فيزياء الأسلحة النارية

من وجهة نظر الفيزياء ( وتحديدًا الديناميكا )، يُعد السلاح الناري ، كمعظم الأسلحة ، نظامًا لإيصال أقصى قدر من الطاقة التدميرية إلى الهدف بأقل قدر من الطاقة المؤثرة على الرامي. مع ذلك، لا يمكن أن تتجاوز كمية الطاقة المؤثرة على الهدف كمية الطاقة المؤثرة على الرامي (بسبب الارتداد). ويعود ذلك إلى قانون حفظ كمية الطاقة ، الذي ينص على أن كمية الطاقة المنتقلة إلى الرصاصة تساوي وتُعاكس كمية الطاقة المنتقلة إلى نظام السلاح والرامي.

من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، يُعد السلاح الناري نوعًا خاصًا من محركات المكابس ، أو بشكل عام محركًا حراريًا حيث تؤدي الرصاصة وظيفة المكبس. وتعتمد كفاءة تحويل الطاقة في السلاح الناري اعتمادًا كبيرًا على تصميمه، وخاصة على عياره وطول سبطانته. ومع ذلك، وللتوضيح، إليكم معادلة توازن الطاقة لسلاح ناري صغير نموذجي يستخدم ذخيرة عيار .300 هوك: ^{[ 1 ]}

• احتكاك البرميل 2%
• حركة المقذوفات 32%
• الغازات الساخنة 34%
• حرارة البرميل 30%
• وقود غير محترق 1%.

وهو ما يُقارن بمحرك مكبسي نموذجي.

يمكن تحقيق كفاءة أعلى في الأسلحة النارية ذات السبطانات الطويلة نظرًا لارتفاع نسبة حجمها إلى قطرها. مع ذلك، فإن الزيادة في الكفاءة أقل من النسبة المقابلة لحجم السبطانة، لأن التمدد ليس أديباتيًا تمامًا ، ويبرد الغاز المحترق بسرعة أكبر نتيجة تبادل الحرارة مع السبطانة. تحقق الأسلحة النارية الكبيرة (مثل المدافع) فقدًا أقل في حرارة السبطانة نظرًا لارتفاع نسبة حجمها إلى سطحها. كما أن قطر السبطانة الكبير مفيد أيضًا، إذ يقلل الاحتكاك الناتج عن عملية منع التسرب مقارنةً بقوة التسارع. تتناسب القوة طرديًا مع مربع قطر السبطانة، بينما تتناسب متطلبات منع التسرب طرديًا مع محيط السبطانة بنفس الضغط.

وفقًا لقوانين نيوتن، إذا كان المسدس والرامي في حالة سكون مبدئيًا، فإن القوة المؤثرة على الرصاصة ستكون مساوية للقوة المؤثرة على المسدس والرامي. ويعود ذلك إلى قانون نيوتن الثالث للحركة (لكل فعل رد فعل مساوٍ له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه). لنفترض نظامًا حيث يمتلك المسدس والرامي كتلة إجمالية m _{_g}، بينما تمتلك الرصاصة كتلة m_{_b} . عند إطلاق النار، تتحرك الكتلتان مبتعدتين عن بعضهما بسرعتين v_{_g} و v_{_b} على التوالي. لكن قانون حفظ كمية الحركة ينص على أن مقداري كمية الحركة متساويان، وبما أن كمية الحركة كمية متجهة، فإن اتجاهيهما متعاكسان.

${\displaystyle {\displaystyle m_{g}v_{g}+m_{b}v_{b}}=0}$

من الناحية الرياضية، مشتق الزخم بالنسبة للزمن هو القوة، مما يعني أن القوة المؤثرة على الرصاصة تساوي القوة المؤثرة على البندقية، ويمكن اشتقاق زخم الرصاصة/الرامي من خلال تكامل دالة القوة-الزمن للرصاصة أو الرامي. ويُكتب ذلك رياضياً كما يلي:

${\displaystyle \int _{0}^{t_{g}}F_{g}(t)\,dt=-\int _{0}^{t_{b}}F_{b}(t)\,dt=m_{g}v_{g}=-m_{b}v_{b}}$

أين${\displaystyle g,b,t,m,v,F}$تمثل هذه الرموز البندقية والرصاصة والزمن والكتلة والسرعة والقوة على التوالي.

إن تصوير هوليوود لضحايا الأسلحة النارية وهم يُقذفون عبر النوافذ الزجاجية غير دقيق. فلو كان الأمر كذلك، لكان مطلق النار نفسه قد قُذف للخلف، مُعرِّضًا لتغيير أكبر في الزخم في الاتجاه المعاكس. غالبًا ما يسقط ضحايا إطلاق النار أو ينهارون عند إصابتهم؛ وهذا لا يعود بالضرورة إلى زخم الرصاصة الدافعة، بل إلى الأضرار الجسدية أو النفسية، وربما إلى فقدان التوازن. يختلف الأمر إذا أصيب الضحية بمقذوفات أثقل، مثل  قذائف مدفع عيار 20 ملم، حيث يكون تأثير الزخم هائلاً؛ ولهذا السبب، نادرًا ما تُطلق هذه الأسلحة دون تركيبها على منصة أسلحة أو استخدام نظام عديم الارتداد (مثل البندقية عديمة الارتداد ).

