Отдача при выстреле – хорошо знакомая, но мало понятна?

Взяться за эту статью меня подтолкнули "кочующие" с давнего времени от издания к изданию устоявшиеся стереотипные высказывания многих авторов вроде: "применение нового пороха позволяет снизить дульное давление и уменьшить отдачу на 10-15%", "благодаря наличию газоотводного механизма отдача снижена на 20-25%" и тому подобное. Увы, эти цифры имеют мало общего с реальностью и часто похожи на рекламу мухи, выдаваемой за "большой африканский мух". При этом для измерения величины отдачи используется размерность энергии (Дж, кгс.м), что далеко не всегда корректно отражает реальную, ощущаемую нами отдачу.

Нижеизложенное в первую очередь касается гладкостволок, для нарезного оружия все происходит схожим образом, хотя могут быть и заметные отличия.

Физика из школьного курса:

Для некоторого упрощения наших рассуждений и физической модели процесса будем считать, что оружие в момент выстрела не прижато (прижато очень слабо) к плечу и мы только поддерживаем его руками на весу. На самом деле мы мало погрешим против истины, так как даже если оружие прижато к плечу очень плотно, это слабо сказывается на восприятии отдачи и, главное, никак не отражается на сравнительных результатах, которые нас интересуют при стрельбе из различного оружия различными боеприпасами.

"Сила действия равна и противоположна по направлению силе противодействия" - хорошо знакомый многим третий закон Ньютона. Или по другому - закон сохранения импульса. Пусть есть неподвижное ружье с патронами, если дробь (пуля), а также пыжи и прокладки вместе с ней, общей массой Mдр покинули ствол ружья со скоростью Vдр, затем ствол "покинули" пороховые газы массой Mпор со средней скоростью Vпор, то ружье (с оставшейся гильзой и патронами) массой Мруж с неподвижным стволом (одностволка, двустволка, газоотводка и другие) приобретет в противоположном направлении скорость Vруж, которая легко определяется из формулы.

Мруж x Vруж = Mдр x Vдр + Mпор x Vпор

Так как до выстрела оружие было неподвижно и общий импульс (произведение массы тела (или газа) на его скорость) был равен нулю, то после выстрела импульс ружья должен уравнять импульс дроби, пыжей и пороховых газов, чтобы сумма была по-прежнему равна нулю. Причем нам не надо разбираться, каким образом происходили внутренние процессы при выстреле и знать их параметры (давление газов, величину силы трения, длину и диаметр ствола). Есть масса дроби, пыжей, пороховых газов (пороха) и их скорость - тогда произведение массы ружья на его скорость определяется однозначно. Больше пороха и дроби - однозначно больше и импульс ружья. При равной длине стволов, одинаковой сверловке и одинаковых боеприпасах более легкое ружье получит большую скорость, но импульс ружья (произведение массы ружья на его скорость) останется примерно одинаковым для ружей разной массы.

Если быть совсем точным, то очень небольшие различия все же есть. У более легкого ружья начальная скорость дроби (и импульс) будет чуть-чуть меньше, так как чуть большая часть энергии пороха израсходуется на сообщение чуть большей кинетической энергии этому ружью. У газоотводки часть энергии, хоть и очень маленькую, отберет работа механизма перезаряжания. Но все эти различия очень невелики и лежат в пределах 1-1,5%.

После вылета дроби (пули) и истечения пороховых газов мы "останавливаем" ружье своим плечом, прикладывая к нему какую-то силу, эту же силу ощущает и наше плечо (силу отдачи). Произведение средней силы отдачи на время, в течение которого она воздействует, уже называют импульсом силы отдачи, который в нашем случае должен погасить импульс (скорость) ружья до нуля. То есть импульс силы отдачи равен импульсу ружья. Соответственно увеличение массы пороха и (или) дроби в патроне приводит к увеличению импульса (скорости) ружья и, значит, ощущаемой нами отдачи.

