Ballistik – der Weg der Kugel…

Viele Jäger haben es wohl mal gelernt aber wieder vergessen. Die Ballistik einer Gewehrkugel ist ein sehr interessantes Thema dessen Wichtigkeit gerne mal vergessen geht…

Was ist eigentlich Ballistik?

Die Ballistik ist ein Teilbereich der Physik, der sich mit der „Lehre von geworfenen Körpern“ beschäftigt.

Dabei unterscheiden wir 4 – sagen wir 5 Teilbereiche (warum ich diesen Unterschied mache, erfahren Sie später)

  • Innenballistik – Prozesse in Lauf und Patronenlager während dem Abschuss eines Projektils.
  • Abgangsballistik – Prozesse an der Laufmündung beim Schuss.
  • Aussenballistik – Verhalten des verschossenen Projektils während dem Flug.
  • Zielballistik – Wirkung des Projektils im Ziel.

und eben die fünfte

  • Ballistik des freien Fluges…

Die Innenballistik

Die Innenballistik befasst sich mit den Vorgängen im Patronenlager und im Lauf der Waffe. Wir sprechen also über die ersten Momente nach dem der Schütze den Abzug betätigt hat…

Die Schussauslösung

Nach dem der Schütze den Abzug betätigt hat wird der Schlagbolzen freigegeben und trifft auf das Zündhütchen das sich im Patronenboden befindet. Die schlagempfindliche Anzündladung die sich im Zündhütchen befindet detoniert durch die Energie die der Schlagbolzen mit sich bringt.

Ballistik
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Aufbau einer Patrone

Nach dem im wahrsten Sinne des Wortes ‘der Funke übersprungen ist’ also der Moment in dem die Treibladung (das Pulver) gezündet hat, entstehen durch die Verbrennung innert kurzer Zeit grosse Mengen heisser Verbrennungsgase.

Diese Gase stehen unter hohem Druck und üben eine grosse Kraft auf den Geschossboden aus. Diese Kraft ist abhängig vom Druck und der Geschossfläche (Fläche des Projektils das in die Hülse reicht).

Beispiel

Bei eine Patrone des Kalibers .308 entsteht bei bei der Verwendung einer typischen Laborierung innert 500 ns (Nanosekunden, millionstel Sekunden) ein Druck des 14000 fachen des Volumens der Treibladung, hierbei entsteht ein Temperatur von ca. 2700°C und ein Druck von ca. 3600 Bar.

Da das Geschoss fest im Hülsenmund steckt ist ein gewisser Mindestdruck bzw. eine gewisse Mindestkraft notwendig um es in Bewegung zu setzen, man spricht hier vom ‘Ausziehwiderstand’ der überwunden werden muss. Dieser Widerstand liegt in der Regel zwischen 300 bis 600 Newton. Der Druck in der Patrone erhöht sich solange bis der Ausziehwiderstand überwunden ist und das Geschoss beschleunigt wird.

Die Gegenkraft dieser Beschleunigung wird durch die unter extremem Druck stehenden Gase auf den Hülsenboden übertragen (Actico und Reactico, drittes Newtonsche Gesetz). Diese Kraft nehmen wir als Rückstoss wahr.

Einfüsse auf die Geschossbeschleunigung

Nachdem der Auszugswiederstand überwunden wurde und das Geschoss die Hülse verlassen hat, bewegt es sich einen kurzen Moment ohne Führung des Laufes zwischen dem Patronenlager und dem gezogenen Lauf – der sogenannte Freiflug. Für Wiederlader und Freunde des präzisen Schusses beginnt hier ein wichtiger Moment – die ‘Ballistik des freien Fluges’ mehr dazu später…

Geschosswiderstand

Im grossen und ganzen versteht man unter diesem Ausdruck den Widerstand den das Geschoss der Beschleunigung entgegensetzt.

Dies ist nicht nur die Trägheit des Geschosskörpers es sind auch andere mechanische Widerstände die durch die Geschossbewegung verursacht werden. Den grössten Reibungsverlust findet zwischen Geschoss und Laufwand statt aber auch der Luftwiederstand im Lauf sowie Laufverformungen führen zu Reibung und somit Geschosswiederstand.

