Все дело в скорости.
Прихожане собора святого Павла в Лондоне однажды с удивлением смотрели на странное зрелище. Высоко, почти под самым куполом, примостился какой-то человек. Время от времени он бросал вниз полые стеклянные шарики. Это был знаменитый английский ученый Исаак Ньютон. Наблюдая по часам, сколько времени падают шары, брошенные с различной высоты, Ньютон доказал, что сопротивление воздуха резко возрастает при увеличении скорости движущегося тела.
Ньютон полагал, что сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости. И это действительно так, если тело проходит не больше 240 метров в секунду. Если же скорость больше, сопротивление растет еще быстрее.
Пешеходу в тихую погоду воздух кажется совсем неподвижным. Но стоит ему сесть на велосипед, как в ушах у него засвистит ветер. В этом нет ничего удивительного. Ведь он увеличил скорость движения в пять раз, значит сопротивление воздуха увеличилось в двадцать пять раз.
Выглянув из окна курьерского поезда, который, предположим, проходит 120 километров в час, то есть 34 метра в секунду, вы почувствуете такой удар «ветра», что поневоле зажмурите глаза. А высунуться из кабины истребителя, летящего со скоростью 130 метров в секунду, прямо страшно: ощущение такое, что вот-вот вам оторвет голову.
Пуля — одна из самых скорых путешественниц. Она мчится в пятьдесят раз быстрее автомобиля, в двадцать пять раз быстрее курьерского поезда и в шесть раз быстрее истребителя.
Путь пули в воздухе: 1 ― восходящая ветвь; 2 ― нисходящая ветвь; 3 ― вершина траектории; 4 ― высота траектории.
Из ствола пуля вылетает со скоростью 865 метров в секунду. Но такую быстроту ей удается сохранить недолго. Воздух тормозит полет пули, как снежные заносы на железнодорожном полотне замедляют движение поезда.
Поэтому траектория пули в воздухе не такая, как в безвоздушном пространстве. Она раньше поворачивает вниз и падает круче. Вершина ее находится не посередине, а ближе к концу, а восходящая ветвь длиннее нисходящей.
Как и всякая другая сила, сопротивление воздуха измеряется единицами веса. И вот оказывается, что винтовочная пуля, которая весит всего-навсего 9,6 грамма, наталкивается на сопротивление воздуха в 3,5 килограмма. Значит, эта сила в триста шестьдесят четыре раза больше веса пули. Справиться с ней нелегко.
В неравной борьбе пуля постепенно «изнемогает» и летит все медленнее и медленнее. В результате получается такая картина:
Через 600 метров скорость пули падает чуть ли не вдвое, а еще через 600 — снова уменьшается почти вдвое.
В безвоздушном пространстве она пролетела бы 1,5 километра меньше чем за две секунды, а в воздухе у нее на это уходит четыре секунды.
Три спутника летящей пули: энергия выстрела, сила тяжести и сопротивление воздуха.
Итак, у летящей пули три постоянных спутника: инерция движения, сила тяжести и сопротивление воздуха. Инерция движения мчит пулю вперед. Тяжесть виснет на пуле и тянет ее к земле. А воздух преграждает ей дорогу, отталкивает назад и, тормозя движение пули, помогает тяжести искривить ее траекторию.
Воздух и форма
Для пули сопротивление воздуха — непобедимый противник. Уничтожить его нельзя. Можно лишь уменьшить его силу. Как же это сделать?
Если надо забросить камень подальше, вы не возьмете первый попавшийся под руку. Один забракуете потому, что слишком легок, другой — потому, что слишком велик, третий—-потому, что он какой-то угловатый, искривленный, несуразный по форме.
Выбрать пулю подходящего веса, размера и формы гораздо важнее. Ведь пуля летит в тысячу раз быстрее камня. Значит, все надо тщательно рассчитать и обдумать, не то плохо придется ей в поединке с воздухом.
Взгляните на щуку. Сразу можно сказать, что это отличный пловец. Остромордое, узкое, вытянутое тело речной хищницы как будто специально создано, чтобы рассекать воду и молнией бросаться на зазевавшегося карася.
Пуля-цилиндр.
Пуля-шар.
Цилиндрическая пуля с закругленной головкой.
Остроконечная пуля.
