Aseballistiikka - luodin lentorata
Yleistä
Ballistiikka on lentävien kappaleiden liikeratoja tutkiva dynamiikan sovellettu tiede. Itse
sana ballistiikka tulee kreikan kielen sanasta ba’llein, joka tarkoittaa heittämistä.
Laukaistaessa ampuma-ase, lähtee luoti aseen piipusta suurella nopeudella, pyörien samanaikaisesti
pituusakselinsa ympäri. Luodin ballistiseen lentorataan vaikuttavat sen lennon aikana seuraavat
tekijät; luodin muoto, nopeus, maan vetovoima, ilmanvastus, sää (tuuli, ilman paine, ilman kosteus
jne.), sekä useita luodin lentorataan vaikuttavia muita voimia ja momentteja. Jopa maapallon
pyörimisliikkeellä on oma vaikutuksensa luodin ballistiseen lentorataan.
Aseballistiikka
Aseballistiikan avulla pyritään selvittämään lentävän kappaleen käyttäytymistä lentoradalla. Aseballistiikka
jakautuu seuraaviin alaluokkiin; sisä-, väli-, ulko- ja maaliballistiikka.
1. Sisäballistiikka
Sisäballistiikka tutkii aseen piipun sisällä tapahtuvia ilmiöitä. Sen avulla selvitetään ruudin palamista ja
paineen muodostumista, luodin irtoamista hylsystä, sen pyörimisliikettä ja nopeutta piipun sisällä kiihtyvyys-
ja nopeussuureineen. Teoreettisesti tarkasteltuna kyse on siis huomattavan monimutkaisesta asiasta.
Syttymisvaiheella tarkoitetaan tilannetta, jolloin aseen iskuri iskee nalliin ja sytyttää näin
aloiteräjähdysaineen. Nalli siis sytyttää hylsyn sisällä olevan ruudin (ajopanoksen). Palavan
ruudin ja hapen reagoidessa keskenään syntyy lämpöä ja kova kaasun paine, joka puolestaan saa
luodin irtoamaan hylsystä.
Luoti etenee hylsystä irtoamisen jälkeen aseen piipussa. Sitä työntää eteenpäin aluksi kasvava
ruutikaasun paine, joka pian alkaa laskea. Hylsyyn sijoitetun ruudin (ajopanoksen) määrä pyritään
mitoittamaan niin, että se ehtii palaa loppuun ennen kuin luoti jättää piipun. Mikäli ruutia on
liikaa, se ei ehdi palaa loppuun luodin piippuvaiheen aikana ja se aiheuttaa voimakkaan
suuliekin. Suuliekki puolestaan voi heikentää tuntuvastikin luodin lentovakavuutta.
Luodin ns. piippuvaihe kestää noin 1–3 millisekuntia, jonka aikana luoti saa noin
300–1200 m/s nopeuden. Ruudin palamisenergiasta kuluu luodin liike-energian
aikaansaamiseen n. 30 % ja ruudin palamisen sekä piipun ja luodin lämpöhäviöihin
n. 60 %. Itse lataavassa aseessa kuluu osa panoksen palamisenergiasta vielä liikkuvien
osien rekyylitoimintaan.
Luodin nopeuteen ns. piippuvaiheen aikana vaikuttavat; ruutikaasun paine (ruutimäärä,
palonopeus ja ruudin muoto), luodin paino ja pituus, piipun rihlauksen muoto ja nousu,
piipun rihlojen aiheuttama kiertoliikkeen vastus, kitka piipun rihlan ja luodin vaipan
kosketuspinnassa. Nämä tekijät yhdessä määräävät luodin alkunopeuden (Vo) piipun suulla.
» lue lisää: Ampuma-aseen piippu
2. Väliballistiikka
Väliballistiikaksi kutsutaan ajallisesti hyvin lyhyttä aluetta, joka on luodin jättäessä
aseen piipun. Kuitenkin tänä lyhyenä aikana tapahtuu paljon sellaisia asioita,
joilla on erittäin suuri vaikutus luodin osumatarkkuuteen.
Ennen kuin luoti tulee ulos aseen piipusta, tulee sieltä ulos hyvin suurella nopeudella
erilaisia partikkeleita, savua, kaasuja ja palamattomia ruutihiukkasia. Näiden partikkeleiden
nopeus hidastuu nopeasti ja luoti tunkeutuu niiden lävitse. Kaasuvirtaus on normaalisti
symmetrisesti luodin ympärillä, mutta jos luodin perässä on lommoja tai piipun suussa
sisäpinnalla vaurioita, on kaasumolekyylien nopeus ja samalla luotia poikkeuttava voima
huomattavasti suurempi lommojen puolen luotia.
