Занимательная физика на войне

Ствол (стальная труба) заменяет цилиндр тепловой машины. Снаряд (твердый кусок стали или свинца), плотно пригнанный к стволу, мало чем отличается от поршня. А вместо нефти или бензина в ствол вкладывают быстро горючее топливо — заряд пороха. Бензин, сгорая, превращается в газы, и порох — тоже. В тепловой машине, газы, расширяясь, толкают поршень, и в орудии они же толкают снаряд. Разница лишь в том, что поршень связан (штоком) с валом, или колесом, а снаряд ничем не связан с орудием. Поэтому поршень через мгновенье вернется назад, снаряд же полетит далеко и никогда уже не попадет снова в орудие. Чтобы заставить пушку работать дальше, придется вложить в нее новый поршень — другой снаряд.

Но где же тут работа машины? Всякий двигатель даёт полезную работу: движет сам себя (паровоз, автомобиль, аэроплан), тащит с собой не мало груза, приводит в движение другие машины (электрическая станция, фабрика или завод), заставляет работать насосы, поднимает тяжести и т. д. и т. п. А пушка остается на месте или откатывается назад, что составляет вредную, а не полезную работу. Но зато с громадной скоростью движется снаряд — его движение и есть работа орудия. Чем тяжелее снаряд и чем быстрее он движется, тем больше работы совершает орудие.

Снаряд и автомобиль

Вот, для примера, представим себе работу грузового автомобиля и сравним ее с работой орудия.

Автомобиль весом, положим, в 10 тонн (вместе с грузом) стоит на месте. Чтобы заставить его двигаться, надо прежде всего преодолеть инерцию[11] автомобиля. Если бы мы захотели двинуть его сразу с большой скоростью, для преодоления инерции понадобилась бы очень большая аила. Но нам этого не нужно. Мы сначала чуть сдвинем автомобиль с места и лишь постепенно, за счет работы двигателя, будем сообщать ему все большую и большую скорость. И в то же время часть работы двигателя пойдет на преодоление трений колес о землю, осей колес о подшипники, трений всего кузова о воздух и т. п.

Через несколько минут автомобиль развил полную скорость. Теперь вся работа машины идет на преодоление трений и сопротивлений, если дорога горизонтальная. А если на пути окажется подъем, то скорость автомобиля уменьшится, и значительная часть работы двигателя пойдет на работу подъема веса.

Если в пути внезапно остановить двигатель автомобиля, но не тормозить колес, он остановится не скоро, так как по инерции будет стремиться двигаться с прежней скоростью. И так как мы взяли немалый вес (10 тонн), запас энергии движения окажется у нашего автомобиля весьма солидным. В зависимости от величины трений и сопротивления воздуха, автомобиль пройдет по инерции больше или меньше, но во всяком случае немалое расстояние.

Все дело здесь в энергии движения, поэтому ее надо уметь вычислять. Для этого прежде всего необходимо знать, как перейти от веса к массе. Обычно массу измеряют весовыми единицами, говоря «грамм-масса», «килограмм-масса». Но в технике такое измерение было бы очень неудобно, так как вызвало бы измерение скорости в сантиметрах в секунду и измерение работы в очень мелких единицах — в эргах. Поэтому установили особую, так называемую техническую единицу массы, которая в 10 раз[12] больше «килограмм-массы». Поэтому, чтобы узнать, чему равна масса тела в технических единицах, надо вес тела в килограммах разделить на 10. Для нашего примера получим: 10 тонн = 10 000 кг; 10 000 кг: 10 = 1 000 единиц-массы.

Теперь энергию движения узнаем, умножив массу на квадрат скорости и разделив полученный результат пополам.

Положим, что наш автомобиль двигался перед остановкой мотора со скоростью 36 км в час, т. е. 10 метров в секунду (36 000: 3 600 = 10). 10² (в квадрате = 10 X 10 = 100; 100 X 1 000 (масса) = 100 000; 100 000: 2 = 50 000 килограмм-метров — единица работы и энергии)[13].

Итак, во время движения полной скоростью наш автомобиль имеет запас энергии движения, равный 50 000 килограмм-метров. Такая энергия в состоянии была бы поднять 1 килограмм на высоту 50 000 метров, или 10 000 кг (10 тонн) на высоту 5 метров. Автомобиль сам себя мог бы этой энергией поднять на 5 метров вверх! Естественно поэтому, что по ровному горизонтальному пути он пробежит, быть может, не один километр без всякой работы двигателя.

Теперь перейдем к снарядам. Там картина несколько иная. Пороховые газы могут толкать снаряд только в то время, пока он не вылетел из ствола. Значит, постепенно нагонять его скорость нет времени. Надо сразу в очень короткий промежуток (около 0,01 секунды или даже еще меньше) сообщить ему очень большую скорость. Иначе снаряд не получит достаточной энергии движения, а значит, и не сможет далеко двигаться по инерции.

Вот поэтому и нельзя в пушках воспользоваться таким топливом, как бензин или нефть. Тут нужно в сотые доли секунды сжечь иногда несколько килограммов топлива. Таким быстро горящим топливом может быть только порох, горение которого настолько быстро, что его называют уже не горением, а взрывом[14].