Rekyl - Recoil

En tidig marinkanon som får rulla något bakåt när den avfyras och därför måste vara bunden med starka rep.

Recoil (ofta kallad knockback , kickback eller helt enkelt kick ) är den bakåtkraft som genereras när en pistol släpps ut. I tekniska termer, är rekylen ett resultat av bevarande av rörelsemängd , som enligt Newtons tredje lag den kraft som krävs för att accelerera något kommer att framkalla en lika stor men motsatt reactional kraft, vilket innebär den främre momentum vunnits av projektilen och avgaser ( ejectae ) kommer att matematiskt balanseras med en lika och motsatt momentum som utövas på pistolen. I handhållna handeldvapen kommer rekylmomentet så småningom att överföras till marken, men kommer att göra det genom skyttens kropp, vilket resulterar i en märkbar impuls som vanligen kallas en "spark".

I tyngre monterade vapen, som tunga maskingevär eller artilleribitar , överförs rekylmoment till jordytan genom plattformen som vapnet är monterat på . För att stoppa den bakåtgående rörliga pistolen försvinner momentet som förvärvats av pistolen av en framåtverkande motrekylkraft som appliceras på pistolen under en tidsperiod efter att projektilen lämnar munstycket. För att tillämpa denna motstörningskraft kan moderna monterade vapen använda rekylbuffring innefattande fjädrar och hydrauliska rekylmekanismer , som liknar stötdämpande upphängning på bilar. Tidiga kanoner använde repsystem tillsammans med rullande eller glidande friktion för att tillhandahålla krafter för att sakta tillbaka den lutande kanonen till ett stopp. Rekylbuffring gör det möjligt att sänka den maximala motrekylkraften så att hållfasthetsbegränsningarna för pistolfästet inte överskrids. Pistolkammartryck och projektilaccelerationskrafter är enorma, i storleksordningen tiotusentals pund per kvadrattum och tiotusentals gånger tyngdaccelerationen ( g ), båda nödvändiga för att starta projektilen med användbar hastighet under den mycket korta farten tunnans avstånd. Samma tryck som verkar på projektilens botten verkar emellertid på pistolkammarens baksida och accelererar pistolen bakåt under avfyrningen. Praktiska viktpistolfästen är vanligtvis inte tillräckligt starka för att motstå de maximala krafterna som accelererar projektilen under den korta tid projektilen är i pipan, vanligtvis bara några millisekunder. För att mildra dessa stora rekylkrafter sprider rekylbuffermekanismer ut motrekylkraften under en längre tid, vanligtvis tio till hundra gånger längre än varaktigheten för krafterna som accelererar projektilen. Detta resulterar i att den erforderliga motåterstyrningskraften är proportionellt lägre och lätt absorberas av pistolfästet. Moderna kanoner använder också munstycksbromsar mycket effektivt för att omdirigera några av drivgaserna bakåt efter projektilutgången. Detta ger en mot-återfjädringskraft till pipan, vilket gör att buffersystemet och pistolfästet kan designas mer effektivt med ännu lägre vikt.

Återvinningslösa kanoner finns också där mycket av det högtrycksgas som finns kvar i pipan efter projektilutlopp ventileras bakåt genom ett munstycke på baksidan av kammaren, vilket skapar en stor mot-återfjädrande kraft som är tillräcklig för att eliminera behovet av tunga rekylreducerande buffertar på montera.

Samma fysikprinciper som påverkar rekyl i monterade vapen gäller också för handhållna vapen. Skyttens kropp antar emellertid rollen som pistolmontering och måste på liknande sätt sprida pistolens bakåtgående fart över en längre tidsperiod än kulens restid i pipan för att inte skada skytten. Händer, armar och axlar har avsevärd styrka och elasticitet för detta ändamål, upp till vissa praktiska gränser. Ändå varierar "upplevda" rekylgränser från skjut till skjutare, beroende på kroppsstorlek, användningen av rekylpolstring , individuell smärtolerans, skjutvapnets vikt, och om rekylbuffersystem och munstycksanordningar ( munstycksbroms eller undertryckare ) används . Av denna anledning är det fortfarande utmanande att fastställa rekylsäkerhetsstandarder för handeldvapen trots den enkla fysiken som är inblandad.

