Поищем, нет ли других, более выгодных способов бороться с замедлением полета снаряда из-за сопротивления воздуха.
Такие способы существуют.
Представьте себе, что вы хотите выбраться из трамвая, битком набитого пассажирами. Попробуйте итти прямо – грудью вперед; пожалуй, вы не доберетесь до выхода. Но если вы начнете пробираться боком, вам уже не так трудно будет протолкаться.
Нечто подобное испытывает и снаряд в полете: не безразлично, как он будет пробираться между частицами воздуха.
Был в старину – во времена севастопольской обороны – такой снаряд: светящее ядро к полупудовой медной мортире. Это ядро имело форму цилиндра.
В полете оно подставляло воздуху плоскую поверхность – круг. Оно наталкивалось на большое сопротивление воздуха, подобно человеку, который пробивается сквозь толпу грудью вперед. А сзади этого цилиндрического ядра получалась большая зона разреженного воздуха, сильно засасывавшая это ядро, отнимавшая у него скорость.
Такое ядро летело всего лишь метров на пятьсот.
Обыкновенное шаровое ядро той же мортиры, хотя и встречало также большое сопротивление воздуха, но все же по форме было выгоднее цилиндра: оно могло пролететь метров восемьсот – в полтора раза дальше светящего ядра.
Заострить головную часть снаряда еще выгоднее: как заостренный нос быстро идущей яхты легко рассекает воду, так и снаряд с заостренной головной частью разрезает воздух легче, чем цилиндрическое или шаровое ядро.
Вот почему головную часть снаряда начали заострять, едва лишь научились делать устойчивым в полете продолговатый снаряд, – еще в середине девятнадцатого века.
Рис. 108. Если бы снаряд с плоской поверхностью вылетел со сверхзвуковой скоростью, он вызвал бы огромное сопротивление воздуха и через короткое время потерял бы свою скорость
Рис. 109. Велико было бы сопротивление воздуха шаровому ядру, летящему со сверхзвуковой скоростью
Рис. 110. Наименьшее сопротивление воздуха вызывает современный дальнобойный снаряд обтекаемой формы
Донная часть такого снаряда оставалась, однако, еще цилиндрической, и позади снаряда получалась большая зона разреженного воздуха, сильно засасывавшая снаряд, отнимавшая у него значительную часть скорости (рис. 105).
В двадцатом веке резко возросли скорости транспорта всех видов, быстро развилась авиация. Во всех странах начали изучать действие сопротивления воздуха на быстро движущиеся предметы разной формы. Оказалось, что не только для самолета, но даже для быстроходного автомобиля или поезда важна такая форма, которая является удобообтекаемой. Если автомобилю придать такую форму, то при большой скорости движения он начинает экономить 10-15 процентов горючего или при том же расходе горючего начинает двигаться заметно быстрее.
Тем большее значение имеет форма снаряда: ведь снаряд движется во много раз быстрее автомобиля, он встречает огромное, сопротивление воздуха.
Взгляните на рисунки 105 и 108 – 110. Перед вами четыре снаряда разной формы. На рисунках изображены волны и завихрения воздуха, которые сопровождали бы полет каждого из этих снарядов, если бы скорость их всех была одна и та же, и притом больше, чем скорость звука. Площадь, на которую сильно давит воздух, тем меньше, чем острее головная часть снаряда. Разреженная зона за снарядом также тем меньше, чем больше скошена его донная часть; меньше в этом случае и завихрений позади летящего снаряда.
Очевидно, что при такой скорости наиболее выгодна форма снаряда, изображенная на рис. 110.
Более подробное изучение этого вопроса показало, что каждой скорости полета соответствует своя наиболее выгодная форма снаряда.
Чем больше скорость снаряда, тем острее должна быть его головная часть.
Допустим, что воздух давит на головную часть снаряда с силой в 4 атмосферы, а в разреженной зоне позади снаряда давление составляет всего лишь четверть атмосферы.
Давление на дно снаряда уменьшилось против нормального на три четверти атмосферы: это составляет примерно пятую часть того давления, которое испытывает голова снаряда.
А вот другой снаряд: скорость его значительно больше, чем у первого, а потому он испытывает и большее сопротивление воздуха, – предположим, равное давлению в 100 атмосфер. Пусть он летит так быстро, что за ним позади образуется почти полная пустота: частицы воздуха не успевают ее заполнить. Разница с нормальным давлением составляет целую атмосферу. Но это всего лишь один процент – всего сотая часть – того давления, которое испытывает голова такого снаряда!
