Ballistik
Die Ballistik ist das Gebiet der Mechanik, das sich mit dem Abschuss, dem Flugverhalten und den Aufpralleffekten von Geschossen befasst, insbesondere von Fernwaffenmunition wie Kugeln, ungelenkten Bomben, Raketen oder ähnlichem; die Wissenschaft oder Kunst der Gestaltung und Beschleunigung von Geschossen, um eine gewünschte Leistung zu erzielen. ⓘ
Ein ballistischer Körper ist ein frei beweglicher Körper mit einem Impuls, der Kräften ausgesetzt sein kann, wie z. B. den Kräften, die durch unter Druck stehende Gase aus einem Geschützrohr oder einer Treibdüse ausgeübt werden, der normalen Kraft durch den Lauf sowie der Schwerkraft und dem Luftwiderstand während des Fluges. ⓘ
Ein ballistischer Flugkörper ist ein Flugkörper, der nur während der relativ kurzen Anfangsphase des motorisierten Fluges gelenkt wird und dessen Flugbahn anschließend den Gesetzen der klassischen Mechanik unterliegt; im Gegensatz zu (beispielsweise) einem Marschflugkörper, der im motorisierten Flug wie ein Starrflügler aerodynamisch gelenkt wird. ⓘ
* ohne Reibung (schwarz oben) Wurfparabel freien Falls
* mit Newton-Reibung (grün mitten) sowie
* mit Stokes-Reibung (blau unten) ⓘ
Die Ballistik (altgriechisch βάλλειν bἀllein, deutsch ‚werfen‘) als „Lehre von den geworfenen Körpern“ ist ein Teilbereich der Physik und beschreibt die Vorgänge, die einen Körper betreffen, der sich in einem Schwerefeld und durch ein Medium wie Luft bewegt. In der Raumfahrt wird unter Ballistik oft auch die völlig kräftefreie Bewegung nach den Gesetzen der Himmelsmechanik verstanden, also von allen störenden Kräften abstrahiert. ⓘ
Als angewandte Wissenschaft beschäftigt sich Ballistik mit Form und Verhalten ballistischer Körper während der Phasen von Beschleunigung, Abwurf, Flug und Aufschlag, insbesondere jener aus Waffen verschossener Projektile. ⓘ
Geschichte und Vorgeschichte
Die frühesten bekannten ballistischen Geschosse waren Steine und Speere sowie der Wurfstab. ⓘ
Die ältesten Belege für mit Steinen gespickte Geschosse, die möglicherweise mit einem Bogen (z. B. Atlatl) angetrieben wurden, wurden vor etwa 64 000 Jahren in der Sibudu-Höhle im heutigen Südafrika gefunden. Die ältesten Belege für die Verwendung von Bögen zum Schießen von Pfeilen stammen aus der Zeit vor etwa 10.000 Jahren; sie basieren auf Pfeilen aus Kiefernholz, die im Ahrensburger Tal nördlich von Hamburg gefunden wurden. Sie hatten flache Rillen an der Basis, was darauf hindeutet, dass sie mit einem Bogen geschossen wurden. Der älteste bisher gefundene Bogen ist etwa 8.000 Jahre alt und wurde im Holmegård-Sumpf in Dänemark gefunden. ⓘ
Das Bogenschießen scheint mit der Tradition der arktischen Kleingeräte vor etwa 4 500 Jahren nach Amerika gekommen zu sein. ⓘ
Die ersten als Gewehre identifizierten Geräte tauchten um 1000 n. Chr. in China auf, und im 12. Jahrhundert verbreitete sich die Technologie im übrigen Asien und im 13. ⓘ
