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力的作用是相互的,电磁炮开炮的瞬间有反作用力吗?和普通火药大炮力相同吗?

作者:机械网
文章来源:本站

  

力的作用是相互的,电磁炮开炮的瞬间有反作用力吗?和普通火药大炮作用力相同吗?

  

力的作用是相互的,电磁炮开炮的瞬间有反作用力吗?和普通火药大炮作用力相同吗?

  下面回答题主的问题,首先是电磁炮的的反作用力问题,首先“力的作用是相互的”,看惯了大口径火炮开炮的阵仗,一发炮弹后的场面是这样的:

  火炮的初速是远不能与电磁炮相比的,那么速度如此之大的电磁炮的后座力确是:

  从图中我们看出电磁炮开炮瞬间架子只是摇晃了一下子,居然根本没有感受到太多的后座力,这是为什么呢?

  举一个形象的反面例子,这就跟我们开车是一个道理,如果我们踩着刹车慢慢停下来,和撞上一辆货车让你瞬间停下来,速度都是减为0,脑补一下效果就能明白了。火炮是通过炸药的爆炸产生高膛压瞬间将火炮推出去了,整个过程在炮管内瞬间给炮弹和炮管四周都是一个非常高的冲击力,即使我们的炮管有制退器,后座力也是非常惊人的!

  而电磁炮则是通过一个恒定的加速度加速上去,给予后座的反作用力是恒定的,受力是均匀的,因此后座力不会有太大的“过激性反应”!

  目前电磁炮的研发上最成功的两个国家分别是中国和美国,美国在电磁炮的实验上一直都非常高调,主要还是宣传效果然后要钱的需要,不高调一点怎么样能骗海军上当投钱呢?要知道当年DDG1000还在研发阶段就看上了根本不成熟的电磁炮,准备一次性装2门,结果投入了大笔费用现在这门电磁炮都还在验证阶段,这可把DDG1000害得够呛,而且还在不断的要钱,最终也因为进度不达标问题,还有发射一枚炮弹的成本比战斧导弹还贵的问题,DDG1000不得不放弃电磁炮而改用AGS舰炮,然后再次上当受骗!

  中国电磁炮虽然比较保密,也没有透露出太多的电磁炮试验数据,但是这艘072改装的电磁炮就暴露了自己的实力

  这里不得不提“无双国士”马伟明,在他的带领下我国可是在电磁研究方面取得了多方面的巨大优势,而且据报道我国在直流电机方面取得突破,这样中间省去了一个交流电转直流电的巨大设备,而且美国公布的卫星图显示,我国电磁炮不仅仅上舰,而且在地面试验场也进行了充分的试验,技术已经比较成熟,至少上舰的电磁炮看着更像一门炮了,而且处于了试验阶段,不像美国的电磁炮还在验证阶段!

  当然我们的电磁炮目前也还有太多的问题需要解决了,比如为何试验平台选择一艘072坦克登陆舰,这里面可就很说明问题,别看电磁炮上面像是一个大号的炮塔,下面隐藏的设备还有好几大台,比如各国都没有公布过也是绝对保密的电力解决方案的设备一定不会小,选择072坦克登陆舰就是看中这艘舰艇从最后部坞舱门到最前部舱门的贯通坞舱,这个空间是很大的,足够电磁炮的设备全部放里面了!因此为电磁炮设备减重小型化是目前电磁炮遇到的重中之重的问题!

  另外还有就是耗电量巨大的问题,军舰的电力供应本来就非常紧张,美国海军研发了通过超级电容存储部分电能,在发射时集中释放出来,但是也仅仅只够发射几枚炮弹就没了,实战中需要连续发射,这会让电力供应出现大问题,这也限制了电磁炮的射速问题!

