Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 41)

Chương 11

VIÊN ĐẠN BAY ĐI ĐÂU?

Đạn đạo học về đạn súng trường và đạn pháo đại bác

Trong một chương trước, chúng tôi đã trình bày các vấn đề liên quan đến độ chuẩn xác của súng trường và đại bác. Trong nhiều năm trời, quả thật, các tay súng chẳng biết tẹo gì về quỹ đạo của viên đạn trông ra làm sao. Tartaglia đã thực hiện một số cải tiến quan trọng, và Galileo đã làm sáng tỏ nhiều vấn đề liên quan đến trọng lực, song chính Newton mới là người cuối cùng chỉ ra được vì sao trọng lực có liên quan và liên quan như thế nào. Trong chương này, chúng ta sẽ xét kĩ hơn về vấn đề trên và mặc dù chúng ta chỉ mới bàn về súng hỏa mai, súng trường, và đại bác cho đến thời Nội Chiến, nhưng chúng ta cũng sẽ gặp súng trường và đại bác hiện đại hơn trong chương này.

Nghiên cứu đạn đạo là xét chuyển động của các viên đạn, nhưng nó cũng xét cái xảy ra với viên đạn bên trong khẩu súng, cũng như cái xảy ra khi nó đi tới mục tiêu. Tính chung, có bốn lĩnh vực nghiên cứu cơ bản trong chủ đề này:

  • Đạn đạo bên trong
  • Đạn đạo chuyển tiếp
  • Đạn đạo bên ngoài
  • Đạn đạo chạm đích

Đạn đạo bên trong xét cái xảy ra từ lúc khai hỏa đến lúc viên đạn rời nòng. Đạn đạo chuyển tiếp, còn gọi là đạn đạo trung gian, nghiên cứu viên đạn từ lúc nó rời nòng cho đến khi áp suất phía sau viên đạn cân bằng (nói cách khác, khi áp suất không khí phía sau viên đạn bằng với áp suất không khí xung quanh). Đạn đạo bên ngoài xét viên đạn trong khi nó đang bay dưới tác dụng của trọng lực. Đạn đạo chạm đích là nghiên cứu cái xảy ra với viên đạn sau khi nó chạm tới mục tiêu. Tôi sẽ nói chủ yếu về súng trường, song phần nhiều cái tôi nói cũng ứng với đại bác.

ĐẠN ĐẠO BÊN TRONG

Đạn đạo bên trong phụ thuộc vào cái xảy ra bên trong lỗ đạn và nòng súng, vì thế nó là nơi thích hợp nhất để chúng ta bắt đầu phần thảo luận của mình. Với tầm quan trọng đặc biệt, quỹ đạo phụ thuộc, đến mức độ lớn, vào cái gọi là vận tốc đầu nòng, đó là tốc độ của viên đạn khi nó rời khỏi đầu cuối nòng súng. Vì thế hãy xét xem vận tốc đầu nòng được hình thành như thế nào. Hai sự kiện tách biệt quan trọng ở đây là: mồi lửa thuốc súng, và sự dãn nở của chất khí do vụ nổ ban đầu. Đánh lửa xảy ra khi chốt bắn đập trúng ngòi nổ (hay kíp nổ) và làm cho nó phát nổ. Đến lượt nó, vụ nổ này đánh lửa thuốc súng trong hộp đạn. Khi thuốc súng nổ, các chất khí tạo ra bởi vụ nổ bị giữ phía sau viên đạn. Chúng ở nhiệt độ cao và do đó gây ra áp suất gia tốc viên đạn xuống nòng súng. Điều đặc biệt quan trọng là thời gian cháy nhỏ hơn thời gian cần thiết để viên đạn đi tới cuối nòng. Nếu không, thì thuốc súng sẽ văng ra khỏi nòng trong khi vẫn cháy dở, và điều này sẽ gây ra một tình huống nguy hiểm.1

