趣味物理学
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2.超远程炮击

在第一次世界大战行将结束的时候(1918年),德军炮兵第一次从100km以外用炮弹攻击了对手,当时英法空军频繁告捷,完全限制了德军的空袭,所以德军司令部选择使用发射炮弹的方式突袭距离战争前线110km的法国首都。

这种想法非常新颖,进行如此远距离的炮击可谓史无前例。德军炮兵的这一发明也是非常偶然的。他们意外地发现,在用大口径炮以较大仰角射出炮弹时,射程能够达到40km,而不是以往的20km。原来,如果炮弹以极大的初速度和更大的仰角发射出去时,能够进入更高处的大气层,那里空气稀薄,几乎可以忽略空气阻力,在这种阻力极其微弱的介质中射出的炮弹可以飞行很远的距离,然后才会落地。图29直观地向我们展示出了改变发射的仰角给炮弹飞行的路线带来的差别。

图29 炮弹的飞行距离随炮的射角改变而改变,射角为1时炮弹在p处落地,射角为2时炮弹在p'处落地,射角为3时,由于炮弹进入空气稀薄的平流层,射程立即增加很多倍

这次意外的观察结果为德军的远程大炮奠定了设计基础,大炮成功地制造了出来,德军从115km以外用远程大炮攻击了巴黎,并且在1918年的夏天,向巴黎发射了300多颗这样的炮弹。

后来,人们才知道这种大炮(如图30)的具体参数。

远程大炮拥有一根长34m、宽1m的巨大钢制炮筒;它尾部的壁厚达到40cm。炮身重750t,炮弹重120kg,长1m,宽21cm。所装的火药重150kg,可以在发射时产生5000个大气压,使炮弹以2000m/s的速度发射出去。发射仰角为52°,炮弹射出后会划出一条很大的弧线,它的制高点距离地面40km,也就是说它已经进入了平流层。炮弹从前线发射到巴黎的射程为115km,总共耗时3.5min,其中的两分钟是在平流层飞行的。

图30 德军大炮“巨头”

这就是现代超远程炮的雏形——人类历史上第一门远程大炮的基本情况。子弹(或炮弹)的初速度越大,空气的阻力就越大,这一阻力并不是跟初速度成简单的比例增加,它会以更快的速度增加,以速度的二次方甚至更高次方成比例增加。至于到底是多少次方,主要取决于初速度有多大。