Kun piippuballistinen osuus alkaa olla ohi ja luoti on jättämässä piipun, on tärkeässä
asemassa piipun kruunaus. On erittäin tärkeää, että luotia piipusta ulos työntävät ruutikaasut
purkautuvat piipun jättävän luodin perässä symmetrisesti. Jos ruutikaasujen paine purkautuu
epätasaisesti, voi ne työntää luodin ei toivottuun asentoon jo heti piippuvaiheen lopuksi.
Tällöin luoti ei vakavoidu ballistiselle lentoradalleen toivotulla tavalla.
Luodin stabiliteetti
Luoti on yleensä staattisesti epästabiili. Sen liikerata voidaan vakavoida piipun rihlojen
avulla. Piipun sisäpinnan rihlapalkit pakottavat luodin pyörimään oman akselinsa ympäri.
Pyörimisliikkeen nopeus puolestaan riippuu aseen rihlanoususta ja luodin nopeudesta. Kun
pyörimisnopeus on oikea, luoti lentää seuraten lentoratansa tangenttia.
» lue lisää: Piippujen rihlaustavat
3. Ulkoballistiikka
Ulkoballistiikassa selvitellään luodin käyttäytymistä sen ballistisella lentoradalla
ennen osumistaan maaliin.
Ilmanvastus
Ilmanvastuksella tarkoitetaan luodin liikettä vastustavaa voimaa, joka muodostuu luodin
pinnan ja ilman välisestä vuorovaikutuksesta. Luodin lentäessä ilmassa se törmää jatkuvasti
ilmamolekyyleihin, jotka aiheuttavat vastustavan voiman. Vastustavan voiman suuruus riippuu
luodin muodosta ja nopeudesta. Lentonsa aikana luoti aiheuttaa ilmaan eräänlaisia shokkiaaltoja.
Shokkiaaltorintaman taakse ja luodin perään jää pyörteinen alue.
Liikkuessaan eteenpäin luoti työntää ilman syrjään lentoratansa tieltä jolloin sen
taakse syntyy tyhjiö. Pyörteet syntyvät ilman virtauksesta muodostuneeseen tyhjiöön. Aerodynaamisesti
edullisin luodin kärkimuoto on terävä suippokärki ja peränmuotona kartio (Boat Tail). Alle äänennopeuden
(330 m/s) lentävällä luodilla perän pyörrevirtaukset muodostavat suuremman vastuksen kuin kärjen vastus.
Nopeusalueella 330 – 1200 m/s liikkuvan luodin kärkimuoto vaikuttaa ilmanvastukseen peränmuotoa enemmän.
Ballistinen kerroin
Ballistinen kerroin (BC = Ballistic Coefficient) ilmaisee luodin kykyä edetä ilmassa.
Mitä aerodynaamisempi on luodin muoto, sitä vähemmän on ilmanvastusta ja sitä suorempi
on luodin lentorata. Mitä suurempi on luodin ballistinen kerroin (lukuarvo) sitä suorempi
eli laakeampi on sen lentorata.
Maanvetovoima
Maanvetovoima, painovoima eli gravitaatio on ilmiö, joka saa kaikki massalliset kappaleet
vetämään toisiaan puoleensa. Luodin lentoradalla, suurin vetovoima on suuren massan omaavan
maanvetovoima, joka pyrkii vetämään ilmassa lentävän luodin maahan. Gravitaatiovakio, jonka
jo vuonna 1687 Isaac Newton julkaisi gravitaatiolaissaan, on 9,81 m/s2. Tämä on siis maan
pinnalla vaikuttava painovoiman kiihtyvyys, ilmoitettuna mittayksikössä.
Hyrrävoima
Hyrrävoima syntyy, kun luoti pyörii hyvin nopeasti akselinsa ympäri. Jos luodin
pyörimisnopeus on tarpeeksi suuri, hyrrävoima pitää sen kärjen suunnan koko ajan
samana. Kun ilmanvastus vaikuttaa luotiin, se pyrkii muuttamaan luodin suuntaa.
Täten luoti liikkuu suoraan tätä voimaa vastaan aiheuttaen kiertoliikkeen.