Chất khí dãn nở phía sau một viên đạn trong nòng

Chất khí dãn nở phía sau một viên đạn trong nòng

Khi chất khí dãn nở, nó nguội đi theo định luật chất khí cơ bản được khám phá bởi Jacque Charles vào cuối thế kỉ mười chín, ngày nay được gọi là định luật Charles (đôi khi gọi là định luật Gay-Lussac, vì nó cũng được khám phá đồng thời bởi Joseph Louis Gay-Lussac).2 Định luật này cho chúng ta biết rằng tích của áp suất và thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ, và do đó sự tăng đột ngột về nhiệt độ sẽ gây ra sự tăng thể tích sẽ truyền một áp suất lớn hơn lên viên đạn. Thật vậy, bên trong nòng áp suất lúc ban đầu thật sự tăng, nhưng khi viên đạn chuyển động về phía trước thì áp suất giảm. Đồ thị áp suất theo quãng đường trong nòng được cho bên dưới. Ta thấy rằng áp suất đạt tới cực đại khá nhanh trước khi giảm xuống thật nhanh. Áp suất cực đại ấy là quan trọng bởi vì nó chủ yếu xảy ra trong vùng lỗ đạn của súng, và vùng này phải có thể chịu được áp suất như thế. Đây là lí do thép làm súng và đại bác dày nhất ở vùng này. Lực đẩy về phía sau tác dụng lên chốt súng, hay lỗ đạn, do vụ nổ gây ra, được gọi là lực đẩy chốt. Nó phụ thuộc vào áp suất bên trong và đường kính của hộp đạn. Và điều quan trọng là thiết kế của chúng đủ để trụ được lực đẩy chốt. Áp lực trong vùng này (hốc bên trong) thường được đo theo pound trên inch vuông (psi), hay trong hệ mét nó được đo theo kilogram trên centi-mét vuông (kg/cm2). Áp lực tiêu biểu trong vùng này phụ thuộc vào kiểu súng, và đối với súng trường nó xấp xỉ năm mươi nghìn pound trên inch vuông.

Đồ thị áp suất theo quãng đường trong nòng súng

Đồ thị áp suất theo quãng đường trong nòng súng

Điều khá rõ ràng là viên đạn được gia tốc bởi lực nổ càng lâu, thì nó chuyển động càng nhanh. Định luật chi phối điều này là định luật Newton thứ hai, nó nói rằng lực bằng khối lượng nhân với gia tốc (F = ma). Và gia tốc này tiếp diễn miễn là viên đạn còn ở trong nòng (và hơi ra khỏi một chút, như ta sẽ thấy ở phần sau). Vậy nên nòng càng dài, thì vận tốc của viên đạn khi nó thoát ra càng lớn; vận tốc này được gọi là vận tốc đầu nòng. Và mặc dù nòng càng dài đem lại vận tốc càng lớn, nhưng có một giới hạn. Nòng quá dài thì khó cầm, và trọng lượng súng cũng tăng theo độ dài nòng.

Độ dài nòng súng còn quan trọng ở phương diện khác. Khi chất khí nóng phát nổ xuống nòng, nó giảm về áp suất, và trên lí tưởng nó phải không cao hơn áp suất khí quyển nhiều lắm khi nó đi tới cuối khẩu súng. Tuy nhiên, trên thực tế nó thường cao hơn nhiều. Do đó, nó gây ra một sóng xung kích khi nó đập vào không khí. Các vấn đề liên quan với hiện tượng này sẽ được trình bày trong phần nói về đạn đạo chuyển tiếp.

Ngoài độ dài nòng, vận tốc đầu nòng còn phụ thuộc vào khối lượng, hay trọng lượng, của viên đạn với một lượng chất nổ cho trước; viên đạn càng nhẹ sẽ thoát ra với vận tốc đầu nòng càng lớn. Loại thuốc súng trong nòng cũng là một yếu tố quan trọng; các loại thuốc súng khác nhau có năng lượng nổ khác nhau. Phải dùng bao nhiêu thuốc súng cũng là một yếu tố, nhưng với một khẩu độ cho trước, có một giới hạn về lượng chất nổ.

Một câu hỏi quan trọng nữa đó là: Vận tốc tối đa mà một viên đạn có thể bị đẩy ra là bao nhiêu mà không nguy hiểm quá mức cho người bắn? Ở súng trường, vận tốc này vào khoảng bốn nghìn foot trên giây. Súng khẩu độ lớn và đại bác có thể an toàn đẩy đạn ra đến khoảng sáu nghìn foot trên giây.

