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膛线的作用是什么?什么原理?

简单来讲,枪/炮管内壁的膛线的作用就是:让弹丸在枪/炮管内运动时得到一个“自旋”的能力,能够在出膛后保持一个“稳定”(即陀螺稳定性)的飞行弹道,从而保证射击精度。然后还有就是保证弹丸和枪/炮管内壁贴合度的问题,因为有了膛线,弹丸的外壁就会嵌入到膛线中,使它能和枪/炮管内壁之间更加紧密的贴合在一起,气密性更好,以及可以有效减少弹丸在运动时的“章动”。因此,发射过的弹丸,其上面都会有膛线的压痕,比如下图所示,就是子弹上的膛线压痕:

▲子弹上的膛线压痕

至于炮弹,同样也有,不过因为炮弹的弹头上基本上都有弹带,弹带的材质是一些质地较软的材料,比如纯铜或者铜合金等,所以,膛线的压痕是体现在炮弹的弹带上面,比如下图所示:

▲炮弹弹带上的膛线压痕

所以,在现在的身管武器中(各种枪、炮),基本上是以“线膛枪/炮”的居多的,一般情况下线膛炮的精度也要高于普通的滑膛炮,因为有了膛线,弹丸就能获得自旋,而自旋的弹丸就有了陀螺稳定性,至于什么是“陀螺稳定性”?大家直接从字面上去理解就行了,即高速旋转的陀螺可以保持整个力学系统的稳定,既然弹丸的稳定性更好,那么其飞行弹道也就会更加的平稳,精度也就高,尤其是在远距离上,线膛武器的这种优势更能体现出来,至于滑膛武器,比如以前那些使用球型弹丸的线膛炮、线膛枪等,它们的精度在一定距离上完全就是靠信仰的,为什么这么说?因为球型弹丸在飞行过程中,受到“马格努斯效应”的影响会非常明显,从而使弹丸的飞行轨迹出现明显的偏转。

▲“马格努斯效应”原理简图

关于什么是“马格努斯效应”,我们来看上面的简图,图中的圆圈表示的就是球型弹丸,内部的箭头方向为弹丸的旋转方向,而带有箭头的线条就是气流,箭头的方向也就是气流方向,在这种情况下,弹丸的某个方向就会受到一个力的作用,也就是图中的F,那么这个力又是怎么来的呢?简单来说就是伯努利定律:流体流速快的地方,其压强就小,反之,压强就更大。因为弹丸是会旋转的,在旋转的时候就会带动周围的空气业一起旋转,但是因为它的飞行速度矢量和旋转角速度矢量不一样,所以就会导致弹丸两侧的流体(空气)流速大小也不一样,比如上图中线条稀疏的地方表示气流的速度较慢(压力大),线条密集的则是表示气流速度更快(压力小),因此,根据上面提到的伯努利定理,我们就可以知道,流体间的速度差会带来压力差,这个压力差就是使弹丸出现偏转的根本所在。

▲物体的“马格努斯效应”

关于“马格努斯效应”,我在这再举几个例子,比如乒乓球中的“弧线球”和足球运动中的“香蕉球”,这两个例子大家应该都很熟悉了吧,其实它们的原理同样也是这种“马格努斯效应”。那么今天的各种自旋的子弹、炮弹会不会受到“马格努斯效应”的影响呢?答案是一样会,只不过这种影响可以忽略不计罢了,因为本来在理论上,今天的各种弹丸的都是沿着一个能随着速度矢量变化的轴来自旋的,所以在空气中移动时弹丸的不同侧面之间不会存在速度差,但是,因为弹丸在击发时的会出现章动角,以及在弹道抛物线末端时弹丸的速度矢量变化,都会不可避免的产生一个角度偏差,这个角度偏差其实就是旋转的轴线跟不上速度矢量的变化而产生的,因此,今天的子弹或者炮弹,同样都会存在“马格努斯效应”,只是这种效应的影响很小,尤其是在射程较近的时候,可以忽略不计,只有一些远程火炮在弹道计算时才要考虑这个,而对于大部分枪械来说,基本上不用考虑马格努斯效应产生的弹道偏差的,因为风速、湿度对弹丸弹道的影响都比这个的影响大。

最后,膛线还有一个明显的作用,就是让弹丸自旋后从而在飞行过程中拥有追随稳定性,假如没有膛线,弹丸也不自旋的话会怎样呢?首先我们要知道,子弹或者炮弹飞行的轨迹都是一条抛物线,在出膛后弹头角度其实是向上“翘”的,同时会受到空气阻力的作用,如果弹丸的角度一直保持不变的话,那么空气阻力的方向与弹丸的质心速度方向不一致,从而导致其合力的方向也不会通过弹丸的质心,因此,在这个“合力”(阻力)的作用下,弹丸就会在空中出现翻滚,这样一来,别说精度了,能不能打出去都是个问题,因此,只有当弹丸会自旋时,才会出现一个自旋的稳定轴,而这个稳定轴方向又是随着弹丸运动方向的切线方向变化的,比如下图所示:

▲弹丸的追随稳定性原理图

而这个“追随稳定性”其实就是弹丸在保证抛物线飞行时还能准确击中目标的原因,影响弹丸这个追随稳定性的其实就是其自旋的速度,自旋的速度越大,其轴向稳定性就越好,那么这个自旋的稳定轴也就不会在气动阻力的作用下随着运动方向的变化而变化,而是会一直保持一个出膛的方向,比如下图所示,即可能会出现弹丸的尾部着地的情况,其实也就是弹丸进入了一个“过稳定状态”,这种状态是因为自旋速度过高引起的,因此,为了防止出现“弹丸轨迹过稳定”的这种情况,对其自旋的速度是有要求的,也就是不能太快,而影响弹丸自旋速度的又是什么呢?其实就是膛线的缠距,当枪管的长度一定时,内部膛线的缠距越小,弹丸的自旋速度就越大,为什么?

▲弹丸的“过稳定”状态

因为,缠距其实就是指膛线从一个点开始到完成一个完整的旋转(360度)时与另一个点之间的直线距离,简单来说就是膛线旋转一周的直线长度,当弹丸沿着膛线旋转时,每经过一个缠距,弹丸就旋转一圈,所以,当枪管的长度一定时,膛线的缠距越小,其数量就越多,弹丸在里面旋转次数也就越多,出膛后的旋转速度就会越快。总之,说到这里,有关膛线的相关知识基本上就介绍完了。

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