Пуля рассекает воздух, как рыба воду. Чтобы она летела быстрее, ей тоже надо придать хорошую, «удобообтекаемую» форму. Оружейники додумались до этого не сразу. Было время, когда пули делали очень просто. Надо стрелять — возьмет солдат круглую свинцовую палку и отрубит от нее кусок. Получался свинцовый цилиндр с тупыми концами. Посмотришь — не то маленькая консервная банка, не то рюха для игры в городки.
Такая пуля наталкивалась на большое сопротивление воздуха и летела плохо, гораздо хуже стрелы, да вдобавок еще кувыркалась.
Взамен кувыркающейся рюхи изобрели круглую пулю. Это было уже большим достижением. Свинцовый шарик летел в полтора раза дальше. Воздух только тормозил его, но не мог опрокинуть и сбить с дороги. Но и шарик все-таки быстро терял скорость. До поры до времени с этим пришлось мириться — ведь лучших пуль не было. Но вот появились нарезные казнозарядные ружья, и шарик начал худеть, вытягиваться, пока наконец не превратился в желудь с плоским донышком.
Далеко и быстро неслись желуди, но время требовало еще большей быстроты. Тогда русский ученый Г.В. Киснемский предложил заострить головку желудя. Выгода получилась немалая: остроконечная пуля вонзается в воздух, как игла, и летит на полкилометра дальше, чем тупоносая.
На этом и закончились превращения головной части пули. Но хвост у нее по-прежнему был цилиндрический и широкий, что замедляло ее полет.
Фотография летящей пули.
Между тем началась новая эпоха. По дорогам помчались автомобили, в небо взвились самолеты. Борьба за скорость разгорелась с особенным ожесточением. Техника лихорадочно искала любые средства, чтобы уменьшить сопротивление воздуха.
Изучению быстрых, не воспринимаемых простым глазом движений помог объектив фотоаппарата. Чувствительная пленка дала возможность увидеть даже молниеносный полет пули.
Вот на фотоснимке пуля гонит перед собой частицы воздуха. Воздух сдавливается, становится плотным, как снег под полозьями саней. От этого уплотнения во все стороны расходится головная волна. Она хорошо видна на снимке. Пустота же, которую пуля оставляет позади себя, не успевает сразу заполниться. Струи воздуха, обтекающие пулю, круто обрываются с прямоугольных краев донышка и, попав в пустоту, клубятся, как пыль за кузовом автомобиля. Образуются завихрения. За донышком пули тянется хвостовая волна.
Плотный, утрамбованный воздух давит на головку пули и как бы отталкивает ее назад в пустоту, где давление гораздо меньше.
Значит, пустота за донышком вредная. Из-за нее пуля летит медленнее. Надо, стало быть, пустоту заполнить. Но чем?
Попробовали сначала воздухом. Просверлили пулю насквозь от головки до хвоста. Воздушная струя текла через это отверстие, как вода по трубе, и заполняла разреженное пространство.
«Трубчатая» пуля в разрезе.
«Трубчатая» пуля прекрасно сохраняла скорость, но у нее оказался другой недостаток: во время полета она вихляла то туда, то сюда, и попасть ею в цель было почти невозможно.
От «трубчатой» пули пришлось отказаться, а ничего лучшего долгое время придумать не могли. И только уже после первой мировой войны один остроумный изобретатель нашел наконец легкий способ решить эту трудную задачу.
«До сих пор хотели заполнить пустоту воздухом. А может быть, это совсем не обязательно? — думал он. — Не проще ли заполнить ее материалом самой пули? Для этого достаточно только вытянуть и заострить ее донышко».
Эта пуля летит дальше и быстрее. У нее и головка острая и хвост скошен.
Так он и сделал. Получилась пуля, похожая с виду на сигару. Сигарообразная пуля — достойная современница самых быстроходных самолетов. Ее металлическое тело сделано так, что воздуху не во что упереться.
Острая головка легко разрезает уплотненные частицы воздуха впереди, а удлиненный и скошенный хвост не дает образоваться завихрению позади.
Обыкновенная остроконечная пуля (образца 1908 года) может пролететь самое большее 3,5 километра, а сигарообразная (образца 1930 года) — все четыре.
Свинцовая или алюминиевая?
У гениального русского изобретателя К.Э. Циолковского есть повесть о людях, прилетевших на Луну.
Участники межпланетного путешествия проделали любопытный опыт.
Один взял пушинку, торчавшую из подушки, а другой — чугунный шарик. Прицелившись в красный гранитный утес, они метнули свои снаряды.