Nach Jahrtausenden empirischer Entwicklung wurde die Ballistik erstmals von dem italienischen Mathematiker Niccolò Tartaglia im Jahr 1531 erforscht und weiterentwickelt, wobei er weiterhin die vom griechischen Philosophen Aristoteles und von Albert von Sachsen eingeführten Segmente der geradlinigen Bewegung verwendete, allerdings mit der Neuerung, dass er die Geraden durch einen Kreisbogen verband. Galilei stellte 1638 das Prinzip der zusammengesetzten Bewegung auf und nutzte es, um die parabolische Form der ballistischen Flugbahn abzuleiten. Die Ballistik wurde von Isaac Newton mit der Veröffentlichung von Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica im Jahr 1687 auf eine solide wissenschaftliche und mathematische Grundlage gestellt. Damit wurden mathematische Gesetze der Bewegung und der Schwerkraft aufgestellt, die es erstmals ermöglichten, Flugbahnen erfolgreich vorherzusagen. ⓘ
Das Wort Ballistik stammt aus dem Griechischen βάλλειν ballein, was "werfen" bedeutet. ⓘ
Projektile
Ein Projektil ist jedes Objekt, das durch die Ausübung einer Kraft in den (leeren oder nicht leeren) Raum geschleudert wird. Obwohl jedes Objekt, das sich durch den Raum bewegt (z. B. ein geworfener Baseball), ein Projektil ist, bezieht sich der Begriff meist auf eine Fernkampfwaffe. Zur Analyse der Flugbahn von Geschossen werden mathematische Bewegungsgleichungen verwendet. ⓘ
Beispiele für Projektile sind Kugeln, Pfeile, Geschosse, Artilleriegranaten, flügellose Raketen usw. ⓘ
Projektil-Werfer
Werfen
Werfen ist das Abschießen eines Projektils mit der Hand. Obwohl auch einige andere Tiere werfen können, ist der Mensch aufgrund seiner hohen Geschicklichkeit und seines guten Timings ein besonders guter Werfer, und man geht davon aus, dass es sich dabei um eine evolutionäre Eigenschaft handelt. Belege für das menschliche Werfen reichen 2 Millionen Jahre zurück. Die Wurfgeschwindigkeit von 90 mph, die viele Athleten erreichen, übertrifft bei weitem die Geschwindigkeit, mit der Schimpansen Gegenstände werfen können, die bei etwa 20 mph liegt. Diese Fähigkeit spiegelt die Fähigkeit der menschlichen Schultermuskeln und -sehnen wider, Elastizität zu speichern, bis sie benötigt wird, um einen Gegenstand zu befördern. ⓘ
Schleuder
Eine Schleuder ist eine Projektilwaffe, mit der in der Regel ein stumpfes Projektil wie ein Stein, Ton oder eine Bleikugel geworfen wird. ⓘ
Eine Schleuder hat eine kleine Wiege oder Tasche in der Mitte von zwei Schnüren. Der Schleuderstein wird in die Tasche gelegt. Der Mittelfinger oder Daumen wird durch eine Schlaufe am Ende der einen Schnur gesteckt, und eine Lasche am Ende der anderen Schnur wird zwischen Daumen und Zeigefinger platziert. Die Schlinge wird in einem Bogen geschwungen, und die Lasche wird in einem bestimmten Moment losgelassen. Dadurch wird das Projektil freigegeben und fliegt zum Ziel. ⓘ
Bogen
Ein Bogen ist ein biegsames Stück Material, das aerodynamische Projektile, die Pfeile, verschießt. Eine Sehne verbindet die beiden Enden, und wenn die Sehne zurückgezogen wird, werden die Enden der Stange gebogen. Wenn die Sehne losgelassen wird, wird die potenzielle Energie des gebogenen Stocks in die Geschwindigkeit des Pfeils umgewandelt. Bogenschießen ist die Kunst oder der Sport, Pfeile mit Bögen zu schießen. ⓘ
Katapult
Ein Katapult ist ein Gerät, das dazu dient, ein Projektil ohne die Hilfe von Sprengkörpern über eine große Entfernung zu schleudern - insbesondere verschiedene Arten von antiken und mittelalterlichen Belagerungsmaschinen. Das Katapult wird seit der Antike verwendet, da es sich als eines der wirksamsten Mittel in der Kriegsführung erwiesen hat. Das Wort "Katapult" stammt aus dem Lateinischen catapulta, das wiederum aus dem Griechischen καταπέλτης (katapeltēs) stammt, das wiederum aus κατά (kata), "gegen" und πάλλω (pallō), "werfen, schleudern" besteht. Katapulte wurden von den alten Griechen erfunden. ⓘ
