Однако, если выстрелить таким снарядом из гладкоствольного орудия, то снаряд будет кувыркаться в воздухе. Что же нужно сделать, чтобы снаряд не кувыркался?
Для этого на поверхности канала ствола делаются желобки, идущие обычно по винтовой линии слева вверх направо. Эти желобки называются нарезами. Часть поверхности канала ствола, заключенную между двумя нарезами, называют полем нареза (рис. 13).
Рис. 13. Калибр, нарез, поле.
На снарядах делаются ведущие пояски из металла более мягкого, чем металл ствола (обычно из меди); пояски прочно закреплены на снарядах. Когда снаряд под действием пороховых газов при выстреле начинает двигаться по каналу ствола, ведущий поясок врезается в нарезы, и так как они идут по винтовой линии, то снаряд поворачивается вокруг своей оси. Таким образом, снаряд, помимо поступательного движения, получает еще и вращательное.
Понять, почему вращательное движение сообщает снаряду устойчивость в воздухе, увеличивает дальность полета и заставляет снаряд лететь вперед головной частью, нам поможет гироскоп.
Гироскоп представляет собой несколько видоизмененный обыкновенный волчок.
Предположим, что снаряд, получивший в канале орудия быстрое вращение, совершает полет в безвоздушном пространстве, где сила сопротивления воздуха отсутствует. Быстро вращающийся снаряд можно рассматривать как свободный от внешних воздействий гироскоп, к центру тяжести которого приложена единственная сила — вес. Допустим, что при выстреле оси канала ствола придали угол возвышения, то есть дуло ствола было приподнято кверху. Такой же угол наклона получит при выстреле из орудия и ось продолговатого снаряда, вращающегося вокруг своей оси. Во все время полета продольная ось снаряда-гироскопа будет сохранять то направление, которое она имела при вылете из канала ствола.
Под действием силы тяжести снаряд будет падать на землю. Такое положение снаряда невыгодно артиллеристам. Для того, чтобы пробить встречаемое препятствие, снаряд должен попасть в него головной частью, а в рассмотренном случае он ударится о преграду боком.
Обратимся теперь к действительным условиям стрельбы. В этом случае на быстро вращающийся вокруг своей оси артиллерийский снаряд действует сила сопротивления воздуха (рис. 14).
Рис. 14. Силы, действующие на снаряд, летящий в воздухе.
Опять воспользуемся для опыта гироскопом. При быстром вращении маховика ось гироскопа сохраняет неизменное положение в пространстве. Для исследования движения вращающегося снаряда сообщим маховику быстрое вращение. Чтобы представить себе действие силы сопротивления воздуха на снаряд, надавим пальцем или палочкой на ось гироскопа (рис. 15).
Рис. 15. Гироскоп.
При быстром вращении маховика ось вовсе не будет изменять своего направления, как это было бы при невращающемся маховике. Вместо этого ось гироскопа начнет медленно поворачиваться так, что все точки этой оси будут двигаться по окружности, а сама ось начнет описывать фигуру, напоминающую правильный конус. Установим далее гироскоп так, чтобы его ось была почти горизонтальна, и снова приложим усилие к концу оси. Мы убедимся в том, что ось гироскопа по-прежнему, не опрокидываясь, будет описывать конус, но более узкий, чем ранее, мало отклоняясь от линии горизонта. Результаты такого опыта показывают, что ось вращающегося гироскопа под действием усилия не увеличивает своего первоначального наклона, гироскоп не опрокидывается и конец его оси остается вблизи от линии горизонта.
Если теперь вместо гироскопа, к оси которого мы приложили усилие, будем рассматривать вращающийся снаряд, к оси которого приложена сила сопротивления воздуха, то мы увидим, что такой снаряд не будет кувыркаться в воздухе и его вершина, описывая конус вокруг касательной к траектории в данной точке, во все время полета останется близкой к траектории. Положение того «послушного» снаряда (рис. 16) вполне удовлетворяет артиллеристов: вращающийся снаряд устойчив в полете и ударяется о преграду заостренной головной частью.
Рис. 16. Полет вращающегося снаряда в воздухе: а — ось снаряда описывает конус; б — вершина снаряда близка к траектории.
Меткость стрельбы становится значительно большей.
При выстреле пороховые газы давят внутри канала ствола по всем направлениям (рис. 17): на дно снаряда, на стенки и на дно канала ствола, стремясь изменить его форму и размеры.
Рис. 17. Силы, действующие на снаряд и на ствол орудия при выстреле.
Но при давлении в толще стенок ствола возникают упругие силы, которые сопротивляются действию пороховых газов.
Давление пороховых газов, умноженное на площадь дна снаряда, представляет собой силу, приложенную к центру снаряда и направленную в сторону выстрела.
Эта сила заставляет снаряд двигаться вперед. Сила, действующая на дно ствола, стремится вырвать дно или разорвать ствол в поперечном сечении. При достаточной прочности ствола эта сила производит откат орудия.
