Balistyka zewnętrzna to teoretyczno-doświadczalna nauka o ruchu wystrzelonego pocisku.
Aplikacja dydaktyczna powstała najpierw przy wykorzystaniu pakietu oprogramowania biurowego MS Access,
a następnie przeniesiona do sieci przy wykorzystaniu języka PHP. Używasz jej na własne ryzyko i bez
jakiejkolwiek gwarancji, zwłaszcza poprawności wyników.
Autor zezwala na wykorzystanie aplikacji wyłącznie do celów niezarobkowych,
na własny użytek, bez ingerencji w kod programu (do którego zastrzega sobie wszelkie prawa).
Użycie programu lub jego wyników w sposób publiczny, szczególnie w gazetach,
telewizji, sądzie itd. jest zabronione.
W algorytmie przyjęto metodę obliczeń toru łukami metodą Eulera stosując wzory Siacciego,
z uwzględnieniem efektu Coriolisa, siły Magnusa, efektu żyroskopowego wirującego pocisku,
stanu atmosfery i wpływu wiatru - stosując zależności Helie, a także doświadczenia własne.
Obliczenia współczynnika kształtu pocisku według Pączkowskiego, Czernozubowa i Sugot'a, obliczenia
stabilizacji pocisku według Millera, Greenhill'a i Dell'a.
Teksty
1. ZARYS HISTORII
2. ZARYS TEORII
3. DZIAŁO (PRZECIW)PARYSKIE
4. O PROGRAMIE
5. KRYMINALISTYCZNE BADANIA BRONI
Kalkulatory balistyczne - programy do obliczeń z zakresu balistyki zewnętrznej
a. STRZAŁ POD ZADANYM KĄTEM
(exterior ballistics air resistance model)
b. WSPÓŁCZYNNIK KSZTAŁTU POCISKU
c. STABILIZACJA POCISKU
Katalog prywatny
wejście
"Przez rozumienie ruchu dojdzie się do poznania struktury bytu" twierdził Arystoteles.
W ruchu wyróżniał podmiot podlegający ruchowi, samą czynność ruchu i stan kresu tego ruchu.
Archimedes przypuszczał, że rzucony przedmiot porusza się po fagmencie spirali.
W czasach średniowiecza Marin Mersenne wprowadził w swym dziele "Ballistica et Acontismologia"
termin balistyka wywodzący się z greckiego ballo czyli rzucam.
Filozof Albert z Saksonii badał przyspieszony ruch spadającego ciała i odkrywał zależność pomiędzy
czasem, pokonywaną przestrzenią i prędkością. Podejmował próby zdefiniowania tego, co rozumiemy pod pojęciem
ciążenia i uczynił rozróżnienie pomiędzy środkiem ciężkości a środkiem objętości ciała.
Stwierdził także, że trajektoria lotu pocisku składa się z trzech elementów odcinka nachylonej
prostej przechodzącej w łuk, który z kolei gładko przechodzi w pionowy odcinek. Uznawał, że
na taki kształt toru wpływa opór powietrza.
Pogląd ten spopularyzował w dziele "Nova Scientia" Niccolo Fontana, znany jako Tartaglia. Nie
podał jednak żadnych zależności np. dotyczących średnicy okręgu. Polemizował
z nim Galileusz, który twierdził, że opór powietrza ma znikomy wpływ na przemieszczanie się pocisku.
Dał temu wyraz opisując krzywą lotu pocisku jako parabolę. Według przedstawionego tu wzoru (zapis we współczesnej
formie) na zasięg pocisku wpływają trzy parametry: przyspieszenie ziemskie, kąt rzutu i prędkość wylotowa.
Rozwiązanie to jest zbieżne z wynikami osiąganymi dla pocisków o bardzo małej prędkości wylotowej rzędu
kilkudziesięciu metrów na sekundę. Pomimo niezgodności teorii z eksperymentami prowadzonymi dla większych
prędkości teorię paraboliczną rozwijał Evangelista Torricelli, uczeń Galileusza. Opublikował on dzieło
"Opera Geometrica", w którym zawarł także wzory obliczeń zasięgu np. dla strzału na terenie pochyłym
i zerowego kąta rzutu. Wkrótce Christian Huygens wyznaczył wartość g - przyspieszenia ziemskiego. Zauważył także
proporcję pomiędzy prędkością ciała a oporem powietrza. Również Jacob Bernoulli i Isaac Newton rozważali nad tą zależnością.
