Как влияет сила сопротивления воздуха на дальность полета снарядов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Задачи метеорологической подготовки. Метеорологическая подготовка осуществляется в целях непрерывной поддержке артиллерии в готовности к своевременному выполнению огневых задач с высокой эффективностью при любых метеорологических условиях боя.

Задачей метеорологической подготовки является определение отклонений метеорологических условий, учитываемых при определении установок для стрельбы.

Из большого числа метеорологических элементов, характеризующих состояние атмосферы, к метеорологических условий стрельбы относят лишь те из них, влияние которых на полет снаряда значений и подлежит учету при подготовке стрельбы

Отклонение реальных метеорологических условий от табличных учитывают при определении установок для стрельбы путем расчета метеорологических поправок.

Таким образом, задачей метеорологической подготовки является определение отклонений реальных метеорологических условий от табличных.

Физические основы метеорологических условий стрельбы.

Основной аэродинамической силой, на которой можно выявить систему метеорологических элементов, определяет метеорологические условия стрельбы, и проследить влияние их на полет снаряда, сила лобового сопротивления Rx. Сила лобового сопротивления зависит от плотности воздуха, скорости звука и ветра.

В системе метеорологических условий стрельбы формально три метеоэлементов: наземное давление атмосферы, виртуальная температура воздуха и направление ветра в пределах траектории.

Фактически же их четыре. Через виртуальную температуру воздуха одновременно учитывается влияние на полет снаряда температуры и влажности воздуха.

Виртуальная температура для влажного воздуха - это условная температура, которую имел бы при данном давлении сухой воздух, плотность которого равна плотности реального влажного воздуха. Путем искусственного повышения температуры сухого воздуха на величину, эквивалентную по воздействию на плотность воздуха содержащегося в нем водяного пара, плотность сухого воздуха за счет эффекта расширения можно сравнить с плотностью влажного воздуха.

К метеорологических условий относятся условия, обусловленные состоянием атмосферы в плоскости стрельбы (ветер, давление и температура воздуха). Метеорологические условия, как и баллистические, оказывают влияние на полет снаряда.

Влияние отклонения температуры воздуха.

Влияние ветра. Если направление ветра совпадает с направлением плоскости стрельбы (ветер встречный или попутный), то ветер влияет только на дальность полета снаряда: встречный ветер увеличивает сопротивление воздуха полету снаряда и уменьшает дальность стрельбы, попутный ветер уменьшает сопротивление воздуха и увеличивает дальность стрельбы.

Рис. 1. Определение угла и составляющих ветра:

WX - продольная составляющая ветра; W Z - боковая составляющая ветра; W - скорость баллистического ветра

Если направление ветра перпендикулярно плоскости стрельбы (ветер боковой справа или слева), он оказывает влияние на направление полета снаряда: ветер справа перемещает снаряд вместе с частицами воздуха влево, а ветер слева перемещает снаряд вправо.

Влияние отклонения давления. Таблицы стрельбы составлены при условии, что атмосферное давление на уровне ОП нормальное, то есть 750 мм рт. ст., и с высотой меняется по некоторому табличном закона (с увеличением высоты на 10 м оно уменьшается примерно на 1 мм рт. ст.). Действительный давление может отклоняться от табличного на некоторую величинуDН.

Опасности нашей повседневной жизни: Опасность — возможность возникновения обстоятельств, при которых.

Основные факторы риска неинфекционных заболеваний: Основные факторы риска неинфекционных заболеваний, увеличивающие вероятность.

Всякое тело испытывает при движении противодействие со стороны той среды, в которой происходит движение. Учет сопротивления воздуха затрудняет аналитическое решение задачи внешней баллистики, поэтому в этом случае целесообразен численный расчет.

Если скорость тела велика, то сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости и может быть выражена в виде
, (28)
где – площадь сечения тела, – плотность воздуха, – безразмерный коэффициент, величина которого зависит от формы тела. Для обтекаемых тел величина может опускаться до значения .

