Движение быстро вращающегося снаряда в воздухе. Деривация

Вращательное движение снаряду около его оси придают посредством устройства на снаряде ведущего пояска и нарезов в канале ствола.

Движение вращающегося снаряда в воздухе — явление очень сложное, и исследовать его очень трудно; поэтому ниже будут даны только некоторые элементарные понятия об этом движении.

Снаряд, как и любое быстро вращающееся тело, приобретает свойство так называемой гироскопической устойчивости. Это свойство проявляется в том, что быстро вращающийся снаряд устойчиво сохраняет в пространстве направление своей оси вращения, а при воздействии внешних сил, стремящихся изменить это направление (опрокинуть снаряд), ось отклоняется не вдоль плоскости опрокидывания, а перпендикулярно ей и притом в сторону вращения снаряда (рис. 16).

Для определения направления отклонения оси снаряда можно применить такое правило: от толчка ось снаряда отклоняется в ту сторону, куда должна прийти через три четверти оборота точка снаряда, получившая толчок. Руководствуясь этим правилом, можно прийти к выводу, что если снаряд вращается слева — вверх— направо (правая нарезка орудия), то при толчке со стороны головной части снаряда снизу ось снаряда начнет отклоняться вправо, при толчке слева — вниз, при толчке сверху — влево и при толчке справа — вверх.

Рис. 16. Направление отклонения оси

быстро вращающегося снаряда под

действием внешней силы

При полете снаряда в воздухе направление действия внешних толчков непрерывно изменяется, в результате чего движение снаряда и принимает сложный характер, но одновременно с этим вращающийся снаряд не только оказывает сопротивление опрокидывающим моментам, но и летит таким образом, что его продольная ось все время следит за касательной к траектории, отклоняясь от нее лишь на малые углы.

Чтобы понять причину устойчивости на траектории вращающегося снаряда, вспомним известный из физики прибор гироскоп и его свойство.

Рис. 17. Гироскоп.

Гироскоп (рис. 17) состоит из маховика, который может вращаться вокруг своей основной оси, на которую он посажен, и вместе с внешним кольцом вокруг вертикальной оси.

Свойство гироскопа заключается в том, что при быстром вращении он не только сохраняет положение своей оси в пространстве, но и сопротивляется всяким попыткам изменить ее положение. На рисунке показано, как гироскоп изменит направление вращения, если на один конец оси вращения маховика повесить груз (слева) или толкнуть гироскоп по одному концу горизонтальной оси. В первом случае вместо ожидаемого наклона вниз (по направлению действия груза) гироскоп повернется вокруг своей вертикальной оси, а во втором случае гироскоп от толчка повернется не вокруг вертикальной оси, а вокруг горизонтальной оси так, как показано на рисунке справа. Таким образом, свойство гироскопа заключается в том, что он изменяет положение своей оси под прямым углом к направлению действия внешней силы и в сторону своего вращения.

Быстро вращающийся в полете снаряд напоминает маховик гироскопа. Как и гироскоп, снаряд стремится сохранить положение своей оси в пространстве.

Проследим один цикл колебаний снаряда. Предположим, что в какой-то момент головная часть снаряда поднята вверх (рис. 18). Тогда сила сопротивления воздуха, действуя снизу, стремится опрокинуть снаряд, однако он повернет не вверх, а вправо. Как только головная часть снаряда повернется вправо, сопротивление воздуха усиливается слева,

Рис. 18. Поведение вращающегося снаряда на траектории

стремясь отклонить ее еще правее, но снаряд повернет головную часть вниз. Под действием силы сопротивления воздуха на головную часть сверху вниз она повернется влево и т. д. Таким образом, снаряд-гироскоп в полете совершает вокруг центра тяжести конусообразные колебания, но на траектории не опрокидывается. Схема полета вращающегося снаряда показана на рис. 19.

Рис. 19.. Схема полета вращающегося снаряда

При полете продолговатого вращающегося снаряда в воздухе условия его движения аналогичны условиям движения гироскопа с той лишь разницей, что:

— центр тяжести снаряда подвижен;

— плоскость опрокидывающей пары проходит через ось снаряда и через касательную к траектории;

— касательная к траектории не сохраняет, своего направления в пространстве, а непрерывно понижается.

Рис. 20. Медленное коническое движение оси снаряда

припрямолинейной траектории

Движение центра тяжести тела, как известно из механики, не оказывает никакого влияния на его вращательные движения.

Рассмотрим движение оси вращающегося снаряда сначала при прямолинейном движении снаряда, а затем при криволинейном.

