Летящий гироскоп

Летящий гироскоп

Но если бы снаряд был в полете вполне устойчив, он летел бы, как изображено на рисунке 121, и падал бы на землю не головой, а дном.

На самом же деле снаряд летит не так.

Еще один опыт с гироскопом поможет нам лучше понять особенности полета снаряда.

Поставим на гироскоп фигуру. В ее вытянутую руку вложим груз, как изображено на рисунке 119.

Вы думаете, вращающийся гироскоп наклонится вниз, в сторону груза? Ничуть не бывало: гироскоп повернется вокруг своей вертикальной оси слева направо.

Попробуйте теперь толкнуть гироскоп, ударить по одному из концов горизонтальной оси (рис. 120). Казалось бы, гироскоп должен от такого толчка повернуться на своей вертикальной оси.

Не тут-то было: на самом деле гироскоп начнет поворачиваться вокруг горизонтальной оси так, что фигура упадет с него.

В этом и заключается основное свойство гироскопа: он изменяет положение своей оси, двигаясь всегда 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. Но при этом снаряд, конечно, опускается под линией бросания: траектория изгибается. Пока ось снаряда совпадала с касательной к траектории, сопротивление воздуха распределялось равномерно по всем точкам головной части снаряда и только замедляло его полет (рис. 115).

Рис. 121. Так летел бы вращающийся снаряд в безвоздушном пространстве

Но едва лишь ось снаряда начала отходить от касательной к траектории (это произошло в самом начале движения), как снаряд подставил сопротивлению воздуха свой бок (рис. 116).

Рис. 122. Как отражается на вращающемся снаряде полученный им толчок

Рис. 123. Одно из действий сопротивления воздуха на снаряд

Рис. 124. Коническое вращение головной части снаряда

Невращающийся снаряд опрокинулся бы при этом.

Но снаряд вращается. Как и маховик гироскопа, он стремится сохранить устойчивость; на действие внешней силы он отвечает поворотом в направлении, перпендикулярном тому, по которому действует сила. При этом он подчиняется такому правилу: если какая-то точка снаряда получила толчок, направленный перпендикулярно (по нормали) к оси снаряда, то от толчка голова снаряда отклонится в ту сторону, куда должна притти через три четверти оборота точка, получившая толчок (рис. 122).

Сопротивление воздуха толкает голову снаряда снизу вверх; снаряд отвечает на это тем, что поворачивает голову вправо, под прямым углом к направлению действия внешней силы и в сторону своего вращения (рис. 123).

В этом новом положении воздух сильнее давит на снаряд слева, стремится повернуть его голову вправо. Упрямый снаряд-гироскоп повернет ее вниз. Тогда воздух, действуя на снаряд сверху, начнет загибать его голову вниз. А снаряд-гироскоп сделает опять по-своему – и повернет ее влево. Как только воздух попробует свернуть голову снаряда влево, снаряд поднимет ее вверх. И такая борьба снаряда-гироскопа с силой сопротивления воздуха продолжается во все время полета: Голова снаряда перемещается то вправо, то вниз, то влево, то вверх, то-есть описывает около траектории круг, а ось снаряда описывает коническую поверхность (рис. 124).

Рис. 125. Так летит в воздухе «послушный» вращающийся снаряд

В результате, вращающийся снаряд летит все время головой вперед и в таком же положении падает на землю (рис. 125).

И получается, что та же самая сила сопротивления воздуха, которая мешала, опрокидывала невращающийся снаряд, начинает помогать, как только снаряд приобретает вращательное движение: сила сопротивления воздуха теперь уже «привязывает» голову снаряда к траектории, делает его послушным.

Теперь, когда мы уже узнали все силы, действующие на снаряд во время полета, мы должны понять разницу в очертаниях траекторий, показанных на рисунке 109

Рис. 126. Элементы траектории

На самом деле траектория всегда несимметрична: дальняя – нисходящая – ветвь у нее круче и короче восходящей, и снаряд падает круче, чем вылетает из орудия, то-есть угол падения снаряда всегда больше угла бросания (рис. 126).

Рис. 127. Полигональный снаряд Витворта

Рис. 128. Нарезной снаряд Шарбонье

Снаряд-копье

Вернемся теперь к вопросу – почему же не сделать очень длинный снаряд, так сказать, снаряд-копье?

Оказывается, такой снаряд был бы все же недостаточно устойчив в полете.

Чтобы обеспечить ему устойчивость, надо было бы вращать его еще раза в два-три быстрее, чем вращается современный снаряд.

Для этого и нарезы в орудии надо было бы сделать раза в два-три круче, чем их делают теперь.

Но тогда мягкий медный ведущий поясок снаряда не выдержал бы громадного давления, какое пришлось бы на его долю при такой крутой нарезке и при большом весе длинного снаряда.

Нужны, значит, какие-то новые технические приемы, чтобы обеспечить такому длинному и тяжелому снаряду достаточно быстрое вращение.

Что можно сделать в этом направлении?

Еще в шестидесятых годах девятнадцатого века англичанин Витворт предложил многоугольный (или, как говорят, полигональный) снаряд (рис. 127). Разумеется, и канал орудия Витворта представлял собой в сечении многоугольную призму, несколько скрученную, – вроде того, как скручивается веревка, – чтобы придать вращение этому снаряду.

В свое время это предложение не нашло широкого применения, а вскоре и вовсе было заброшено. Однако в наши дни его извлекли из архивов и проводят опыты со снарядами Витворта.

Есть и другие предложения. Уже после империалистической войны француз Шарбонье предложил и сумел изготовить снаряд с готовыми выступами, или, иначе, «нарезной снаряд» в десять калибров длиной (рис. 128). Снаряд этот имеет большие преимущества перед старыми: поперечная нагрузка у снаряда Шарбонье вдвое больше, чем у обычного, а поэтому и летит он заметно дальше. Вес снаряда Шарбонье примерно вдвое больше, чем вес старого снаряда, а потому в нем помещается значительно: больше взрывчатого вещества, чем в старом.

Во время своих опытов Шарбонье стрелял из 155-миллиметровой пушки снарядом в 90 килограммов весом вместо обычных 43. Снаряд этот пролетал 19 километров вместо обычных 16.

Но изготовлять такие снаряды с готовыми нарезами трудно и дорого, а заряжать орудие таким снарядом долго и неудобно: уже во время заряжания снаряд должен двигаться своими выступами по нарезам орудия.

Вот почему снаряды Шарбонье пока еще не нашли широкого применения.