Провести небольшое инженерное исследование по динамике выстрела меня подтолкнуло знакомство с двумя книгами
Фото: Антон Журавков
Думаю, большинство охотников, интересующихся боеприпасами и их усовершенствованием, читали упомянутые выше книги и потому им известно, насколько много внимания уделяют авторы амортизирующим свойствам пыжей.
Об амортизации в целях улучшения баллистики выстрела упоминает почти каждый автор “РОГ”, который описывает свои способы снаряжения патронов. По-видимому, только в старой классической литературе нет упоминаний об амортизации. Возникновение “амортизационной идеологии” связано, скорее всего, с появлением пластмассовых пыжей, которые считаются жесткими в отличие от мягких войлочных.
Разумеется, не Шейнин и Азаров являются родоначальниками упомянутой идеологии, точно так же мыслят зарубежные производители охотничьих боеприпасов. В свое время (в 60-е годы прошлого века) почти каждая сколько-нибудь солидная фирма “отметилась” в этой области и поспешила выпустить пыж со своим вариантом амортизации (более подробно об этом можно прочитать в книге Шейнина). Именно с тех пор средняя часть пыжа-контейнера (ПК) получила наименование “амортизатор”.
Представления об амортизирующих свойствах “мягких” пыжей и все конструкторские разработки (как фирменные, так и отдельных авторов) на самом деле основаны только на чисто интуитивном понимании динамики.
Здесь я имею в виду те представления о динамических процессах, которые формируются у большинства людей из житейского опыта, а не из достижений науки в этой области. Известно, что интуиция может давать как правильные, так и ошибочные ответы на задачи практики. Именно такая “бытовая физика” может быть причиной широко распространенных ошибок. В качестве примера можно привести представление о том, что тяжелые тела падают быстрее легких, которого придерживалось большинство людей до открытия законов динамики.
Подобная ситуация не исключена и в настоящее время, но не из-за отсутствия соответствующей теории, а в силу того, что разработчики технических новшеств (в нашем случае боеприпасов) являются практиками, которые традиционно предпочитают обходиться интуитивными представлениями в ущерб теоретическому анализу.
Каждый охотник и стендовый стрелок по существу знаком с двумя разными устройствами, называемыми амортизаторами. То есть помимо средней части ПК, названной так по ошибке, есть еще резиновый затыльник приклада, носящий свое наименование вполне оправданно. Мне представляется, что понять суть распространенной ошибки будет проще, если мы прежде всего вспомним физику реальной амортизации и сопоставим ее с динамикой взаимодействия пыжа и снаряда при выстреле.
Что может себе представить любой человек, даже далекий от науки, при слове “амортизация”? Это, наверное, и прыжок человека с большой высоты на натянутый кусок ткани при спасении на пожаре, и срабатывание подушки безопасности автомобиля при ДТП, и уменьшение воздействия отдачи с помощью резинового затыльника. Все эти варианты динамически идентичны и иллюстрируются схемой, представленной на рис. 1 а.
В данном случае Р — ружье, А — амортизатор, R — реакция неподвижной опоры, действующая через сжатый амортизатор, на инертное тело в виде силы сопротивления. Здесь важны характерные черты процесса, без которых амортизация невозможна. Тело амортизатора (мягкое или упругое) имеет поверхность закрепления (на схеме правый край амортизатора) и является, собственно, препятствием для тела Р, двигающегося по инерции со скоростью Vр. По существу это типичное погашение инерции движения путем торможения.
Меняя жесткость амортизатора, мы можем регулировать режим торможения. При этом чем меньше жесткость амортизирующего элемента, тем больше его деформация и меньше максимальная реакция — R. Действительно, для полного погашения инерции тела Р сила сопротивления должна проделать отрицательную работу, равную его кинетической энергии K. То есть K = Rср*dа, где Rср — средняя сила сопротивления амортизатора, а dа — его деформация. При уменьшении жесткости амортизирующего тела второй сомножитель возрастает, а первый в такой же пропорции становится меньше (уменьшается и максимальная сила).
Собственно, этот простой принцип (больше путь — меньше сила) и составляет физическую основу амортизации при торможении пыжа и снаряда в стволе ружья в процессе выстрела. Схематично оно представлено на рис. 1 б. Здесь С — снаряд, П — пыж, F (t) — сила, создаваемая давлением продуктов горения пороха. Здесь совершенно иная динамика, чем в предыдущем случае. Действительно, вместо торможения — ускорение, вместо пассивной реакции R — активная сила F (t). К тому же пыж, в отличие от амортизатора, не имеет точек закрепления и движется как одно целое со снарядом со скоростью Vс.
Самое принципиальное отличие описанных процессов заключается в характере формирования сил R и F (t). При торможении сила сопротивления R полностью зависит от внешних факторов, а именно от скорости инерционного тела, его массы и жесткости амортизатора.
Напротив, при ускорении сила F (t) зависит только от создаваемого оружием внутреннего давления и является величиной задаваемой (может быть представлена, как независимая функция времени), а пыж служит только звеном, передающим усилие на снаряд независимо от значения своей жесткости. От сторонников использования пыжей как амортизаторов, по-видимому, ускользнул тот факт, что активные силы не амортизируются. Сила, разгоняющая снаряд, несомненно, относится к классу активных сил.
Однако утверждать, что амортизация при любых активных процессах невозможна, было бы неправильно. Если под воздействием быстро меняющейся нагрузки находится какая-либо не жесткая система, некоторые части которой могут совершать колебания относительно общего центра тяжести, то возникает задача демпфирования таких колебаний.
