Durchschlagskraft
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Die Durchschlagskraft ist die Fähigkeit eines Impaktors, in einem Medium einen bestimmten Weg zurückzulegen, bevor er gestoppt wird oder sich seine Vortriebskraft und die Bremswirkung des Mediums in einem Gleichgewicht befinden. Diese Fähigkeit wird gemeinhin als Durchschlagskraft oder Durchschlagsleistung bezeichnet, auch wenn es sich um keine Kräfte und Leistungen im Sinne der physikalischen Größen handelt.
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[Bearbeiten] Durchschlagskraft nach Newton
Die zu erwartende Eindringtiefe kann nach Newton unter Vernachlässigung einiger der zahlreichen in der Praxis wirksamen Parameter abgeschätzt werden. Als einzige Parameter werden die Dichte des Mediums, die Dichte des Impaktors und das Verhältnis aus Durchmesser und Länge des Impaktors und somit seine Querschnittsbelastung betrachtet. Es wird auch vorausgesetzt, dass der Impaktor seine Form nicht ändert und dass das Medium ein strukturloses Fluid ist. Die Form des Impaktors und andere aero- und hydrodynamische Effekte beim Verdrängen des Mediums bleiben unberücksichtigt.
Unter diesen Bedingungen dringt ein Impaktor so viele Male seiner eigenen Länge in ein Medium ein, wie seine Dichte im Verhältnis größer ist als die des Mediums. Auf dieser Strecke verdrängt er eine Masse, die seiner eigenen entspricht und überträgt seinen Impuls vollständig an das Medium.
Unter diesen Voraussetzungen spielt die Auftreffgeschwindigkeit keine Rolle. Der Impuls des Impaktors wird durch Verdrängung einer Masse aufgebraucht, deren Wert nach dem Gesetz der Impulserhaltung in einem festen Verhältnis zur Masse des Impaktors und somit einer geschwindigkeitsunabhängigen Größe steht. Zur Veranschaulichung können Billardkugeln angeführt werden, bei denen eine vollständige Impulsübertragung bei frontaler Karambolage ebenfalls unabhängig von der Geschwindigkeit erfolgt. In Festkörpern wird der Impaktor nach Aufbrauchen des Impulses stehenbleiben und sich in Fluiden im allgemeinen durch die Schwerkraft gleichförmig weiterbewegen.
Beim Auftreffen auf einen Festkörper wird bei der Abschätzung davon ausgegangen, dass der Impaktor durch den Druck beim Aufprall die Festigkeitsgrenze des Materials verlustfrei überwindet, so dass auch hier vereinfacht von einer Verdrängung nach den Gesetzen der Fluiddynamik ausgegangen wird.
[Bearbeiten] Durchschlagskraft in der Praxis
Im militärischen Bereich ist die Durchschlagskraft bei der Bekämpfung von gepanzerten Zielen von Bedeutung. Die Zusammenhänge, die die Durchschlagskraft bestimmen, werden bei Geschossen wirksam, die eine Panzerung aufgrund ihrer kinetischen Energie durchdringen. Da die Durchschlagskraft direkt von der Dichte und dem Verhältnis von Länge und Durchmesser abhängt, enthalten zum Beispiel Wuchtgeschosse einen möglichst lang ausgeformten Kern aus einem dichten, harten Material, oder es sind spezielle pfeilförmige, unterkalibrige APFSDS-Geschosse mit Treibspiegel. Als Materialien werden u.a. Wolframcarbid oder abgereichertes Uran (Uranmunition) verwendet, die eine hohe Dichte bei geringer Verformbarkeit aufweisen. Um die Festigkeitsgrenze von Panzerungen zu überwinden, werden sie mit möglichst hoher Mündungsgeschwindigkeit abgefeuert. Zusätzlich zur reinen Impulsbetrachtung nach Newton kann die Durchschlagskraft bei Panzerungen auch mit Hilfe der Panzerformel abgeschätzt werden.
In manchen lockeren, nichthomogenen Medien wie trockenem Sand kann in bestimmten Bereichen der Auftreffgeschwindigkeit die Durchschlagskraft eines Geschosses mit steigender Geschwindigkeit sinken. So liegt die Eindringtiefe eines Geschosses einer Patrone .30-06 in trockenen Sand bei einer Geschwindigkeit von 508 m/s bei 33 cm gegenüber einer Eindringtiefe von 16 cm bei 823 m/s.[1]
Auch die Durchlagswirkung panzerbrechender Waffen mit Hohlladung hängt von der Dichte und der Form des penetrierenden Metallstrahls ab. Bei der Explosion der Ladung entsteht aus der Metalleinlage durch Kaltverformung ein Metallstrahl, der eine möglichst große Länge und Dichte aufweisen sollte. Wegen der hohen Geschwindigkeit des Strahls von bis über 10 km/s ist die Härte des Materials nebensächlich, da bei dieser Auftreffgeschwindigkeit die Fließgrenze jeden Materials überschritten wird. Ausschlaggebend ist somit die Dichte, weshalb u.a. Kupfer und Tantal als Metalleinlage zum Einsatz kommen.
Die Regel nach Newton bestimmt auch, welche Größe Meteoriten haben müssen, um nicht auf die Freifallgeschwindigkeit abgebremst zu werden bevor sie die Erdoberfläche erreichen. Die Dichte von Luft, gemittelt auf die Höhe, in der die Bremswirkung der Atmosphäre Luft einsetzt (ca. 70 km), beträgt etwa 1,75·10-4 g/cm³ . Ein Steinmeteorit mit einem Verhältnis Länge zu Durchmesser von 1:1 und einer typischen Dichte von 3,4 g/cm³ muss demnach eine Größe von mindestens etwa 3,6 Meter haben, um die Erdoberfläche mit einer Geschwindigkeit größer als die Freifallgeschwindigkeit zu erreichen, da das Dichteverhältnis etwas unter 1:20.000 liegt. Eisenmeteoriten mit einer typischen Dichte von 7,8 g/cm³ werden ab einer Größe von etwa 1,5m nicht mehr auf die Freifallgeschwindigkeit abgebremst.
Spezielle Geschosse wie Bunker Buster können eingesetzt werden, um stark verbunkerte Anlagen zu zerstören. Nach der hier beschriebenen Näherungsformel lässt sich für einen massiven Urankörper (Dichte um 19 g/cm³) von 1 m Länge eine Eindringtiefe von mehr als 6 m in Stein (Dichte etwas mehr als 3 g/cm³) vorhersagen.
[Bearbeiten] Quellen
- ↑ David Harding (Hrsg.), Waffen-Enzyklopädie, Motorbuch Verlag,ISBN=3-613-01488-2, 2. Auflage, 1995, S. 113
[Bearbeiten] Literatur
Die Näherungslösung von Newton für die Durchschlagskraft von Geschossen wird in vielen Standard-Lehrbüchern der Physik behandelt, zum Beispiel in Gerthsen Physik im einführenden Kapitel (Gerthsen Physik, 22. Auflage, Hrsg. Prof. Dr. Dieter Meschede, Springer Verlag, ISBN 3-540-02622-3).
