Занимательная физика на войне - Внуков Владимир Павлович

Через несколько минут автомобиль развил полную скорость. Теперь вся работа машины идет на преодоление трений и сопротивлений, если дорога горизонтальная. А если на пути окажется подъем, то скорость автомобиля уменьшится, и значительная часть работы двигателя пойдет на работу подъема веса.

Если в пути внезапно остановить двигатель автомобиля, но не тормозить колес, он остановится не скоро, так как по инерции будет стремиться двигаться с прежней скоростью. И так как мы взяли немалый вес (10 тонн), запас энергии движения окажется у нашего автомобиля весьма солидным. В зависимости от величины трений и сопротивления воздуха, автомобиль пройдет по инерции больше или меньше, но во всяком случае немалое расстояние.

Все дело здесь в энергии движения, поэтому ее надо уметь вычислять. Для этого прежде всего необходимо знать, как перейти от веса к массе. Обычно массу измеряют весовыми единицами, говоря «грамм-масса», «килограмм-масса». Но в технике такое измерение было бы очень неудобно, так как вызвало бы измерение скорости в сантиметрах в секунду и измерение работы в очень мелких единицах — в эргах. Поэтому установили особую, так называемую техническую единицу массы, которая в 10 раз[12] больше «килограмм-массы». Поэтому, чтобы узнать, чему равна масса тела в технических единицах, надо вес тела в килограммах разделить на 10. Для нашего примера получим: 10 тонн = 10 000 кг; 10 000 кг: 10 = 1 000 единиц-массы.

Теперь энергию движения узнаем, умножив массу на квадрат скорости и разделив полученный результат пополам.

Положим, что наш автомобиль двигался перед остановкой мотора со скоростью 36 км в час, т. е. 10 метров в секунду (36 000: 3 600 = 10). 102 (в квадрате = 10 X 10 = 100; 100 X 1 000 (масса) = 100 000; 100 000: 2 = 50 000 килограмм-метров — единица работы и энергии)[13].

Итак, во время движения полной скоростью наш автомобиль имеет запас энергии движения, равный 50 000 килограмм-метров. Такая энергия в состоянии была бы поднять 1 килограмм на высоту 50 000 метров, или 10 000 кг (10 тонн) на высоту 5 метров. Автомобиль сам себя мог бы этой энергией поднять на 5 метров вверх! Естественно поэтому, что по ровному горизонтальному пути он пробежит, быть может, не один километр без всякой работы двигателя.

Теперь перейдем к снарядам. Там картина несколько иная. Пороховые газы могут толкать снаряд только в то время, пока он не вылетел из ствола. Значит, постепенно нагонять его скорость нет времени. Надо сразу в очень короткий промежуток (около 0,01 секунды или даже еще меньше) сообщить ему очень большую скорость. Иначе снаряд не получит достаточной энергии движения, а значит, и не сможет далеко двигаться по инерции.

Вот поэтому и нельзя в пушках воспользоваться таким топливом, как бензин или нефть. Тут нужно в сотые доли секунды сжечь иногда несколько килограммов топлива. Таким быстро горящим топливом может быть только порох, горение которого настолько быстро, что его называют уже не горением, а взрывом[14].

Посмотрим, однако, какую же энергию движения имеет снаряд. Для примера возьмем одну из самых легких пушек нашу 76-мм (3-дюймовую) пушку[15]. Снаряд ее (шрапнель) весит 6,5 кг и вылетает он из ствола со скоростью ок. 580 метров в секунду (сравните со скоростью автомобиля в тот же промежуток времени). Масса снаряда равна 6,5: 10 = 0,65 технич. единиц массы. Квадрат скорости получим, умножив 580 само на себя: 580 X 580 = 336 400. Теперь, как известно, надо умножить квадрат скорости на массу и разделить результат пополам: 336 400 X 0,65:2 = 109 330 килограмм-метров.