  解答较为硬核,慎入。

  任何惯性武器都会产生反作用力,不用看电磁炮还是火炮。电磁炮由于初速更快,目前实际测试时已经做到了可达2500m/s以上。在2010年的一次美国海军试射中,发射的弹丸出动能达到了惊人的33MJ。要知道现在最牛的125mm坦克炮发射动能弹的出动能也就是14MJ左右,能量完全不在一个水平。

  美国EMRG 海军电磁炮测试

  52倍径155mm M777超轻榴弹炮发射

  至于说反作用力哪个更大,这个恐怕论证起来稍微有点难度,涉及一个复杂的计算过程。但是我们要知道一点,那就是目前电磁炮发射的弹丸重量普遍偏小。现在的155mm火炮发射的榴弹重量可达40多kg,而电磁炮发射的弹丸,根据美国EMRG(海军电磁炮项目)2010年公开的发射实验看,最大的也不过只有3kg,就是一个实心疙瘩。

  电磁炮的弹丸,比一枚APFSDS动能弹还要小

  以当时测到的初速2500m/s计算,那么这样一枚弹丸产生的总冲量为:

  Pe1=mv=3kg*2500m/s=7500kg·m/s

  2022年,EMRG再次进行了一次发射实验,使用一枚15kg的弹丸加速到1500m/s,那么这枚弹丸的总冲量 为:

  Pe2=mv=15kg*1500m/s=22500kg·m/s

  我们再来看看榴弹炮的情况。一门52倍径的155mm榴弹炮,以M777超轻榴弹炮为例,使用的是北约通用的M107炮弹,重43.2 kg,发射时可加速到828m/s。那么M777发射炮弹时产生的总冲量为:

  Ph=mv=43.2kg*828m/s=35769.6kg·m/s

  M107榴弹

  可以看到Ph>>Pe1和Pe2,也就是说现在的榴弹炮还是比电磁炮产生的冲量要大得多了。但是冲量其实是力*时间的结果,并不能直接代表作用力,而且电磁炮和化学火炮的加速度曲线其实有很大差别:

  不过根据炮管长度,我们可以计算出二者弹丸的平均加速度。以2022年美国海军EMRG电磁炮发射的15kg,速度1500m/s的弹丸为例,其炮管长10m,列方程:

  at=1500m/s——1

  1/2at^2=10m——2

  根据以上方程可以算出平均加速度a为112502m/s^2,相当于11250个重力加速度,可以计算得到平均后座力F=15kg*112502m/s^2=1687530N

  而M777榴弹炮炮管8m,初速828m/s,列方程:

  at=828m/s ——1

  1/2at^2=8m——2

  根据以上方程计算出平均加速度a为42901m/s^2,相当于4290个重力加速度,可以计算得到平均后座力F=43.2kg*42901m/^2=1853323.2N

  得到结论:平均后座力必然是榴弹炮大于电磁炮。不过峰值后座力没有查到这方面的数据,美国人也不会随便公布。不过有一点可以肯定的是电磁炮的峰值加速度是远超榴弹炮的,因为电磁炮已经遇到了电子元件都无法承受发射过载的问题,而榴弹炮不存在这个问题。不过力是质量和加速度的乘积,最终结果是谁的峰值后座力更大,笔者没有找到更详细的数据。但是根据上述计算推断一下可能性的话,电磁炮的峰值加速度应该是远远超过榴弹炮,因此峰值后座力应该是电磁炮更大。

  榴弹炮可以发射激光制导、卫星制导炮弹,而电磁炮现在还看不到这样的可能

  “力的作用是相互的”,已经摆在这里,难道对这句话有怀疑吗?相信这句话是真理,那么,答案就板上钉钉:电磁炮发射时肯定有反作用力。

  电磁炮的原理是磁场对电流的作用,在初中物理中有一个实验:把一根直导线ab放在磁体的磁场中,导体两端通过光滑金属导轨与电源、开关相连。接通电源,直导线ab就会沿金属导轨滑动。

  普通火炮发射时,是发射药在炮镗里爆炸,产生高温高压的燃气,体积急剧膨胀,对周围物体产生巨大的压力,垂直炮膛方向燃气受到炮膛的阻挡,炮口方向将炮弹推出,在炮膛后方燃气也受到阻挡,就对炮身施加一个向后的推力,就是所谓的后坐力。

  个人观点,电磁炮开炮的瞬间,后座力,应该是平均分担在,整个发谢装置上的,电磁炮,的,动能来之于,电能的转换,回归到电力产生时的原,切割磁力线,产生电,的,反向作功,就是利用集中的电力,去,用于电动机旋转的作功方式,于,直线作功而已,那么,电磁炮强大的推力,或许,一定会用到低阻力的,导线,绕成线圈,比,电解铜,制成的铜线,有,更低的电阻,低温,或,常温,超导,导线,从而产生超强的磁力,去,推动,反向的物体,炮弹体,瞬间加速,达到地球物理学,所认识的,最快加速度,所以,用于武器的情况下,就,成为了,动能武器,不带装药,直射,那个破坏力,应该是,惊人的,是,无法防御的,最终是,目前的,条件下!!!!!!!!