Поскольку сила отдачи не является постоянной величиной на всем промежутке времени, можно разбить время взаимодействия на много малых отрезков t и перемножить на среднюю силу, действующих в каждом из них, а потом сложить результаты и получить импульс силы. Этот процесс называется интегрированием, и если нарисовать график силы отдачи во времени, то площадь под графиком как раз будет равна импульсу силы отдачи. А соответствующая формула запишется в следующем виде:

P = Мруж x Vруж = Fотдачи ср x tвозд = Сумма(Fi x ti)

В процессе восприятия отдачи можно условно выделить два этапа. На первом, основном, этапе воздействия происходит "удар" ружья в плечо и гашение большей части импульса и скорости ружья. Сила отдачи при этом достигает максимума. За этот период плечо вместе с верхней частью туловища приобретает некоторую скорость и продолжает двигаться с ружьем назад. Далее, на втором этапе мы "тормозим" плечо с ружьем уже за счет эластичности и определенного напряжения мышц корпуса. Второй этап обычно продолжительнее первого по времени (тем более, если вы относительно легкой комплекции и используете достаточно мощные патроны), и ощущаемая сила отдачи будет невелика, так как основная часть импульса ружья уже была погашена. При стрельбе из нарезного оружия и гладкостволок малых калибров, с небольшим импульсом отдачи, второй этап может быть более коротким и практически незаметным.

Один и тот же импульс силы отдачи можно получить за меньший промежуток времени основного воздействия, имея большее максимальное (и среднее) значение силы отдачи, или за большее время при меньшей максимальной силе отдачи. Очевидно, что во втором случае ощущаемая нами отдача будет меньше.

Таким образом, объективно отдачу в целом (как мы ее понимаем в "бытовом" смысле) характеризует суммарный импульс силы отдачи и, главное, максимальная величина самой силы отдачи. И эти понятия надо четко разделять.

Практические выводы и рекомендации в реальной стрельбе:

При одном типе оружия и одинаковых боеприпасах более легкое ружье получит большую скорость, то есть оно "резче" ударит в плечо, воздействуя на него более короткое основное время. Следовательно и максимальная сила отдачи будет выше, что и подтверждается практикой. Если отдача переносится с трудом, то выход - или более тяжелое ружье, или более "легкие" патроны, или самозарядка с длинным ходом ствола. (Подробнее о длинном ходе ствола ниже).

Более легкое ружье, имея большую скорость, будет обладать и большей кинетической энергией (при одинаковом значении импульса с более тяжелым ружьем, имеющим меньшую скорость), так как энергия пропорциональна скорости в квадрате. То есть значение энергии ружья после выстрела (произведение массы на скорость в квадрате и деленное пополам) может являться определенным критерием силы отдачи, но только при одинаковых типе и конструктивном исполнении ружей.

Например, стоит поставить на ружье резиновый затыльник (тем более мягкий), который несколько увеличит длину хода амортизации ружья при встрече с плечом и "растянет" время воздействия на первом этапе, и сила отдачи уменьшится. Тот же эффект обеспечит, например, и толстая телогрейка со множеством свитеров.

Рекомендация плотно прижимать ружье имеет тот смысл, что заметное воздействие оружия на плечо начинается несколько раньше, еще до вылета снаряда из ствола, несколько увеличивается время основного воздействия и снижается сила отдачи. Но тут нужно не перестараться, излишне напрягая мышцы торса. Чем закрепощенное будет туловище, тем труднее плечу начать "следовать" за прикладом назад, увеличивая ход и "растягивая" время воздействия, и уж никак не следует прислоняться плечом к какому-либо упору (дереву и т.п.) - отбитое плечо вам наверняка будет обеспечено. Поэтому при стрельбе лежа, когда корпус значительно закрепощен, вы быстрее отобьете себе плечо, и пристрелку гладкоствольного оружия лучше производить из положения сидя за столом с опорой под цевье. Также человек большего веса (120кг по сравнению с 70кг - весьма большая разница) объективно, при прочих равных условиях, будет испытывать большую максимальную силу отдачи. Тяжелое плечо и корпус труднее "отбрасывать" назад, и общее время воздействия будет заметно меньше, хотя сама отдача переноситься субъективно может и легче.

Некоторое значение имеет и форма ложи (а также развесовка, положение центра тяжести) оружия. Например, когда приклад является продолжением линии ствола (компоновка "булпап" и похожие), отдача будет восприниматься чуть сильнее.