Chociaż przecież są bardziej znani z innych osiągnięć warto wspomnieć, że pierwszy z nich skłaniał się
ku paraboli, a drugi ku hiperboli. Wkrótce Robins skonstruował wahadło balistyczne służące do pomiarów prędkości
pocisków. Nadszedł wiek XIX - złoty wiek balistyki.
Liczni badacze prowadzili strzelania, notowali wyniki i na ich podstawie formułowali prawa oporu, podawali sposoby
obliczeń i tworzyli ułatwiające to tablice. Nazwisk wszystkich nie sposób wymienić, ale warto chociaż kilka:
Didion, Otto, Krupp, Vallier, Majewski, Zabudski, Charbonniere, Siacci, Ingalls. Wkrótce powstały też elektryczne
urządzenia do pomiarów prędkości pocisków (aparat Boulange używany był niemal do połowy XX wieku),
zastąpione dopiero przez współczesną elektronikę. Tablice zostały wyparte przez komputery obliczające
poprawki "w czasie niezbędnym na realizację zadania bojowego". Nowoczesne działa wyposażone są we własny radar
mierzący rzeczywistą prędkość wylotową pocisku. Wartość ta i inne - używane są do obliczeń przez system kierowania
ogniem wyznaczający poprawki zanim wystrzelony pocisk uderzy w cel. Karabin Cheytac oferowany jest wraz ze stacją pogody
i odpowiednio zaprogramowanym palmtopem. Nawet dzisiejszy telefon może mieć oprogramowanie (kalkulator balistyczny) pozwalające
na rozwiązanie układu równań różniczkowych metodą Rungego-Kutty.
Balistyka zewnętrzna zaczyna się w momencie wyjścia pocisku z przewodu lufy broni,
a kończy w chwili uderzenia pocisku w cel. Danymi wejściowymi w opisie tego zjawiska są zazwyczaj:
kąt rzutu, masa, prędkość wylotowa i inne dane dotyczące pocisku, wielkości opisujące
stan atmosfery i miejsca oddania strzału. Obliczenia z zakresu balistyki zewnętrznej
mają na celu wyznaczenie parametrów toru lotu pocisku. Jako wynik otrzymuje się
zatem zbiór wartości prędkości, energii, kąta nachylenia osi pocisku do stycznej do toru
w możliwie wielu jego punktach.
Wykład z balistyki zewnętrznej zaczyna się zwykle od przedstawienia zależności poruszania się pocisku
przedstawianego jako punkt materialny w próżni w ziemskim polu grawitacyjnym. Dla tych początkowych rozważań rozwiązanie
ruchu pocisku podał już wspomniany Galileusz. Torem lotu pocisku w tym przypadku będzie parabola skierowana wierzchołkiem
ku górze. Według wyżej podanego wzoru trajektoria zależna jest jedynie od prędkości początkowej i kąta rzutu. Teoretycznie
będzie ona taka sama dla plastykowej kulki o średnicy 6 mm jak i fortepianu, jeśli były
wystrzelone z taką samą prędkościa i pod takim samym kątem rzutu. Jednakże doświadczenie mówi nam, że rozwiązanie takie
jest słuszne jedynie w pewnym zakresie, dla pocisków takich jak kamienie miotane ręką, o niewielkiej prędkości początkowej.
Przyjmuje się wówczas, że maskymalny zasięg osiągany jest dla kąta rzutu 45°, jeśli pocisk miotany jest z wysokości 0m.
Jeśli w obliczeniach zasymulujemy rzut z wyskości ok. 2 m (znad głowy człowieka przeciętnego wzrostu) okaże się, że maksymalny zasięg
jest osiągany dla kąta rzutu ok. 43°. Można to zaobserwować "strzelając" w załączonym pliku excelowskim
parabolka.