Второй закон Ньютона (2) для движения снаряда на который действует сила тяжести и сила сопротивления воздуха (28) запишется в виде
. (29)
Обозначим и запишем (29) в проекциях на оси системы координат
. (30)

Выразим ускорения в уравнениях (30) через производные скорости и добавим к системе дифференциальные уравнения координат (8)
. (31)
Вместе с начальными условиями
, (32)
система (31) представляет собой динамическую модель движущегося снаряда в условиях действия сопротивления воздуха. Для составления алгоритма численного интегрирования перейдем к системе разностных уравнений, как мы это делали выше и запишем
. (33)

Баллистика (от греч. βάλλειν — бросать) — наука о движении тел, брошенных в пространстве, основанная на математике и физике. Она занимается, главным образом, исследованием движения снарядов, выпущенных из огнестрельного оружия, ракетных снарядов и баллистических ракет.

Содержание

Основные понятия

Основной задачей стрельбы является попадание в цель. Для этого орудию необходимо придать строго определённое положение в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Если навести орудие так, чтобы ось канала ствола была направлена на цель, то в цель мы не попадём, так как траектория полёта снаряда будет всегда проходить ниже направления оси канала ствола, снаряд до цели не долетит. Для формализации терминологического аппарата рассматриваемой тематики, введём основные определения, используемые при рассмотрении теории артиллерийской стрельбы.
Точкой вылета называется центр дульного среза орудия.

Точкой падения называется точка пересечения траектории с горизонтом орудия.

Горизонтом орудия называется горизонтальная плоскость, проходящая через точку вылета.

Линией возвышения называется продолжение оси канала ствола наведённого орудия.

Линией бросания ОВ называется продолжение оси канала ствола в момент выстрела. В момент выстрела орудие вздрагивает, вследствие чего снаряд бросается не по линии возвышения ОА, а по линии бросания ОВ (см. рис. 2).

Линией цели ОЦ называется линия, соединяющая орудие с целью (см. рис. 2).

Линией прицеливания (визирования) называется линия, идущая от глаза наводчика через оптическую ось прицела в точку наводки. При стрельбе прямой наводкой, когда линия прицеливания направлена в цель, линия прицеливания совпадает с линией цели.

Линией падения называется касательная к траектории в точке падения.

Углом возвышения (греческая фи) называется угол между линией возвышения и горизонтом орудия. Если ось канала ствола направлена ниже горизонта, то этот угол называется углом снижения (см. рис. 2).

Дальность стрельбы из орудия зависит от угла возвышения и условий стрельбы. Следовательно, чтобы добросить снаряд до цели, надо орудию придать такой угол возвышения, при котором дальность стрельбы будет соответствовать расстоянию до цели. В таблицах стрельбы указано какие углы прицеливания нужно придать орудию, чтобы снаряд полетел на нужную дальность.

Углом бросания (греческая тета ноль) называется угол между линией бросания и горизонтом орудия (см. рис. 2).

Углом вылета (греческая гамма) называется угол между линией бросания и линией возвышения. В морской артиллерии угол вылета имеет малую величину и его иногда в расчёт не принимают, полагая, что снаряд бросается под углом возвышения (см. рис. 2).

Углом прицеливания (греческая альфа) называется угол между линией возвышения и линией прицеливания (см. рис. 2).

Углом места цели (греческая эпсилон) называется угол между линией цели и горизонтом орудия. При стрельбе корабля по морским целям угол места цели равен нулю, так как линия цели направлена по горизонту орудия (см. рис. 2).

Углом падения (греческая тета с латинской буквой с) называется угол между линией цели и линией падения (см. рис. 2).

Углом встречи (греческая мю) называется угол между линией падения и касательной к поверхности цели в точке встречи (см. рис. 2).
От значения величины этого угла сильно зависит стойкость брони корабля, по которому ведётся огонь, к пробитию снарядами. Очевидно, чем ближе этот угол к 90 градусам, тем вероятность пробития выше, верно и обратное.
Плоскостью стрельбы называется вертикальная плоскость, проходящая через линию возвышения. При стрельбе корабля по морским целям линия прицеливания направлена по горизонту, в этом случае угол возвышения равен углу прицеливания. При стрельбе корабля по береговым и воздушным целям угол возвышения равен сумме угла прицеливания и угла места цели (см. рис. 3). При стрельбе береговой батареи по морским целям угол возвышения равен разности угла прицеливания и угла места цели (см. рис. 4). Таким образом, величина угла возвышения равна алгебраической сумме угла прицеливания и угла места цели. Если цель выше горизонта, угол места цели имеет знак "+", если цель ниже горизонта, угол места цели имеет знак "-".