GIẬT LÙI

Tuy nhiên, điều quan trọng nên lưu ý là vận tốc đầu nòng lớn thì có một vấn đề nữa. Như ta đã thấy trước đây, định luật Newton thứ ba bảo chúng ta rằng ứng với mỗi tác dụng có một phản tác dụng bằng về độ lớn và ngược chiều. Tác dụng trong trường hợp này là lực đẩy viên đạn và chất khí nóng ra khỏi nòng, tạo ra vận tốc đầu nòng. Phản tác dụng, do đó, ngược lại với lực này, và người bắn súng chịu nó dưới dạng chuyển động giật lùi của súng. Hướng của lực giật lùi ngược lại với lực đẩy lên viên đạn. Bất kì ai từng bắn súng đều trải nghiệm chuyển động giật lùi, và đôi khi nó có thể khá mạnh. Liên hệ trực tiếp với định luật thứ ba là sự bảo toàn động lượng. Ta có thể viết nó dưới dạng mv = MV, trong đó m và v là khối lượng và vận tốc của viên đạn, M là khối lượng của súng (hoặc của súng và người bắn) và V là vận tốc giật lùi. Khối lượng của súng lớn hơn nhiều so với khối lượng viên đạn, còn vận tốc đầu nòng của súng (v) là cực kì lớn, thành ra nếu không ràng buộc gì, khẩu súng sẽ thu một vận tốc tương đối cao. Nhưng nó bị ràng buộc bởi vai của bạn, và điều này tạo ra một lực tương đối lớn lên nó, làm chậm vận tốc của nó rất nhanh. Thật vậy, các tay súng được huấn luyện rằng phải giữ khẩu súng sít trên vai của họ sao cho M bao gồm không chỉ khối lượng của súng, mà cả khối lượng của người bắn.3

Ngoài ra, trên phim ảnh và truyền hình, có lẽ bạn sẽ để ý rằng các diễn viên luôn cầm các khẩu liên thanh bằng hai tay cho vững. Một trong các lí do của chuyện này là vì sự giật lùi có xu hướng làm cho súng liên thành quay đầu lên trên. Điều này là do một moment lực hướng lên xuất hiện bởi vì lực giật lùi hướng dọc theo nòng súng liên thanh, còn súng được giữ bởi một đòn bẩy, đó là cánh tay và vai của bạn . Vì lực này hợp một góc với cánh tay, nên nó tạo ra moment lực, làm cho nòng vừa chuyển động ra sau vừa quay.

Một trong những cách chính để giảm tác dụng của chuyển động giật lùi là có một miếng đệm giật lùi ở cuối báng súng.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của TVVL
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Sai lệch 9 phần trăm
10/07/2019
Một sai lệch giữa các phép đo về hằng số Hubble khiến các nhà khoa học phát vấn liệu có điều gì đó không đúng trong hiểu
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 44)
10/07/2019
Chương 12 HÊ, NHÌN ĐI… NÓ BAY KÌA! Khí động lực học và những máy bay đầu tiên Không bao lâu sau khi những máy bay đầu tiên
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 43)
10/07/2019
SỰ THĂNG BẰNG CỦA VIÊN ĐẠN Như ta đã thấy ở phần trước, yếu tố chính làm thăng bằng một viên đạn là chuyển động
Rốt cuộc hydrogen kim loại đã được tạo ra hay chưa?
09/07/2019
Rất nhiều nhà vật lí trong các năm qua khẳng định rằng họ có thể biến hydrogen thành kim loại bằng cách nén nó cực mạnh,
Trái Đất tử ngoại nhìn từ một đài quan sát trên Mặt Trăng
09/07/2019
Hành tinh nào thế này? Trái Đất đấy. Bức ảnh màu giả này cho thấy Trái Đất trông như thế nào trong miền ánh sáng tử
Một trường hợp phản trực giác trong đó hai điện tích cùng dấu hút nhau
09/07/2019
Khi nói đến điện tích, luôn có một chân lí bất di bất dịch: điện tích trái dấu hút nhau, cùng dấu đẩy nhau. Nhưng trong
Xác định lại các giới hạn của độ chuẩn xác đo lường
09/07/2019
Trong hàng thế kỉ, con người đã và đang mở rộng kiến thức của mình về thế giới thông qua việc đo lường ngày càng chính
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 44)
09/07/2019
Boron Là á kim duy nhất trong một nhóm nếu không đã gồm toàn kim loại, boron là nguyên tố đứng đầu nhưng không tiêu biểu lắm

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com