Odrzut broni

Odrzut broni palnej jest zjawiskiem, które towarzyszy oddawaniu strzału. Polega ono na oddziaływaniu broni na strzelca (w przypadku broni ręcznej) w przeciwnym kierunku niż kierunek strzału. Istnieją różne miary tego oddziaływania, na przykład: pęd pocisku (równy pędowi broni), prędkość przemieszczania się broni przy odrzucie swobodnym, albo impuls siły działającej na strzelca. Odrzut wynika z faktu, że pod wpływem spalania prochu strzeleckiego w naboju powstaje bardzo wysokie ciśnienie, które działa nie tylko na pocisk, ale również na broń. Pocisk ma znacznie mniejszą masę niż broń, dlatego uzyskuje znacznie większą prędkość. Jednak broń również przemieszcza się lub oddziałuje na strzelca, albo na nieruchomą podporę.

Odrzut broni jest zjawiskiem trudnym do opanowania.
Odrzut broni jest zjawiskiem trudnym do opanowania.

Odrzut swobodny

Broń w czasie strzału jest zwykle podparta o podłoże, podporę, albo trzymana przez strzelca. Każda z tych sytuacji powoduje jej stabilizację i sprawia, że nie przemieści się ona bezwładnie do tyłu. Jednak w celu zobrazowania zjawiska odrzutu warto rozważyć sytuację, w której broń nie jest w żaden sposób podparta i może swobodnie przemieszczać się pod wpływem strzału. Taką sytuację nazywamy odrzutem swobodnym.

Odrzut broni a zasada zachowania energii

W efekcie spalania prochu strzelniczego zgromadzona w nim energia chemiczna zamienia się na innej postacie energii. Emitowana jest wówczas:

  • energia cieplna,
  • energia akustyczna,
  • energia kinetyczna.

Energia cieplna oraz energia akustyczna powodują straty energii pochodzącej ze spalania prochu. Energia kinetyczna dzieli się na tę, która napędza pocisk i tę, która „napędza” broń (powoduje odrzut broni). Energię kinetyczną oddaną broni również można uznać za stratę energii, ponieważ nie została ona wykorzystana do napędzenia pocisku. Jednak znaczna część energii kinetycznej przekazanej broni jest wykorzystywana do napędu jej automatyki. Dzięki temu następuje samoczynne usunięcie łuski naboju, załadowanie nowego naboju, a często również napięcie (lub wstępne napięcie) mechanizmu uderzeniowego. Cała energia przekazana broni (również ta, wykorzystywana do napędu automatyki) jest odpowiedzialna za odrzut broni.

Powstaje pytanie, jaką część energii kinetycznej ze spalania prochu uzyskuje pocisk, a jaką część uzyskuje broń. Decyduje o tym zasada zachowania pędu.

Odrzut broni a zasada zachowania pędu

Pomińmy na chwilę fakt istnienia automatyki i rozważmy układ dwóch mas: pocisku i broni. Taką sytuację znajdujemy na przykład w pistoletach jednostrzałowych, albo w rewolwerach, w których energia gazów prochowych nie jest wykorzystywana do napędzania mechanizmów.

Zgodnie z zasadą zachowania pędu, pocisk i broń uzyskują taki sam pęd. Sam pęd można opisać wzorem:

P = m ∙ V,

gdzie:
P – pęd,
m – masa,
V – prędkość.

Zasadę zachowania pędu dla pocisku i broni można więc zapisać następująco:

mp ∙ Vp = mb ∙ Vb,

gdzie:
mp – masa pocisku,
Vp – prędkość pocisku,
mb – masa broni,
Vb – prędkość broni.

Masa pocisku oraz broni są zwykle znane, określone przez producentów. Prędkość pocisku można zmierzyć w warunkach strzelnicowych za pomocą specjalnych urządzeń. Informacje o prędkości pocisku z danego naboju są też często dostępne, choć trzeba zwrócić uwagę, czy pomiar tej prędkości został wykonany z lufy o podobnej długości do naszej.