  当然是相互作用的所以电磁炮也有反作用力,至于你说的反作用力的大小我认为电磁炮反作用力应该更大。

  电磁炮现在属于一种预研武器带有科研性质,进度比较快的就数中国已经上舰测试了,关于电磁炮的后坐力以及其它详细数据有的没办法获知,但是从目前发射的弹丸来看一般重量很小跟普通榴弹炮不是一个级别。

  但是从物理的角度来说物体本身是没有前进的动力的,目前世界上所以物体的运动方式都是靠力的相互作用,也就是力与摩擦力对等或者小于摩擦力的时候物体是静止的,当施加的力大于摩擦力的时候物体才能运动起来。

  那么普通火炮它的作用力的方式是炸药爆炸产生的空气膨胀推动的,而火炮身管是一个半封闭的,膨胀的空气顺着身管把弹头推出炮口。电磁炮是利用电磁力之间的相互作用并非空气,电磁炮的磁力在设计范围内是可以调整的,所以电磁炮它的能量利用率是很高的。

  根据物理方面定律,物体要运动起来它的施加的力必须大于摩擦力,火炮弹药的摩擦力体现于弹药与身管的摩擦还有跟空气的摩擦,弹头飞的更快的或者弹头质量更重的它的受力就越大,所以反之反作用力越大。但是要记得普通火炮是空气膨胀的力所以受力在整个身管以内都是受力的,而电磁炮是电磁力之间的相互作用所以反作用力也是电磁力,所以当线圈启动的时候它就会受力,理论上来说当炮弹质量一样的时候由于电磁炮炮弹飞的更快,所以电磁炮受到的反作用力更大。

  当然有反作用力,但是跟传统火炮很大的不同是,传统火炮是通过化学反应,让高能高爆炸药在堂内爆炸产生冲击力,然后将炮弹射出,在此过程中会产生大量热能与冲击力,而且,冲击力的着力点大多集中在炮管的后端,尤其是跑底座的位置,而电磁炮虽然有着同样强大的反作用力,但是,这个力量却是均匀的分布在炮管上的,也就是说,炮弹在加速过程中所产生的反作用力,都被炮管本身均匀释放,所以,这种反作用力显得更为的均匀平和,比传统火炮的炮管的损害程度明显减弱了很多,而且,没有污染,经济实惠,威力却同样巨大

  谁说的电磁炮没有后坐力?只不过在同等条件下,电磁炮的后坐力小于火炮。注意是同等条件下!因为电磁炮弹丸是匀加速运动。而火炮是爆炸气体推动,猛然加速,之后加速度逐渐降低。同样的加速结果下,火炮峰值加速度大于电磁炮。

  很多回答在计算动量冲量,其实都不太对。

  弹丸质量不同,差二十倍。榴弹重。

  速度不同,差十倍,电磁炮快。

  动量榴弹是电磁炮的两倍。

  反作用回来,榴弹炮后坐的动量至少是电磁炮的两倍。

  另外,榴弹炮还有一个不可忽视的因素,几十公斤的发射药,燃烧产生的几十公斤气体大部分向前从炮口冲出,也有后坐动量的。

  所以,榴弹炮的后坐动量比电磁炮大很多,但仍然达不到视觉效果上的区别。

  视觉效果上看榴弹炮的动静很大,主要是发射药爆燃产生的冲击波很大。

  也就是说榴弹炮的发射能量一部分推动弹丸,还有一大部分在榴弹炮周围产生爆炸冲击波。而电磁炮的能量基本都用在弹丸上了。

  最后还有一点,电磁炮为了打击精度,底座质量非常大,非常稳固,硬抗后坐力。视觉上就是岿然不动。而榴弹炮设计的时候就是允许后坐,然后复位。

  所以仅仅从动量分析并不全面。

  如何来理解“力的作用是相互的”这句话呢?当我们伸手去推墙时,在向前施力的瞬间身体会向后倾倒,这就是里的相互作用。我们推墙的动作相当于对墙施力,由于墙体过于坚固,无法消释这股力,所以会将力反弹到施力的手上,这就是身体会向后倾倒的原因,即施力推墙的手产生的力是作用力,墙体反弹回手上的力是反作用力,这就是“力的作用是相互的”的体现形式。