Rekyl: momentum, energi och impuls

Momentum

En förändring av massans momentum kräver en kraft ; enligt Newtons första lag , känd som tröghetslagen , är tröghet helt enkelt en annan term för massa. Den kraften, applicerad på en massa, skapar en acceleration , som när den appliceras över tiden ändrar massans hastighet. Enligt Newtons andra lag ändrar momentumslagen - förändring av massans hastighet dess momentum (massa multiplicerad med hastighet). Det är viktigt att förstå vid denna tidpunkt att hastigheten inte bara är hastighet. Hastighet är massans hastighet i en viss riktning. I en mycket teknisk mening är hastighet en skalär (matematik) , en storlek, och hastigheten är en vektor (fysik) , storlek och riktning. Newtons tredje lag , känd som bevarande av momentum, erkänner att förändringar i en massas rörelse, orsakade av applicering av krafter och accelerationer, inte sker isolerat; andra masskroppar befinns vara inblandade i att styra dessa krafter och accelerationer. Vidare, om alla berörda massor och hastigheter beaktas, ändras inte vektorsumman, storleken och riktningen av momentet hos alla kroppar som är inblandade; därför bevaras systemets momentum. Denna bevarande av momentum är anledningen till att pistolrekyl sker i motsatt riktning av kulprojektion - projektets mass gånger hastighet i positiv riktning är lika med pistolens mass gånger hastighet i negativ riktning. Sammanfattningsvis är systemets totala momentum noll, förvånansvärt precis som det gjorde innan avtryckaren drogs. Från ett praktiskt ingenjörsperspektiv är det därför genom den matematiska tillämpningen av bevarande av momentum möjligt att beräkna en första approximation av pistolens rekylmoment och kinetiska energi , och korrekt utforma rekylbuffringssystem för att säkert sprida det momentet och energin, helt enkelt baserat på uppskattningar av projektilhastigheten (och massan) som kommer ut ur pipan. För att bekräfta analytiska beräkningar och uppskattningar, när en prototyppistol är tillverkad, kan projektil- och pistolrekylenergi och momentum mätas direkt med hjälp av en ballistisk pendel och ballistisk kronograf .

Det finns två bevarandelagar som fungerar när en pistol avfyras: bevarande av fart och bevarande av energi . Rekyl förklaras av lagen om bevarande av momentum, och så är det lättare att diskutera det separat från energi .

Rekylprocessens karaktär bestäms av kraften hos de expanderande gaserna i pipan mot pistolen (rekylkraft), som är lika och motsatt kraften på utkastet. Det bestäms också av motrekylkraften som appliceras på pistolen (t.ex. operatörens hand eller axel eller ett fäste). Rekylkraften verkar bara under den tid som utkastet fortfarande finns i pistolens pipa. Motrekylkraften appliceras i allmänhet under en längre tidsperiod och adderar fart framåt till pistolen lika med det bakåtgående momentet som tillförs av rekylkraften för att stoppa pistolen. Det finns två speciella fall av motrekylkraft: Fri rekyl , där motrekylkraftens varaktighet är mycket större än rekylkraftens varaktighet och nollrekyl, där motrekylkraften matchar rekylkraften i storlek och varaktighet. Med undantag för fallet med nollrekyl är motrekylkraften mindre än rekylkraften men varar längre. Eftersom rekylkraften och motrekylkraften inte matchas, rör sig pistolen bakåt och saktar ner tills den vilar. I nollrekylfallet matchas de två krafterna och pistolen rör sig inte när den avfyras. I de flesta fall är en pistol mycket nära ett fritt rekylförhållande, eftersom rekylprocessen i allmänhet varar mycket längre än den tid som krävs för att flytta utkastet ner i pipan. Ett exempel på nästan nollrekyl skulle vara en pistol som är säkert fastklämd vid ett massivt eller väl förankrat bord eller stöttat bakifrån av en massiv vägg. Att använda nollrekylsystem är dock ofta varken praktiskt eller säkert för pistolens struktur, eftersom rekylmomentet måste absorberas direkt genom det mycket små avståndet av elastisk deformation av materialen som pistolen och fästet är tillverkat av, kanske överstiger deras styrka gränser. Att till exempel placera rumpan på en stor kaliberpistol direkt mot en vägg och dra i avtryckaren riskerar att spricka både pistolmaterialet och väggytan.