مثال: أُطلقت رصاصة مغلفة من عيار .44 ريمنجتون ماغنوم، وزنها 240 حبة (0.016 كجم) ، بسرعة 1180 قدمًا في الثانية (360 م/ث) ^{[ 2 ]} على هدف وزنه 170 رطلاً (77 كجم) . ما السرعة التي اكتسبها الهدف (بافتراض أن الرصاصة تبقى مغروسة في الهدف، وبالتالي تفقد عمليًا كل سرعتها)؟   

لنفترض أن m _{_b} و v_{_b} يمثلان كتلة وسرعة الرصاصة، الأخيرة قبل اصطدامها بالهدف مباشرة، ولنفترض أن m _{_t} و v_{_t} يمثلان كتلة وسرعة الهدف بعد اصطدامه. يتطلب قانون حفظ الزخم

m _b v _b = m _t v _t .

بحساب سرعة الهدف نحصل على

v _t = m _b v _b / m _t = 0.016 kg × 360 m/s / 77 kg = 0.07 m/s = 0.17 mph.

يُظهر هذا أن الهدف، بكتلته الكبيرة، بالكاد يتحرك. وذلك على الرغم من تجاهل قوى السحب، التي من شأنها في الواقع أن تتسبب في فقدان الرصاصة للطاقة والزخم أثناء الطيران.

من المعادلة 1 يمكننا كتابة سرعة البندقية/الرامي على النحو التالي: V = mv/M. وهذا يوضح أنه على الرغم من السرعة العالية للرصاصة، فإن النسبة الصغيرة بين كتلة الرصاصة وكتلة الرامي تؤدي إلى سرعة ارتداد منخفضة (V) على الرغم من تساوي القوة والزخم.

مع ذلك، فإن الكتلة الأصغر للرصاصة، مقارنةً بكتلة نظام البندقية والرامي، تسمح بنقل طاقة حركية أكبر بكثير إلى الرصاصة مقارنةً بالرامي. ^{[ 3 ]} الطاقة الحركية للنظامين هي${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}MV^{2}}$لنظام إطلاق النار و${\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}mv^{2}}$بالنسبة للرصاصة. ويمكن كتابة الطاقة المكتسبة للرامي على النحو التالي:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}MV^{2}={\frac {1}{2}}M\left({\frac {mv}{M}}\right)^{2}={\frac {m}{M}}{\frac {1}{2}}mv^{2}}$

بالنسبة لنسبة هذه الطاقات، لدينا:

${\displaystyle {\frac {{\frac {1}{2}}MV^{2}}{{\frac {1}{2}}mv^{2}}}={\frac {m}{M}}\qquad (2)}$

نسبة الطاقات الحركية هي نفسها نسبة الكتل (وهي مستقلة عن السرعة). ولأن كتلة الرصاصة أقل بكثير من كتلة الرامي، فإن طاقة حركية أكبر تنتقل إلى الرصاصة منها إلى الرامي. وبمجرد خروج الرصاصة من السلاح، تتلاشى طاقتها تدريجيًا خلال مسارها، حتى يتبدد ما تبقى منها نتيجة اصطدامها بالهدف (كأن تُشوّه الرصاصة والهدف).

عند اصطدام الرصاصة بالجسم، فإن سرعتها العالية ومقطعها العرضي الأمامي الصغير يعنيان أنها ستُحدث إجهادات مركزة للغاية في أي جسم تصطدم به. ويؤدي هذا عادةً إلى اختراقها لأي مادة لينة، كاللحم. ثم تتبدد الطاقة على طول قناة الجرح التي تشكلت بفعل مرور الرصاصة. راجع قسم "علم المقذوفات النهائية" لمزيد من التفاصيل حول هذه التأثيرات.

تعمل السترات الواقية من الرصاص على تبديد طاقة الرصاصة بطريقة مختلفة؛ إذ تتكون مادة السترة، عادةً من الأراميد ( كيفلار أو توارون )، من طبقات متعددة تلتقط الرصاصة وتوزع قوتها على مساحة أكبر، مما يؤدي إلى توقفها قبل اختراقها للجسم. ورغم قدرة السترة على منع اختراق الرصاصة، إلا أن مرتديها سيظل متأثرًا بقوة اندفاعها، مما قد يُسبب كدمات .

• علم المقذوفات
• المقذوفات الداخلية
• المقذوفات الخارجية
• جدول خراطيش المسدسات والبنادق