화포의 반동이 생기는 이유는 갱장히 단순하다.
1.화약을 점화한다
2.점화된 화약의 힘으로 탄자를 날린다
3.그 반작용으로 반동이 생긴다
참 쉽죠?
이 현상은 '운동량 보존법칙' 으로 자세하게 서술할 수 있다.
먼저 운동량이 무엇인지 부터 알아보자.
1. 운동량
약실 내 장약이 연소하면 약실 압력(P)이 증가하고, 이는 탄자에 가하는 힘(F)이 된다.
압력(P)*탄자 엉덩이 면적(A)=힘(F)
탄자에 가해지는 힘(F)은 탄자를 가속시키고(F=ma), 자연스럽게 탄자의 속도(v)가 증가하게 된다.(가속도를 시간에 적분하면 속도)
장약은 불타면서 계속해서 탄자에 힘(F)을 가한다. 탄자가 포구를 벗어날 때(t)까지.
탄자가 포구를 벗어나는 데 걸리는 시간(t)만큼 가한 힘(F)의 총량을 운동량(p)이라 함. (소문자 p=운동량, 대문자 P=압력)
그리고 운동량(p)은 다음과 같은 과정으로 속도(v)와 질량(m)의 곱으로 나타낼 수 있다.
이 운동량은 보존이 되려는 성질이 있어, 초기값이 0이면 나중값도 0으로 보존된다.
발사 전 화포의 운동량((mc+mp)v)이 0이라면 발사 후 화포와 탄자의 운동량의 합(mcvc+mpvp)도 0으로 보존된다. (물리학에선 방향이 반대이면 물리량을 - 취급하는 불문율이 있다.)
여기서 화포의 운동량(mcvc)는 탄자의 운동량(mpvp)와 같음을 도출할 수 있고,(mcvc=mpvp)
화포의 운동량(mcvc)에 화포를 고정하는 구조물이 힘을 견디는 시간(tc)를 나눈 값이 우리가 아는 반동(Fc)이 된다.
위와같은 과정으로 우리는 운동량 보존법칙으로 반동을 도출하였다.
2. 화약가스도 질량임!
그런데 사실 우리가 도출한 반동에는 오류가 있다.
알사람은 다 알지만 화포는 포탄만 날리는게 아니다. 화약가스도 내뱉는다.
화약가스는 당연히 질량(m)을 가지고 있고 속도(v)도 가지고 있다.
그러므로 화약가스는 운동량(p=mv)를 가지고 있다.
화약가스의 운동량을 고려해서 식을 수정해 보았다.
여기서 M을 좌측으로 90도 기울인 왠 이상한 기호(시그마)는 화약가스를 이루는 모든 입자들이 가진 00의 총합 이라는 뜻이다. (사실 본래 뜻은 급수인데 초보자들을 위해 그냥 이렇게 정의함)
대략 이렇게 나왔다.
머즐브레이크가 작동되는 원리도 이 식으로 설명할 수 있다.
화약가스의 분사방향을 바꿔서 화포의 운동량을 감소 -> 반동을 감소 라는 매우 단순한 원리이다.
3. 결론
레일건, 정확히는 전자기력을 사용하는 포는 화약가스로 인한 운동량 자체가 없기 때문에 동일한 중량의 탄자를 날리는 화약식 포보다 필연적으로 반동이 적어진다.
물론 머즐브레이크를 잘 설계해서 화약가스 운동량을 잘 제어하면 어느정도 따라잡을 순 있다.
4. 근데 반동이슈는 왜나옴?
단순하다. 목표치가 너무 높기 때문
곰곰히 생각해보자. 실존하는 화포중에 탄속은 2000m/s를 가뿐히 넘고, 사거리는 몇백 km를 찍는 괴물같은 놈들이 있던가?
어라?
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