Geschütz
Ein Geschütz ist eine in der Regel röhrenförmige Waffe oder ein anderes Gerät zum Abfeuern von Projektilen oder anderen Materialien. Das Projektil kann fest, flüssig, gasförmig oder energetisch sein und kann frei sein, wie bei Kugeln und Artilleriegranaten, oder gefangen, wie bei Taser-Sonden und Walfangharpunen. Die Art des Wurfs variiert je nach Konstruktion, erfolgt aber in der Regel durch die Wirkung von Gasdruck, der entweder durch die schnelle Verbrennung eines Treibstoffs erzeugt oder durch mechanische Mittel komprimiert und gespeichert wird und auf das Projektil in einem offenen Rohr in der Art eines Kolbens wirkt. Das eingeschlossene Gas beschleunigt das bewegliche Geschoss über die Länge des Rohrs und verleiht ihm eine ausreichende Geschwindigkeit, um die Bewegung des Geschosses aufrechtzuerhalten, sobald die Wirkung des Gases am Ende des Rohrs oder der Mündung aufhört. Alternativ kann die Beschleunigung auch durch die Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes erfolgen; in diesem Fall kann auf das Rohr verzichtet und durch eine Führungsschiene ersetzt werden. ⓘ
Ein Waffentechniker oder Waffenschmied, der die wissenschaftlichen Grundsätze der Ballistik bei der Entwicklung von Patronen anwendet, wird oft als Ballistiker bezeichnet. ⓘ
Rakete
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Eine Rakete ist eine Rakete, ein Raumfahrzeug, ein Flugzeug oder ein anderes Fahrzeug, das von einem Raketentriebwerk angetrieben wird. Die Abgase von Raketentriebwerken werden vollständig aus Treibstoffen gebildet, die vor dem Einsatz in der Rakete mitgeführt werden. Raketentriebwerke funktionieren durch Aktion und Reaktion. Raketentriebwerke treiben Raketen vorwärts, indem sie ihre Abgase extrem schnell nach hinten schleudern. ⓘ
Obwohl sie bei niedrigen Geschwindigkeiten vergleichsweise ineffizient sind, sind Raketen relativ leicht und leistungsstark und können große Beschleunigungen erzeugen und mit angemessener Effizienz extrem hohe Geschwindigkeiten erreichen. Raketen sind nicht auf die Atmosphäre angewiesen und funktionieren sehr gut im Weltraum. ⓘ
Raketen für militärische und Freizeitzwecke gibt es mindestens seit dem 13. Jahrhundert in China. Eine nennenswerte wissenschaftliche, interplanetarische und industrielle Nutzung erfolgte erst im 20. Jahrhundert, als die Raketentechnik die Grundlage für das Weltraumzeitalter bildete und sogar den Mond betrat. Heute werden Raketen für Feuerwerkskörper, Waffen, Schleudersitze, Trägerraketen für künstliche Satelliten, die bemannte Raumfahrt und die Erforschung des Weltraums verwendet. ⓘ
Chemische Raketen sind die gängigste Art von Hochleistungsraketen und erzeugen ihre Abgase in der Regel durch die Verbrennung von Raketentreibstoff. Chemische Raketen speichern eine große Menge an Energie in einer leicht freisetzbaren Form und können sehr gefährlich sein. Durch sorgfältige Planung, Prüfung, Konstruktion und Nutzung werden die Risiken jedoch minimiert. ⓘ
Teilbereiche
Die Ballistik wird häufig in die folgenden vier Kategorien eingeteilt:
- Innenballistik - Untersuchung der ursprünglichen Beschleunigungsvorgänge von Geschossen
