Wäre ein Projektil (Pfeil, Kugel) mit Löchern in seiner Länge schneller und hätte eine größere Reichweite?

Wenn eine Pfeilspitze oder die Patrone einer Waffe Löcher vom vorderen spitzen Teil durch den hinteren Teil gebohrt hätte, würde es helfen? Leichter wäre es auf jeden Fall. Für einen Pfeil könnte man einfach ein hohles Rohr mit einer geschärften Front abfeuern?

Ich denke auch, dass der Luftwiderstand geringer ist?

Würde dies die Runde nicht schneller machen und sie weiter reisen lassen? Wäre es stabil?

Warum werden solche Dinge gemacht?

Antworten (4)

Der Luftwiderstand wird höher und das Verhältnis von Masse zu Luftwiderstand würde sich auf beiden Seiten des Bruchs verschlechtern.

Der Luftwiderstand wird durch Reibung (und Auftriebserzeugung, aber ich würde das als geringfügig betrachten, oder wir würden nicht von Projektilen, sondern von Segelflugzeugen sprechen) verursacht. Die Reibung ist proportional zum dynamischen Druck (Dichte mal Geschwindigkeit zum Quadrat, dividiert durch zwei) und der Oberfläche. Indem Sie ein Loch bohren, vergrößern Sie die Oberfläche! Jetzt strömt etwas Luft durch das Projektil, anstatt es ausschließlich zu umgeben. Wenn das Projektil schlank ist, wird das Loch im Verhältnis zu seiner Länge klein sein und Reibung wird die Luft so stark verlangsamen, dass die Strömung durch dieses rohrartige Loch fast aufhört. Jetzt wird das fast verstopfte Rohr eine viel geringere Strömungsgeschwindigkeit und folglich einen geringeren Reibungswiderstand erfahren.

Aber es ist immer noch am besten, Löcher überhaupt zu vermeiden.

Jetzt hat Rick eine Simulation an einem Eckfall durchgeführt: Ein sehr stumpfes Projektil mit einem massiven Loch, das sich mit einer nicht wirklich kugelähnlichen Geschwindigkeit von 1 m/s bewegt. In diesem Fall erhalten Sie einen anständigen Fluss durch die Mitte, was dazu beiträgt, den Basiswiderstand zu verringern. Im Pfeil Ihrer Frage funktioniert dies nicht, da Reibungsverluste im Langloch keinen großen Massenstrom zulassen und sich der Basiswiderstand nicht wesentlich ändert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Verfolgen des Projektils mit dem Boot viel effektiver bei der Reduzierung des Basiswiderstands ist.

Das macht Sinn, ich wusste, dass die Reibung zunehmen würde, aber ich hätte nicht gedacht, dass es so drastisch sein würde. Der Teil, wo Reibung die Luft verlangsamt und das Loch blockiert, ist im Grunde wie der aerodynamische Effekt einer Pickup-Ladefläche? Eine Luftblase verursachen, die Luft darüber gleiten lässt, was tatsächlich die Aerodynamik erhöht?
Die Reibung aufgrund der Trägheit ist proportional zur Stirnfläche , nicht zur Oberfläche. Das Bohren eines Lochs würde also die Frontfläche verringern und dadurch den Trägheitswiderstand verringern. Ihre Schlussfolgerung ist jedoch immer noch richtig, da die Hautreibung / der viskose Widerstand tatsächlich die Durchflussrate durch das Projektil begrenzen würde, wodurch der ausgeschnittene Bereich immer noch teilweise zum Frontbereich zählt. Immer noch eine Nettoabnahme des Luftwiderstands, aber sicherlich eine viel geringere Abnahme als die Abnahme der Masse.
@Rick: Komm schon - die Reibung wird steigen. Die "Reduzierung" der Stirnfläche wird durch den schlechteren Luftwiderstandsbeiwert der neuen Form mehr als kompensiert. Es wird keine Netto-Verringerung des Luftwiderstands geben! Der Widerstand steigt, egal was passiert, wenn diese Löcher hinzugefügt werden.
@oxide7: Wenn die Löcher klein sind, ist auch der Effekt klein. Bei einem fast verstopften Rohr ist der Luftmassenstrom, der im Loch gebremst wird, gering. Der meiste Luftwiderstand resultiert in diesem Fall aus dem sogenannten Überlaufwiderstand . Kürzere und breitere Löcher können jedoch viel zum Gesamtreibungswiderstand beitragen - sehen Sie sich die Kühler an alten Kolbenflugzeugen an, die manchmal für ein Drittel des Gesamtwiderstands verantwortlich waren.
@PeterKämpf Wenn Sie Formen mit konstantem Volumen vergleichen, stimme ich zu. Wenn Sie Formen mit demselben Äußeren vergleichen, hängt es wirklich von der Geometrie ab. Ich bin mir sicher, dass es einen größeren Luftwiderstand hätte, wenn Sie das Hundespielzeugprojektil in meine Antwort eintragen würden.
Tatsächlich ist der von Ihnen erwähnte Überlaufwiderstand genau der zusätzliche Widerstand, der durch das Auffüllen des Lochs erzeugt wird und verhindert, dass so viel Masse durch es fließt. Wie auch immer, ich habe eine schnelle Simulation durchgeführt, um den Luftwiderstand eines Projektils mit und ohne Loch zu vergleichen, und das Projektil mit dem Loch hatte einen verringerten Luftwiderstand.
Abgesehen vom Luftwiderstand möchte ich darauf hinweisen, dass bei hohen Geschwindigkeiten turbulente Strömungen relevant sein können. Ich denke, es würde den Pfeil verlangsamen (die Energie würde bei der Wirbelbildung umgekehrt).