  普通火药大炮指的是传统火炮,当然也存在上述描述的“力”的相互作用关系,当火炮开火时火药爆燃产生的高温、高压燃气驱动弹丸在炮管内加速运动,这时候驱动弹丸动作的力就是作用力;然而火药燃气产生的力并不会只向特定的方向去作业,它除了作用在弹丸身上以外,还作用在炮膛四壁和炮闩上。

  作用在炮膛四壁的力会因火炮身管强度的制约而消释(俗称“自紧力”),作用在炮闩上的力将会驱动火炮身管向后移动,并以火炮身管移动的形式把这股力消释掉,而这股力就是火药燃气的反作用力,火炮火炮身管的后缩则是火炮的后坐力。

  所以传统火炮产生的力总的来说有三股,即弹丸身上的作用力、炮管身上的自紧力、炮闩上的反作用力(俗称后坐力)。那么问题就来了——究竟是什么样的作用力在炮膛内产生了这三股力呢?答案是膛压!

  传统身管火炮的燃料是发射药,当发射药在炮膛里被点燃发生爆燃时,所释放的能量分别受到三方面的制约从而产生膛压,即炮身、炮闩、弹丸,由于炮身和炮闩是相对坚固的,膛压作用到它们身上时会被弹回,而弹丸是活动的,所以膛压就朝着弹丸这个方向作用,从而推动弹丸运动。

  可见传统火炮在开火时所产生的各种作用力均是膛压带来的,换言之,如果没有膛压,那么各种作用力就不存在,而力相互之间的关系也就无从谈起,其中就包括作用力和反作用力之间的关系。

  举个例子:火箭炮几乎没有后座力,所以大口径的火箭炮可以由单兵进行操作,比如国产PF98型单兵120mm火箭炮。火箭炮在开火时火炮本身是不产生膛压的,火箭弹的飞行完全依靠自身向后喷射火焰来产生推力而实现的,也就是说作用力与反作用力均发生在弹丸上,火炮仅提供发射功能服务,不参与也不产生、发生任何一种力的关系。

  而电磁炮似乎也存在着与火箭炮相同的原理,比如说电磁炮是不产生膛压的,那么是不是可以说电磁炮开炮的瞬间没有产生后坐力的反作用力呢?我们从以下几点来分析。

  ▼下图为正在准备进行实弹射击实验的美国海军电磁轨道炮,图中的少校军官正在将托有铝制弹丸的电枢塞进轨道内。电磁轨道炮在开炮时没有膛压,所以不需要像传统火炮那样的炮管,而我们看到的形似“炮管”的东西实则是它的轨道。

  普通火药大炮(以下简称“火炮”)的威力主要体现在两方面,即射程和杀伤力,我们以125mm坦克炮为例:在2000米的距离上发钨合金弹芯射尾翼稳定脱壳穿甲弹时,炮口初速达到1680米/秒,能击穿800毫米厚的均质钢装甲,它的膛压达到525兆帕。

  也可以用155毫米榴弹炮例举(52倍口径):在发射枣核型榴弹时,炮口初速为960米/秒,最大射程达到50公里,炮弹触地爆炸时有效杀伤半径为30米,绝对杀伤半径为15米,它的最大膛压为400兆帕。

  上述两个例举中两种火炮分别能达到2000米的直瞄、50公里的间瞄射击距离以及击穿800毫米装甲、30米的杀伤半径的性能的原因就是两种火炮均有较高的膛压。

  所谓“膛压”指的是火药气体燃烧时在枪/炮的身管内产生的膛内压力,这个压力作用在弹丸身上时就会赋予其高速运动起来的动力,这股做功的力我们称其为“作用力”。

  膛内压力在推动弹丸做功的同时,也作用于弹丸相反的方向——炮闩,因此火炮在开炮时炮膛内就产生了一个“相互作用的力”,即推动弹丸运动做功作用力F1和朝相反方向作用的反作用力F2。