Прямолинейное движение снаряда с некоторыми допусками имеет место на начальном участке траектории. В этом случае угол нутации δ может получиться только в период последействия пороховых газов или от случайных толчков при вылете снаряда.

При появлении угла нутации δ, допустим, в вертикальной плоскости Р (рис. 19) появится момент, стремящийся опрокинуть снаряд в этой плоскости вверх, но этого не произойдет, так как из-за гироскопической устойчивости ось снаряда начнет отклоняться вправо (правая нарезка). Как только это произойдет, плоскость опрокидывания окажется уже не вертикальной, а наклоненной вправо (снаряд подставит воздействию воздуха левый бок) и вместе с этим ось снаряда начнет отклоняться книзу. Таким образом, снаряда начнет описывать коническую поверхность около касательной к траектории, сохраняя в некоторых пределах угол δ.

При удалении снаряда от точки вылета траектория его одета искривляется, касательная к траектории непрерывно изменяет свое направление, постепенно понижаясь. В том случае, когда снаряд не вращается, это приводит к увеличению угла нутации и к опрокидыванию снаряда. При быстром вращении снаряда этого не произойдет, так как ось снаряда сопротивляясь

-

Рис. 21. Медленное коническое движение оси снаряда

при криволинейной траектории:

Ц. Т. — центр тяжести снаряда; δ₁ —угол отклонения

динамической оси от касательной (при правой нарезке —

вправо от плоскости бросания)

опрокидывающему моменту и стремясь сохранить величину угла нутации, начнет поворачиваться вместе с касательной, как бы следить за ней.

Таким образом, ось снаряда получает одновременно как бы два вращательных движения: одно коническое вокруг касательной, другое—вместе с касательной.

Суммарное движение оси снаряда получается коническим около некоторой средней,так называемой динамической, оси, отклоняющейся от плоскости бросания на некоторый постепенно увеличивающийся угол. При правой нарезке ствола динамическая ось оказывается отклоненной вправо (рис. 21), при левой — влево. Это объясняется тем, что вследствие непрерывного понижения касательной, несмотря на вращение оси снаряда вокруг нее, преобладают опрокидывающие толчки в вертикальной плоскости вверх, а это, как мы уже видели, при правой нарезке приводит к отклонению оси вправо, а при левой — влево.

Рис. 22. Действие силы сопротивления воздуха на снаряд при

отклонении оси снаряда вправо (вид сверху)

Итак, при полете вращающегося снаряда в воздухе при правой нарезке орудия среднее положение его оси (динамическая ось) оказывается отклоненным вправо.

При отклонении оси конического движения вправо от касательной давление встречного воздуха на левую сторону снаряда будет больше, чем на правую, что приведет к появлению боковой слагающей силы сопротивления воздуха R_z (рис. 22), направленной перпендикулярно к касательной. Эта сила, не изменяя скорости снаряда вдоль линии бросания, будет сообщать снаряду боковую скорость вправо (сносить центр тяжести снаряда вправо), вследствие чего траектория в плане будет иметь вид, показанный на рис. 23. При левой нарезке орудия картина обратная.

Боковое отклонение продолговатого снаряда от плоскости бросания, вызываемое вращательным движением снаряда в воздухе, называется деривацией.

Рис. 23. Деривация:

О-точка вылета; С - точка падения;

z —угол деривации; z_с — линейная величина деривации

Величина деривации зависит от дальности стрельбы, но увеличение деривации идет быстрее увеличения расстояния.

Это объясняется тем, чтос увеличением дальности стрельбы увеличивается не только продолжительность действия боковой слагающей силы сопротивления воздуха R_z, но и сама величина R_z (из-за непрерывного понижения касательной). Величина деривации зависит и от вида траектории. При мортирной стрельбе она значительно возрастает; так, например, при стрельбе из 152- мм гаубицы-пушки обр. 1937 г. на дальность 10 км (заряд пятый) при угле возвышения меньше 45° деривация равна 120 м, а при угле возвышения больше 45° — 310 м.

Лекція 11

Тема 4. Заняття 3. Рух снаряда в повітрі

1. Рух опереного снаряда (міни) в повітрі.

2. Властивості траєкторії при русі снаряда в повітрі.

3. Вплив перевищення цілі над горизонтом гармати на положен- ня точки зустрічі.

1. Поправка прицілу на перевищення цілі.

2. Початок жорсткості траєкторії. Поправка кута прицілю- вання на кут місця цілі.

Дата добавления: 2014-01-07