Rekylen på ett skjutvapen, oavsett om det är stort eller litet, är ett resultat av lagen om bevarande av momentum. Om vi ​​antar att skjutvapnet och projektilen ligger i vila innan de skjuter, är deras totala momentum noll. Under antagande av ett nästan fritt rekylförhållande och försummelse av de gaser som matas ut från pipan, (en acceptabel första uppskattning), så omedelbart efter avfyrning kräver bevarande av momentum att skjutvapnets och projektilens totala momentum är densamma som tidigare, nämligen noll . Ange detta matematiskt:

var är skjutvapens fart och är projektilens fart. Med andra ord, omedelbart efter avfyrningen är skjutvapnets momentum lika och motsatt projektilens momentum.

Eftersom en kropps momentum definieras som dess massa multiplicerad med dess hastighet kan vi skriva om ekvationen ovan som:

var:

är skjutvapnets massa
är skjutvapnets hastighet omedelbart efter avfyrningen
är projektilens massa
är projektilens hastighet omedelbart efter avfyringen

En kraft integrerad över den tidsperiod under vilken den verkar kommer att ge den kraft som levereras av den kraften. Motrekylstyrkan måste ge skjutvapnet tillräckligt med fart för att stoppa det. Detta innebär att:

var:

är motrekylkraften som en funktion av tiden ( t )
är varaktigheten för motrekylkraften

En liknande ekvation kan skrivas för rekylkraften på skjutvapnet:

var:

är rekylkraften som en funktion av tiden ( t )
är rekylkraftens varaktighet

Förutsatt krafterna något jämnt utspridda över deras respektive löptider, villkoret för fritt rekyl är , medan noll rekyl, .

Vinkelmoment

För en pistol som skjuter under fritt rekylförhållanden, kan kraften på pistolen inte bara tvinga pistolen bakåt utan kan också få den att rotera runt dess masscentrum eller rekylmontering. Detta gäller särskilt äldre skjutvapen, som det klassiska Kentucky-geväret , där rumpan vinklar nedåt betydligt lägre än pipan, vilket ger en vridpunkt kring vilken munstycket kan stiga under rekyl. Moderna skjutvapen, som M16-geväret , använder lagerdesigner som är i direkt linje med pipan för att minimera eventuella rotationseffekter. Om det finns en vinkel för rekyldelarna att rotera, ges vridmomentet ( ) på pistolen av:

var är det vinkelräta avståndet för pistolens masscentrum under pipaxeln, är kraften på pistolen på grund av de expanderande gaserna, lika och motsatta kraften på kulan, är tröghetsmomentet för pistolen om dess masscentrum eller dess svängpunkt, och är rotationsvinkeln för pipaxeln "upp" från dess orientering vid tändning (riktningsvinkel). Den rörelsemängdsmoment av pistolen hittas genom att integrera denna ekvation för att erhålla:

där likvärdigheten mellan pistolen och kulan har använts. Pistolens vinkelrotation när kulan går ut ur cylindern hittas sedan genom att integreras igen:

där är vinkeln ovanför målet vinkel vid vilken kulan lämnar pipan, är tiden för förflyttningen av kula i pipan (på grund av accelerationen tiden är längre än  : ) och L är avståndet kulan färdas från sitt viloläge position till pipans spets. Vinkeln vid vilken kulan lämnar pipan ovanför siktsvinkeln ges sedan av:

Inklusive utkastad gas

Innan projektilen lämnar eldröret , det täpper hålet och "pluggar upp" expanderande gas som genereras av driv förbränning bakom den. Detta betyder att gasen i huvudsak finns i ett slutet system och fungerar som ett neutralt element i systemets totala fart. Men när projektilen lämnar pipan avlägsnas denna funktionella tätning och den mycket energiska borrgasen är plötsligt fri att gå ut från munstycket och expandera i form av en supersonisk chockvåg (som ofta kan vara tillräckligt snabb för att tillfälligt köra om projektilen och påverka dess flygdynamik ), vilket skapar ett fenomen som kallas munsprängningen . Den framåtriktade vektorn för denna sprängning skapar en jetdrivningseffekt som utövar tillbaka på cylindern och skapar en ytterligare momentum ovanpå den bakåtmoment som genereras av projektilen innan den lämnar pistolen .