Dalej w rozważaniach balistycznych uwzględnia się opór powietrza, a następnie w kolejnym kroku jako model pocisku zamiast
punktu materialnego przyjmuje się ciało osiowosymetryczne - mające określone momenty bezwładności.
Na trajektorię pocisku zasadniczy wpływ mają siła grawitacji i siła oporu, przy czym siła grawitacji
ma stały zwrot i wartość, natomiast siła oporu podlega znacznym zmianom. Oczywiście, na trajektorię mają także wpływ inne
czynniki, takie jak: wiatr, zboczenie (derywacja) wynikająca z obrotów pocisku, efekt Magnusa, efekt Coriolisa
oraz wpływ zmian wysokości n.p.m., temperatury, ciśnienia i wilgotności. Czynniki te w różnym zakresie
uwzględnia się w obliczeniach, zależnie od stopnia ich skomplikowania.
Zmiany wartości siły oporu są ciągle przedmiotem badań. Przyjmuje się, że poruszający się pocisk jest hamowany przez
atmosferę zgodnie z prawem oporu. W wyniku licznych badań wielu pocisków wzorcowych powstało jednak wiele praw
oporu. Prawo oporu opisuje jaką siłę oporu powietrza napotyka wzorcowy pocisk zależnie od bieżącej prędkości, np. według
wzoru F = A * Vm, gdzie "F" oznacza siłę oporu, "V" to prędkość pocisku, "A" i "m" to współczynniki
zależne od prędkości pocisku.
Prawo oporu można też wyrazić w postaci siły oporu "F" lub funkcji oporu "f(V)" (powyżej z prawej strony prawo oporu w/g
Hojela), także w odniesieniu do pocisku wzorcowego. W praktyce wszystkie pociski różnią się od wzorcowych. W celu
uzyskania wyników obliczeń zgodnych z wynikami strzelań próbnych rzeczywiste pociski trzeba dopasować do wzorcowych
stosując np. współczynnik balistyczny "C" lub współczynnik kształtu "i". Siła grawitacji i siła oporu sprawiają,
że trajektoria ma wygląd nieco spłaszczonej i niesymetrycznej paraboli. W praktyce dla kątów rzutu do 15° obowiązuje
zasada San Roberto, mówiąca o symetrii trajektorii względem jej wierzchołka. Przyjmowana jest również zasada
sztywności toru mówiąca, że tor nie zmienia swojej krzywizny przy obracaniu go wokół punktu wylotu (czyli przy
jednakowych odległościach nachylonych kąty rzutu są równe). Z lewej strony rysunek przedstawiający rzeczywiste
wierzchołkowe torów jeśli nie zastosuje się zasady sztywności, dla strzału pociskiem karabinowym na odległość 850m.
Broń strzelecka wykorzystywana jest do rażenia celów przy pomocy pocisków poruszających się torami płaskimi.
Za tory płaskie uważa się takie, które wyznacza pocisk przy kątach rzutu mniejszych od kąta największej donośności.
Wskazane jest także, aby pocisk poruszał się z dużą prędkością. Trajektoria ma wtedy niską wierzchołkową, co pozwala
razić cele znajdujące sę w różnej odległości przy jednej nastawie celownika. Także pocisk przez krótszy czas podlega
zakłóceniom w postaci wpływu wiatru. Współczesne pociski do strzeleckiej broni gwintowanej mają prędkość wylotową
przekraczającą 2M a niektóre nawet 3M. Ich wierzchołki muszą być zatem ostre, stosownie do kąta Macha.
Są kreślone łukami o promieniu kilku kalibrów co powoduje przesunięcie środka ciężkości do tylnej części
pocisku, poza środek parcia. Ponieważ pocisk porusza się w wyniku siły bezwładności nadanej mu w momencie strzału
powinien być także możliwie ciężki, aby mieć duży zasięg. Musi być zatem wykonany z materiału o dużym ciężarze
właściwym. Stosuje się także zwiększanie długości pocisku powodujące (oprócz wzrostu masy) wzrost tzw. obciążenia
poprzecznego - stosunku masy pocisku do jego pola przekroju poprzecznego. Jako przykłady pocisków dwie kuliste
śruciny o takiej samej średnicy 6 mm, wystrzelone z taką samą prędkością początkową V0=100 m/s.
