Es wäre in der Tat ein seltsamer Anblick, eine Kanone aus dem Mittelalter auf ein modernes Schlachtfeld rollen zu sehen, mit Drohnen, die über ihnen herumsausen und gepanzerten, motorisierten Panzern am Boden.
Die Kanone war jedoch nicht nur lange Zeit die am meisten gefürchtete mechanische Waffe der Welt, physikalische Prinzipien, die die Form der Geschossbewegung einer Kanonenkugel bestimmen, diktieren auch die der modernen Waffen. Eine Kanone ist eigentlich einfach eine Art Waffe, bei der die Masse der "Kugel" sehr groß ist. Als solches gehorcht es den gleichen Gesetzen der Projektilbewegung, und das Verständnis der Projektilphysik wird Ihnen helfen, die Kanonenphysik zu verstehen.
Geschichte der Kanonen
Kanonenkugeln werden im Film oft so dargestellt, als würden sie beim Aufprall explodieren und den größten Teil ihrer Verwüstung durch Pyrotechnik anrichten. Tatsächlich waren vor Mitte des 19. Jahrhunderts vergleichsweise wenige Projektile so konstruiert, dass sie nach dem Start explodieren. Sie richteten ihren Schaden durch einen stumpfen Aufprall an und nutzten dabei enorme
Schwung(Masse mal Geschwindigkeit), um dies zu erreichen.In den 1400er Jahren produzierten die damaligen Kriegsherren Kanonenkugeln, die mit Zündern ausgestattet waren und auf feindlichem Gebiet explodieren sollten, aber dies kam mit der großen Gefahr eines schlechten Timings oder einer Fehlzündung der Kanone, was zu genau dem gegenteiligen Ergebnis führte wie das der Kampftruppe gesucht.
Wie groß sind Kanonenkugeln?
Die Größe von gezielt abgeschossenen schweren Objekten hat sich im Laufe der Zeit enorm verändert, aber ein Blick auf das England des 18. Jahrhunderts bietet einen Einblick, wie Kanonenkugeln tatsächlich aussahen. Das nationale Kriegsministerium verwendete acht Standardgrößen, deren Durchmesser in Schritten von etwa 1/2 Zoll (1,27 cm) zunahm.
Diese Wahl war nützlich, weil dieVolumen einer Kugelist
V=\frac{4}{3}\pi r^3
worder Radius (halber Durchmesser) ist, so steigen die Massen von Objekten mit gleichförmiger Dichte daher in vorhersagbarem Verhältnis zur Kubik des Radius. Die Durchmesser wurden tatsächlich gerundet, um das genaue Gewicht der Kanonenkugeln von 4 bis 42 Pfund in ungleichen Schritten zu ermöglichen.
Kanonenphysik
Es braucht beträchtliche Kraft, um eine Kanonenkugel abzufeuern, was durch die Tatsache angekündigt wird, dass solche Ereignisse normalerweise laut und gewalttätig sind. Was jedoch weniger intuitiv ist, ist, dass in dem Moment, in dem ein Projektil das Gerät verlässt, das seinen Start antreibt,die einzige Kraft, die von diesem Moment an auf ihn einwirkt, wenn der Luftwiderstand vernachlässigt wird, ist die Erdanziehungskraft(vorausgesetzt, die Erde ist der Ort, an dem dieses Ereignis inszeniert wird).
Dies bedeutet, dass Sie ein Problem mit einer Projektilbewegungskanone als zwei separate Probleme behandeln können, eines für die horizontale Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, die durch den Abschuss vermittelt wird. und eine für vertikale Bewegung mit konstanter Beschleunigung aufgrund sowohl der anfänglichen Aufwärtsbewegung des Objekts (falls vorhanden) als auch der Ergebnisse der Schwerkraft, die auf das Objekt einwirkt Kanonenkugel. Die Lösung wird gefunden, indem man diese als Vektorsummen addiert.
Was den Weg einer Kanonenkugel neben der Schwerkraft bestimmt, sind insbesondere ihreStartwinkelθ undStartgeschwindigkeit (Anfangsgeschwindigkeit)v0.
Die Gleichungen der Kanonenkugelbewegung
Die Anfangsgeschwindigkeit muss in horizontale (v0x) und vertikal (v0y) Komponenten zum Lösen; diese erhalten Sie bei
v_{0x}=v_0\cos{\theta}\text{ und }v_{0y}=v_0\sin{\theta}
Für horizontale Bewegungen haben Sie
v_x (t) = v_{0x}
von dem angenommen werden kann, dass er nicht abnimmt, bis das Objekt auf etwas trifft (denken Sie daran, dass es in dieser idealisierten Umgebung keine Reibung gibt). Dashorizontalzurückgelegte Strecke als Funktion der Zeittist einfach
x(t) = v_{0x}t.
Für vertikale Bewegungen haben Sie
v_y (t) = v_{0y} – gt
wobei g = 9,8 m/s2, und
y (t) = v_{0y}t – (1/2)gt^2
Dies zeigt, dass die vertikale Geschwindigkeit bei Überwiegen der Schwerkraft in negativer (abwärts) Richtung zunimmt.