Przykład obliczeniowy

Na przykład, typowy nabój 9×19 Parabellum ma pocisk o masie: 8 g i osiąga prędkość około: 350 m/s. Rozważmy również popularny pistolet: Glock 17, którego masa wynosi: 910 g (w stanie załadowanym, czyli z podpiętym magazynkiem wypełnionym nabojami). Po podstawieniu danych do ostatniego wzoru otrzymujemy prędkość broni równą około: 3 m/s.

Tę wartość można podstawić do wzoru na energię kinetyczną:

Ek = 0,5 ∙ m ∙ V2,

gdzie:
Ek – energia kinetyczna,
m – masa,
V – prędkość.

Broń uzyska wówczas energię kinetyczną około: 4 J, a pocisk energię kinetyczną: 490 J.

Powyższy przykład jest oczywiście pewnym uproszczeniem zjawisk. Został założony odrzut swobodny broni, a ponadto pominięto fakt występowania mechanizmów automatyki broni w rozważanym przykładzie pistoletu. Daje to jednak pewien ogólny obraz proporcji pomiędzy energią pocisku i energią przekazywaną do broni.

Miary odrzutu

Prędkość odrzutu swobodnego oraz jego energia mogą być pewną miarą. Jednak w praktyce broń użytkuje się w taki sposób, żeby odrzut swobodny nie występował. Kiedy broń jest podparta, odrzut broni sprawia, że oddziałuje ona na podporę (na przykład na strzelca) za pomocą siły. Skupimy się więc na tej sile, ale najpierw musimy poznać jedno pojęcie.

Popęd siły

Wprowadźmy pojęcie popędu (nazywanego inaczej: impulsem, impulsem siły, albo popędem siły). Popęd opisuje działanie siły. Intuicyjnie wiemy, że siła działająca dłużej będzie bardziej odczuwalna, niż ta sama sił działająca krócej. Impuls siły będzie więc zależał od wartości siły i wartości czasu, przez który działa. Co do wartości popęd jest równy:

I = F ∙ t,

gdzie:
I – popęd (impuls siły),
F – średnia siła działająca w czasie popędu,
t – czas trwania popędu.

Zgodnie z II. zasadą dynamiki Newtona (zgodnie z jedną z jej postaci) zmiana pędu danego ciała jest równa popędowi siły, która na to ciało działa. Zapiszmy to wzorem:

∆P = I,

gdzie:
∆P – zmiana pędu broni,
I – popęd broni.

Początkowy pęd naszej broni (przed strzałem) był zerowy. Dlatego zmiana pędu (∆P) jest równa ostatecznej wartości pędu, jaką może uzyskać. Wcześniej stwierdziliśmy jednak, że (zgodnie z zasadą zachowania pędu) pęd broni będzie równy pędowi pocisku. Dzięki temu możemy podstawić tutaj równie dobrze pęd pocisku. Rozwińmy więc ostatni wzór w taki sposób, żeby opisywał znane nam wartości.

mp ∙ Vp = F ∙ t,

gdzie:
mp – masa pocisku,
Vp – prędkość pocisku,
F – średnia siłą działająca na broń,
t – czas działania owej siły.

Współczynnik mocy

Popęd (impuls siły) broni stanowi podstawową miarę odrzutu. Możemy ją nazywać pędem pocisku, albo popędem broni.

Wielkość ta doczekała się też specjalnej nazwy: współczynnik mocy. Ta ostatnia nazwa jest wykorzystywana na zawodach strzeleckich, w których premiuje się zawodników strzelających z mocniejszej amunicji. Ma to znaczenie w strzelectwie dynamicznym, gdzie doży odrzut borni utrudnia strzelania i spowalnia wykonywanie zadania strzeleckiego. Jako rekompensatę tego utrudnienia, wprowadza się premię punktową zależną właśnie od współczynnika mocy.