Влияние сопротивления воздуха на траекторию полёта снаряда

Траектория полёта снаряда в безвоздушном пространстве представляет собой симметричную кривую линию, называемую в математике параболой. Восходящая ветвь совпадает по форме с нисходящей ветвью и, следовательно, угол падения равен углу возвышения.

При полёте в воздухе снаряд расходует часть скорости на преодоление сопротивления воздуха. Таким образом, на снаряд в полёте действуют две силы — сила тяжести и сила сопротивления воздуха, которая уменьшает скорость и дальность полёта снаряда, как проиллюстрировано на рис. 5. Величина силы сопротивления воздуха зависит от формы снаряда, его размеров, скорости полёта и от плотности воздуха. Чем длиннее и заострённее головная часть снаряда, тем сопротивление воздуха меньше. Форма снаряда особенно сказывается при скоростях полёта, превышающих 330 метров в секунду (то есть при сверхзвуковых скоростях).

На рис. 6 слева представлен недальнобойный снаряд старого образца и более продолговатый, заострённый дальнобойный снаряд справа. Также видно, что у дальнобойного снаряда в донной части делается коническое сужение. Дело в том, что сзади снаряда образуется разреженное пространство и завихрения, которые значительно увеличивают сопротивление воздуха. Сужением дна снаряда достигается уменьшение величины сопротивления воздуха, возникающего вследствие разреженности и завихрений за снарядом.

Сила сопротивления воздуха пропорциональна скорости его полёта, но не прямо пропорциональна. Зависимость формализуется более сложно. Вследствие действия сопротивления воздуха у траектории полёта снаряда восходящая ветвь длиннее и отложе нисходящей. Угол падения больше угла возвышения.

Помимо уменьшения дальности полёта снаряда и изменения формы траектории, сила сопротивления воздуха стремится опрокинуть снаряд, как это видно из рис. 7.

Следовательно, невращающийся продолговатый снаряд под действием сопротивления воздуха будет переворачиваться. При этом снаряд может попасть в цель в любом положении, в том числе боком или дном, как показано на рис. 8.

Чтобы снаряд в полёте не переворачивался, ему придают вращательное движение с помощью нарезов в канале ствола.

Если же рассмотреть воздействие воздуха на вращающийся снаряд, то можно увидеть, что это приводит к боковому отклонению траектории от плоскости стрельбы, как изображено на рис. 9.

Деривацией называется отклонение снаряда от плоскости стрельбы вследствие его вращения. Если нарезы вьются слева вверх направо, то снаряд отклоняется вправо.

Влияние угла возвышения и начальной скорости снаряда на дальность его полёта

Дальность полёта снаряда зависит от углов возвышения, под которыми он бросается. Увеличение дальности полёта с увеличением угла возвышения происходит только до некоторого предела (40-50 градусов), при дальнейшем увеличении угла возвышения, дальность начинает уменьшаться.

Углом предельной дальности называется угол возвышения, при котором получается наибольшая дальность стрельбы при данной начальной скорости и снаряде. При стрельбе в безвоздушном пространстве наибольшая дальность полёта снаряда получается при угле возвышения 45 градусов. При стрельбе в воздухе величина угла предельной дальности отличается от этого значения и у разных орудий бывает неодинаковой (обычно меньше 45 градусов). Для сверхдальнобойной артиллерии, когда снаряд значительную часть пути летит на большой высоте в сильно разреженном воздухе, угол предельной дальности бывает более 45 градусов.

Для орудия данного образца и при стрельбе определенным типом боеприпаса каждому углу возвышения соответствует строго определенная дальность полёта снаряда. Следовательно, чтобы забросить снаряд на нужное нам расстояние, необходимо орудию придать угол возвышения, соответствующий этому расстоянию.

Траектории снарядов, выпущенных при углах возвышения меньших, чем угол предельной дальности, называются настильными траекториями.

Траектории снарядов, выпущенных при углах возвышения больших, чем угол предельной дальности, называются 'навесными траекториями'.

