Re: 6000 m/s avec un canon à gaz comprimé

[Admin]

WOW !! est-ce normal que apres une phrase je sois completeemnt perdus ? ou est-ce juste parce que jai jamais fais de cour de physique ?


on parlais de tir avec arme a air et on est rendus a une deiscution sur la thermodynamique, ces que ca peut aller loin cette discution . cest a quand la discution sur notre place dans l univer ?

Ben il faut un minimum s'intéresser au fonctionnement de nos armes pour comprendre leur fonctionnement !

[_Thierry_]

Sympa le sujet, très intéressant.
Je peux répondre à quelques interrogations.
Dans le cas des pistons ressorts il arrive que la vitesse soit légèrement supérieure aux 350m/s souvent cela est du à la combustion de matières grasses ou huileuses s'enflamant lors de la compression, l'expérience à été réalisée dans une shadow 1000 (mais le propriétaire à demandé l'anonymat ) une goutte de WD40 dans la jupe du plomb et lors du tir l'effet diesel se produit, le plomb dépasse largement la vitesse du son mais cela entraine la destruction des joints de piston suite à l'excès de pression.
Ceci appuye en tout cas la Thèse de Pierre sur l'échauffement de l'air contenu dans la chambre.

Pour la température lors du chargement d'un réservoir de PCP cela peut s'expliquer par le fait que lors d'une décompression l'air se refroidit, ainsi lors de la baisse de pression dans la bouteille de plongée l'air sortant possède une température que nous allons surnommer 'négative', lors de sa recompression dans le réservoir de la carabine elle va être chauffée et sera 'positive'.

L'équilibrage comme le dit David serait 'négative'+'positive' nous donnant la température initiale.
Lorsque je recharge la bouteille de plongée en club de plongée je la récupère chaude, une température d'une trentaine de degrés voir un peu moins.
Quand je recharge ma carabine la bouteille de plongée se refroidit légèrement, quand je tire la carabine se refroidit très légèrement.

[Invité]

, salut, je suis nouveau, j'admire vos theorie qui me semble fiable mais, je voudrai savoir si le cas etait le meme pour les carabine a CO2 car ce gaz a une temperature moins elevé que l'air!!!

[seibonak]

vos théorie sont hyper interressantes mais pourquoi le gaz est chauffée? enfin comment est-ce possible ? j'ai pas compris

[Admin]

pourquoi le gaz est chauffée? enfin comment est-ce possible ? j'ai pas compris

Prends une simple pompe de vélo, bouche la sortie d'air et comprime l'air dans la pompe en appuyant dessus ... tu constateras que l'air s'échauffe!
Idem avec un simle compresseur : l'air comprimé s'échauffe.

Lorsqu'on comprime un gaz, il se réchauffe : les particules de gaz, en rebondissant sur les parois qui se resserrent, absorbent une partie de l'énergie cinétique - ou l'énergie du mouvement - des parois et, de ce fait, se déplacent à une plus grande vitesse. Les particules, dans leur mouvement accéléré, ont plus d'énergie et leur température s'élève.

[titou78]

Moi, je pense que cet échauffement a lieu derrière le plomb mais pas devant.
Donc, pas d'échauffement (dû à la compression de l'air derrière) du milieu dans lequel se déplace le plomb.
Par contre échauffement de l'air devant par compression liée au déplacement du plomb, c'est possible et probable mais dans quelle mesure?

Je ne suis pas sûr de bien comprendre ce que tu dis : quand je dis que l'air s'échauffe il s'agit bien sûr du volume d'air situé derrière le plomb, c'est à dire du coté de la chambre de compression (armes à piston+ressort). Et quand je parle de vitesse du son, c'est bien dans l'air derrière le plomb.

Si on s'interresse maintenant à l'air situé devant le plomb, on peut dire ceci :

a) - la pression devant le plomb est de 1 bar au moment du démarrage du plomb puis elle doit s'accroitre légèrement quand le plomb accélère car le plomb pousse la colonne d'air et la comprime un peu par inertie. Mais comme le canon est ouvert à la sortie, la pression devant le plomb ne sera jamais bien forte : au plus quelques bars, à comparer à plus de 100 bars derrière le plomb. S'il y a un échauffement de l'air devant le plomb, il sera toujours infiniment plus faible que l'échauffement derrière.

b) - si le plomb atteint une vitesse supérieure à 340m/s, on est dans une configuration particulière où la vitesse du plomb est sub-sonique pour l'air chaud situé derrière, et supersonique pour l'air à 20° situé devant. Dans ces conditions, il y a une accumulation d'air devant le plomb et donc une élévation de pression juste devant, donc aussi un échauffement. Ce cas devient un peu délicat à analyser, mais c'est peut être aussi une des raisons qui limitent la vitesse maximale théorique pour les armes AC.

Pierre

Allez, je déterre ce sujet, parce que je le trouve passionnant (et puis j'aime bien déterrer les vieux trucs moi, serait-ce mon côté nostalgique ? )

L'analyse qui a été menée tout au long de ce post me paraît super intéressante et vient confirmer ce que j'ai dit dans un autre post où on parlait d'armes PCP ou AC dépassant les 360 m/s en sortie de canon. En plus on a même droit à un test, merci David !!!

Je rebondis sur cette analyse donc, pour apporter les éléments suivants:

- Pour un gaz "parfait" (c'est pas une trop mauvaise approximation pour l'air ou pour le CO2 et en plus vu les hypothèses qu'on prend par ailleurs ça me semble un moindre mal), la formule donnant l'élévation de température lors d'une compression adiabatique est:

T2/T1 = ( P2/P1 ) ^(G/(G-1))

où P1 et T1 sont la pression et température de départ et P2 et T2 celles d'arrivée.
G est une constante valant environ 1.4 pour un gaz parfait.

Pour une compression de 1 bar à 200 bars, on trouve T2 = 1053°C . Attention, faut tout écrire en Kelvins pour les températures:
T(K) = T(°C)+273.15

Donc il est tout à fait vrai qu'on peut atteindre plus de 1000°C dans la chambre lors de la compression, à ceci près: le plomb commencera à avancer avant que la pression atteigne les 200 bars, ce qui veut dire que la détente s'amorce avant la fin de la compression, d'où une température finale plus faible. J'accord volontier que ça ne doit pas jouer énormément.

- Théoriquement, dans le vide, une AC doit permettre d'atteindre une vitesse de départ du plomb égale à celle de mouvement du piston à peu de choses près. Ca peut surprendre au début, mais il suffit d'écrire un bilan énergétique pour s'appercevoir que l'air joue un rôle de simple intermédiaire entre le piston et le plomb, dès lors que l'on remarque que le plomb n'attend pas la fin de compression pour partir. Si vous remplacez l'air par de l'eau vous comprendrez mieux. Dit autrement, l'air joue le rôle de tampon énergétique: tant que le plomb ne bouge pas il accumule de l'énergie (compression) venant du piston, dès que le plomb bouge il transmet cette énergie (détente). Donc si rien ne venait gêner le mouvement du plomb dans le canon (en particulier pas d'air devant lui), sa vitesse serait à peu près celle du piston (aux frottements près). La vitesse de mouvement du piston peut sans problème dépasser les 340 m/s.

- En pratique, la limitation vient aussi de l'air situé devant le plomb. En effet, lors de la détente vous avez d'un côté l'air comprimé, échauffé donc autorisant une vitesse de détente largement supérieure à 340m/s, mais de l'autre vous avez l'air froid qui n'acceptera pas lui de se détendre à plus de 340 m/s. Le fait de considérer que cet air situé dans le canon, devant le plomb, est "libre" de sortir est une approximation qui devient fausse lorsqu'on approche de la vitesse du son (à la température de cet air). En effet, que se passe-t-il lorsqu'un avion approche de cette limite ? On pourrait se dire que l'air situé devant lui est "libre" et donc ne devrait pas opposer de limite, or il se forme une onde de choc induisant une brusque augmentation de la résistance opposée au mouvement de l'avion. Eh bien dans le canon de l'arme c'est pareil: tout va bien tant qu'on "laisse le temps" à l'air situé devant le plomb pour s'évacuer. Au-delà, cet air entre en compression et donc freine la progression du projectile.

-En outre, comme le suggérait David, la vitesse de détente, artificiellement augmentée par l'échauffement de compression dans le piston, chute très rapidement en raison du refroidissement.

Pour les armes de type PCP, on ne bénéficie pas de la vitesse du piston, ni de la compression donc je suis d'accord que la vitesse de sortie devrait être encore plus faible. Cependant, dans le cas de gaz type CO2, la vitesse de détente est plus élevée, même à température ambiante, ce qui compense. Ceci s'ajoute au fait que la quantité de gaz lâchée par une PCP est facilement plus importante que pour une AC, ce qui peut aider à compenser l'effet de "contre" opposé par l'air situé devant le plomb, dans le canon.

Voili voilou !

PS: Qui veut une aspirine ?

[Pierre]

.............
......Pour une compression de 1 bar à 200 bars, on trouve T2 = 1053°C . Attention, faut tout écrire en Kelvins pour les températures:
T(K) = T(°C)+273.15

Donc il est tout à fait vrai qu'on peut atteindre plus de 1000°C dans la chambre lors de la compression, à ceci près: le plomb commencera à avancer avant que la pression atteigne les 200 bars, ce qui veut dire que la détente s'amorce avant la fin de la compression, d'où une température finale plus faible. J'accord volontier que ça ne doit pas jouer énormément.

- Théoriquement, dans le vide, une AC doit permettre d'atteindre une vitesse de départ du plomb égale à celle de mouvement du piston à peu de choses près. Ca peut surprendre au début, mais il suffit d'écrire un bilan énergétique pour s'appercevoir que l'air joue un rôle de simple intermédiaire entre le piston et le plomb, dès lors que l'on remarque que le plomb n'attend pas la fin de compression pour partir. Si vous remplacez l'air par de l'eau vous comprendrez mieux. Dit autrement, l'air joue le rôle de tampon énergétique: tant que le plomb ne bouge pas il accumule de l'énergie (compression) venant du piston, dès que le plomb bouge il transmet cette énergie (détente). Donc si rien ne venait gêner le mouvement du plomb dans le canon (en particulier pas d'air devant lui), sa vitesse serait à peu près celle du piston (aux frottements près). La vitesse de mouvement du piston peut sans problème dépasser les 340 m/s.

Salut Titou,
Bien d'accord avec toi sur le fait que la compression de l'air de 1 bar à 100 ou 200 bars produit un échauffement de plusieurs centaines de degrés.

Par contre j'ai du mal à te suivre sur ta théorie concernant la vitesse du piston, pour les raison suivantes :

1) je ne vois pas la raison pour laquelle la vitesse du plomb serait directement liée à celle du piston. On peut trés bien imaginer une carabine ou le piston serait poussé lentement par une vis, à une vitesse de quelques mm par secondes ; cette très faible vitesse n'empecherait pas d'atteindre une forte compression s'il n'y a aucune fuite, et le plomb partirait quand-même à grande vitesse dès que la force de pression vaincrait la résistance de départ due au surdimensionnement de la juppe du plomb.

2) il ne me parait pas possible que le piston atteigne une vitesse de 340 m/s comme tu le dis. Pour t'en convaincre, calcule l'énergie cinétique du piston pour une telle vitesse : en supposant que la masse du piston est 0.1 kg, on trouve alors une énergie du ressort de 5780 joules, ce qui n'est pas réaliste. Le rendement d'une carabine AC étant de l'ordre de 25%, cela signifie que pour une carabine de 20 joules l'énergie stockée par le ressort est de l'ordre de 80 joules au plus. Pour un piston de 0.1 kg, on trouve alors une vitesse du piston de 40 m/s (alors que la vitesse du plomb est 280 m/s).

3) l'analyse où tu remplaces l'air par de l'eau est discutable : l'eau n'est pas compressible, ce qui change tout...


Pierre

[Admin]

La logique de Pierre me semble assez ... heuuu ... logique xD

N'étant pas physicien je ne vais pas m'engager ...

[titou78]

1) je ne vois pas la raison pour laquelle la vitesse du plomb serait directement liée à celle du piston. On peut trés bien imaginer une carabine ou le piston serait poussé lentement par une vis, à une vitesse de quelques mm par secondes ; cette très faible vitesse n'empecherait pas d'atteindre une forte compression s'il n'y a aucune fuite, et le plomb partirait quand-même à grande vitesse dès que la force de pression vaincrait la résistance de départ due au surdimensionnement de la juppe du plomb.

C'est parce que tu oublies juste que le plomb n'attendra pas que la pression soit montée à 200 bars pour partir...donc on est pile poil dans une situation intermédiaire (et tu as raison de dire qu'il n'y a pas de lien ferme) entre:
- le cas de l'eau que je citais plus haut: là en reprenant ton idée d'un piston avançant tout doucement, vu que l'eau n'est pas compressible, le plomb bougerait exactement comme le piston
- le cas d'une arme PCP ou l'air est d'abord comprimé puis détendu brusquement derrière le plomb.

2) il ne me parait pas possible que le piston atteigne une vitesse de 340 m/s comme tu le dis. Pour t'en convaincre, calcule l'énergie cinétique du piston pour une telle vitesse : en supposant que la masse du piston est 0.1 kg, on trouve alors une énergie du ressort de 5780 joules, ce qui n'est pas réaliste. Le rendement d'une carabine AC étant de l'ordre de 25%, cela signifie que pour une carabine de 20 joules l'énergie stockée par le ressort est de l'ordre de 80 joules au plus. Pour un piston de 0.1 kg, on trouve alors une vitesse du piston de 40 m/s (alors que la vitesse du plomb est 280 m/s).

Oui, parfaitement d'accord avec toi, sauf que c'était juste un raisonnement pour montrer que dans le vide, rien n'empêcherait une AC de dépasser les 340 m/s, à condition bien sûr de prévoir un ressort assez puissant derrière et ton calcul montre clairement que cela voudrait dire très puissant, voire même difficile à manoeuvrer à la main...En pratique on a donc la limitation due à l'air et en plus celle due à la puissance du ressort, ta démonstration très juste complète bien ce que j'ai expliqué.

3) l'analyse où tu remplaces l'air par de l'eau est discutable : l'eau n'est pas compressible, ce qui change tout...

Bien sûr mais c'était juste pour imager mon propos...et attention de pas tout confondre ensuite car si l'air est compressible, l'écoulement de l'air ne l'est pas et on se retrouve bel et bien avec une similitude très proche avec l'eau...sauf lorsqu'on approche de la vitesse du son (là l'écoulement devient compressible, d'où les ondes de choc).

[titou78]

La logique de Pierre me semble assez ... heuuu ... logique xD

N'étant pas physicien je ne vais pas m'engager ...

Oh non, voila que David baisse son pantalon

[Pierre]

Titou78, je reçois bien tes arguments, mais je reste quand même perplexe sur ta phrase :

"Théoriquement, dans le vide, une AC doit permettre d'atteindre une vitesse de départ du plomb égale à celle du mouvement du piston à peu de choses près."

cette phrase laisse penser que la vitesse du plomb serait toujours inferieure à la vitesse du piston, laquelle serait une sorte de limite théorique qui ne pourrait être atteinte que dans l'idéal, (et en faisant le vide dans le canon en avant du plomb).
Je ne peux pas être d'accord avec ça, ou alors il faudrait le démontrer de manière plus rigoureuse...
Dans la vie réelle (sans avoir le vide dans le canon) la vitesse du plomb est toujours bien supérieure celle du piston. Et si on fait le vide devant le plomb, la vitesse du plomb sera encore plus élevée. Je ne comprends donc pas le sens de ta phrase.
Ai-je manqué quelque chose ?

Par ailleurs, dans le cas d'école où le piston pousserait de l'eau au lieu d'air, la vitesse du plomb ne serait égale à celle du piston que si le diametre du canon et du piston sont identiques. Si le diamêtre du piston est supérieur celui du canon (cas réel), le plomb part plus vite que la vitesse du piston car il y a un effet "presse hydraulique".

Ceci-dit, la discussion est interessante !

Pierre

[Admin]

La logique de Pierre me semble assez ... heuuu ... logique xD

N'étant pas physicien je ne vais pas m'engager ...

Oh non, voila que David baisse son pantalon

Ha non, jamais !!!!

Par contre, je ne ne me permets pas de faire le "malin" car je cherche des logiques et sutout des démontrations.

Comme vous le savez, toute ce que je soutient, je l'ai expérimenté !

[Tommy]

Oh non, voila que David baisse son pantalon

Ha non, jamais !!!!

... sauf en présence de la gent féminine...

[Admin]

Oh non, voila que David baisse son pantalon

Ha non, jamais !!!!

... sauf en présence de la gent féminine...

Cela va de soi ...

[titou78]

"Théoriquement, dans le vide, une AC doit permettre d'atteindre une vitesse de départ du plomb égale à celle du mouvement du piston à peu de choses près."

cette phrase laisse penser que la vitesse du plomb serait toujours inferieure à la vitesse du piston, laquelle serait une sorte de limite théorique qui ne pourrait être atteinte que dans l'idéal, (et en faisant le vide dans le canon en avant du plomb).
Je ne peux pas être d'accord avec ça, ou alors il faudrait le démontrer de manière plus rigoureuse...
Dans la vie réelle (sans avoir le vide dans le canon) la vitesse du plomb est toujours bien supérieure celle du piston. Et si on fait le vide devant le plomb, la vitesse du plomb sera encore plus élevée. Je ne comprends donc pas le sens de ta phrase.
Ai-je manqué quelque chose ?

Non, non tu n'as pas manqué quoi que ce soit, c'est moi qui me suis mal exprimé.

Ce que je voulais dire avec cette phrase c'est que dans le vide il est certain que si le piston atteint une certaine vitesse, le plomb atteindra au moins celle du piston. En ajoutant l'effet de rapports de diamètre (type "hydraulique") dont tu parles un peu après, on peut même espérer une vitesse bien supérieure.

Mon idée est donc de dire que dans le vide, rien ne limite vraiment la vitesse du plomb: il suffit d'avoir un piston+ressort bien dimensionnés pour atteindre telle ou telle vitesse. On sera alors juste limités par la vitesse de détente de l'air, sur laquelle on peut jouer via l'échauffement lors de la compression.

Par contre, ceci n'est pas vrai dans le cas "normal" où il y a de l'air dans le canon, puisqu'on ajoute alors l'effet de compression de l'air situé devant le plomb qui vient freiner le mouvement.

Ne perdons pas de vue ce que je voulais démontrer:

1) La vitesse de départ du plomb dans une AC est limitée non seulement par la vitesse de détente du gaz comprimé (vitesse qui peut théoriquement dépasser 340m/s par échauffement mais qui en pratique est plus faible lors de la progression du plomb dans le canon)

2) L'effet de l'air situé dans le canon devant le plomb participe à cette limite de 340m/s en freinant le mouvement lorsqu'on approche de cette limite.

[Pierre]

Ne perdons pas de vue ce que je voulais démontrer:

1) La vitesse de départ du plomb dans une AC est limitée non seulement par la vitesse de détente du gaz comprimé (vitesse qui peut théoriquement dépasser 340m/s par échauffement mais qui en pratique est plus faible lors de la progression du plomb dans le canon)

2) L'effet de l'air situé dans le canon devant le plomb participe à cette limite de 340m/s en freinant le mouvement lorsqu'on approche de cette limite.

OK, nous sommes d'accord maintenant.

Je n'ai trop pas le temps ces temps-ci, mais je reviendrai dans quelques jours sur ce sujet, et en particulier sur les conditions à remplir pour pouvoir dépasser 340m/s avec une arme AC à piston+ressort. Un point important à mon avis concerne la resistance de démarrage du plomb qui est dûe au surdimentionnement du diamètre de la juppe par rapport au canon.
A suivre...
Pierre

[titou78]

OK, nous sommes d'accord maintenant.

Un point important à mon avis concerne la resistance de démarrage du plomb qui est dûe au surdimentionnement du diamètre de la juppe par rapport au canon.

Très juste. En première approche je pense qu'on peut dire qu'on a là une sorte de bouchon "fusible" qui lache à partir d'un certain niveau de pression. Tant que ce bouchon est en place, la pression monte à mesure que le piston se fait comprimer par la détente du ressort. Lorsqu'il lache, on a une compétition entre le déplacement du piston qui tend encore à comprimer l'air et le déplacement du plomb qui tend à le laisser se détendre. Comme tu l'as proprement démontré, la vitesse du piston est inférieure à celle du plomb, mais l'effet qu'on nommera "hydraulique" va compenser en partie cela:

Pour une AC tirant à 340 m/s, Energie plomb= 30J environ. Avec un rendement de 20% ça donnerait une énergie du piston de 150J et pour une masse de 100g, une vitesse de 54m/s. Ca reste à vérifier, mais je pense que le rapport de surface entre le piston et le canon est largement supérieur à 6, donc on a théoriquement un effet hydraulique qui permettrait à l'air de dépasser les 340 m/s avec une vitesse de piston de 54m/s. Cependant, l'air étant compressible (et l'écoulement aussi puisqu'on arrive à la vitesse du son), il y a compression, ce qui réduit cet effet. L'échauffement produit élève la limite sonique (facilement au-delà de 700m/s vu les températures...mais ça dépend de la limite de compression atteinte), donc il faudrait poser les équations pour voir ce que ça donne. On saura alors si l'air tend à se détendre dès que le plomb bouge ou bien s'il continue à subir une compression (ce qui serait favorable).

Pour savoir ce qui se passe ensuite il faut faire un bilan de forces:
- pression arrière(qui évolue à mesure que le plomb avance et que le piston termine son mouvement)
- pression avant (qui reste négligeable tant que la vitesse du plomb reste loin des 340m/s puis qui augmente assez rapidement)
- frottement et coincement dans les rayures du canon

Pour la dernière contribution, j'ai lu un "Que sais-je" sur la ballistique interne d'une arme et qui expliquait comment prendre en compte cet effet. Il s'agissait de le traduire comme une inertie (ça peut surprendre, mais ça donne de bons résultats). Selon l'angle des rayures, la nature des matériaux et la surface de contact, une formule donne la "masse" équivalente du projectile. Ne restent alors que les forces de pression avant et arrière.

On poursuivra quand tu auras retrouvé un peu de temps.

[red.zone]

messieux mon chapeau bas en ce jour (nuit vue l'heure) je n'ais pas ete a l'ecole longtemps cependant je constate avec plaisire que certain n'on pas loupé les cours de rattrapage que j'aurais du suivre
et a la lecture de ce topic j'ai au moin appris une chose l'unité de mesure kelvin prendrais donc comme 0 le 0 absolut soit -273°celcius et des poussieres

maintenant pour ne pas faire l'intelectuel que je ne suis pas

mais ne serait'il pas possible avec vos formules de calculer le coeficient de resistance du diabolo dans le canon ainsi que sa surface de frottement a l'avant et d'utiliser ce produit pour pouvoir calculer le coeficient de compression/decompression du volume d'air en avant du diabolo et donc a terme d'obtenire voir elaborer une formule de calcule exponentiel
permettant de deduire directement le cx (resistance?) du diabolo a la puissance en joule de l'arme (piston+ressort et meme pcp pourquoi pas)

le resultat de cette formule permettrai de connaitre la puissance réelle d'une carabine non?
et desolé si j'ai embrouillé tout le monde j'ai essayé d'etre clair bonne journée a tous et bon calcule

[marceau]

heuuuuu!

vous tirez quand ?????????

[red.zone]

judicieuse remarque je tire pas je dort pas c plus simple moin de perte de temps action reaction rentabilité permanente

[Slash]

La vitesse du son est de 340 mètres par seconde au niveau de la mer. De nombreuses carabines à air comprimé peuvent propulser un plomb à cette vitesse, non?

[carpio3]

Ce qui est génial c'est qu'en France le scientifique qui en utiliserait un serait obligé d'avoir une licence de club ou un permis de chasse .........!!!!!!

[denys_w]

Donc, en somme, si je prend une carabine pcp et que je remplis le réservoir d'hélium je dépasserai allègrement le mur du son puisque l'helium à presque les mêmes caractéristiques physiques que l'hydrogène mis à par qu'il n'est pas explosif...

Quelqu'un à déjà essayer?

[lerogerdu37]

Le sujet est vieux denys_w, mais si tu prend une Air Force Condor est que tu y place un plomb léger (un loki ^^) tu dépasse le mur du son sans problème, nous en avons eu la preuve a une rencontre Airguns.

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