空気鉄砲の玉が飛ぶ理由

質問

飛ぶ理由は玉と筒との静止摩擦力＜玉にかかる圧力（筒の中の気圧）となると飛ぶと考えています．
そうなると，仮に３０ｃｍの空気を１５ｃｍになって飛ぶ時と１０ｃｍの空気を５ｃｍになって飛ぶ時を比べると玉にかかる圧力は変わらないので，飛ぶ距離は変わらないはずなのに，実際には３０ｃｍの場合の方が明らかに飛んでしまいます．なぜでしょうか？

回答No.5

subarubosi

一言で言えば３０ｃｍの空気を１５ｃｍに圧縮した場合と１０ｃｍの空気を５ｃｍに圧縮する場合は加えるエネルギーが違うでしょう。

という事は持っているエネルギーも違う訳で、玉に与えるエネルギーも違いますから飛距離に差が出るのは納得できると思います。

例えば３０cmを１５cmに圧縮する場合圧縮圧力は０～１気圧分まで変化しますが平均は中間の0,5気圧です。与えたエネルギーは0,5気圧×15cmで表せます。力×距離＝仕事量と言いたい訳です。

また１０cmを５cmに圧縮した場合は同様に0,5気圧×5cmで表せますね。

この二つがそれぞれが持っているエネルギーです。
このエネルギーが全部有効に与えられるとすれば玉が受け取るエネルギーは３倍の差があると言う事です。

上の説明では圧縮前の状態は０気圧と表現しました。加える力がゼロの状態だからです。

回答No.4

HPLC

良くわかりませんが、両者の違いは空気の量ですよね。
弾が銃口を離れた隙間のわずかな隙間が出来たとき銃身の中の圧力が開放されて一気に空気が流れでますよね？その時流れ出る空気の量は違いますよね？流れ出た空気によってわずかに弾が押されるのではないでしょうか。その時に流れ出る空気の量が多い程遠くに飛ぶとか？
昔拳銃から弾が出る瞬間を捉えた超スロー映像を見た事があるのですが、弾が銃口からでるかでないかという時、急激にガスが弾のお尻のところから放射状に広がって噴出すのを見たような気がします。
けど素人考えですので全く自信は無いです（笑）

回答No.3

joshua01

こんにちは。
私もかつて同じ疑問を持ったことがあります。いろいろな要因が絡んでいるはずで、私も詳細な実験をしたわけではないすが、次のような考察ではいかがでしょう。

ポイントとしては、「弾が動き始めてから銃口を離れるまでの圧力低下の違いかな」

まず、ご指摘のとおり、もし、押し棒の押し込む速度が十分遅く、圧力の上昇により静止摩擦を超えた段階で突然摩擦０になるモデルを考えるとき、30cmから15cmへの場合と10cmから5cmへの移動の場合とでいずれも発射圧が2気圧なので差はないとの前提ですね。

　それでも、長さが1cmの弾が発射口の先端にぴったりと埋め込まれているとすれば、15cmの場合は発射完了時（加速終了時）の圧力が15/16に減る程度なのに、5cmの場合は5/6に減りますので、純粋にこの分の差は出ますね。

　ましてや、発射時の空気室は更に小さく（圧力が高く）、仮に同じ４気圧なら、空気室の大きさは約７cmと約１cm。弾が離れる瞬間の気圧の低下の度合いは7/8への低下と1/2への低下の差で、さらに大きな差になるでしょう。

　さらに加えて、弾の尾部が発射口から深さ4cmになるように奧に埋め込んであるならば、弾が銃口を離れる瞬間の圧力は7/11への低下と1/5への低下との比較になり、極めて大きな差になります。（なんと、この場合、短いほうの空気鉄砲は、弾が銃口を離れる瞬間の気圧は4/5気圧で外気圧より低く、弾にブレーキがかかっている）

　おまけに、どうやら、空気鉄砲の弾は、銃口を離れてもしばらくは後方からの圧力を受けているようですので、この場合は空気の総量が大きい方が絶対に有利でしょう。（これは空気を考えず、30cmのバネと10cmのバネ（ただし、目的の大きさに縮めたときに同じ反発力になるよう、バネ定数は異なる）で比較した場合はさらに考えやすそうですね）

さてさて、少々お話を端折ってしまいましたがいかがでしょうか。
こちらも思考実験の域を超えませんが、お役に立てば幸いです。

回答No.2

NAZ0001

銃身の長さが0なら、どちらも変わらないでしょうが。
実際には、銃身の長さの分だけ、圧縮された空気が逃げずに弾を押すわけですし、空気が多いほど、この加速時に圧力を維持できますので。空気が多いほうが初速を得ることが出来ます。

実際のところ、銃身0の場合でも、銃口から出た弾は噴出す空気にある程度押されますので。空気が多いほうが飛びますが。あくまで思考実験ということで。

銃身が長いほど…は、実際の銃/砲でも言えることです。

回答No.1

N64

圧縮された空気の量が多いので、エネルギーも多いと思われます。玉に与えられる運動エネルギーも、それだけ多くなるのではないかと思います。