Siła działająca na strzelca

Jeśli chcemy poznać średnią siłę, która działa na strzelca, musimy podzielić wartość popędu przez czas jego występowania. Co ważne, obliczymy w ten sposób średnią wartość siły. W praktyce, siła ta może się zmieniać w czasie, więc jej wartość maksymalna będzie większa od wartości średniej. Jednak siła średnia jest pewną miarą, która pokazuje, jak duży jest odrzut broni.

Skąd wziąć czas trwania impulsu siły? W praktyce, jest to czas trwania wystrzału, a dokładniej, czas przebywania pocisku w lufie. Przydają się tutaj dość zaawansowane symulacje komputerowe, które modelują szereg zjawisk fizycznych i chemicznych zachodzących wewnątrz broni i wewnątrz naboju. W przypadku pistoletów, zwykle jest to czas od 0,2 do 0,8 ms (milisekundy). Znaczenie ma między innymi: długość lufy broni, szybkość spalania prochu, naważka prochu oraz masa pocisku. Co ważne, im krótszy czas, tym większa będzie wartość siły.

Odrzut broni – przykłady

Wróćmy do naszego przykładu: pistoletu Glock 17 i naboju 9×19 mm Para. Pęd naboju wynosi wówczas: 8 g ∙ 350 m/s = 2,8 kg∙m/s. Tyle samo wyniesie więc popęd (impuls siły) naszej broni, a zatem współczynnik mocy.

Przy założeniu, że czas przebywania pocisku w lufie wynosi 0,5 ms, otrzymujemy średnią siłę o wartości: 5600 N. Dla zobrazowania tej wartości, odpowiada ona ciężarowi przedmiotu o masie około 571 kg (ponad pół tony). To bardzo duża siła, jak na trzymany w rękach przedmiot! Na całe szczęście, trwa ona jedynie pół milisekundy, niemal tysiąc razy krócej niż mrugnięcie okiem. Dzięki temu, nie wyrządza nam krzywdy, a jedynie przesuwa nieznacznie broń. Ustaje, zanim zdąży nas przewrócić.

Porównajmy teraz do siebie kilka popularnych nabojów.

  • Typowy nabój 9×19 Para ma energię ponad 500 J i współczynnik mocy około 2,8 kg∙m/s.
  • Większy od niego nabój .45 ACP ma podobną energię, ale przez większą masę pocisku uzyskuje znacznie większy współczynnik mocy, około: 4,2 kg∙m/s. Nabój ten ma lepsze właściwości obalające, ale jednocześnie jest trudniejszy do opanowania i do skutecznego prowadzenia ognia.
  • Słynny nabój rewolwerowy: .44 Magnum w podstawowej wersji ma około 1000 J energii i współczynnik mocy: 5,8 kg∙m/s.
  • Ten sam nabój: .44 Magnum, ale w mocniejszej wersji, ma energię ponad 2000 J i współczynnik mocy: 9,5 kg∙m/s.

Skuteczne prowadzenie ognia z amunicji o dużym współczynniku mocy jest bardzo trudne, a w niektórych przypadkach praktycznie niemożliwe.

Odczuwalność odrzutu

Powyższe wartości pokazują, jak trudnym zjawiskiem jest odrzut broni, szczególnie w strzelectwie dynamicznym, gdzie liczy się szybkość oddawania strzałów. Strzelcy uczą się, jak panować nad odrzutem. Nie jest możliwe całkowitej unieruchomienie broni w czasie strzału, ale można przyspieszać czas, po którym broń powróci na cel. Warto więc zwrócić uwagę na to, jak odczuwany jest odrzut w różnych sytuacjach.