Gasdruck

Wie hinlänglich bekannt sein dürfte, wird das Geschoss durch die Verbrennungsgase der Treibladung beschleunigt. Diese Beschleunigung ist nicht linear, da der Druck der Gase über die Zeit nicht konstant ist. Der Druck steigt unmittelbar nach der Zündung auf den Höchstwert und sinkt danach wieder ab bis das Geschoss die Laufmündung passiert.

Das Abbrandverhalten der Treibladung spielt somit eine Entscheidende Rolle.

Um den Gasdruckverlauf an den jeweiligen Waffentyp, Geschosstyp, Geschossmasse oder Lauflänge anzupassen werden in der Praxis Menge und Abbrandgeschwindigkeit der Treibladung angepasst.

Die Abbrandgeschwindigkeit lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Pulvers, die Oberflächenbeschaffenheit und die Form der Pulverkörner verändern.

Verbreitete Formen sind Plättchen, Stäbchen oder Röhrchen mit an den jeweiligen Einsatzbereich angepassten Grössen. Die Abbrandgeschwindigkeit kann auch durch Beschichtung der Pulverkörner etwa mit Graphit beeinflusst werden.

Je glatter die einzelnen Pulverkörner sind, je kleiner ihre Oberfläche und je kleiner die Oberfläche des Pulvers pro Volumeneinheit ist (grobe Körnung), desto langsamer verbrennt das Pulver.

  • Langsamer abbrennende Pulver sind progressive Pulver.
  • Schnell abbrennende Pulver sind offensive Pulver.
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Druck-Zeit Entwicklung des Pulverabbrands

Offensive Pulver kommen zum Einsatz, wenn nur ein kurzer Weg zur Geschossbeschleunigung zur Verfügung steht (Kurzwaffen) oder wenn relativ leichte Geschosse aus einer Langwaffe verschossen werden.

Gasdruck und Geschossmasse

Der Druck, den eine Treibladung erzeugt, hängt auch von der Geschossmasse ab.

Bei gleichem Kaliber setzt ein schweres Geschoss der Expansion der Treibgase durch seine Masseträgheit einen höheren Widerstand entgegen, so dass sich Druck und Temperatur der Treibgase erhöhen, was bei modernen Nitropulvern die Abbrandgeschwindigkeit und damit die Druckentwicklung weiter erhöhen kann.

Ein leichtes Geschoss führt durch seine geringere Trägheit zu einer niedrigeren Druck- und Temperaturentwicklung und so zu einem langsameren Abbrand. Damit kann die Energie der Treibladung unter Umständen weniger effektiv in Geschossenergie umgesetzt werden.

Alte Regeln

Schwere Geschosse werden darum bevorzugt mit Treibladungen aus progressiven Pulvern abgefeuert, umgekehrt werden für leichte Geschosse eher Treibladungen aus offensiven Pulvern verwendet.

Bei kurzen Läufen kommen eher offensive Pulver zum Einsatz, da bei zu langsamer Verbrennung unter Umständen unverbranntes Pulver die Laufmündung verlässt und als Energielieferant verloren geht.

Die Effizienz der Treibladung und deren Energieübertragung auf das Geschoss ist nicht besonders hoch. Nur 20% bis 35% der Energie die die Treibladung erbringen kann wird als kinetische Energie auf das Geschoss übertragen. Die restliche Energie geht durch Wärmeableitung und Restenergie der Treibladung verloren.

Abgangsballistik

Das Geschoss hat auf seinem Weg ins Ziel nun die Mündung des Laufes erreicht, wir schauen uns nun die ballistischen Effekte an die an der Laufmündung in ihrer unmittelbaren Umgebung stattfinden.

Es geht prinzipiell um die Zeitspanne in der das Geschoss den Lauf verlassen hat bis hin zum Punkt an dem der Druck hinter dem Geschoss ausgeglichen ist – sprich dem Druck ausserhalb des Laufes angepasst ist.

Die Übergangszeit

Die Übergangsballistik ist ein sehr komplexes physikalisches Gebiet das eine grosse Anzahl von Variablen beinhaltet, ein Gebiet das nach wie vor nicht vollkommen verstanden wird. Es ist somit keine exakte Wissenschaft…

Wenn das Geschoss das Ende des Laufes erreicht, befinden sich die Verbrennungsgase der Treibladung immer noch unter sehr hohem Druck. Die Beschleunigung des Geschosses hat seinen Höhepunkt erreicht, der Drall hat es in eine Drehung versetzt…

Verlässt das Geschoss nun den Lauf, trifft zwangsläufig erst die vor dem Geschoss gestaute Luftsäule mit immenser Geschwindigkeit auf die relativ unbewegliche Aussenluft – es entsteht der ‘Vor-Mündungsknall’ welcher nicht separat gehört werden kann.