Presessio (Prekessio)
Presessio tarkoittaa pyörimisakselin kiertymistä. Luodin poiketessa hieman suunnastaan,
vastusvoimien suunta muuttuu. Kun näitä suuntamuutoksia on koko ajan, alkaa luodin kärki
pyöriä akselinsa ympäri. Tätä liikettä kutsutaan presessioksi.
Nutaatio
Presessiosta voidaan erottaa nopeampi liike, jota kutsutaan nutaatioksi. Nutaation
vastusvoima on suurempi johtuen ilman vastuksesta, sillä luoti lentää akselinsa
suuntaisesti vain keskimääräisesti. Nutaatio on käytännössä akselinsa ympäri pyörivän,
rotaatiovakautetun luodin, vähäistä, mutta samalla epäsäännöllistä liikettä. Ilmiön keksi
englantilainen James Bradley vuonna 1728.
Hyrräpoikkeama (spin movement)
Hyrrävoimaksi nimitetään mekaniikan ilmiötä, jonka mukaan nopeasti pyörivä hyrrä pyrkii
vastustamaan akselin asentoon kohdistuvia muutoksia. Aseballistiikassa hyrrävoima pyrkii
vaikuttamaan luodin lentoasentoon. Hyrräpoikkeama kasvaa luodin lentomatkan kasvaessa hyvin
nopeasti johtuen presessiosta ja nutaatiosta. Jos aseen piipussa on oikeakätiset rihlat,
on liikkeen suunta myös oikealle.
Magnus-efekti
Magnus-efekti syntyy, kun luoti pyöriessään akselinsa ympäri ottaa joitain ilmamolekyylejä
mukaansa. Mukaan lähteneet ilmamolekyylit aiheuttavat sen, että ilmanpaine on suurempi
luodin oikealla puolella jos pyörimissuunta on oikealle (eli oikealle kiertyvä piipun
rihlaus). Luoti siis liikkuu vasemmalle, koska siellä on pienempi ilmanvastus.
Poisson-efekti
Poisson-efekti syntyy kun luoti on miltei koko lentomatkansa ajan oman lentoratansa
tangentin yläpuolella. Kun luoti pyörii tämän "ilmapatjan" päällä, niin kitka
aiheuttaa sen siirtymisen oikealle, jos luodin pyörimisnopeus on oikealle.
4. Maaliballistiikka
Maaliballistiikassa tarkastellaan tapahtumia, jolloin luoti osuu maaliin ja lopulta
pysähtyy. Maaliballistiikan avulla voidaan valita haluttuun käyttötarkoitukseen sopiva
luoti, jolla on toivottu iskuenergia, tunkeutuvuus, sirpaloituminen jne.
Luodin nopeuden mittaaminen
Benjamin Robins kehitti vuonna 1742 yksinkertaisen laitteen luodin nopeuden määrittelemisen.
Laitetta kutsutaan ballistiseksi heiluriksi. Heiluri on esimerkiksi hiekalla täytetty
laatikko tai puupölkky, joka riippuu vaakasuorassa asennossa köysien varassa. Luoti
ammutaan vaakasuorassa suunnassa levossa olevaan laatikkoon tai puupölkkyyn, jonka massa
tunnetaan. Luodin osumien seurauksena suuri heilurikappale (laatikko ja puupölkky) heilahtaa
ja sen painopisteen nousu mitataan.
Yksinkertaisin tapa mitata luodin nopeus on käyttää nykyaikaista luodin nopeusmittaria.
Huom!
Aseballistiikka ja luodin lentorataan vaikuttavat tekijät ovat erittäin laaja ja monimutkainen
kokonaisuus. Asiasta on kirjoitettu useita erittäin valaisevia teoksia. Tässä artikkelissa
asiaa valotetaan lyhyesti ja yleisluontoisesti.
Lähdeluettelo
- Messinkihylsyisten keskisytytyspatruunoiden jälleenlataus, Esa Paananen
- Ase-Atlas - Maailman käsiaseet, A. B. Zhuk,1997
- Arma Fennica 1 ja 2, Timo Hyytinen, 1985
- Ase & Erä lehti 6/2008, Aseballistiikkaa metsästäjille, Tapio Suihko
- Rifle bullet trajectories, url: http://www.worsleyschool.net/sience, 7.2.2010
- Ase-lehti, Miksi aseet ovat yksilöitä, Timo Hyytinen
- Aseiden rakenne ja toiminta, Tapio Suihko, 2009
- Sään vaikutukset kivääriammuntaa, Finnish Military Shooting Team Tactics
★ 7.2.2010 (✪ 17.09.2018)