Ze względu na taki sam kształt i rozmiar powinny stawiać powietrzu taki sam opór. Mają jednak różne osiągi,
co tłumaczy się właśnie różnicą ich energii i obciążenia poprzecznego.
| materiał | masa [g] | energia [J] | obciążenie poprzeczne [kg/m²] | przybliżony zasięg max. [m] | dla kąta rzutu [°] |
| plastik | 0,20 | 1,0 | 7,1 | 70 | 29 |
| ołów | 1,22 | 6,1 | 43,1 | 260 | 35 |
Wydłużenie pocisku powoduje niekorzystne oddalenie środka masy od środka parcia. Tymczasem dwie zasadnicze siły działające na lecący pocisk zaczepione są właśnie w wymienionych punktach. Siła oporu - hamująca pocisk na torze lotu działa w środku parcia, a siła grawitacji - powodująca opadanie pocisku działa w środku masy. Takie działanie pary sił (oddalenie położenia wymienionych środków masy i parcia to zwiększenie długości ramienia) powoduje powstanie momentu odwracającego, dążącego do obrócenia pocisku wzdłuż osi poprzecznej - skutkującego koziołkowaniem pocisku. Oznaczałoby to utratę celności. Przeciwdziała się temu gwintując lufy broni, aby nadać pociskowi szybki ruch wirowy. Powstaje wówczas efekt żyroskopowy obracającego się pocisku stabilizujący go.
Jak widać na powyższym filmiku stabilizacja obrotowa pocisku stabilizuje go także po pokonaniu przeszkody - tutaj bloku żelatynowego.
Obroty zbyt małe nie zapewnią właściwej stabilizacji. Wystrzelony pocisk ze względu na niedokładności
wykonania i uderzenie gazów powystrzałowych zostaje wprowadzony w ruchy oscylacyjne. Noszą one nazwę
precesji i nutacji. Dla dobrze zaprojektowanego i stabilizowanego pocisku wartości precesji i nutacji maleją
na torze lotu. Często słyszy się, że gazy powystrzałowe prąc na dno pocisku, który opuścił już przewód lufy,
powodują wzrost jego prędkości - nawet o 6m/s, dla pocisku karabinowego (np. na stronie firmy Norma) lub o ok. 3,4% dla pocisków kal. 30 mm (z badań WITU).
Można stwierdzić, że pociski nie poruszają
się zawsze w oczekiwany - teoretyczny sposób. Poniżej widok śruciny kal. 4,5 mm w odległości ok. 2 m od wylotu lufy,
wystrzelonej z nowego karabinka Hatsan mod. 90. Widać wyraźnie, że oś śruciny nie pokrywa się z jej torem lotu.
Kilka poniższych zdań proszę traktować jako ciekawostkę. Dla osób interesujących się balistyką na pewno jest nią działo paryskie, nazywane kiedyś przeciwparyskim.
Już na samym początku I Wojny Światowej niemiecki sztab generalny zakładał możliwość ostrzału terytorium Wielkiej Brytanii przez kanał La Manche z terenu podbitej
Francji. Do pokonania była zatem odległość co najmniej 34 kilometrów jakie dzielą Cape Gris-Nez, od portu w Dover, a może nawet 136 km, gdyby za cel wybrać słynny
Tower Bridge w Londynie. Ostrzału miałyby dokonywać działa Kaiserliche Marine, zmodyfikowane w odpowiedni sposób. Linia frontu utrzymywała się jednak w okolicy
belgijskiej miejscowości Nieuwpoort skąd do brytyjskiego wybrzeża jest ponad 90 kilometrów, a do Londynu około 200. Być może dlatego prace nad nową bronią przeciągały się.