- Übergangsballistik - die Untersuchung von Projektilen beim Übergang in den kraftlosen Flug
- Außenballistik - Untersuchung der Flugbahn des Geschosses (Flugbahn) im Flug
- Endballistik - Untersuchung des Geschosses und seiner Auswirkungen am Ende seines Fluges ⓘ
Innenballistik
Die Innenballistik (auch Innenballistik), ein Teilgebiet der Ballistik, befasst sich mit dem Antrieb eines Geschosses. ⓘ
Bei Schusswaffen umfasst die Innenballistik die Zeit von der Zündung des Treibladungsmittels bis zum Austritt des Geschosses aus dem Waffenrohr. Die Untersuchung der Innenballistik ist wichtig für Konstrukteure und Benutzer von Feuerwaffen aller Art, von Kleinkalibergewehren und -pistolen bis hin zu High-Tech-Artillerie. ⓘ
Bei raketengetriebenen Geschossen umfasst die Innenballistik den Zeitraum, in dem ein Raketentriebwerk für Schub sorgt. ⓘ
Übergangsballistik
Die Übergangsballistik, auch Zwischenballistik genannt, befasst sich mit dem Verhalten eines Geschosses vom Austritt aus der Mündung bis zum Druckausgleich hinter dem Geschoss und liegt damit zwischen der Innenballistik und der Außenballistik. ⓘ
Außenballistik
thumb|Schlierenbild eines frei fliegenden Geschosses, das die Luftdruckdynamik um das Geschoss herum demonstriert. ⓘ
Die Außenballistik ist der Teil der Ballistik, der sich mit dem Verhalten eines nicht angetriebenen Geschosses im Flug beschäftigt. ⓘ
Die Außenballistik wird häufig mit Feuerwaffen in Verbindung gebracht und befasst sich mit der antriebslosen Freiflugphase des Geschosses nach dem Austritt aus dem Waffenrohr und vor dem Auftreffen auf das Ziel, sie liegt also zwischen der Übergangsballistik und der Endballistik. ⓘ
Die Außenballistik befasst sich jedoch auch mit dem Freiflug von Raketen und anderen Geschossen wie Kugeln, Pfeilen usw. ⓘ
Endballistik
Die Endballistik befasst sich mit dem Verhalten und den Auswirkungen eines Geschosses, wenn es sein Ziel trifft. ⓘ
Die Endballistik ist sowohl für kleinkalibrige Geschosse als auch für großkalibrige Geschosse (aus der Artillerie) relevant. Die Untersuchung von Einschlägen mit extrem hohen Geschwindigkeiten ist noch sehr neu und wird bisher hauptsächlich bei der Konstruktion von Raumfahrzeugen angewandt. ⓘ
Anwendungen
Forensische Ballistik
Die forensische Ballistik umfasst die Analyse von Geschossen und Geschosseinschlägen zur Ermittlung von Informationen, die für ein Gericht oder einen anderen Teil eines Rechtssystems von Nutzen sind. Unabhängig von ballistischen Informationen werden bei der Untersuchung von Schusswaffen und Werkzeugmarken ("ballistischer Fingerabdruck") Schusswaffen, Munition und Werkzeugmarken analysiert, um festzustellen, ob eine bestimmte Schusswaffe oder ein bestimmtes Werkzeug bei der Begehung eines Verbrechens verwendet wurde. ⓘ
Astrodynamik
Astrodynamik ist die Anwendung von Ballistik und Himmelsmechanik auf die praktischen Probleme der Bewegung von Raketen und anderen Raumfahrzeugen. Die Bewegung dieser Objekte wird in der Regel anhand der Newtonschen Bewegungsgesetze und des Newtonschen Gesetzes der universellen Gravitation berechnet. Sie ist eine Kerndisziplin bei der Planung und Steuerung von Raumfahrtmissionen. ⓘ
Geschichte und Fachgebiete