Nun können sich die Gase frei am Geschosskörper vorbei bewegen wobei sie sich in alle Richtungen ausbreiten.

abgangsballistik
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Das Geschoss verlässt den Lauf und die Gase suchen sich ihren Weg

Bei dieser Ausdehnung entsteht der explosive Knall des Schusses – nicht zu verwechseln mit dem Schallknall des Geschosses (Überschallknall). Begleitet wird dieser Moment in vielen Fällen mit dem Mündungsfeuer das entsteht, wenn die restlichen Treibladungsgase mit dem Luftsauerstoff verbrennen.

Der große "Knüppel" der USA - die Schlachtschiffe der Iowa-Klasse | STERN.de
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Dieses Bild hat nichts mit Jagdwaffen zu tun aber es verdeutlicht auf grossartige Weise die Effekte beim Schuss…
© wikiwand.com

Für die Präzision des Schusses sind diese Effekte nicht sonderlich positiv zu bewerten. Der Druck der auf den Hülsenboden wirkt, die Rotation die das Geschoss durch den Drall erfährt führt zu Schwingungen des Laufes. Wenn das Geschoss nun den Lauf verlässt ist dieser zwangsläufig in Bewegung und der Abgangswinkel des Projektils wird verändert. Aus diesem Grund wurde viel Wissen in die Konstruktion von Waffen mit relativ frei- und gleichschwingenden Läufen investiert. Das Ziel hierbei ist das relativ identische Schwingen des Laufes was ein präzises Einschiessen und Justieren der Waffe ermöglicht.

Aussenballistik

Nun kommen wir zur eigentlichen Urform dessen was man als Ballistik bezeichnet: Das Mysterium der Flugeigenschaften des geworfenen oder verschossenen Objektes…

Unterteilte Aristoteles die Flugbahnen noch in die 3 Phasen “geradlinige natürliche Bewegungen” bis zum Scheitelpunkt, mit nachfolgender “gewaltsamer Krümmung” bis hin zum “freiem Fall”, so stellte Isaac Newton in seiner “Klassischen Mechanik” auch für die Ballistik die entsprechenden Grundlagen zu deren Berechnung auf.

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Flugbahn einer Kanonenkugel gemäss erweiterter Impetustheorie
© wikipedia.org

Die Aussenballistik beschreibt im Prinzip die Flugbahn des Geschosses von der Mündung bis zum Ziel.

In dem rasanten Moment der Abgangsballistik wurde das Geschoss in den Turbulenzen der Strömungen und Schwingungen mehr oder weniger durchgeschüttelt.

Ein Geschoss mit Unterschallgeschwindigkeit nimmt nun hoffentlich eine ruhige Flugbahn ein, ein Geschoss mit Überschall muss sich noch einmal auf Turbulenzen einstellen, beim Durchbrechen der Schallmauer.

Nähert sich die Geschwindigkeit des Geschosses der Schallgeschwindigkeit, findet vor dem Objekt eine Überlagerung aller entstandenen Schallwellen statt. In dem Zustand des Übergangs vom Unter- in den Überschall steigt der aerodynamische Widerstand, gegen den das Geschoss ankämpfen muss, erheblich an. Nach Überschreitung des Schalls nimmt dieser Widerstand wieder ab. Die Phase des Übergangs ist als Überschallknall hörbar.

Die Schallgeschwindigkeit wird allgemein bei 330 m/s angesetzt, ist aber Temperaturabhängig. Bei Minus 10° C liegt diese bei 325 m/s, bei Plus 25°C beträgt der Wert ca. 345 m/s.

Faktoren die die Flugbahn beeinflussen

Jeder Gegenstand wird auf der Erde mit der konstanten Erdbeschleunigung von g = 9.81 m/s2 zum Erdmittelpunkt hin beschleunigt und somit angezogen…

Ein wichtiger Faktor hierbei ist der Abgangswinkel den das Geschoss erfährt. Hier am Beispiel eines Tennisballs illustriert:

Abgangswinkel und Distanz
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Abgangswinkel und Distanz

Für schnelle Geschosse besteht durch den Luftdruck ein grosser Einfluss auf die maximale Reichweite.