  这就意味着推动弹丸做功运动的F1有多大,超炮闩作用的F2就有多大,所以火炮威力越大,火炮的后坐力就有多大。

  如何来降低火炮反作用力对火炮性能的影响呢?毕竟反作用力所导致的后坐力是能影响到火炮射击精度的。

  在第一次世界大战期间,人们解决火炮后坐力的方法十分粗暴简单:在火炮后面构筑一个45度斜坡,火炮开火时产生的后坐力将会驱动轮式炮架向斜坡冲击,待动能耗尽后又滑到炮位上。

  而现代火炮就稍微科学一点了,除了使用驻锄来将后坐力引导到地面以外,还在炮口设置了制退器,同时在炮闩部位设置身管制退器。

  炮口制退器的作用是利用高压燃气喷出制退器瞬间产生的推力来抵消部分后坐力,相当于为后坐力制造了一个反作用力。

  身管制退器的作用是利用制退器内的液压气缸产生一个拉力,为火炮后坐力制造一个后缩的阻力,也相当于后坐力的一个反作用力。

  可见火炮产生的各种力之间的关系是非常复杂的,为了抵消膛压带来的反作用力,人们绞尽脑汁来为火炮设计各种抗反作用力的措施,火炮反作用力对火炮的影响将会一直伴随着火炮技术的发展,只要有膛压,火炮的反作用力就永远不会消失,而且火炮威力越大,膛压就越高,随之产生的反作用力也就越大。

  ▼下图为我国海军052D型导弹驱逐舰的HPJ38型单管130mm主炮,它属于典型的传统火药大炮,红色箭头指示的是火炮的炮身制退器,蓝色箭头指示的是炮口制退器,军舰主炮使用炮口制退器的情况十分罕见,这是因为该级驱逐舰的标准排水量只有6300吨,而130mm舰炮在开火时产生的后坐力接近40吨,会严重影响军舰航行稳定性,因此只能牺牲火炮射击精度,使用了炮口制退器,而后坐力大的原因就是该炮在发射130mm炮弹时膛压太高了。

  顾名思义,电磁炮当然是靠电磁力进行工作的,与传统火炮将火药燃气压力作用于弹丸不同(膛压),轨道炮是利用电磁系统中电磁场的作用力来推动弹丸运动,其作用的时间要长得多,可大大提高弹丸的速度和射程。

  比如说美国BAE系统公司为美国海军研发的电磁炮在发射3千克铝质炮弹时,射程达到400公里,炮口初速为7马赫(2380米/秒),炮口动能为10.6兆焦耳。要知道目前世界上炮口初速最高的传统火炮为125mm坦克炮,在发射尾翼稳定脱壳穿甲弹时能达到1680米/秒,比电磁炮的初速低了近700米/秒,电磁炮是如何做到的呢?

  电磁炮本质上是一个线圈装置,其原理与驱动转子高速旋转的电动机是一样的,即线圈产生磁场(脉冲磁场),从而驱动电枢在轨道上高速滑行,而电枢则托着弹丸,当电枢被电磁场加速至设计速度以后释放弹丸,弹丸就能以电枢所赋予的动能以高速的形式飞离轨道,向目标扑去。

  可见电磁炮对弹丸的驱动形式与传统火炮有着本质上的区别,作用在弹丸身上的作用力不是膛压,而是电磁力,因此电磁炮不会像传统火炮那样受到作用力的反作用力关系的影响而产生后坐力。

  然而力时恒定,它既不会凭空产生,更不会凭空消失,既然电磁炮的炮弹得到极高的动能,那就说明有力作用在它的身上,那么这就意味着电磁炮上必然存在反作用力,可是电磁炮明明没有后坐力,那这些反作用力去哪了呢?