Do badań przystąpiono w zakładach Kruppa, gdzie szefem działu artyleryjskiego był Fritz Rausenberger, a jego prawą ręką Otto Eberhard. Wykorzystano działa kal. 350 mm SK L/45
mające stanowić uzbrojenie główne krążownika liniowego „Prinz Eitel Friedrich”, jednego z czterech nowego typu Mackensen, których to okrętów nigdy nie ukończono. Działa miały
się znajdować w czterech wieżach na podstawach, które mogły podnieść lufy do 16 stopni i obniżyć je do -8 stopni, a same wieże chronione płytami pancernymi o grubości do 300 mm
od frontu, 270 mm po bokach i do 150 mm od góry. Działa były zaprojektowane do strzelania pociskami o wadze 600 kg z szybkostrzelnością 2,5 pocisku na minutę. Pociski miały
prędkość wylotową 815 metrów na sekundę. Donośność maksymalna przy największym kącie podniesienia (ograniczonym konstrukcją wieży) wynosiła 20 000 metrów, czyli o wiele za mało.
Pierwszych prób dokonano na poligonie w Meppen (dzisiaj to poligon Bundeswehry: Wehrtechnische Dienststelle für Waffen und Munition WTD 91, Meppen). Zakładano, że pocisk
wystrzelony z działa, którego lufę można podnieść w sposób nie ograniczany pancerną wieżą osiągnie odległość 40 kilometrów. Rozstawieni obserwatorzy nie zauważyli jednak
upadku pocisku. Spadł on, jak się okazało w odległości 49 kilometrów, opuszczając teren poligonu. Z przybliżonych obliczeń wynika, że strzał oddano pod kątem około 48
stopni, pocisk osiągnął wysokość ponad 14 kilometrów, a czas jego przelotu wynosił około 1,5 minuty. W obliczeniach przed strzałem nie uwzględniono rozrzedzenia
atmosfery na takiej wysokości - prawie dwadzieścia sekund pocisk znajdował się na wysokości ponad 10 kilometrów.
Taki wynik strzelań uznano za obiecujący i przystąpiono do obliczeń i dalszych prób. Eberhard po przeprowadzeniu w latach 1916-17 w Altenwalde strzelań
zaproponował użycie w dziale pocisków podkalibrowych, wystrzeliwanych w drewnianym sabocie odpadającym po wylocie z lufy. Wystrzelone w ten sposób pociski
uzyskiwały zasięg ponad 100 km. Mimo zachęcających wyników stwierdzono, że jest to niesprawdzona technika, której nie należy ufać. Krupp uważał, że odpadający
sabot może zmienić trajektorię pocisku, a sam sabot może razić własne oddziały. Wynalazek ten był chyba zbyt nowatorski i musiał poczekać na kolejną wojnę.
Przyjęto rozwiązanie Rausenbergera. Działo miało mieć bardzo długą lufę i wystrzeliwać pociski z olbrzymią prędkością.
Lufa powstałego działa miała prawdopodobne następujące wymiary (można spotkać różne dane): długość całkowita 34m, w tym 1m na
ryglowanie zamka, 3m komora nabojowa, 18m gwintowana część przewodu lufy i 12m gładka część przewodu lufy. Kaliber działa wynosił
nominalnie 210 mm, jednak zużycie przewodu było tak duże, że lufa wystarczała na 65 strzałów, a kolejno wystrzeliwane pociski miały
numerację odpowiadającą średnicy. Ciekawy był także system uszczelnienia przed wypływem gazów z przestrzeni zapociskowej. Oprócz typowych
pierścieni wiodących zastosowano także pierścienie ruchome, które w momencie wyjścia z gwintowanej części przewodu lufy ustawiały się
w pozycji zapobiegającej utracie ciśnienia. Masa pocisku wynosiła 106 kg, w tym masa ładunku wybuchowego to około 7 kg. Jeśli pocisk
był wystrzeliwany z olbrzymią prędkością 1645 m/s pod kątem ok. 53 stopni to w 20 sekundzie lotu i pod kątem ok. 43 stopni zaczynał
ruch w stratosferze, gdzie był pierwszym obiektem wytworzonym przez człowieka. Wierzchołek toru lotu znajdował się na wysokości ok. 47 km.
Wysokość 20 km pocisk osiągał ponownie w 3 minucie i 10 sekundzie lotu, mając w tym momencie prędkość około 900 m/s. Odległość ok. 128 km
pocisk osiągał po 3 minutach i prawie 20 sekundach lotu.