Оказывается, энергия движения снаряда этой пушки более чем в 2 раза превосходит энергию движения большого грузовика на полном ходу. Естественно, что снаряд полетит много дальше, чем покатился бы автомобиль. Правда, снаряд, притягиваясь к земле, падает и, благодаря этому, не может лететь так далеко, как позволила бы ему его энергия движения. Поэтому для приведенной выше пушки дальность полета снаряда не превышает 8,5 км, но, ударяясь о землю, и в этом случае снаряд все еще имеет большую скорость (220 метров в сек.), а значит, и запас энергии движения (вычислите его сами). В силу этого снаряд, упав на землю, — зароется в нее, ударившись в стенку, — пробьет ее, попадая в орудие, — сломает его и т. п. Нечего говорить о той силе, с которой снаряд стремился бы разрушить преграду, если бы она встретилась в середине его пути.

Представим себе, что взятый нами для примера грузовик на полном ходу налетел на стену дома. А ведь, снаряд имеет в пути не меньшую энергию движения.

А что же, если взять крупнейшие орудия? Есть, например, береговая пушка, снаряд которой весит 620 кг при начальной скорости его около 1 000 метров в секунду. Тут уже энергия движения окажется в тысячи раз больше, чем для легкой пушки (36 000 000 кг-м). Такую энергию можно сравнить разве лишь с энергией скорого поезда из 6 вагонов, двигающегося со скоростью 100 км в час, причем энергия снаряда будет все же в 3 раза больше, чем энергия этого поезда. И только в пути, когда снаряд потеряет значительную долю своей энергии, она приблизится к энергии поезда. Удар такого снаряда подобен столкновению двух указанных выше поездов на полном ходу! Что при этом происходит, каждый может представить сам, если обладает достаточной фантазией.

Волховстрой и пушка

Ну уж это совсем что-то чудовищное! Пушка и автомобиль, снаряд и поезд — это еще куда ни шло. Но сравнивать пушку, бросающую снаряды, весящие около десятка килограммов, с величайшей в СССР электростанцией как-будто бы никак нельзя. Ведь, эта станция одна приводит в действие все фабрики и заводы Ленинграда и освещает громадный город! Мощность ее доходит до 67 000 лошадиных сил!

Однако не будем бояться цифр, попробуем все же… сравнить Волховстрой с обыкновенной, маленькой 76 — мм пушкой. Быть может, и не так уж разительна разница между ними.

Прежде всего вспомним, что такое мощность. Мощностью называют способность машины или живого двигателя (человека, лошади) производить работу в единицу времени. Одна машина, положим двигатель мотоцикла, каждую секунду может совершить 75 кг-м работы, другая, положим паровоз—75 000 кг-м. Очевидно, что вторая обладает в 1000 раз большей мощностью, т. е. за тот же промежуток времени исполнит в 1000 раз большую работу. За единицу мощности приняли мощность очень сильной лошади[16], которая дает в 1 секунду 75 кг-метров работы, — эту единицу мощности и называют лошадиной силой[17]. Есть еще и другая единица мощности — «киловатт», которая равна 1,3 лошадиной силы[18]. Этой единицей измеряют обычно мощность электрических установок.

Следовательно, указанная выше мощность Волховстроя (67 000 лош. сил) показывает, что эта станция в одну секунду способна дать около 5 000 000 кг-м работы.

Ну, а как пушка? Какова ее мощность?

После всего, что мы проделали выше, т. е. при условии знания производимой пушкой работы, достаточно узнать, сколько этой работы способна пушка совершить в единицу времени, и тогда узнаем ее мощность.

Пушка, о которой мы говорили раньше, т. е. 76-мм, пушка обр. 1902 г., способна выпустить в минуту, при полном напряжении всех обслуживающих ее людей и без всякого прицеливания, 20 снарядов. Иначе говоря, в течение минуты эта пушка может совершить максимум 2 186 600 кг-м (109 330 кг-м Х 20 = 2 186 600 кг-м).

В секунду это дает 2 186 600: 60 = 36 443 кг-м. Переходя к лошадиным силам, получим около 486 лош. сил.[19]Как-будто бы до Волховстроя далеко? Действительно, далеко. Да на самом деле так оно и есть. Пушка, конечно, не может совершать такую работу, как Волховстрой.