  答案与能量利用率有关系,电磁炮在开炮时的过程被称之为充电和放电,充电相当于传统火炮装填发射药,是开火准备动作;放电则相当于传统火炮击发膛内的发射药,是开火动作。当电磁炮供电系统开始充电时,电磁炮处于开火准备阶。

  当电磁炮供电系统开始放电,那么环绕轨道四周的柔质线圈瞬间得电,并释放出巨大磁力,形成数个强力磁场阵矩,从而驱动起到弹托作用的电枢在轨道上高速运行,电枢得到的加速就相当于作用力大于反作用力,而那些存在于电枢上的反作用力则在弹丸飞离轨道后在减速电磁场的电磁力作用下被消释了,所以电磁炮不会因反作用力的影响而产生后坐力。

  这一点跟航空母舰上的蒸汽弹射器颇为相似,当弹射器将飞机弹射升空以后,弹射器并不会在蒸汽作用力下继续高速向前移动去撞击限位,或者在反作用力的影响下给蒸汽弹射系统反馈后坐力,而是弹射器在弹射完成后立即释放蒸汽压力,使弹射器在逐渐减速过程中消释反作用力。

  传统火炮在反作用力的影响下产生后坐力的原因在于弹丸出膛后,反作用力没有消释的空间,这与手推墙身体反被弹开向后倾倒的原理是一样的;而电磁炮不会在反作用力的影响下产生后坐力的原因是大量动能后被电枢利用利用起来,已经没有多少力能成为反作用力了,这就相当于手推墙,由于手部力量巨大,墙被推倒了,这时候身体也就不会被力反弹后倾了。

  ▼下图为电磁炮的工作原理图,电枢托着弹丸在两条轨道之间以电磁力赋予的动力高速滑行,为弹丸加速至3~7马赫的初速,由于不存在膛压和身管,所以电磁炮不存在或火炮那样的巨大反作用力,即后坐力。

  第一、电磁炮开炮时有反作用力,因为力的作用是相互的,但是电磁炮赋予弹丸动能的方式是电磁力,而不是膛压,所以电磁炮在开炮时产生的反作用力不会产生后坐力,而是作用在在电路、轨道上,最后被减速电磁力消释。

  第二、普通火药大炮的作用力是由火药被激发后释放的能量生产的,它被称为膛压,作用于弹丸身上的力是做有用功的作用力,作用在炮闩、身管上的力是无用功的反作用力,作用力赋予弹丸动能,反作用力驱使火炮产生后坐力,所以电磁炮的反作用力与普通火炮的作用力是不相同的。

  结语

  相信有许多读者曾经产生过这样一个疑问:既然电磁炮没有膛压,那么发射的时候为什么会在炮口产生大量烟雾呢?

  其实这些烟雾并不是像传统火炮那样的火药烟雾,而电火花产生的烟气。细心的读者可能会留意家中照明线路在短路时发生过的“打火花”现象,它的原理与电磁炮是相同的。

  照明线路的电压为±220V,电流不超过15Ah,所以打火花时只会产生很小的火花现象以及少量烟气。而电磁炮就不一样了,由于功率极高,传统的供电线路根本无法满足其巨大的电能消耗需求,所以每次开炮前都需要为大量的电容充电,在开炮时这些电容瞬间释放所蓄电能。

  以小功率实验型电磁炮为例:为了让电枢达到500米/秒的速度(电枢就是托着弹丸在轨道上运动的装置),需要900v的电容组瞬时释放电压900000W、电流1000Ah的电能。

  为了支持电磁炮巨大的电能需求,电容组往往重达10吨以上,未来我国航母上使用的电磁弹射器的电容组重量将会超过100吨,功率略小的电磁炮电容组也不会低于20吨。

  如果电磁炮也像传统火炮那样巨大的产生反作用力,那么每次开炮所产生后坐力恐怕足以让搭载它的舰船以30节的速度倒退行驶8海里。

  ▼下图为美国海军准备进行试射的电磁轨道炮,由于没有后坐力,所以炮架设计得十分简洁,基本上没有任何制退设计,更多的空间都被利用到电缆的衔接设计上。背景墙蓝色箱状物体是电容组,每次开炮都需要为电容充电,所以目前电磁轨道炮的射速只能达到8发/分钟,可见距离实用化还有很长的一段路要走。

  资料上说:电磁炮没有反冲力。这是不是违反了力学原理。力的作用是相互的。有向前的力就必然有向后的力才

  电磁炮有后坐力。不过可以调节炮弹的加速时间,使后坐力比较缓和一些

  电磁炮与一般火炮不同,它不用火药,更重要的是,它能以极快的速度将弹丸射向目标,既不产生后坐力,命中率又高。实际上,电磁炮无论在作用原理或是结构上,都比一般火炮简单,操作使用安全方便。

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