Вот почему снарядам, летящим с очень большой скоростью, придают теперь такую форму, при которой головная часть их очень сильно заострена. А снарядам, летящим сравнительно медленно можно и не очень заострять головную часть, но зато нужно обязательно удлинить и сильно скосить их донную часть.
Двадцать лет тому назад граната 75-миллиметровой французской пушки могла пролететь около 8,5 километра.
Рис. 111. Увеличение дальности полета снаряда при улучшении его формы
Но стоило только заострить ее головную часть, удлинить и скосить донную часть, как граната такого же веса стала лететь больше чем на 11 километров; простое изменение формы снаряда увеличило почти на одну треть дальность его полета (рис. 111).
Какой снаряд летит дальше – легкий или тяжелый?
Но секрет дальнобойности – не только в форме снаряда.
Выпустим снаряды одинаковой формы из трех разных орудий.
Орудия эти подобраны так, что начальная скорость их снарядов одна и та же – 442 метра в секунду. Снаряды почти совершенно одинаковы по форме. Пусть и угол бросания у всех трех орудий будет один и тот же – 20 градусов (рис. 112).
Рис. 112. Как действует сопротивление воздуха на снаряды разного веса
Снаряд 37-миллиметровой пушки при этих условиях пролетит 4100 метров.
Снаряд 76-миллиметровой пушки– пролетит 5 700 метров.
А снаряд 152-миллиметровой пушки залетит дальше всех – на 6 300 метров.
Рис. 114. Вот как выросли снаряды за последние 80 лет!
Рис. 115. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в самом начале его полета
Рис. 116. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в полете
Рис. 117. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд в полете
В чем же дело? Ведь форма у всех трех снарядов одна и та же, и скорость почти одинакова, и угол бросания один и тот же.
Неодинаков только размер и вес этих снарядов: 37-миллиметровая граната весит полкилограмма; 76-миллиметровая граната – побольше, она весит шесть с половиной килограммов, то-есть она в тринадцать раз тяжелее 37-миллиметровой гранаты; а 152-миллиметровая граната всех больше и всех тяжелее – она весит около сорока одного килограмма.
Выходит так: чем тяжелее снаряд, тем меньше влияет на него сила сопротивления воздуха.
Чем же объяснить такое влияние веса снаряда?
Попробуйте проделать такой простой опыт. Подберите одинаковой величины и формы пробку и камешек. Бросьте их из окна пятого этажа. Вы увидите, что камешек долетит до земли раньше, чем пробка.
Закон свободного падения– один и тот же для всех тел. Форма и величина у камня и пробки одинаковы, – значит, в начале падения одинаково и сопротивление воздуха их движению.
Почему же его влияние на пробке сказалось сильнее, чем на камешке? Почему воздух больше затормозил полет пробки, чем полет камешка?
Плотность пробки меньше плотности камешка. В пробке меньше вещества. Стало быть, меньше и инерция пробки – ее способность сохранять то состояние, в котором она находится. Пробку поэтому легко затормозить. Камень гораздо тяжелее пробки, вещества в нем во много раз больше. Значит, и инерция камня во столько же раз больше. Его движение затормозить гораздо труднее.
Каждый железнодорожник знает, что груженый поезд труднее затормозить, чем порожний.
Тяжелый снаряд испытывает при своем полете точно такое же сопротивление воздуха, как и легкий, если их размеры, скорость и форма одинаковы.
Выгоднее всего, значит, увеличить вес снаряда, не увеличивая в то же время площади его поперечного сечения, то-есть площади, на которую давит воздух.
Для этого достаточно сделать снаряд длиннее.
Так на деле и поступают: на смену шаровым снарядам пришли продолговатые; и эти продолговатые снаряды делаются, по мере своего совершенствования, все длиннее и длиннее.
В артиллерии принято измерять длину снаряда не в линейных мерах, а в калибрах; если длина снаряда вдвое больше его диаметра, то говорят: снаряд имеет длину в два калибра (рис. 114).
Так вот, круглая граната, длина которой, разумеется, один калибр, сменилась продолговатой, в два калибра длиной. Это был снаряд начала шестидесятых годов девятнадцатого века. Десять лет спустя граната достигла длины в три калибра. Ко времени империалистической войны снаряд вытянулся еще больше и достиг четырех калибров в длину. А современная граната имеет в длину примерно уже пять калибров (рис. 114).