Den totala rekylen som appliceras på skjutvapnet är lika och motsatt den totala framåtmomentet för inte bara projektilen utan också den utkastade gasen. Likaså påverkas rekylenergin som ges till skjutvapnet av den utkastade gasen. Genom konservering av massan kommer massan av den utkastade gasen att vara lika med drivmedlets ursprungliga massa (förutsatt fullständig förbränning). Som en grov approximation kan den utkastade gasen anses ha en effektiv utgångshastighet på var projektilens nosningshastighet är och är ungefär konstant. Den totala drivkraften för drivmedlet och projektilen blir då:

var: är massan av drivmedelsladdningen, lika med massan av den utkastade gasen.

Detta uttryck bör ersättas med uttrycket för projektilmoment för att få en mer exakt beskrivning av rekylprocessen. Den effektiva hastigheten kan också användas i energiekvationen, men eftersom värdet på α som används generellt anges för momentum ekvationen, kan de erhållna energivärdena vara mindre exakta. Värdet på konstanten α ligger i allmänhet mellan 1,25 och 1,75. Det beror mest på vilken typ av drivmedel som används, men kan bero något på andra saker som förhållandet mellan pipans längd och dess radie.

Nosanordningar kan minska rekylimpulsen genom att ändra mönstret för gasutvidgning. Till exempel fungerar munstycksbromsar främst genom att avleda en del av gasutkastet mot sidorna, vilket ökar sidosprängningsintensiteten (därmed högre mot sidorna) men minskar dragkraften från framåtprojektionen (därmed mindre rekyl). På samma sätt leder rekylkompensatorer gasutkastet mestadels uppåt för att motverka munstyckets stigning . Men dämpare arbeta på en annan princip, inte genom vectoring expansion gas i sidled utan genom att modulera hastigheten framåt expansionsgasen. Genom att använda inre bafflar får gasen att röra sig genom en krökt bana innan den så småningom släpps ut vid undertryckarens framsida och sprider således sin energi över ett större område och längre tid. Detta reducerar både intensiteten av tryckvågen (och sålunda lägre ljudstyrka ) och rekyl genereras (som för samma impuls , kraft är omvänt proportionell till annan).

Uppfattning om rekyl

För handeldvapen kan det sätt på vilket skytten uppfattar rekylen eller sparken ha en betydande inverkan på skyttens upplevelse och prestanda. Till exempel kommer en pistol som sägs "sparka som en mula " att närma sig med bävan, och skytten kan förutse rekylen och vända i väntan när skottet släpps. Detta leder till att skytten ryckar avtryckaren, snarare än att dra i den smidigt, och ryckrörelsen är nästan säker på att störa pistolens inriktning och kan leda till miss. Skytten kan också skadas fysiskt genom att skjuta ett vapen som genererar rekyl som överstiger vad kroppen säkert kan absorbera eller hålla tillbaka; kanske slås i ögat av gevärets omfång, slås i pannan av en pistol när armbågen böjer sig under kraften, eller mjukdelsskada på axeln, handleden och handen; och dessa resultat varierar för individer. Dessutom, som bilden till höger, kan överdriven rekyl skapa allvarliga farhågor om skyddsfältet, om skytten inte tillräckligt kan hålla skjutvapnet i riktning nedåt.