Tatsächlich ist es wahrscheinlicher, den relativen Effekt des Luftwiderstands zu erhöhen.

Stellen Sie sich gleiche Widerstandskräfte auf zwei Objekte unterschiedlicher Masse vor.

Die Beschleunigung aufgrund dieser Kraft auf das massive Objekt ist geringer als bei dem weniger massiven Projektil.

Der Teil, an dem es schwierig werden würde, besteht darin, zu berücksichtigen, dass Sie beim Start des weniger massiven Objekts auch mehr Beschleunigung erhalten. Das Problem ist, dass die Widerstandskräfte mit der Geschwindigkeit im Quadrat skalieren. Selbst unter Berücksichtigung der zusätzlichen Beschleunigung, die Sie der kleineren Masse geben, bedeutet die Tatsache, dass die Widerstandskraft sowohl größer ist als auch mehr Verzögerung verursacht, dass es wahrscheinlich kein besseres Projektil ist.

Sie können immer selbst rechnen, es ist nicht zu schwer, solange Sie nur an einem Punkt Widerstand finden.

Hohlringe können als Projektile verwendet werden. Dieses Hundespielzeug zum Beispiel.

Die Nützlichkeit ergibt sich aus der zulässigen Erhöhung der Stabilität. Projektile werden typischerweise entweder durch Drehen, mit Flossen oder beidem stabilisiert. Flossen wirken, indem sie dem Heck Luftwiderstand hinzufügen (sie erhalten einen großen Schub durch das Auftriebsverhältnis, aber es fügt immer noch Luftwiderstand hinzu). Das Drehen fügt keinen Vorwärtswiderstand hinzu, aber der Rotationsbewegung der Oberfläche wird durch einen gewissen Rotationswiderstand widerstanden, der langsam abnimmt Drehrate. Bei leichten Projektilen kann diese Verringerung des Spins der begrenzende Faktor für die Reichweite sein, da das Projektil instabil wird, sobald die Spinrate zu niedrig wird. Dies kann gelegentlich bei Flugscheiben beobachtet werden, wenn der Fluganfang ruhig ist, dann aber die Scheibe zu wackeln beginnt.

Wo also das Aushöhlen der Mitte ins Spiel kommt, hat ein Ring eine größere Rotationsträgheit als sein massives Gegenstück. Dadurch kann sich das Projektil länger drehen und bleibt daher länger stabil. Dies ist einer der Gründe, warum die Aerobie-Flugscheibe eine größere Reichweite hat als eine typische Flugscheibe.

Aus Sicht des Luftwiderstands haben zwei Objekte mit gleichem Volumen, die beide so geformt sind, dass sie den Luftwiderstand verringern, aber eines einen Luftweg hat, dasjenige ohne Luftweg immer weniger Luftwiderstand (solange beide stabil sind). ) Dies liegt an der notwendigen Oberflächenvergrößerung , die zu mehr Mantelreibung führt .

