في الفيزياء المبسطة " مركز الثقل " هو النقطة التي يكون فيها عزم الجاذبية الكلية ( المؤثر على الكائن ) صفر
على سبيل المثال إذا أخذت قلمًا وحاولت وضعه على إصبعك فسيكون مركز الثقل للقلم هو بالضبط المكان الذي سيتوازن فيه القلم على إصبعك دون ان يسقط
ولكن إذا تم إلقاء القلم في سلة المهملات فحينئذٍ سيتعين عليه التعامل مع ضغط الهواء خلال سقوطه وسيكون لهذا الضغط أيضًا مركزه - مركز مقاومة الهواء - مركز مقاومة الضغط ... في الواقع هناك المزيد من التفاصيل لكن سنحتاج الخوض في الديناميكا الهوائية بشكل موسع و سيكون هناك الكثير من التفاصيل المثيرة للاهتمام مثلاً حول سبب عدم سقوط الطائرات
لهذا السبب فإن هذين المركزين ( مركز ضغط الهواء - مركز مقاومة الهواء ) لأي مقذوفات مستطيلة الشكل لا يتطابقان دائما ولكن بالنسبة لسهم تقليدي يتم إطلاقه من قوس أو قذيفة دبابة خارقة للدروع (APDS) فإن مركز الضغط يقع خلف مركز ثقل القذيفة وبالرصاص العكس
في الصورة اعلاه تشير النقاط الحمراء إلى مركز ثقل الطلقة و النقط السوداء لمركز مقاومة الهواء
لأول مرة إكتشفت تأثيرات هذين المركزين في أواخر القرن التاسع عشر و أوائل القرن العشرين عندما حصل الانتقال من الرصاص الكروي غير الحاد إلى الرصاصات المستطيلة المدببة الانف الافضل من الناحية الديناميكية الهوائية سرعان ما إتضح من ناحية أنه سيكون من الجيد تصميم رصاصة طويلة حادة الأنف للطيران بعيد المدى لكن مع مثل هذه الرصاصة تحول مركز جاذبيتها إلى الذيل وبدأ الأنف الأخف وزناً يهتز
هنا ايضاً تم التغلب على هذه المشكلة عبر " حلزنة " السبطانة لإجبار المقذوف على الدوران على محوره
دخل البريطانيين الحرب العالمية الاولى بالطلقات النموذجية من طراز Mk VII
( شرح مبسط و مختصر للغاية ارحب بأي مداخلة لإثراء الموضوع )
معضلة ضمان أن المقذوف سيجتاز مراحل طيران عدة طوال فترة مسيره، كانت مع الإنسان منذ الأزمنة الأولى. فالأسهم arrows والرماح javelins من المحتمل كانت المقذوفات الممتدة الأولى التي أستخدمها الإنسان، ثم أدرك مع الممارسة أن تزويدها بكتلة أمامية في مقدمتها وزعانف ذيليه tail fins في مؤخرتها سوف تمنحها الاستقرار المطلوب لإيصالها لأهدافها بدقة محسنة.. في سهم النبلة الخشبي تكون النقطة G (اختصار كلمة الثقل gravity) هي مركز ثقل السهم، حيث يعرف مركز الثقل centre of gravity لجسم ما في الفيزياء على أنه النقطة التي يتوزع حولها ثقل هذا الجسم بالتساوي في جميع الاتجاهات، بحيث إذا ارتكز عليها يحافظ على توازنه. هكذا، إذا انحرف عمود السهم أثناء الطيران وبدأ في التحرك بشكل مائل، فإنه ونتيجة المنطقة السطحية الخلفية الأكبر، يبدأ ضغط الهواء في التصرف والتأثير خلال النقطة P (اختصار كلمة الضغط pressure) في مؤخرة السهم عند زعانف الاتزان، حيث يتحول مركز الضغط centre of pressure لمنطقة سطوح الذيل، وتتأرجح قصبة أو عمود السهم حول النقط G ويبدأ في موازنة مساره من جديد. فطالما أن مركز الضغط يتمحور خلف مركز