Poniżej w tabeli dane toru działa paryskiego obliczone metodą Eberharda przez ppłk. Felsztyna, opublikowane przez prof. Pączkowskiego.
| Przypuszczalny tor działa przeciwparyskiego d=210mm p=105kg i=0,43 v0;=1646m/sek τ=50° | ||||
| odcięta x m | rzędna y m | kąt nachylenia τ ° | szybkość lotu w m/sek | czas lotu t sek |
| 0 | 0 | 50 | 1646 | 0 |
| 6874 | 8000 | 48 | 1209,9 | 7,54 |
| 14518 | 16000 | 44 | 1004,0 | 17,59 |
| 64300 | 40297 | 0 | 707,4 | 87,83 |
| 114086 | 16000 | -44 | 975,3 | 157,98 |
| 121638 | 8000 | -49 | 931,8 | 169,19 |
| 127981 | 0 | -54 | 714,6 | 181,52 |
Program oblicza trajektorię lotu pocisku w kolejnych jego punktach wyznaczanych w sposób opisywany jako "time stepping".
Oznacza to, że zadając określony krok, którym jest czas, program oblicza wartości w punktach trajektorii kolejno odległych
od siebie o ten właśnie czas. Trajektoria zostaje "złożona" z krótkich odcinków. Dla dokładności wyniku
obliczeń ważne jest by uzyskać dużo tych odcinków, czyli otrzymać dużą liczbę punktów trajektorii, najlepiej pomiędzy
2000 a 3000. Zwiększenie liczby punktów obliczeniowych powyżej 3000 nie zwiększa jednak znacząco dokładności wyników obliczeń programu, co zostało
stwierdzone w trakcie jego testowania na własnym serwerze. Osiągano nawet liczbę ok. 100 tysięcy punktów trajektorii, przy minimalnych
różnicach zasięgu, prędkości, itd. Mniejsza liczba punktów obliczeniowych bez utraty pożądanej dokładności zwiększa szybkość działania programu,
jedocześnie zmniejsza generowane obciążenie serwera. Program startuje z wpisanymi danymi dla kbk. AK kal. 7,62 mm. Oczywiście można wpisać inne,
ale sensowne wartości.
W polach umieszczamy:
| masa: | wynik ważenia pocisku |
| kaliber: | wynik pomiaru średnicy pocisku |
| i: | wartość współczynnika kształtu pocisku dla metody Siacciego |
| kąt rzutu: | zadana wartość kąta |
| gwint: | kierunek gwintu przewodu lufy |
| kąt gwintu: | kąt wzniosu linii śrubowej gwintu przewodu lufy |
| dł. pocisku: | długość pocisku z pomiaru własnego |
| prędkość: | prędkość pocisku, najlepiej z pomiarów własnych |
| Y0: | wysokość na jakiej jest wylot lufy nad poziomem ziemi |
| szer. geogr.: | szerokość geograficzna miejsca oddania strzału |
| wys. n.p.m.: | wartość dla miejsca oddania strzału, z mapy fizycznej |
| azymut: | kierunek wylotu lufy względem północy geograficznej |
| temperatura: | odczyt z termometru |
| ciśnienie: | odczyt z barometru |
| wilgotność: | odczyt z higrometru |
| czas (krok obliczeń): | przyjmujemy 0,1 lub 0,01 dla dużych kątów, dla małych zmniejszamy o kolejne rzędy wielkości - zwiększamy dokładność obliczeń i dążymy do uzyskania dużej liczby punktów toru (najlepiej pomiędzy 2000 a 3000), obserwujemy wynik działania programu!!! |
| wiatr prędkość: | wartość prędkości wiatru |
| wiatr azymut: | kierunek wiatru, mierzony względem północy geograficznej |
Kryminalistyczne badania broni (nazywane niesłusznie balistyką sądową), to dział kryminalistyki zajmujący się problematyką przestępczego wykorzystania broni. Problematyka ta obejmuje między innymi:
Vademecum kryminalistycznych badań broni
spis treści "Vademecum kryminalistycznych badań broni"