  • Ohne Luftwiderstand würde ein unter einem Winkel von 45° mit einer Mündungsgeschwindigkeit von 700 m/s abgefeuertes Geschoss etwa 50 km weit fliegen.
  • Leichte Geschosse, wie etwa aus Büchsen, erreichen durch die Einwirkung des Luftwiderstands jedoch nur eine maximale Flugweite von 3 bis 4 km.

Durch die starke Abbremsung erreichen Büchsengeschosse ihre maximale Schussweite nicht beim theoretisch optimalen Abschusswinkel von 45°, sondern bei etwa 30 bis 35° und die noch leichteren Schrotkugeln von Flinten erreichen ihre maximale Flugweite bei Abschusswinkeln von 20 bis 30°.

Auch das Wetter spielt in dieser Phase des Schusses eine nicht geringe Rolle.

Temperatur

Sobald die Temperatur ansteigt, führt dies gleichzeitig auch zu einer geringeren Luftdichte und somit zu einem Reibungsverlust durch den geringeren Luftwiderstand. Letztendlich erhöht sich dadurch die Treffpunktlage. Umgekehrt verhält es sich bei niedrigeren Temperaturen. Bei einer geringeren Aussentemperatur hat die Umgebungsluft eine höhere Dichte, einen grösseren Luftwiderstand und somit eine tiefere Treffpunktlage.

Höhenlage

Dass die Höhenlage einen Einfluss auf die Treffpunktlage hat, ist unumstritten. Verantwortlich hierfür ist ebenfalls der Unterschied des Luftdrucks.

Grössere Höhen haben einen geringeren Luftdruck als die Luftsäule auf Meereshöhe. Dies bedeutet ein Schuss in den Bergen, bei geringerem Luftdruck, unterliegt weniger Reibungswiderstand und die Treffpunktlage wandert nach oben.

Regen

Grundsätzlich ist es so, dass der Regen zu kürzeren Reichweiten führt und somit tiefere Treffer verursacht. Mit dem Regen geht zwangsläufig immer eine höhere relative Luftfeuchtigkeit einher und auch ein veränderter Luftdruck, der sich ähnlich wie die Temperatur und Höhenlage auswirken kann. Manche versuchen dies mit schwereren Geschossköpfen auszugleichen

Wind

Ab einer Schussdistanz von ca. 150m sollten die Effekte die der Wind auf das Geschoss ausübt nicht unterschätz werden. So wie die Windböe am Auto zerrt so zerrt sie am Geschoss.

Alle Geschosse werden vom Wind (10 m/s) seitlich weggetragen. Diese Werte liegen auf einer Schussdistanz von 150 Metern bei weniger als 20 cm (Wind 10 m/s). Wie stark das Geschoss vom Wind beeinflusst wird hängt auch vom ballistischen Koeffizienten ab.

Bedenken wir aber immer, dass das Geschoss durch den Drall des Gezogenen Laufes und die dadurch entstandene Rotation um die Längsachse eine relativ hohe Stabilität im Flug aufweist. Ein Kippen oder Überschlagen ist praktisch ausgeschlossen – so lange keine fremden Kräfte auf das Geschoss einwirken (Äste, Gras in der Flugbahn etc.).

Zielballistik

Das Geschoss hat nun sein Ziel erreicht, was nun geschieht wird mit der Zielballistik beschrieben.

Das zielballistische Verhalten der bei modernen Gewehren eingesetzten Geschosse hängt von der Schussentfernung und der Geschosskonstruktion ab.

Verformt oder splittert sich das Geschoss?

Die Schwere der Zerstörung des Gewebes wird durch die Übertragung der Energie von Geschoss auf den Körper verursacht. Hier gilt, je grösser die abgegebene Energie desto grösser der resultierende Gewebeschaden und damit auch die entstehende Wunde.

Ein Geschoss das verformt kann durch den Verformungsprozess mehr Energie auf das Ziel abgeben, eins das splittert kann gegebenen Falls mehr Schaden an inneren Organen herbeiführen.

Wundballistik

Erstmals 1935 wurde der Begriff der Wundballistik von Callender und French bei der Untersuchung von Geschosswirkungen auf organische Gewebe verwendet. In diesem Teilbereich wird die verletzende Wirkung auf einen Körper untersucht.