Как мы видим, сила отдачи, то, как она реально изменяется во времени и воздействует на нас, является не только объективной характеристикой оружия и патронов, но и существенно зависит от нашей комплекции, индивидуальной манеры стрельбы (прикладки оружия, изготовки и позиции) и даже от того, какая на нас одежда.

Влияние на отдачу системы ружья:

Влияние системы (типа) ружья на отдачу может быть весьма заметным, а в некоторых случаях, у самозарядок с длинным ходом (откатом) ствола, просто радикальным.

Сначала рассмотрим процесс отдачи у самозарядного ружья с неподвижным стволом и газоотводным (или инерционным как у ружей фирмы "Бенелли") механизмом. Вначале все происходит, как у обычных "несамозарядок": снаряд с основной частью пороховых газов покидает ствол, ружье (вместе с неподвижным или уже движущимся относительно него затвором) приобретает определенный импульс и скорость и начинает воздействовать на плечо. Примерно в это же время под действием остаточного давления газов в газоотводной камере происходит расцепление затвора со стволом (ружьем) (этот процесс может происходить и с некоторым запаздыванием, после вылета снаряда (пули) из ствола и падения в нем давления, чтобы обеспечить нормальную экстракцию гильзы). И затвор уже движется назад отдельно и несколько быстрее, экстрагируя гильзу. Таким образом, в основное время воздействия ружья на плечо на первом этапе и гашения его импульса затвор может (со своей массой и импульсом) участвовать лишь частично, значительно "растягивая" время погашения своего импульса за счет длинного хода-экстрагирования и перебрасывая его на второй этап.

Учитывая, что масса затвора с тягами составляет примерно 300-350 г, около 10% от массы ружья, соответственно на несколько меньшую (6-8%), но заметную, величину может снизиться и максимальная сила отдачи, но никак не на 20-25%.

Многие склонны приписывать уменьшение отдачи у самозарядных "газоотводок" отводу части пороховых газов, что является неверным. Конечно, импульс отведенных пороховых газов частично "вычитается" из общего импульса и силы отдачи, но этот эффект очень мал, никак не больше 1%. Во-первых, как вы увидите ниже, полный вклад пороховых газов в импульс гладкоствольного ружья и соответственно силу отдачи составляет максимум 10-15%. Во-вторых, отводится около 10% газов (10% от 15% составляет уже 1,5% от общего числа). А эти 1,5% газов, хотя и вычитается из импульса ружья вначале, но они в основном "срабатываются и переходят" в импульс затвора и добавляются позже. И только часть их "теряется" в газосбросных отверстиях газовой камеры и "не участвует" в отдаче.

Особо следует остановиться на самозарядках с длинным ходом ствола (МЦ-21-12, Browning A-5 и т.п.). Нетрудно догадаться, учитывая вышеизложенное, что длинный откат ствола значительно (в разы) увеличивает время воздействия на первом, основном, этапе и примерно во столько же раз снижает максимальную силу отдачи. Можно здесь привести для аналогии и артиллерийские орудия (пушки, гаубицы), где без системы отката ствола опоры просто "вырывало" бы из земли.

Проведем упрощенный расчет. Если у ружья с неподвижным стволом длина хода амортизации на первом этапе составляет (с учетом упругости резинового затыльника ружья, мышц плеча и начала движения плеча назад) около 1,5-2,5 см, то у самозарядки с откатом ствола - 8-9 см (ход ствола) плюс те же 1-2 см. Разница в длине хода амортизации будет отличаться в 4-6 раз. Так как масса ствола у самозарядки составляет примерно половину массы всего ружья, то ствол будет отброшен назад после выстрела примерно с вдвое большей скоростью, чем ружье с неподвижным стволом. Соответственно разница в ходе амортизации в 4-6 раз за счет большей в 2 раза скорости ствола выльется в увеличение времени воздействия уже в 2-3 раза, примерно во столько же раз уменьшится и максимальная сила отдачи.

