Können Kanonenkugeln durch Wasser gehen?

In dem kürzlich erschienenen Spielberg/Jackson Tintin-Film gibt es eine Szene, in der die Schiffe von Red Rackham und Captain Haddock kämpfen und Kanonen abgefeuert werden. An einer Stelle wird gezeigt, wie die Kanonenkugel durch eine Welle geht und dem anderen Schiff schweren Schaden zufügt. Ich weiß, dass Kugeln im Wasser haltmachen; können Kanonenkugeln mit ihrem größeren Gewicht mit genügend Kraft weitermachen, um Schaden zuzufügen?

Ich habe nicht die Zeit, eine vollständige Antwort auszuarbeiten, aber im Allgemeinen, ja, würde der Schwung einer Kanonenkugel wahrscheinlich ausreichen, um sowohl eine Welle zu passieren als auch ein Schiff zu beschädigen. Natürlich hängt es von der relativen Größe ab, aber stellen Sie es sich als die Welle vor, die als Schild dient; Der Schwung würde verringert, aber der Ball würde wahrscheinlich nicht anhalten.
Es hängt auch von der Wasserlänge ab, die die Kanonenkugel durchdringt, und von der Form des Projektils: Kugeln sind viel aerodynamischer geformt als Kanonenkugeln.
Denken Sie jedoch daran, dass Schiffskanonen ursprünglich verwendet wurden, um die Masten des anderen Schiffes zu brechen oder seinen Rumpf unterhalb der Wasserlinie zu beschädigen, um es zu versenken.

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Welche Distanz kann eine Kanonenkugel durch Wasser zurücklegen, ohne zu viel kinetische Energie zu verlieren? Für eine Back-of-the-Envelope-Berechnung gehen wir von der Beobachtung aus, dass dieser Abstand mit dem Verhältnis der kinetischen Energie der Kanonenkugel und der auf die Kanonenkugel ausgeübten Widerstandskraft skaliert.

Lassen Sie uns den Radius des Balls mit bezeichnen R , seine Geschwindigkeit durch v , und seine Massendichte durch ρ b a l l . Die kinetische Energie E k gleich 1 2 M v 2 = 2 π 3 ρ b a l l R 3 v 2 .

Die Schleppkraft F d wird von gegeben 1 2 C d ρ w a t e r v 2 EIN = π 2 C d ρ w a t e r v 2 R 2 . Hier, C d bezeichnet den Luftwiderstandsbeiwert für eine Kugel.

Die maximale Entfernung L m a x die von einer Kanonenkugel durchquert werden kann L m a x = E k / F d ist deshalb 4 3 R C d ρ b a l l ρ w a t e r . Für typische Werte ( ρ b a l l ρ w a t e r < 8 und C d > 0,1 , siehe hier ), finden wir L m a x < 100 R .

Mit anderen Worten, eine Kanonenkugel verliert einen Großteil ihrer kinetischen Energie, wenn sie eine Wasserschicht durchquert, die größer als etwa das Fünfzigfache ihres Durchmessers ist.

Die akzeptierte Antwort ist nicht vollständig. Ein Projektil kann sehr lange Distanzen unter Wasser zurücklegen, wenn es superkavitiert .

Ein superkavitierendes Objekt ist ein mit hoher Geschwindigkeit untergetauchtes Objekt, das so konstruiert ist, dass es eine Kavitationsblase an der Nase initiiert, die sich (entweder natürlich oder durch intern erzeugtes Gas verstärkt) über das hintere Ende des Objekts hinaus erstreckt und den Hautreibungswiderstand, der vorhanden wäre, erheblich verringert wenn die Seiten des Objekts in Kontakt mit der Flüssigkeit waren, in die das Objekt eingetaucht ist.

Aufgrund dieses Effekts bewegt sich eine Unterschallpistolenkugel mit runder Nase viel weiter als eine spitze Überschallpistolenkugel unter Wasser.

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