Grundsätzlich sind hier die Energieabgabe des Geschosses auf den Körper einer der zentralen Punkte. Die Geschwindigkeit nimmt ab, der Widerstand zu, je nach Geschosstyp deformiert es unter Umständen, was wiederum die Geschwindigkeit noch mehr reduziert.

Der entstehende Schusskanal, auch permanente Wundhöhle, ist als primär als Gewebeschädigung zu sehen.
Wie eine Schockwelle wandert das Geschoss durch den Körper und durch die irreguläre Taumelbewegungen des Geschosses resultiert ein verhältnismässig grosser Gewebsuntergang und Gewebsverlust im Schusskanal.
Daneben entsteht eine temporäre Wundhöhle durch eintretende Gase und die Verdrängungswirkung des Geschosses.

Was passiert im Körper ballistisch gesehen?

Die den Körper durchdringende Schockwelle verursacht eine Kaverne (entstandener Hohlraum in einem Körpergewebe durch einen krankhaften Vorgang).

Der meist ellipsoid gefüllte Bereich bezeichnet den Wundkanal, den das Geschoss beim Durchqueren des Körpers verursacht.

Wird die elastische Haut trichterförmig eingedrückt, so reisst sie zwangsläufig, ein Hautdefekt entsteht. Das darunter liegende Gewebe wird in Schussrichtung beschleunigt, Druckwellen von bis zu 100 bar können resultieren. Durch die rasante plötzliche Dehnung, Scherung und Kompression kommt es zu Rissen im Gewebe, die bis zu 12 Fach grössere Wundhöhle als der Kaliberdurchmesser entsteht. Durch den rasant entstehenden Druck und die ebenso schnell wieder abnehmenden Drücke – in anderen Worten einen Druckausgleich – rückverlagert sich das zuvor verdrängte Gewebe. Es ist nun aber durch die eine Gewebezerstörung gekennzeichnet als Folge der vorherigen Belastung.

Das Volumen des temporären Wundkanals kann bis zu 26 Fach grösser sein als das des permanenten Wundkanals – je nach verwendetem Geschoss, Kaliber und Ziel.

Wundkanal
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Wundkanal-Geschosskaliber 7,62 mm.

Um so höher dabei die abgegebene Energie um so grösser ist der entstehende temporäre Wundkanal und damit auch die zerstörende Wirkung.

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© Archiv Jäger

Die 5. Ballistik

Man spricht hier auch vom Übergangskegel, dem Freiflug oder vom Rotationslosen Geschossweg

Es wohl ein Thema das nur die Wiederlader interessieren mag. Der Moment der Ballistik der 5. Ballistik ist kurz, sehr kurz sogar…

Wir sprechen vom Moment in dem der Gasdruck in der Patrone die Kraft entwickelt hat den Auszugswiederstand zu überwinden und das Geschoss die Hülse verlässt.

Egal ob die Patrone ein Randanlieger, Schulteranlieger, Hülsenmundanlieger oder Gürtelanlieger ist, es gibt eine kurze Distanz zum Lauf, zum Drall.

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© DEVA

Freiflug bedeutet, das Geschoss verlässt die Hülse ohne die Hülse oder den Kegel zu berühren.

Der freie Flug bedeutet also nichts anders wie: das Geschoss tut was es will, es ist führungslos! Dies sollte für den Präzisionsschützen eine rote Linie sein – für den jagdlichen Einsatz einer Munition mag es von weniger Bedeutung sein, aber wenn man schon die Möglichkeit hat dieses Problem anzugehen, sollte man es auch lösen.

Damit das Geschoss schlussendlich trifft muss es ‘mittig und fluchtend vor den Lauf gebracht werden’. Wenn das Geschoss nun auf seinem kurzen Weg in die Freiheit tun und lassen kann was es will, besteht die Möglichkeit das es eben nicht mittig und fluchtend in den Drall eintritt!

Das Lösungswort heisst ‘Setztiefe’…

Mit der Setztiefe meint man den Abstand des Geschossboden zum Hülsenmund. Wenn die Patrone mit dem Eintritt in das Patronenlager die passende Länge aufweist, wird das Geschoss nahtlos an den Drall geführt, der Übergangskegel ist somit nicht mehr vorhanden oder minimal <0.1mm…

Diese Werte und Anpassungen an x-eine Waffe kann nicht mit Munition an der Stange erreicht werden, dies lässt sich nur mit Wiederladen erreichen 🙂

Ballistik – der Weg der Kugel… via @treierp
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