На первом, основном, этапе "отброшенный" ствол воздействует на ружье (и плечо) через усилие возвратной пружины плюс сила трения тормоза о трубку магазина вплоть до прихода в крайнее заднее положение (примерно, до точки максимальной силы отдачи). Фактически на этом этапе гасится почти весь импульс ствола (ружья), так как плечо, в отличие от выстрела из ружей с неподвижным стволом, значительно меньше отбрасывает назад за счет в несколько раз меньшей силы отдачи.

На втором этапе плечо отчасти воспринимает усилие возвратной пружины ствола минус сила трения тормоза (поэтому получается ступенька), которая досылает ствол обратно вперед. Так как суммарное усилие меньше и ствол досылается вперед с меньшей средней скоростью, то время воздействия на втором этапе значительно (даже в разы) больше. Отдача здесь невелика и практически мы воспринимаем это не как отдачу, а скорее как давление на плечо. Обратите внимание на выстрел из артиллерийского орудия - очень быстрый откат ствола назад и гораздо более медленный накат вперед.

Третий этап означает "силу отдачи в обратном направлении" (во время удара ствола о буфер при доходе вперед). Мы воспринимаем это уже не плечом, а руками как относительно небольшой (мы можем на него даже не обратить внимание) толчок вперед, при этом также отчасти гасится "подброс" ствола вверх.

Четвертым этапом следует добавить, аналогично второму и третьему (но в несколько раз меньшую по величине), отдачу от затвора, который досылает следующий патрон в патронник, но это уже малозначительный этап.

Хотя, казалось бы, общее время отдачи для самозарядки с длинным ходом ствола в несколько раз больше, мы этого даже особо не заметим, так как это время относительно невелико. Более того, такая самозарядка позволяет легче контролировать ружье при выстреле, фактически сразу после прекращения действия отдачи, и значительно быстрее произвести повторное прицеливание (ее значительно меньше отбрасывает назад и вверх). А при стрельбе из ружей с неподвижным стволом мы вынуждены после гашения отдачи больше отвлекаться на возвращение "ушедших под небеса" стволов в плоскость прицеливания.

Конечно, при стрельбе из двустволки, когда всего два выстрела, обычно остается достаточно времени для возврата стволов из "поднебесья" и второго прицельного выстрела, поэтому такой нюанс мы скорее не заметим. Но при стрельбе из самозарядки, например по налетевшей стае гусей, когда стрельба часто ведется "три-пятиплетом", преимущество системы с длинным хода ствола в быстром повторном прицеливании весьма ощутимо.

Порох и дульные компенсаторы, их влияние на отдачу:

Оценим приблизительно вклад пороховых газов в общий импульс отдачи, например ружья 12 калибра. При массе пороха (вылетающих пороховых газов) "Сокол" или "Сунар" в 1,7-2,2 г масса дробового снаряда с пыжами и прокладками составляет в среднем 35-39 г. Скорость дроби при вылете из дула составляет около 370-400 м/с, а средняя скорость истечения пороховых газов (вначале она максимальна, а потом сразу падает по мере падения давления) в первом приближении составит 700-800 м/с, так как максимальная их скорость даже у нарезного оружия (в самом начале истечения, когда дульное давление максимально) обычно составляет 1200-1400м/с.

Если обратиться к формуле в начале статьи и перемножить массы дробового снаряда и пороха на их скорости, то увидим, что импульс пороховых газов и их вклад в отдачу примерно в 7-10 раз меньше импульса дроби, то есть составляют не более 10-15% в импульсе отдачи. Примерно такое же соотношение будет и для пуль (немного меньше масса , но больше начальная скорость) и для гладкостволок других калибров. Поэтому, даже если поставить "идеальный" дульный компенсатор, рассеивающий все пороховые газы вбок и "исключающий" их участие в отдаче, сама отдача снизится максимум на 10-15%, что реально достигается только отчасти, для гладкостволок эффект снижения отдачи вряд ли превышает 5-8%.

У нарезного оружия (особенно для патронов magnum), где отношение массы пороха к массе пули может составлять 1/2-1/3, установка дульного тормоза снижает импульс отдачи на величину до 20-25%, несмотря на большие начальные скорости пули.