Рассеивание снарядов

Если из одного и того же орудия, одинаковым боеприпасом, при одном и том же направлении ствола орудия, при одинаковых, на первый взгляд, условиях произвести несколько выстрелов, то снаряды не попадут в одну точку, а полетят по разным траекториям, образуя пучок траекторий, как проиллюстрировано на рис. 10. Это явление называется рассеиванием снарядов.

Причиной рассеивания снарядов является невозможность достижения абсолютно одинаковых условий для каждого выстрела. В таблице приведены основные факторы, вызывающие рассеивание снарядов и возможные пути уменьшения этого рассеивания.

Разнообразие свойств пороха (состав, содержание влаги и растворителя).
Разнообразие веса зарядов.
Разнообразие температуры зарядов.
Разнообразие плотности заряжания.

(размеры и расположение ведущего пояска, досылка снарядов).

Разнообразие формы и веса снарядов.

Хранение в герметической укупорке. Каждую стрельбу производить зарядами одной партии.
Поддержание должной температуры в погребе.
Единообразие заряжания.
Каждую стрельбу производить снарядами одного весового знака.

Разнообразие углов возвышения (мёртвые ходы в прицельном устройстве и в механизме вертикального наведения).
Разнообразие углов вылета.
Разнообразие наводки.

Тщательный уход за материальной частью.
Хорошая тренировка наводчиков.

Разнообразие влияния воздушной среды (плотность, ветер).

Площадь, на которую падают снаряды, выпущенные из орудия при одном и том же направлении канала ствола, называется площадью рассеивания.

Середина площади рассеивания называется средней точкой падения.

Воображаемая траектория, проходящая через точку вылета и среднюю точку падения, называется средней траекторией.

Площадь рассеивания имеет форму эллипса, поэтому площадь рассеивания называется эллипсом рассеивания.

Интенсивность, с которой снаряды попадают в различные точки эллипса рассеивания, описывается двумерным Гауссовским (нормальным) законом распределения. Отсюда, если следовать в точности законам теории вероятностей, можно сделать вывод, что эллипс рассеивания является идеализацией. Процент попаданий снарядов внутрь эллипса описывается правилом трёх сигма, а именно, вероятность попадания снарядов в эллипс, величина оси которого равна утроенному квадратному корню из дисперсий соответствующих одномерных Гауссовских законов распределения равна 0.9973.
В силу того, что количество выстрелов из одного орудия, особенно крупного калибра, как уже было указано выше, в силу износа зачастую не превышает и одной тысячи, этой неточностью можно пренебречь и считать, что все снаряды попадают в эллипс рассеивания. Любое сечение пучка траекторий полёта снарядов также представляет собой эллипс. Рассеивание снарядов по дальности всегда больше, чем в боковом направлении и по высоте. Величину срединных отклонений можно найти в основной таблице стрельбы и по ней определить размеры эллипса.

Поражаемым пространством называется пространство, на протяжении которого траектория проходит через цель.

Согласно рис. 11, поражаемое пространство равно расстоянию по горизонту АС от основания цели до конца траектории, проходящей через вершину цели. Каждый снаряд, упавший вне поражаемого пространства, прошёл либо выше цели, либо упал до неё. Поражаемое пространство ограничивается двумя траекториями — траекторией ОА, проходящей через основание цели, и траекторией ОС, проходящей через верхнюю точку цели.

В случае, если поражаемая цель имеет глубину, величина поражаемого пространства увеличивается на величину глубины цели, как проиллюстрировано на рис. 12. Глубина цели будет зависеть от размеров цели и её положения относительно плоскости стрельбы. Рассмотрим цель, наиболее вероятную для морской артиллерии — судно неприятеля. В таком случае, если цель идёт от нас или на нас, глубина цели равна её длине, когда цель идёт перпендикулярно к плоскости стрельбы, глубина равна ширине цели, как проиллюстрировано на рисунке.

Учитывая тот факт, что эллипс рассеивания имеет большую длину и малую ширину, можно сделать вывод о том, что при малой глубине цели снарядов в цель попадает меньше, чем при большой её глубине. То есть, чем больше глубина цели, тем легче в неё попасть. С увеличением дальности стрельбы поражаемое пространство цели уменьшается, так как увеличивается угол падения.