Вследствие волнообразного движения газов в заснарядном пространстве давление газов на стенки ствола в различных точках неодинаково. Разделим внутреннюю поверхность ствола на небольшие участки. Будем считать давление в пределах каждого участка одинаковым. Умножим давление на каждом участке на площадь этого участка. Мы получим силы, направленные перпендикулярно к внутренней поверхности канала ствола. Эти силы стремятся разорвать ствол в продольном направлении.
Таким образом, в результате действия всех этих сил при недостаточной прочности ствола может произойти поперечный или продольный разрыв его.
Для того, чтобы ствол надежно сопротивлялся поперечному разрыву, нужно увеличить толщину его стенок, При этом, чем толще они будут, тем ствол будет прочней. Но достаточно ли этого для прочного сопротивления ствола продольному разрыву? Нет, недостаточно. Опытом установлено, что увеличение толщины стенок свыше одного калибра нецелесообразно, так как это утяжеляет ствол и ведет к нерациональному использованию металла.
Для того, чтобы уяснить действие давления газов на поверхность стенок канала ствола, проделаем следующий опыт. Возьмем плоское резиновое кольцо (рис. 18), начертим несколько концентрических окружностей на равных расстояниях одна от другой.
Рис. 18. Опыт с резиновым кольцом.
Если в канал кольца будем вдвигать деревянный конус, то легко заметим, что диаметры окружностей, прилегающих к каналу, увеличатся в значительно большей степени, чем диаметры окружностей, начерченных ближе к наружной поверхности.
Если мы будем продолжать вдвигать конус, то сначала начнут рваться внутренние слои, а уже после них — наружные.
Этот опыт наглядно показывает, что слои принимают не одинаковое участие в сопротивлении растяжению: внутренние — больше, наружные — меньше. При достаточной толщине кольца возможно, что внутренний слой разорвется, а наружный слой не разорвется. Ствол, в котором произойдет разрыв внутреннего слоя, уже не годится для дальнейшей стрельбы.
Подобные явления происходят и в стенках ствола орудия.
Таким образом, вопрос увеличения сопротивления ствола продольному разрыву не мог быть разрешен только путем увеличения толщины стенок ствола.
Необходимо было создать такую конструкцию ствола, при которой все слои металла были бы равномерно напряжены, а напряжения, возникающие на его внутренней поверхности уменьшены. Этого можно достигнуть, составляя ствол из отдельных слоев. Такие стволы называются скрепленными.
Процесс скрепления состоит в следующем: берут две трубы со стенками равной толщины (рис. 19).
Рис. 19. Идея скрепления ствола.
Внутренний диаметр одной трубы несколько меньше наружного диаметра другой. Нагреем большую трубу до температуры 400–450 градусов, наденем ее на меньшую трубу и дадим остыть составной трубе- При остывании наружная труба будет стремиться принять свои первоначальные размеры, то есть она начнет сжиматься. Ее внутренний диаметр будет уменьшаться и сжимать внутреннюю трубу. Но так как внутренняя труба будет оказывать сопротивление, то наружная не примет своих первоначальных размеров. Таким образом, после охлаждения до нормальной температуры наружная труба окажется несколько растянутой, а внутренняя — сжатой. Такое состояние смежных слоев, где внутренний слой сжат наружным, называется взаимным натяжением.
До выстрела в наружной трубе наиболее растянутыми будут внутренние слои, а наименее — наружные. Что касается внутренней трубы, то ее слои будут находиться в сжатом состоянии, при этом наружные слои будут менее сжаты, а внутренние — более сжаты.
При выстреле под давлением пороховых газов внутренняя труба вначале приходит в нормальное состояние, а затем начинает растягиваться вместе с наружной трубой. С этого момента внутренняя и наружная трубы сильнее сопротивляются давлению пороховых газов. Ясно, что при этом в канале такого ствола может быть допущено большее давление, чем в сплошном стволе той же толщины.
Такое расположение слоев металла позволяет увеличить допустимое давление в канале ствола по сравнению с нескрепленным стволом. Составив ствол орудия не из двух, а из четырех, пяти или более слоев, мы можем при заданном допускаемом давлении уменьшить вес ствола или при данном весе — увеличить допускаемое давление в канале ствола.
Следовательно, при данной толщине ствола сопротивление его давлению пороховых газов растет с увеличением числа скрепляющих слоев; скрепленные стволы, имеющие такое же сопротивление, как и однослойные, будут иметь значительно меньшую толщину стенок, и из двух скрепленных стволов с одинаковой толщиной стенок будет больше сопротивляться давлению пороховых газов тот, который имеет большее число скрепляющих слоев.
Вследствие того, что во время выстрела давление пороховых газов по длине ствола неодинаково, скрепление распространяется на ту часть ствола, в которой ожидается наибольшее давление. Начиная с сечения ствола, в котором должно находиться дно снаряда в момент конца горения порохового заряда, и далее до дула число скрепляющих слоев можно уменьшить.