Сказанное можно проиллюстрировать следующей простой формулой: а = ацт + ал; где а — ускорение любой точки объекта; ацт — ускорение центра тяжести системы (снаряда); ал — ускорение от колебаний относительно центра тяжести разгоняемой системы, которое условно можно назвать локальным ускорением.
Первое слагаемое вычисляется по хорошо известной формуле: ацт = F (t) /mc; где mc — масса всей движущейся части снаряда. Это та часть ускорения, которая характеризует динамическую нагрузку в целом и не зависит от конкретных физических свойств объекта, не считая его общей массы. Второе слагаемое (ал), напротив, зависит от физических свойств объекта (например, таких как его жесткость и структура), а более точно — от его способности совершать колебательные движения.
Отсюда следует, что ацт изменяется так же, как внешняя сила, и поэтому не может амортизироваться, в то время как слагаемое ал можно уменьшить, если гасить (то есть амортизировать) возникающие колебания. С динамикой колебаний при ускорениях большинство людей достаточно хорошо знакомы на бытовом уровне. Так если вы перевозите или переносите какую-либо жидкость в открытой посуде, то ее расплескивание будет иллюстрацией локальных ускорений.
В этом случае (то есть при наличии локальных колебаний) достигаемая перегрузка зависит не только от максимального значения действующей силы, но и от скорости, с которой она достигает своего максимума, что и является важной отличительной особенностью не жестких систем. Но любой снаряд (как дробовой, так и пули) в процессе его движения внутри ствола следует рассматривать как жесткое тело.
Это оправданно даже в том случае, если дробь или пуля деформируются под действием больших перегрузок, так как для динамики имеют значение не любые деформации, а именно колебания, которые в снарядах отсутствуют. Поэтому со значительной степенью уверенности можно считать, что для всех снарядов ал = 0 и вся динамическая нагрузка любой частицы снаряда будет равна ацт. Отсюда следует, что максимум динамической нагрузки на снаряд прямо пропорционален максимальному значению действующей силы и не зависит от ее скорости изменения (такая зависимость существует только у ал).
Причина распространенной ошибки, возможно, кроется в интуитивном понимании динамики, при котором не делается различий между системами, реагирующими на скорость изменения силы и объектами, “безразличными” к ней. В самом деле, ведь в нашем повседневном восприятии сила удара уменьшается, если он наносится через какое-либо мягкое или упругое тело. Быстрый рост давления в камере сгорания гильзы отождествляется с динамическим ударом, а “мягкий” пыж — с телом, способным его ослабить. В действительности же мягкое тело способно уменьшить только скорость нарастания нагрузки, но не ее максимальную величину.
Так, например, если боксер наносит удар противнику, то тот не воспримет полную силу воздействия, пока материал перчатки не уплотнится до величины, соответствующей максимальной силе удара, и таким образом происходит как бы уменьшение динамики удара (динамика удара — это скорость нарастания нагрузки). Но снаряд в отличие от человека к динамичности прилагаемой силы совершенно “безразличен”. Для деформаций снаряда имеет значение только величина силы, а значит, максимальная деформация дроби будет соответствовать пику давления в стволе ружья независимо от того, с какой скоростью он достигнут.
Таким образом, хотя пыж и способен в принципе сыграть роль упомянутой перчатки (на что, вероятно и рассчитывают сторонники амортизации), но данное свойство оказывается совершенно не востребованным в силу физических качеств снаряда (что не учитывается).
Есть еще одно обстоятельство, которое не учитывается конструкторами боеприпасов, и оно тоже не в пользу амортизации. Этим обстоятельством является тот очевидный факт, что к тому моменту внутреннего процесса, который нам более всего интересен с точки зрения деформаций дроби (время достижения максимального давления), “мягкие” пыжи по существу уже потеряют свою мягкость. Напомню, что жесткость — физическая характеристика, равная силе, необходимой для деформирования тела на одну единицу длины по направлению действия силы.
При небольших нагрузках разница в жесткостях пластмассового и войлочного пыжей еще значительная и объем второго из них сократится существенно больше. В результате плотность войлочного пыжа и его жесткость значительно возрастут. Произойдет изменение физических свойств материала под действием большого давления.
Например, давление в 500 атм соответствует гидростатическому давлению на глубине 5 км! . Каким бы ни был пыж, но под большим внутренним давлением он находится в замкнутом пространстве, его возможности для дальнейшего уплотнения и сокращения объема, скорее всего, исчерпаны и он вынужден воспринимать любую нагрузку практически без сокращения объема. То есть его жесткость будет очень большая. Вывод очевиден: под большим давлением мягких пыжей не существует!
Итак, амортизация невозможна по следующим причинам:
— пыжи не являются амортизирующими телами при торможении;
— в процессе ускорения снарядов они не демпфируют их внутренние колебания в силу отсутствия последних;
— при больших нагрузках они все являются практически абсолютно жесткими телами.
Первые две позиции указывают на отсутствие динамической ситуации, в которой возможна амортизация, а последняя — на потерю пыжами амортизирующих свойств под действием большой сжимающей силы (как у многократно перегруженной рессоры).
Здесь в основном говорилось о невозможности амортизации снарядов с помощью пыжей. Некоторые авторы, в том числе и С. М. Шейнин, считают возможной и амортизацию пыжами отдачи. Но это еще более грубая ошибка, чем первая, поскольку давление продуктов горения пороха на снаряды действует через пыжи, и это может служить поводом для ошибки, а вот в сторону стрелка действует сила, противоположно направленная и передающаяся без участия пыжей.
