجلات في ميدان معركة حديث ، مع طائرات بدون طيار تحلق فوق رؤوسنا ودبابات مزودة بمحركات مدرعة على الأرض.
ومع ذلك ، لم يكن المدفع هو السلاح الميكانيكي الأكثر رعبا في العالم لفترة طويلة جدًا ، ولكن أيضًا المبادئ الفيزيائية التي تحكم شكل حركة المقذوف التي تجسدها قذيفة المدفع تملي أيضًا المبادئ الحديثة البنادق. المدفع ، في الحقيقة ، هو ببساطة نوع من الأسلحة تكون فيه كتلة "الرصاصة" كبيرة جدًا. على هذا النحو ، فإنه يخضع لنفس قوانين حركة المقذوفات ، وسيساعدك فهم فيزياء القذائف على فهم فيزياء المدافع.
تاريخ المدافع
غالبًا ما تُصوَّر قذائف المدفع في الفيلم على أنها تنفجر عند الاصطدام ، وتحدث معظم الدمار من خلال الألعاب النارية. في الواقع ، قبل منتصف القرن التاسع عشر ، تم تصميم عدد قليل نسبيًا من المقذوفات لتنفجر بعد الإطلاق. لقد تسببوا في أضرارهم من خلال تأثير القوة الحادة ، مستفيدين بشكل هائلقوة الدفع(سرعة الكتلة مضروبة) لتحقيق ذلك.
في القرن الرابع عشر الميلادي ، أنتج أمراء الحرب في ذلك الوقت قذائف مدفعية مزودة بصمامات ومصممة للانفجار في أراضي العدو ، ولكن هذا جاء مع خطر جسيم من سوء التوقيت أو اختلال المدفع ، مما أدى بالضبط إلى النتيجة المعاكسة تمامًا مثل تلك التي كانت القوة القتالية طلب.
ما هو حجم قذائف المدفع؟
تباينت أحجام الأجسام الثقيلة التي تم إطلاقها عن قصد بشكل كبير بمرور الوقت ، ولكن نظرة سريعة على إنجلترا في القرن الثامن عشر تقدم عرضًا لما بدت عليه قذائف المدفعية بالفعل. استخدمت وزارة الحرب الوطنية ثمانية أحجام قياسية ، يرتفع قطرها بزيادات تبلغ حوالي 1/2 بوصة (1.27 سم).
كان هذا الاختيار مفيدًا لأنحجم الكرةهو
V = \ frac {4} {3} \ pi r ^ 3
أينصهو نصف القطر (نصف القطر) ، وبالتالي ترتفع كتل الأجسام ذات الكثافة المنتظمة بنسبة يمكن التنبؤ بها مع مكعب نصف القطر. تم تقريب الأقطار فعليًا للسماح بالأوزان الدقيقة لقذائف المدفع ، من 4 إلى 42 رطلاً بزيادات غير متساوية.
فيزياء المدفع
يتطلب الأمر قدرًا كبيرًا من القوة لإطلاق قذيفة ، تنذر بحقيقة أن مثل هذه الأحداث عادة ما تكون صاخبة وعنيفة. ولكن ما هو أقل بديهية هو أنه في اللحظة التي تترك فيها قذيفة الجهاز الذي يشغِّل عملية الإطلاق ،القوة الوحيدة المؤثرة عليها من تلك اللحظة فصاعدًا ، إذا أهملت مقاومة الهواء ، هي جاذبية الأرض(بافتراض أن الأرض هي المكان الذي يتم فيه تنظيم هذا الحدث).
هذا يعني أنه يمكنك التعامل مع مشكلة مدفع ذي حركة مقذوفة على أنها مشكلتان منفصلتان ، واحدة للحركة الأفقية ذات السرعة الثابتة الناتجة عن الإطلاق ، وواحد للحركة العمودية ذات التسارع الثابت بسبب الحركة التصاعدية الأولية للجسم (إن وجدت) ونتائج الجاذبية التي تعمل على المدفع. تم إيجاد الحل بجمعها معًا كمجموع متجه.
على وجه التحديد ، بالإضافة إلى الجاذبية ، ما يحدد مسار قذيفة المدفع هوزاوية الإطلاقθ وسرعة الإطلاق (الأولية)الخامس0.
معادلات حركة المدفع
يجب فصل السرعة الابتدائية إلى أفقي (v0x) والعمودي (v0 س) مكونات الحل ؛ يمكنك الحصول عليها من
v_ {0x} = v_0 \ cos {\ theta} \ text {and} v_ {0y} = v_0 \ sin {\ theta}
للحركة الأفقية ، لديك
v_x (t) = v_ {0x}
والتي يمكن الافتراض أنها لا تتضاءل حتى يصطدم الكائن بشيء ما (تذكر أنه لا يوجد احتكاك في هذا الإعداد المثالي). العرضيالمسافة المقطوعة كدالة للوقترهو ببساطة
x (t) = v_ {0 x} t.
للحركة العمودية ، لديك
v_y (t) = v_ {0y} - gt
حيث ز = 9.8 م / ث2، و
y (t) = v_ {0y} t - (1/2) gt ^ 2
يوضح هذا أنه مع انتشار تأثيرات الجاذبية ، تزداد السرعة الرأسية في الاتجاه السلبي (الهابط).