الثقل، فإن المقذوف سيحاول رفع المقدمة أولاً.. إن الزعانف تكون ملائمة ومتوافقة أكثر مع المنطقة الخلفية للمقذوف وذلك لزيادة المنطقة السطحية خلف مركز الثقل، وبهذه الطريقة يتم تقديم النقطة P خلف النقطة G لتوفير طيران متوازن وأكثر استقامة للمقذوف. كما أن هذا الترتيب يضمن أن المقذوف الموازن بزعانف لن ينقلب خلال طيرانه في الجو نتيجة قوى الديناميكا الهوائية (بالطبع مضار الزعانف لا تخفى أيضاً على القارئ، خصوصاً مع البروز السلبي لسطوحها وتأثير مقاومة الهواء air resistance).. هذا النوع من نمط الاتزان يسمي "الاستقرار الساكن" static stability، حيث تستخدم وسيلة الاستقرار الزعنفي في الكثير من مقذوفات الأسلحة، مثل قنابل الطائرات والهاون ومقذوفات المدفعية، والأهم من ذلك مقذوفات الطاقة الحركية الخارقة للدروع المثبتة بزعانف النابذة للقبقاب APFSDS.
الوسيلة الأخرى للاتزان يطلق عليها "الاستقرار التدويري" spin stabilisation أو التسريع المغزلي وهي مرتبطة بسبطانات الأسلحة النارية المحلزنة. فأغلب مقذوفات المدفعية تكتسب استقرارها من خلال تسريع المقذوف بشكل مغزلي وذلك لإنتاج تأثير توازني gyroscopic effect، يبقي محور التسريع في حالة مستقرة. دورة التسريع تنجز في سبطانة المدفع المحلزن عن طريق تشغيل طوق القيادة driving band حول جسم المقذوف (يصنع عادة من سبيكة نحاسية)، بحيث يتبع الطوق مسار الحلزنة في التجويف الداخلي لسطح السبطانة، مما يمنح المقذوف معدل دوران محوري نتيجة الاحتكاك الانزلاقي sliding friction. إن نسبة أو معدل الدوران محدد عادة بسرعة المقذوف والمسافة بين مسارات الحلزنة. كما أن معدل التسريع وسرعته سوف تتناقص أيضاً خلال كافة مراحل طيران المقذوف، الأمر الذي يؤثر في النهاية على استقرار هذا الأخير.
فلمواجهة الضغوط العالية في تجويف سبطانة السلاح، تتطلب قاعدة المقذوف أن تكون قوية جداً ولذلك هي يجب أن تكون سميكة وثقيلة نسبياً. كما أن تدبيب أنف المقذوف وجعله أكثر حدة مطلب مهم هو الآخر لتخفيف عائق الديناميكا الهوائية. هكذا، مزيج العنصران (القاعدة الثقيلة والمقدمة الحادة) يمنحان ذخيرة المدفعية الحديثة مركز ثقل centre of gravity بالقرب من قاعدة المقذوف، ومركز ضغط بالقرب من مقدمة الأنف. لسوء الحظ هذا الأمر يؤدي لاضطراب وعدم استقرار المقذوف أثناء طيرانه، لذلك فإن الاستقرار الديناميكي مكتسب بدوران المقذوف السريع حول محوره الطولي longitudinal axis الذي بدوره ينتج قوى توازنية قوية (لذلك يطلق عليها مصطلح الحركة التوازنية gyroscopic motion). وسيلة حفظ التوازن هذه في شكلها البسيط تعتبر وتراعي مقدمة المقذوف المتطرفة. فمن خلال الخبرات التجريبية، تبين أن المقدمة إذا كانت مرتكزة وثابتة، فإنها لا تستطيع جعل المقذوف ينتصب مستقيماً أثناء طيرانه، ولكن في اللحظة التي تبدأ فيها المقدمة بالدوران المغزلي السريع بما فيه الكفاية، فإنها لا تبقي المقذوف في وضع منتصب فقط، بل إنها تقاوم أي جهود لسحبه وجره عن ذلك الموضع.