Прямым выстрелом называется выстрел, при котором всё расстояние от точки вылета до точки падения является поражаемым пространством (см. рис. 13).

Это получается в том случае, если высота траектории не превышает высоту цели. Дальность прямого выстрела зависит от крутизны траектории и высоты цели.

Дальностью прямого выстрела (или дальностью настильности) называется расстояние, на котором высота траектории не превышает высоты цели.

Следует отметить еще два условия, влияющие на увеличение начальной скорости в метаниях с вращением (диск, молот). Большую роль для создания начальной скорости полета снаряда здесь играет величина угловой скорости и радиус вращения, то есть расстояние от оси вращения до центра тяжести снаряда.

На величину радиуса влияет длина руки метателя (при метании диска), длина снаряда и расположение центра тяжести в самом снаряде (при метании молота). Чем больше радиус вращения при данной угловой скорости, тем выше начальная скорость полета и лучше результат метания.

3. Как влияет угол вылета снаряда на спортивный результат?

Следующим фактором, от которого в значительной мере зависит дальность полета, является угол вылета снаряда.

Углом вылета(α) называется угол, построенный в точке вылета снаряда и заключенный между горизонтальной линией и вектором скорости диска (касательной к началу траектории полета). Как известно, если снаряд бросить в безвоздушном пространстве под углом 45° к горизонту, то он пролетит наибольшее расстояние. Но на практике оптимальные углы вылета различных снарядов оказываются меньше. Во-первых, это обусловливается тем, что спортивный снаряд выпускается в среднем на высоте от 160 до 220 см. Наличие разницы уровней вылета и приземления снаряда (так называемыйугол местности) является первой причиной уменьшения теоретического угла выпуска.

Во-вторых, метание под меньшим углом позволяет увеличить путь воздействия на снаряд и, в-третьих, строение мышечной системы спортсмена способствует большему приложению усилий при более низком угле вылета. Во всех видах метаний, кроме метания диска, с увеличением скорости разбега угол вылета незначительно повышается (в метании диска понижается). Кроме этого, в планирующих снарядах (диск, копье) на изменение угла вылета влияет еще направление и величина ветра.

Таким образом, угол вылета зависит от высоты выпуска снаряда над землей, аэродинамических свойств снаряда (для диска и копья), состояния атмосферы (направление ветра), скорости разбега.

В спортивных метаниях надо использовать так называемые оптимальные углы вылета снарядов. В данном случае под оптимальным углом понимают наиболее выгодный угол для дальности полета снаряда.

Для спортивных метаний рекомендуются следующие оптимальные углы вылета:

– при метании копья: 30–35º; – при метании диска: 36–38º; – при толкании ядра: 38–41º; – при метании молота и гранаты: 42–44º.

4. В чем заключается воздействие атмосферной среды на дальность полета снаряда?

После того как снаряд покинул руку метателя, на него сразу же начинают действовать две силы воздушной среды: 1) сила сопротивления (или лобового сопротивления); 2) подъемная сила.

Сила сопротивлениянаправлена против скорости снаряда и тем самым уменьшает дальность его полета. Она в основном зависит от площади поперечного сечения снаряда и от квадрата скорости его движения.

Подъемная сила – это сила, которая удерживает снаряд в полете, противодействуя силе тяжести. Если снаряд движется так, что потоки воздуха его обтекают равномерно как сверху, так и снизу, то на него не будет действовать подъемная сила. Если же направление скорости не совпадает с направлением продольной оси снаряда (плоскости диска), то потоки воздуха сверху и снизу будут неодинаковы. При этом сверху частицы воздуха будут обтекать снаряд быстрее и в то же время проходить большее расстояние, чем снизу, а, следовательно, давление воздуха на снаряд будет меньше, чем давление снизу. В результате разности давлений сверху и снизу возникает подъемная сила.

Существенно помнить, что подъемная сила не обязательно направлена вверх, ее направление может быть различным. Это зависит от положения снаряда и направления воздушного потока относительно его. В тех случаях, когда подъемная сила направлена вверх и уравновешивает вес снаряда, он начинает планировать. Планирование копья и диска существенно повышает результаты в метаниях.