Als „Vater“ der Ballistik gilt der Italiener Nicolo Tartaglia (~1499–1557). Sein Schriftwerk Nova Scientia war eine der am häufigsten zitierten Schriften in den Werken nachfolgender Gelehrter zur Bestimmung der Flugbahn von Geschossen. Er war jedoch nicht der erste, der sich hiermit befasste. Weitere bekannte zeitgenössische Gelehrte waren Daniel Sandtbech und Sebastian Münster. Allerdings gelang es keinem der frühen Gelehrten eine Formel zur Bestimmung einer Wurfparabel zu formulieren. Gemäß der zu jener Zeit immer noch gängigen Impetustheorie von Aristoteles ging man nicht von einer parabelförmigen Flugkurve aus, sondern von einer näherungsweise sägezahnförmigen Bahn, weshalb sich die frühen Ballistiktheoretiker auf Formeln zur Berechnung von trigonometrischen Figuren beschränkten. Erst durch Forschungen zu astronomischen oder geographischen Berechnungen und vor allem die Forschungen zur Gravitationskraft durch Galileo Galilei, Isaac Newton und Leonhard Euler wurden hier wichtige Entwicklungsschritte möglich. ⓘ
In ihrem militärischen Zweig war die theoretische Ballistik lange Zeit hauptsächlich Inhalt des Lehrstoffes an Artillerieakademien. Tatsächlich war jedoch das praktische Erfahrungswissen der Artilleristen im Feld besser geeignet. Vor allem in der Frühphase der Ballistik profitierten viel eher die Gelehrten, wie Nicolo Tartaglia, von dem Erfahrungswissen der Artilleristen als umgekehrt. ⓘ
Die Artillerieballistik bildet die Grundlage der Artillerie- und Raketenwaffen. Des Weiteren ist sie zentraler Bestandteil der Raumfahrtphysik. ⓘ
Insbesondere werden in der Ballistik die Vorgänge beschrieben, die aus einer Waffe verschossene Projektile betreffen. Hierbei werden folgende Unterbereiche angesprochen:
- Innenballistik: Vorgänge im Lauf und Patronenlager einer Waffe beim Abschuss eines Projektils
- Abgangsballistik: Vorgänge an der Laufmündung einer Waffe beim Schuss
- Außenballistik: Vorgänge während des Fluges am Projektil, welches verschossen wurde
- Zielballistik: Wirkung des Projektils im Ziel (insbesondere Wundballistik)
- Raketenballistik: Vorgänge während des Fluges einer Rakete ⓘ
Untersuchungsgebiete
Zentrales Untersuchungsgebiet ist die ballistische Kurve, deren Idealisierung die Wurfparabel ist. ⓘ
Daneben untersucht sie zusammen mit der Sprengstoffchemie und Pyrotechnik die Interaktionen zwischen Geschoss, Ausstoßladung (bzw. im militärischen Sprachgebrauch Treibladung) und Schussvorrichtung (Rohr). Da Geschosse außer pyrotechnisch auch mit Druckluft oder anders geschossen werden, sind allgemeine Ergebnisse der Hydrodynamik ausschlaggebend, sowie der Fluiddynamik in der Untersuchung der Vorgänge während des Abschusses und während des Fluges. ⓘ
Wichtige thermodynamische Aspekte sind:
- Geschossenergie
- Mündungsenergie
- Auftreffenergie
- Gasdruck und spezifische Energie der Treibladung
Wichtige pyrotechnische Aspekte sind:
- Ladedichte
- spezifisches Schwadenvolumen
- Detonationsgeschwindigkeit
- sowie die Rohrgeometrie und insbesondere der Zug, der den Drall erzeugt, um die Flugbahn zu stabilisieren. ⓘ
Von einer ballistischen Rakete spricht man, wenn diese im Unterschied zum aerodynamischen Flug eine ballistische Kurve fliegt, was bei gegebener Menge an Treibstoff theoretisch und praktisch die höchste effektive Reichweite ergibt. Hierbei wird die Rakete nur in der Antriebsphase direkt nach dem Start beschleunigt und fliegt dann anschließend antriebslos (wenn auch nicht ungesteuert) wie ein Geschoss weiter. ⓘ