Wenn Sie jedoch zwei Objekte mit demselben Äußeren betrachten, hat das mit dem Loch von vorne nach hinten manchmal weniger Luftwiderstand. Zum Beispiel habe ich gerade eine schnelle Simulation von zwei kugelähnlichen Objekten durchgeführt, die mit 1 m / s durch die Luft fallen:

Geschwindigkeitsfeld eines Festkörpers

Dies ist das feste Objekt und es hatte einen Luftwiderstand von 0,925 mN

Geschwindigkeitsfeld des Objekts mit Loch

Dies ist das feste Objekt und es hatte einen Luftwiderstand von 0,846 mN

Auf den ersten Blick scheint also ein Loch eine gute Idee zu sein. Das Loch entfernte jedoch auch Masse. Das bedeutet, dass der gleiche Widerstand eine stärkere Verzögerung bewirkt, sodass das Projektil tatsächlich langsamer wird und eine kürzere Reichweite hat.

Zusätzlich erhöht das Loch bei langen und schmalen Geometrien (wie einem Pfeil) den Luftwiderstand tatsächlich:

hohles Pfeilgeschwindigkeitsfeld

Hier hatte der massive 60 cm lange Zylinder mit 1 cm Durchmesser einen Widerstand von 0,127 mN. Die Außenfläche der hohlen Version hatte einen Widerstand von 0,101 mN, aber der Widerstand auf der Innenseite brachte die Gesamtzahl auf 0,138 mN für eine Nettoerhöhung des Widerstands.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Loch verwendet werden kann, um die Stabilität zu erhöhen, aber in den meisten Szenarien verringert es die Geschwindigkeit und Reichweite des Projektils, selbst wenn es gelingt, den Luftwiderstand zu verringern.

Könnten Sie eine davon etwas weiter machen als die beschriebene Runde? Schneiden Sie es nicht in zwei Hälften, fügen Sie einfach 6-8 Löcher auf der Vorderseite hinzu, die sich zum Ende der Runde bewegen?
@ oxid7 Je länger/schmaler die Löcher sind, desto geringer ist der Vorteil, den Sie erhalten würden. Wie Sie aus dem Pfeilbeispiel sehen können, wo das Loch es tatsächlich noch schlimmer macht.
@PeterKämpf Ich wollte die Kugel, die auch in der Frage erwähnt wurde, aber du hast einen guten Punkt. Ich habe ein Pfeilbeispiel hinzugefügt, bei dem der Luftwiderstand tatsächlich zunimmt.
@oxide7 ist für die Frage auch nicht wirklich relevant, aber das Hinzufügen von 6-8 Löchern würde bedeuten, dass es nicht mehr axialsymmetrisch wäre. Dadurch würde die Simulation Stunden statt Minuten dauern, da es sich um eine vollständige 3D-Simulation handeln müsste. Ich bin nicht bereit, so viele Rechenressourcen aufzuwenden, wenn die Antwort am Ende ähnlich wie der Pfeil aussehen würde.
1 m/s ist nicht gerade eine typische Geschwindigkeit für ein Geschoss oder einen Pfeil. Wenn ich mich nicht irre, zeigen Ihre Beispiele nur laminare Strömung. Was, wenn sie sich mit kugelähnlicheren 100 m/s bewegen?

Um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert gab es Bleigeschosse mit durchgehenden Löchern, Torpedogeschosse, und durch die Mitte dieser Projektile wurde ein sehr kleiner Messing- oder Kupferstab eingeführt. Tests zeigten eine starke Verringerung des Widerstandseffekts, da der Niederdruckbereich an der Basis des Geschosses durch die Luft, die durch die Mitte und in den Basisbereich strömte, stark reduziert wurde.

Zu dieser Zeit reichte die Technologie nicht aus, um diese in einer hochpräzisen Form herzustellen, sodass sie nie in die reguläre Produktion gingen. Auf der 1.000-Yard-Linie haben sie jedoch bewiesen, dass sie im Vergleich zu ihren soliden Gegenstücken weniger abfallen und driften und höhere Geschwindigkeiten beibehalten.

Haben Sie Referenzen für diese Daten?
Wäre ein Projektil (Pfeil, Kugel) mit Löchern in seiner Länge schneller und hätte eine größere Reichweite?
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