При полете таких тяжелых снарядов, как ядро и молот, действие этих сил практически незначительно и фактически не влияет на их полет в воздухе. Иначе с так называемыми планирующими снарядами, как диск и копье, которым в полете оказывает существенное сопротивление атмосферная среда (плотность воздуха, сила и направление ветра). Важную роль при метании планирующих снарядов играетугол атаки, который образуется продольной осью (плоскостью) снаряда и направлением набегающего потока воздуха. Он может быть положительным, равным нулю или отрицательным. Если поток воздуха набегает на нижнюю поверхность диска и копья, то угол атаки положительный, если на верхнюю – отрицательный.

Рис. 10. Силы, действующие на планирующий снаряд в полете: g – сила тяжести; X – сила сопротивления среды; Y – подъемная сила; α – угол вылета; β – угол атаки; V – скорость вылета

Как видно из рис. 10, на снаряд действуют сила тяжести (g), сила сопротивления среды (Х), подъемная сила (Y). Фиксируются углы вылета (α) и атаки (β).

Следует иметь в виду, что с увеличением угла атаки (β) увеличивается как подъемная сила, так и лобовое сопротивление воздушной среды, но при этом прирост подъемной силы будет идти гораздо быстрее, чем прирост лобового сопротивления. Впоследствии лобовое сопротивление продолжает возрастать, а подъемная сила начинает уменьшаться, и когда плоскость снаряда станет перпендикулярной направлению скорости, подъемная сила станет равной нулю. Следовательно, на траектории есть участки, где подъемная сила больше лобового сопротивления, и участок, где лобовое сопротивление превышает подъемную силу. Отсюда и вытекает необходимость найти оптимальные углы выпуска и атаки, при которых подъемная сила на большом участке траектории полета превышала бы лобовое сопротивление, а значит, и снаряд мог бы пролететь большее расстояние.

Большое влияние на полет планирующих снарядов оказывает направление движения воздуха. При метании диска и копья против встречного ветра возрастает сила лобового сопротивления воздуха и пропорционально увеличивается подъемная сила. Так создается аэродинамический прирост дальности полета снаряда. При метаниях против ветра для лучшего использования подъемной силы несколько уменьшают угол вылета снарядов по мере увеличения скорости ветра. Расчеты показывают, что встречный ветер порядка 5 м/с, например, увеличивает дальность полета диска на 10 %, а попутный снижает на 2,5 %.

Интересно, что аэродинамические свойства женского диска выше, чем мужского. При одной и той же начальной скорости женский диск летит дольше, чем мужской. Причем при сильном встречном ветре это преимущество еще более возрастает. При попутном ветре скорость его совпадает с направлением полета снаряда и происходит уменьшение аэродинамической силы. Но поскольку при этом уменьшается и сила лобового сопротивления, то это обстоятельство нужно уметь использовать для увеличения дальности броска. Это достигается путем увеличения угла вылета.

Самым неудобным для копья и диска является действие бокового ветра, который нарушает основные законы планирования снарядов в полете.

5. Охарактеризуйте основные части легкоатлетических метаний

Все существующие метания являются целостными ациклическими упражнениями.

Однако для удобства анализа техники каждое метание условно состоит из шести взаимосвязанных частей:

I – держание снаряда;

II – подготовка к разбегу и разбег (поворот, скачок);

III – подготовка к финальному усилию ("обгон" снаряда);

IV – финальное движение (усилие);

V – торможение и сохранение равновесия после выпуска снаряда;

VI – вылет и полет снаряда.

I. Держание снаряда

Задачаэтой части – держать снаряд так, чтобы выполнить метание свободно, с оптимальной амплитудой движения, обеспечив наиболее эффективное приложение своих сил. Правильное держание снаряда зависит от его формы, веса, способа метания и позволяет наиболее полно использовать длину и силу конечностей, по возможности расслаблять мышцы метающей руки до финального усилия и сохранять контроль за движениями спортсмена. Все это способствует передаче силы метателя на снаряд в нужном направлении и по наибольшему пути, что и обеспечивает высокую начальную скорость вылета снаряда.

При метании диска и молота, с точки зрения биомеханики, нужно держать снаряд так, чтобы его центр был подальше удален от оси вращения спортсмена. Тем самым увеличивается радиус вращения, а значит, повышается начальная скорость вылета.

Читайте также: