Physikalische Grundsatzfragen der Ballistik

[Coolhand1980]

Erstmal sorry, wenn das nicht das richtige Unterforum für meine Frage ist. Denk aber, dass das vielleicht für Sportschützen interessant ist, die sich mit Ballistik auch theoretisch beschäftigen.

Mein Frage ist folgende...
Wenn man maximale Reichweite mit einem Projektil erreichen will, so gibt man den Schuss im Winkel von 45 Grad ab. (Ich berücksichtige da die Größe des Schützen nicht.) Bei Windstille und gleichbleibenden atmosphärischen Bedingungen wird das passen denk ich. (Ja, je mehr Luftwiderstand, desto flacher der Anfangswinkel)
Das gilt eigentlich für alle Gegenstände, die keinen aerodynamischen Auftrieb erzeugen, wodurch sie ja auch nicht mehr ballistisch unterwegs wären.
Man möge mich korrigieren, wenn ich bis hierher irgendwo falsch läge!

So und nun zum eigentlichen Problem...
Ich hab letztens mit einem Kollegen geplaudert, der gerne und gut Golf spielt. Er hat mir erzählt, dass der weiteste Drive mit einem Winkel von ca. 15 Grad geschlagen wird.
Jetzt frag ich mich natürlich, welche physikalischen Gründe das haben könnte, dass das wesentlich weniger als 45 Grad sind. Und es geht nicht um die Distanz, die der Ball nach dem ersten Bodenkontakt noch ausrollt.-reine Flugweite!
Der Ball fliegt natürlich mit einem massiven Backspin. Kann dieser Effekt so groß sein, dass sich dadurch eine Art Auftrieb ergibt?
Gibt's einen anderen Grund?
Kann das wer erklären?

[r4ptor]

Der optimale Winkel von 45° gilt für die theoretische Berechnung ohne Luftwiderstand.
Bezieht man den Luftwiderstand mit ein, so ergibt sich ein optimaler Winkel von ca 20°, wie von deinem Golfer Freund gesagt.

Siehe Wurfparabel Wikipedia

[Jo_Kux]

Der Grund warum ein Golfball so weit fliegt sind aber die Löcher (Dimples) in der Oberfläche die eine Art Auftrieb erzeugen, das kannst mit einem Geschoß nicht vergleichen.
https://www.scientificamerican.com/arti ... n-golf-ba/

[Coolhand1980]

Ja, 45 Grad gelten ohne Luftwiderstand. Je höher der ist, desto flacher der optimale Winkel. Nur hat ein Golfball eben einen extrem geringen Widerstand. Auf Wiki ist als gegenteiliges Bsp vom Federball die Rede. Der fliegt bei 20 Grad am weitesten. Also sollens beim Golfball viel mehr Grad sein, oder?

[impact]

Die dimples beim golfball reduzieren den Luftwiderstand, wenn ich mich nicht irre. Und ja, durch den Backspin wird Auftrieb erzeugt. Die Luft strömt an der Oberseite schneller vorbei (Gleiche Beweggungsrichtung von Balloberfläche und Luft) und an der Unterseite lansgamer. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz (höhere Geschw. -> Geringerer Druck) und durch die Druckdifferenz eine Kraft die nach oben wirkt. So ähnlich funktioniert das auch bei Tragflächen, nur dass hier die Druck/V Differenz durch den Weg den die Luft aufgrund der Tragflächenform zurücklegen muss hervorgerufen wird. Bei Spin nennt man das den Magnus Effekt, und das funktioniert in alle Richtungen (zb Anschneiden von Tischtennis Bällen).

R4ptor hat schon richtig angemerkt, dass sich die wurfparabel erheblich verkompliziert sobald man Luftwiderstand/Strömungslehre etc miteinbezieht. Das hängt dann alles stark von den Gegebenheiten hab.
Bei Artillerie mit hohen reichweiten zB schießt man nicht mehr so flach, weil dann schon der geringere Luftwiderstand in höheren Luftschichten anfängt eine Rolle zu spielen.
Wo der sweetspot bei "small arms" ist weiß ich nicht, 15-20° klingt gefühlsmäßig für mich fast ein bisschen zu wenig, aber das heißt nichts. Für viele solche komplexen Geschichteln ist es nicht einfach ein Gefühl zu entwickeln, da hier Geschwindigkeiten und Effekte auftreten die von der Dimension her in anderen Bereichen liegen als Typisches im Alltag. (Ballsport, Fahrzeuge, etc...)

[Robiwan]

Bei der Wurfparabel MIT Luftwiderstand kommt es auch auf die Anfangsgeschwindigkeit an. Je geringer V0, desto steiler sollte der Winkel sein (aber <45°). Bei schnellen Objekten wie einer Gewehr-/Pistolenkugel wirds eher ein Winkel zwischen 20-25° sein.

[Coolhand1980]

Magnus Effekt...mir ist der Name nicht eingefallen...
Schau ich mir genauer an. Das könnte die Lösung sein...
Nur wenn der Ball diese Art Auftrieb erzeugt, dann würde das seine Flugrichtung beeinflussen. (Analog der "Banane" im Fußball)

[Robiwan]

Magnus Effekt...mir ist der Name nicht eingefallen...
Schau ich mir genauer an. Das könnte die Lösung sein...
Nur wenn der Ball diese Art Auftrieb erzeugt, dann würde das seine Flugrichtung beeinflussen. (Analog der "Banane" im Fußball)

Die HopUp-Unit von Airsoft-Guns macht genau das. Die Kugel bekommt einen Rückwärtsdrall, und die daraus resultierende Kraft wirkt der Gravitation entgegen. Stellt man das HopUp zu streng ein, ziehen die BBs nach ein paar Meter sogar nach oben.

[Jo_Kux]

magnus effekt. geil
https://www.youtube.com/watch?v=QtP_bh2lMXc

[impact]

Bei der Wurfparabel MIT Luftwiderstand kommt es auch auf die Anfangsgeschwindigkeit an. Je geringer V0, desto steiler sollte der Winkel sein (aber <45°). Bei schnellen Objekten wie einer Gewehr-/Pistolenkugel wirds eher ein Winkel zwischen 20-25° sein.

Genau, Geschwindigkeit spielt eine große Rolle. Der Luftwiderstand wird mit zunehmender Geschwindigkeit sehr hoch. Bei geringen Geschwindigkeiten spielt das noch keine so große Rolle, da kann man näherungsweise sehr gut mit der Wurfparabel rechnen. (Sofern keine Effekte wie Spin, Wind etc, auftreten)
Spätestens aber ab der Schallgeschwindigkeit wird der Luftwiderstand so hoch, dass deren Vernachlässigung erhebliche Abweichungen erzeugt. Und eben bei uns im Feuerwaffensektor natürlich auch schon früher, weil wir die Ergebnisse relativ genau brauchen, denn ein paar Millimeter Abweichung auf 25, 50, 100, 300m... unter Umständen schon Messbar sind.
Dann wirds, wie gesagt, sehr aufwändig zum rechnen, und selbst 95% der aktuellen (zivilen) Geschossflugberechnungs Softwares nutzen nur Näherungen. ich glaube das Aktuelle Lapua Programm ist das einzige mit bekannte, welches tatsächlich live 6DOF Simulationen rechnet. (6DOF: six degrees of freedom, Verschiebung und Rotation in x, y und z).

Die Berechnung solcher Geschossflugbahnen/Feuerleitsysteme war (und ist?) eine der Gründe für die Entwicklung und Hauptanwendungen von leistungsstarken Computer/Rechenzentren. So wie früher der Vorteil durch die Effektivität/Reichweite der Waffen eine Große Rolle bei dem Ausgang von Kriegen/Gefechten/etc gespielt hat (zB der Sprung durch die Verwendung von länglichen, aerodynamischen Geschossen, dank der Drallstabilisierung) so war irgendwann ein Punkt erreicht, an dem die Vorhersage des Geschossfluges maßgeblich für die Effizienz von Artillerie war, und die effektive Reichweite bestimmte/begrenzte.
Sobald, wie gesagt, Strömungslehre ins Spiel kommt, wirds sehr schnell sehr aufwändig zu berechnen, und man benötigt aufwändige Simulationssoftware.

So in etwa mein momentaner Kenntnisstand. Der eines Amateurs. Also alles mit Vorsicht genießen.

[Bluefish]

Coole Frage @coolhand1980 - Die längere Distanz beim Golf mit steilem Schlägerkopf ergibt sich dadurch, dass die Kraftkomponente des Schlägers in Bewegungsrichtung beim steilen Winkel größer ist. Der Schlag wird beim Golf immer gleich ausgeführt. Zusätzlich rollt und springt der Ball wenn er flach, schnell und wenig Backspin aufkommt weiter. Viel Backspin hat der Ball bei flachem Schlägerwinkel.

[impact]

Coole Frage @coolhand1980 - Die längere Distanz beim Golf mit steilem Schlägerkopf ergibt sich dadurch, dass die Kraftkomponente des Schlägers in Bewegungsrichtung beim steilen Winkel größer ist. Der Schlag wird beim Golf immer gleich ausgeführt. [...]

Die Problematik wäre aber zb bei einer Kanone die den Golfball abschießt die gleiche. Ob nun die angewinkelte Fläche des Schlägers die Geschwindigkeit des Balles in Horizontal- und Vertikalkomponenten aufteilt, oder ob das der Abschusswinkel des Rohrs der "Golfballkanone" erledigt (faktor horizontalkomponentel: cos(abschusswinkel zum boden), faktor vertikalkomponente: sin(abschw. z.Bod) ), ist im Effekt das Gleiche.
Die brennende Frage ist ja, wie muss man diese Geschwindigkeitskomponenten verteilen, um eine möglichst lange Flugstrecke zu erhalten.
Bei zu flacher Flugbahn stürzt der Ball in den Boden bevor er Zeit hat Distanz zu gewinnen, bei zu steiler Flugbahn wird zu viel der Geschwindigkeit in Flughöhe bzw Kampf gegen die Gravitation verschwendet.

Interessant wäre, ob der Freund tatsächlich 20° Abgangswinkel gemeint hat, oder einen Schläger mit 20° (70°) geneigter Schlagfläche bzw wie stark das in Realität wirklich übereinstimmt oder ob da durch Schlupf Differenzen in Schläger u Abgangswinkel sind...

[HS911]

Coole Frage @coolhand1980 - Die längere Distanz beim Golf mit steilem Schlägerkopf ergibt sich dadurch, dass die Kraftkomponente des Schlägers in Bewegungsrichtung beim steilen Winkel größer ist. Der Schlag wird beim Golf immer gleich ausgeführt. [...]

Die Problematik wäre aber zb bei einer Kanone die den Golfball abschießt die gleiche.

Bei einer Kanone wird immer die gleiche Menge an Energie umgewandelt - unabhängig vom Winkel. Beim Golfschläger muss das nicht zwingend so sein. Vermutlich wird ein Schläger flacherem Winkel weniger Energie an den Ball abgeben können, da der "Höhenunterschied" von Schwerpunkt und Kontaktpunkt größer ist und der Schwerpunkt des Balles somit weiter außerhalb der Kraft- bzw. Bewegungsrichtung des Schlägers wandert. Dadurch müsste ein größerer Teil der Energie für Rotationsarbeit arbeit verwendet werden.
Frage an die Golfer: Führt ein "flacherer Winkel" am Schläger zu mehr Backspin?

[impact]

Bei einer Kanone wird immer die gleiche Menge an Energie umgewandelt - unabhängig vom Winkel. Beim Golfschläger muss das nicht zwingend so sein. Vermutlich wird ein Schläger flacherem Winkel weniger Energie an den Ball abgeben können, da der "Höhenunterschied" von Schwerpunkt und Kontaktpunkt größer ist und der Schwerpunkt des Balles somit weiter außerhalb der Kraft- bzw. Bewegungsrichtung des Schlägers wandert. Dadurch müsste ein größerer Teil der Energie für Rotationsarbeit arbeit verwendet werden.
Frage an die Golfer: Führt ein "flacherer Winkel" am Schläger zu mehr Backspin?

So sehe ich das auch. Das habe ich mit "Schlupf" im letzten Absatz gemeint. Die Kinetische Energie des Golfschlägers muss ja irgendwohin, und wir sind von gleichmäßigen Schlägen ausgegangen (oder Kanonenabschüssen).
Was ich mir beim Golfschläger vorstellen kann, ist das bei (wie du schon schreibst) flacheren/spitzeren Winkeln an der Schlagfläche ein Teil vermutlich in Spin übergeht. Ich denke aber nicht, dass der Teil in der Energiebilanz eine große Rolle spielt. Die Rotationsenergie von üblichen Langwaffen Geschossen liegt, wenn ich mich recht erinnere, im unteren Prozent-, oder sogar Promillbereich der Vorwärtsenergie.
Was mich mehr beschäftigt, ist dass durch die schräge Fläche Schläger und Ball auseinandergetrieben werden, und der Schläger quasi unter dem Ball durchrutscht (ihm dabei einen Spin gibt (außer der Stoß wäre 100% elastisch?)) und aber der Schläger mit einer höheren Geschwindigkeit (und demzufolge kin. Energie) weiterrotiert, als wenn die Kontaktfläche normal wäre...


...es is scho a bissl spät, ich hoff ich verzapf kan blödsinn

[Coolhand1980]

Der Luftwiderstand wächst quadratisch mit der Verdopplung der Geschwindigkeit-das gilt aber auch nur für Unterschall Flug. Danach wird's noch extremer.
Wobei hier sehr wichtig ist, dass das Geschoß einen möglichst geringen Cw Wert bietet, was die Reichweite stärker erhöht, als ein Plus an V0.

Bei welchem Winkel schießt eine Artillerie Kanone am Weitesten? Würde ich da mit meiner Schätzung, dass das annähernd 45 Grad sein sollten, auch falsch liegen? Ich kann mir da das Maximum mit 20 Grad nicht vorstellen...