Было бы действительно странно наблюдать, как пушка средневековой эпохи катится по современному полю битвы с дронами, летающими над головой, и бронированными моторизованными танками по земле.
Однако не только пушка была самым опасным механическим оружием в мире в течение очень долгого времени, но и физические принципы, управляющие формой движения снаряда, воплощенного в пушечном ядре, также диктуют принципы современных пистолеты. Пушка, на самом деле, просто разновидность ружья, в которой масса «пули» очень велика. Таким образом, он подчиняется тем же законам движения снаряда, и понимание физики снаряда поможет вам понять физику пушки.
История пушек
Пушечные ядра часто изображаются в фильмах взрывающимися при ударе, вызывая большую часть своего разрушения с помощью пиротехники. На самом деле, до середины 1800-х годов было разработано сравнительно небольшое количество снарядов, способных взорваться после запуска. Они нанесли свой урон тупым ударом, используя огромныеимпульс(масса, умноженная на скорость), чтобы добиться этого.
В 1400-х годах тогдашние полевые командиры производили пушечные ядра, оснащенные взрывателями и предназначенные для взрыва на вражеской территории, но это сопряжено с серьезным риском неправильного выбора времени или выстрела из пушки, что привело бы к результату, прямо противоположному результату боевой силы искал.
Насколько велики пушечные ядра?
Размеры преднамеренно запускаемых тяжелых объектов сильно менялись с течением времени, но взгляд на Англию 18-го века дает представление о том, как на самом деле выглядели пушечные ядра. Национальное военное министерство использовало восемь стандартных размеров, увеличиваясь в диаметре с шагом примерно 1/2 дюйма (1,27 см).
Этот выбор был полезен, потому чтообъем шараявляется
V = \ frac {4} {3} \ pi r ^ 3
гдер- это радиус (половина диаметра), поэтому массы объектов с однородной плотностью возрастают предсказуемо пропорционально кубу радиуса. Диаметр был фактически округлен, чтобы учесть точный вес пушечных ядер, от 4 до 42 фунтов с неравными приращениями.
Пушка с физикой
Для запуска пушечного ядра требуется значительная мощность, о чем свидетельствует тот факт, что такие события обычно носят шумный и жестокий характер. Но что менее интуитивно понятно, так это то, что в тот момент, когда снаряд покидает устройство, запускающее его,единственная сила, действующая на него с этого момента, если пренебречь сопротивлением воздуха, - это гравитация Земли.(при условии, что это событие проводится на Земле).
Это означает, что вы можете рассматривать проблему орудия движения снаряда как две отдельные задачи, одну для горизонтального движения с постоянной скоростью, передаваемого пуском, и один для вертикального движения с постоянным ускорением вследствие как начального движения объекта вверх (если таковое имеется), так и результатов действия силы тяжести на пушечное ядро. Решение находится путем сложения их в виде векторных сумм.
В частности, помимо силы тяжести, траекторию пушечного ядра определяет егоугол запускаθ истартовая (начальная) скоростьv0.
Уравнения движения пушечного ядра
Начальную скорость необходимо разделить на горизонтальную (v0x) и вертикальный (v0лет) компоненты для решения; вы можете получить их от
v_ {0x} = v_0 \ cos {\ theta} \ text {и} v_ {0y} = v_0 \ sin {\ theta}
Для горизонтального движения у вас есть
v_x (t) = v_ {0x}
можно предположить, что оно не уменьшается, пока объект не столкнется с чем-либо (вспомните, что в этой идеализированной обстановке нет трения). Вгоризонтальныйпройденное расстояние как функция временитпросто
х (t) = v_ {0x} t.
Для вертикального движения у вас есть
v_y (t) = v_ {0y} - gt
где g = 9,8 м / с2, а также
y (t) = v_ {0y} t - (1/2) gt ^ 2
Это показывает, что по мере преобладания действия силы тяжести вертикальная скорость увеличивается в отрицательном (нисходящем) направлении.