为什么旋转运动能保证子弹飞行的稳定性?

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9个答案
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该用户名已被注册lol本科留学生,物理系,哲学爱好者

2014-03-27 14:51
当陀螺转子以极高速度旋转时,就产生了惯性,这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间,指向一个固定的方向,同时反抗任何改变转子轴向的力量,这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。


严格来讲,“惯性”是物体保持其运动状态的一种特有的性质,因而“旋转产生惯性”是一个并不准确的表述。另外惯性一般是用来解释物体的线性运动,旋转的话一般用“转动惯量”(moment of inertia)来解释。

转动惯量的定义式为:

根据定义,转动惯量只和物体质量的几何分布有关。另外旋转中心/坐标系原点的位置也会影响物体的转动惯量。

至于子弹弹道稳定性的问题,我更倾向于用角动量来解释。如果我们考虑一个围绕着弹体竖轴旋转的子弹,其角动量(L)的计算公式为:

其中是子弹旋转的角速度,且角动量(L)的方向与其旋转方向一致(根据右手法则)

如果要使子弹的飞行方向发生改变的话,子弹角动量(旋转方向)必须要发生改变。改变角动量的方法是向子弹上施加一个力,从而产生一个力矩

(#关于力矩、角动量和转动惯量的关系,可以类比线性运动中 力、动量和质量之间的关系)

对于飞行中的子弹来说,其所受的重力与空气摩擦力无时无刻都在产生力矩,从而改变子弹的角动量。假设子弹不旋转的话,那么这些力很容易就能使子弹在空中翻跟头,从而降低其稳定性。反之,使子弹旋转起来的话,子弹一开始便具有一个相当大的角动量,使得重力什么的很难改变子弹的旋转方向,从而加强了其稳定性。

#同样类比力和动量。一个力很难在短时间内改变一个具有很大动量的物体的运动轨迹,而对于一个静止的物体的话轻轻推一下这个物体就开始往受力方向运动

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以上就当复习大学物理吧……如果要一个简单的答案的话,那么:
“高速旋转的物体具有一个很高的角动量,从而很难被一个力(所产生的力矩)改变其运动轨迹,因而会飞行的更稳定”

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我觉得楼上说得很有道理——不过是不是可以多考虑些别的?

比如说膛内的弹跳和空气动力。

老式的、无膛线的火枪,弹丸在枪膛内会反复弹射,既消耗了动量、又降低稳定性——有膛线、子弹旋转之后,因为膛内高温高压气体沿螺旋状推进子弹,并且膛线凹槽里注入了空气,也起到了隔离作用,磨损和弹射变小。
还有现在的子弹头多数都是锥形、类锥形的,在空中旋转之后,以弹头前端为中心会形成螺旋状气流,有利于减少阻力,增加稳定性——老式火枪子弹的区别和现代枪支子弹的区别类似于钉子和螺丝:当然是螺丝更不容易歪了。


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黑色翅膀老程序猿 天文爱好者

2014-03-28 10:48

补充一下,子弹旋转是为了提高飞行姿态稳定性,从而让飞行轨迹稳定。就像@该用户名已被注册lol 说的,不旋转的子弹很容易翻跟头,子弹要是侧着飞空气阻力会很大,严重影响射程。翻跟头的子弹受力也很复杂,轨迹无法计算,精度极差。

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子弹高速旋转,除了初始角动量较大因而不易偏转外,即使发生偏转,由于回转效应,弹头发生进动,弹头最前端将会沿一个圆心位于子弹中轴线上的圆周摆动,而不会发生反转,从而使子弹大致保持原来的前进方向,增加有效射程和精度。

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wangkunmse材料科学与工程学士 核科学与技术在读硕士

2014-03-28 21:23

其实很简单,想想陀螺就好了

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参考陀螺仪

当陀螺转子以极高速度旋转时,就产生了惯性,这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间,指向一个固定的方向,同时反抗任何改变转子轴向的力量,这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。 其惯性随以下的物理量而改变:

  1. 转子质量愈大,惯性愈大
  2. 转子旋转半径愈大,惯性愈大
  3. 转子旋转速度愈大,惯性愈大。
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如果在真空中,转与不转就差别不大,在空气环境中,子弹与环境是有相互作用力的,如果要子弹在线性上平稳,就得让作用力在垂直线线方向受合力为0,也就是受力是对称。而旋转可以垂直方向上对称。

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冰火梦幻信息与计算科学学士,算法控,AI爱好者

2014-03-28 00:40

如果不用转动惯量的理论的话,还可以这么理解:

下面讨论的子弹都是指组成子弹的原子。

在外界施加的力的大小和方向一定时,子弹受到外力作用时间越短,则子弹轨迹受影响的程度(外界力的冲量)越小。
在外界力的冲量的大小和方向一定时,子弹初始动量越大,则受影响后子弹的方向偏移量越小(余弦定理)。
所以子弹线速度越快,抗干扰能力越强。

但子弹所受阻力和子弹的线速度平方成正比,盲目增加线速度来增加抗干扰能力的效果有限。
因此通过提高子弹的自转角速度,既能提高子弹原子的速度(从而提高子弹原子的抗干扰能力),又能避免空气阻力增加。

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