Uppfattning om rekyl är relaterad till retardationen som kroppen ger mot en lindningspistol, där retardationen är en kraft som saktar hastigheten för den lindande massan. Kraft som appliceras över ett avstånd är energi. Kraften som kroppen känner avledar därför den kinetiska energin hos den lutande pistolmassan. En tyngre pistol, det vill säga en pistol med mer massa, kommer att uppvisa lägre rekyl-kinetisk energi och i allmänhet resultera i en minskad uppfattning om rekyl. Därför, även om bestämning av den återlindningsenergi som måste avledas genom en mot-återfjädringskraft nås genom bevarande av momentum, är den kinetiska rekylenergin det som faktiskt begränsas och försvinner. Ballistikanalytikern upptäcker denna rekyl kinetiska energi genom analys av projektilmoment.

Ett av de vanligaste sätten att beskriva filtrekylen för en viss pistolpatronkombination är som "mjuk" eller "skarp" återfjädring; mjuk rekyl är rekyl spridd över en längre tidsperiod, dvs med lägre retardation, och skarp rekyl sprids över en kortare tidsperiod, det vill säga med högre retardation. Som att trycka mjukare eller hårdare på bromsarna på en bil, känner föraren att mindre eller mer retardationskraft appliceras över en längre eller kortare sträcka för att stoppa bilen. Men för människokroppen att mekaniskt justera rekyltiden och därmed längden är det kanske en omöjlig uppgift att minska filtrekylkraften. Bortsett från att använda mindre säkra och mindre exakta metoder, som att skjuta från höften, är axelvaddning en säker och effektiv mekanism som gör att skarp återfjädring kan förlängas till mjuk återvinning, eftersom lägre retarderande kraft överförs till kroppen över ett något större avstånd och tid och sprids ut över en något större yta.

Med tanke på ovanstående kan du i allmänhet basera den relativa rekylen av skjutvapen genom att ta in ett litet antal parametrar: kulmoment (vikt gånger hastighet), (notera att moment och impuls är utbytbara termer) och skjutvapnets vikt. Att sänka fart minskar rekylen, allt annat är detsamma. Att öka skjutviktens vikt sänker också rekylen, allt annat är detsamma. Följande är basexempel beräknade via Handloads.com gratis online-kalkylator och kula- och skjutvapendata från respektive omlastningshandböcker (av medelstora / vanliga laster) och tillverkarens specifikationer:

  • I en Glock 22- ram, med den tomma vikten på 0,65 kg (1,43 lb), erhölls följande:
    • 9 mm Luger: Recoil impuls av 0,78 Ib f -s (3,5 N-s); Rekylhastighet på 17,55 ft / s (5,3 m / s); Rekylenergi på 9,3 J ( 6,84 ft⋅lb f )
    • .357 SIG: rekylimpuls på 1,06 lb f · s (4,7 N · s); Rekylhastighet på 23,78 ft / s (7,2 m / s); Rekylenergi på 12,06 ft⋅lb f (17,0 J)
    • .40 S&W: Recoil impuls of 0.88 lb f · s (3.9 N · s); Rekylhastighet på 19,73 ft / s (6,0 m / s); Rekylenergi på 11,7 J ( 8,64 ft⋅lb f )
  • I en Smith & Wesson .44 Magnum med 7,5 tum fat, med en tom vikt på 3,125 lb (1,417 kg), erhölls följande:
    • .44 Remington Magnum: Rekylimpuls på 1,91 lb f · s (8,5 N · s); Rekylhastighet på 19,69 ft / s (6,0 m / s); Rekylenergi på 25,5 J ( 18,81 ft⋅lb f )
  • I ett Smith & Wesson 460 7,5-tums fat, med en tom vikt på 3,5 kg (1,6 kg), erhölls följande:
    • .460 S&W Magnum: Recoil impuls of 3.14 lb f · s (14.0 N · s); Rekylhastighet på 28,91 ft / s (8,8 m / s); Rekylenergi på 61,6 J ( 45,43 ft⋅lb f )
  • I en Smith & Wesson 500 4,5-tums fat, med en tom vikt på 1,6 kg, erhölls följande:
    • 0,500 S&W Magnum: Rekylimpuls på 3,76 lb f · s (16,7 N · s); Rekylhastighet på 34,63 fot / s (10,6 m / s); Rekylenergi på 65,17 ft⋅lb f (88,4 J)