  • Kluczowe znaczenie ma oczywiście masa broni. Im większa jej masa, tym mniejszy będzie odrzut. To dlatego najprzyjemniej strzela się z ciężkich konstrukcji, najlepiej na metalowym szkielecie. Czasami dociąża się broń w sposób sztuczny, na przykład montując obciążenia na szynie akcesoryjnej.
  • Równie ważna jest energia prochu w naboju, zależna od jego ilości i rodzaju. Im bardziej energetyczny nabój, tym silniejszy odrzut. Sportowcy często elaborują specjalną amunicję o małej energii, żeby zminimalizować odrzut broni.
  • Ciekawym czynnikiem jest masa pocisku w naboju. Im cięższy pocisk, tym większą część energii ze strzału przejmuje broń, a więc większy jest jej odrzut. Jednocześnie, większa masa pocisku spowalnia proces strzału, ponieważ pocisk ma większą bezwładność. Dzięki temu strzał jest bardziej rozłożony w czasie. Niektórzy strzelcy odbierają to jako korzystne zjawisko. Twierdzą, że odrzut jest wówczas silny, ale łatwiejszy do opanowania, bardziej przewidywalny. Niektórzy jednak wolą krótkie, silne szarpnięcie, po którym broń szybciej powraca na cel. Stosują wówczas lżejsze pociski.

Odrzut a podrzut

W przypadku broni krótkiej (pistolety i rewolwery) oś lufy znajduje się zwykle powyżej osi przedramienia strzelca. Ta niewspółosiowość powoduje, że część siły odrzutu skierowana jest nie w tył, a w górę. Zjawisko to nazywa się podrzutem broni i jest szczególnie niekorzystne, ponieważ wytrąca broń z celu, kierując ją do góry. To znacznie spowalnia prowadzenie ognia. W broni krótkiej to właśnie podrzut, a nie sam odrzut, jest największym problemem. W celu zmniejszenia podrzutu stosuje się czasami kompensatory podrzutu.

Automatyka pistoletu a odrzut broni

Współczesne pistolety mają ruchomy zamek, który porusza się w górnej części broni i stanowi znaczącą część masy pistoletu. To sprawia, że odrzut jest nieco mniej odczuwalny niż w przypadku rewolwerów. Zamek jest amortyzowany przez mechanizm powrotny, który spowalnia odrzut, a dokładnie jego część, która przypada na masę zamka. Ostatecznie, zamek zatrzymuje się w tylnym położeniu i powraca do przedniego położenia, a więc sumaryczna siła działająca na broń w czasie cyklu pracy pistoletu nie zmienia się. Jednak opóźnienie poruszania się części masy zwiększa komfort strzelania.

Minusem tego zjawiska jest powrót zamka do przedniego położenia. Zamek, zatrzymując się z przodu, uderza o zaczep w szkielecie, powodując „nurkowanie” pistoletu. To z kolei wytrąca pistolet w dół względem celu. Zjawisko to jest jednak wielokrotnie mniej odczuwalne niż odrzut oraz podrzut.

W pistoletach przystosowanych do mniejszej amunicji lufa jest zamontowana nieruchomo względem szkieletu. Jednak modele przystosowane do amunicji 9×19 Parabellum lub większej mają dodatkowe mechanizmy ryglowania lufy, w których w początkowej fazie strzału lufa z komorą nabojową przesuwa się w tył. Powoduje to dodatkowe zmniejszenie odczucia odrzutu.

Urządzenia zmniejszające odrzut broni

Żeby dodatkowo zmniejszyć odrzut broni, stosuje się czasami urządzenia wylotowe. Wykorzystują one:

  • zjawisko oddziaływania gazów prochowych na przeszkodę (urządzenia wylotowe akcyjne),
  • siłę ciągu towarzyszącą wylatującym gazom prochowym po skierowaniu ich w odpowiednią stronę (urządzenia wylotowe reakcyjne),
  • albo obydwa zjawiska jednocześnie (urządzenia wylotowe akcyjno-reakcyjne).

Urządzenia wylotowe przeznaczone do pistoletów niwelują tylko podrzut, który stanowi główny problem w broni krótkiej. Działają one na zasadzie reakcyjnej, ale strumień gazów prochowych jest wówczas skierowany w górę. Warto wspomnieć też o tłumikach huku, które oprócz podstawowego zadania pełnią też rolę kompensatora odrzutu.