Если мы используем более современные пороха, например "Сунар" вместо "Сокола", которые обеспечивают одинаковые начальные скорости при меньших навесках (1,7 г "Сунара" вместо 2,1 г "Сокола", что примерно на 20% меньше), то пропорционально (на 20% от 10-15%), то есть в целом на 2-3% снизится и отдача. Едва ли мы сможем объективно уловить это небольшое уменьшение. И главный эффект от более современных порохов будет заключаться в снижении их воздействия, за счет меньшей массы и зачастую меньшего дульного давления, на дробовой сноп и создания предпосылок для увеличения кучности и равномерности дробовой осыпи.

Короткий ствол - грохочет сильнее, бьет мягче:

Прочно укоренившееся мнение, что чем короче ствол, тем больше отдача, является ошибочным. Обычно приводятся следующие аргументы: при более коротких стволах возрастает дульное давление и увеличивается максимальная и средняя скорость истечения пороховых газов (что абсолютно верно) и поэтому отдача возрастает. А это уже неверно, так как почему-то забывается, что одновременно снижается и скорость дробового снаряда (пули). Хотя снижение скорости дроби (ее импульса и следовательно вклада в отдачу) относительно невелико, но так же невелико и повышение скорости истекающих газов с ростом дульного давления. Разобраться в том, какой эффект (снижение скорости дробового снаряда или повышение скорости пороховых газов) перевешивает во влиянии на отдачу - не очень сложно.

Вначале мы говорили о том, что определить импульс ружья (и отдачи) можно, зная скорости дробового снаряда и среднюю скорость истечения пороховых газов, не вдаваясь во внутреннюю баллистику и ее тонкости. Но тот же импульс ружья и отдачи можно определить, зная график равнодействующей всех сил, действующих на ружье (график величины этой силы от времени). Посчитав площадь под графиком (импульс этой силы), мы получим импульс, который получило ружье.

На ружье действует основная сила (действие равно противодействию), которая действует и на дробовой снаряд и на сами истекающие пороховые газы (сила давления пороховых газов в казенной части, умноженная на площадь сечения ствола). Из этой силы вычитается сила трения дроби и пороховых газов о канал ствола. Ясно, что равнодействующая сила (при прочих равных условиях) будет пропорциональна давлению в казенной части, и зная график давления от времени (и площадь под ним) в более коротком и длинном стволе, можно сказать, как изменятся импульс и отдача.

Всем хорошо знаком график давления пороховых газов в зависимости от точки нахождения дробового снаряда по длине ствола. График величины давления от времени будет иметь похожий вид, но только как бы "смазанный" вправо, что связано с тем, что дробь, разгоняясь в стволе, проходит последующие участки за меньшие промежутки времени. После вылета дроби давление относительно резко падает до нуля, так как "выталкивать" только пороховые газы значительно легче.

Понятно, что в стволах, различающихся только длиной и при одинаковых патронах, график давления (и скорости дроби) вначале будет абсолютно идентичен (ведь не может же дробь и пороховые газы заранее "знать" - долго ли им еще лететь по стволу или нет). Но при более коротком стволе дробь (пуля), естественно, покинет ствол раньше по времени, и давление начнет резко падать до нуля раньше. Соответственно и меньше будет площадь под графиком, что определяет импульс отдачи. Этот эффект очень незначителен даже при переходе от ствола длиной 75 см к 50 см - единицы процентов, так как вклад давления на конечном участке ствола в суммарный импульс очень мал, само давление мало, и время действия мало (разогнавшаяся дробь(пуля) пролетает его очень быстро).

Отчего же так сильно убеждение в повышение отдачи при коротких стволах. Дело в психологии - значительно больший "грохот" истекающих пороховых газов заставляет нас рефлекторно думать, что и отдача соответственно возросла. Наверно именно поэтому также приписывается заметное снижение отдачи более современным порохам с пониженным дульным давлением и несколько отличным звуком выстрела.

Эпилог:

Надеюсь, что "отдача" теперь перестала быть "загадочной незнакомкой", хотя нам суждено воспринимать ее не только через сухие понятия "импульса" и "энергии", массы и типа оружия, но и особенности индивидуальной манеры стрельбы, а также струнками нашей души, невольно вслушиваясь в раскатистые аккорды выстрела.

А. Володаренко