Förutom pistolens totala massa kommer fram- och återgående delar av pistolen att påverka hur skytten uppfattar rekyl. Även om dessa delar inte är en del av utkastet och inte förändrar systemets totala fart, involverar de massor i rörelse under skjutningen. Till exempel hålls gasdrivna hagelgevär allmänt för att ha en "mjukare" rekyl än fasta sätes- eller rekylstyrda kanoner. (Även om många halvautomatiska rekyl- och gasdrivna kanoner innehåller rekylbuffersystem i beståndet som effektivt sprider toppkänsliga rekylkrafter.) I en gasdriven pistol accelereras bulten bakåt av drivgaser under avfyringen, vilket resulterar i en framåtriktad kraft på pistolens kropp. Detta motverkas av en bakåtkraft då bulten når färdgränsen och rör sig framåt, vilket resulterar i en noll summa, men till skytten har rekylen spridits ut under en längre tidsperiod, vilket resulterar i en "mjukare" känsla .

Monterade vapen

Verklig återgång av en kanon (exponerad i Morges slott , Schweiz )
Med rekylfri design kan större och snabbare projektiler lanseras på axeln.

Ett rekylsystem absorberar rekylenergi, vilket minskar toppkraften som transporteras till vad pistolen är monterad på. Gammaldags kanoner utan rekylsystem rullar flera meter bakåt när de avfyras. Det vanliga rekylsystemet i moderna snabbavfyrande kanoner är det hydropneumatiska rekylsystemet , som först utvecklades av Wladimir Baranovsky 1872–5 och antogs av den ryska armén, sedan senare i Frankrike, i 75mm-fältspistolen 1897 . I detta system är cylindern monterad på skenor där den kan lindas bakåt, och rekylen tas upp av en cylinder som liknar en fordonsgasladdad stötdämpare och är vanligtvis synlig som en cylindermonterad parallellt med pistolens pipa, men kortare och mindre än den. Cylindern innehåller en laddning av tryckluft samt hydraulolja; under drift tas fatens energi upp vid komprimering av luften när cylindern lindas bakåt och försvinner sedan via hydraulisk dämpning när cylindern återvänder framåt till skjutläget. Rekylimpulsen sprids således ut över den tid då pipan komprimerar luften snarare än över det mycket smalare tidsintervallet när projektilen avfyras. Detta minskar kraftigt den toppkraft som transporteras till fästet (eller till marken på vilken pistolen har placerats).

I ett mjukt rekylsystem startar fjädern (eller luftcylindern) som återför cylindern till det främre läget i ett nästan helt komprimerat läge, varefter pistolens pipa släpps fritt för att flyga framåt i ögonblicket före avfyrning; laddningen antänds sedan precis när pipan når helt framåtläget. Eftersom pipan fortfarande rör sig framåt när laddningen tänds, appliceras ungefär hälften av rekylimpulsen för att stoppa rörets framåtrörelse, medan den andra halvan, som i det vanliga systemet, tas upp för att komprimera fjädern igen. En spärr fångar sedan pipan och håller den i startpositionen. Detta halverar ungefär den energi som fjädern behöver absorbera, och halverar också ungefär den toppkraft som transporteras till fästet, jämfört med det vanliga systemet. Behovet av att på ett tillförlitligt sätt uppnå tändning i ett enda exakt ögonblick är dock en stor praktisk svårighet med detta system; och till skillnad från det vanliga hydro-pneumatiska systemet, hanterar mjuka rekylsystem inte lätt hängande eller felaktiga bränder . En av de tidiga pistolerna för att använda detta system var franska 65 mm mle. 1906 ; den användes också av andra brittiska PIAT -manbärbara antitankvapen under andra världskriget .

Återladdningslösa gevär och raketkastare avgaser bak, balanserar rekylen. De används ofta som lätta antitankvapen . Den svensktillverkade Carl Gustav 84mm-rygglösa pistolen är ett sådant vapen.

I maskingevär som följer Hiram Maxims design - t.ex. Vickers-maskingeväret - används trummans rekyl för att driva matningsmekanismen.

Se även

Referenser

externa länkar