في الحقيقة حركة الانتقال التي لوحظت مع الدوران المغزلي لمقدمة المقذوف تدعى "الترنح" nutation والتعبير يشير لحركة غير منتظمة على هيئة تمايل طفيف في محور دوران جسم متماثل محورياً بشكل كبير، مثل مقذوفات المدافع وطلقات الأسلحة الخفيفة. فالمقذوفات التي تطلق من مدافع محلزنة التجويف لا تتبع مسار طيران مستقيم وصولاً للهدف، بل أن القوى التدويرية هي في الحقيقة من يحفظ المقذوف بعيداً عن طيرانه المستقيم نحو الهدف، وتجعل مقدمة أنف المقذوف تدور بحلقة دائرية صغيرة بعيداً عن خط الطيران (الاختبارات أظهرت أيضاً أن طول المقذوف إذا تجاوز 7 أضعاف قطره، فإنه يتعذر تأمين الاستقرار بشكل مرضي بواسطة الدوران المغزلي، مهما كانت سرعة هذا الدوران أو معدله).
معضلة ضمان أن المقذوف سيجتاز مراحل طيران عدة طوال فترة مسيره، كانت مع الإنسان منذ الأزمنة الأولى. فالأسهم arrows والرماح javelins من المحتمل كانت المقذوفات الممتدة الأولى التي أستخدمها الإنسان، ثم أدرك مع الممارسة أن تزويدها بكتلة أمامية في مقدمتها وزعانف ذيليه tail fins في مؤخرتها سوف تمنحها الاستقرار المطلوب لإيصالها لأهدافها بدقة محسنة.. في سهم النبلة الخشبي تكون النقطة G (اختصار كلمة الثقل gravity) هي مركز ثقل السهم، حيث يعرف مركز الثقل centre of gravity لجسم ما في الفيزياء على أنه النقطة التي يتوزع حولها ثقل هذا الجسم بالتساوي في جميع الاتجاهات، بحيث إذا ارتكز عليها يحافظ على توازنه. هكذا، إذا انحرف عمود السهم أثناء الطيران وبدأ في التحرك بشكل مائل، فإنه ونتيجة المنطقة السطحية الخلفية الأكبر، يبدأ ضغط الهواء في التصرف والتأثير خلال النقطة P (اختصار كلمة الضغط pressure) في مؤخرة السهم عند زعانف الاتزان، حيث يتحول مركز الضغط centre of pressure لمنطقة سطوح الذيل، وتتأرجح قصبة أو عمود السهم حول النقط G ويبدأ في موازنة مساره من جديد. فطالما أن مركز الضغط يتمحور خلف مركز الثقل، فإن المقذوف سيحاول رفع المقدمة أولاً.. إن الزعانف تكون ملائمة ومتوافقة أكثر مع المنطقة الخلفية للمقذوف وذلك لزيادة المنطقة السطحية خلف مركز الثقل، وبهذه الطريقة يتم تقديم النقطة P خلف النقطة G لتوفير طيران متوازن وأكثر استقامة للمقذوف. كما أن هذا الترتيب يضمن أن المقذوف الموازن بزعانف لن ينقلب خلال طيرانه في الجو نتيجة قوى الديناميكا الهوائية (بالطبع مضار الزعانف لا تخفى أيضاً على القارئ، خصوصاً مع البروز السلبي لسطوحها وتأثير مقاومة الهواء air resistance).. هذا النوع من نمط الاتزان يسمي "الاستقرار الساكن" static stability، حيث تستخدم وسيلة الاستقرار الزعنفي في الكثير من مقذوفات الأسلحة، مثل قنابل الطائرات والهاون ومقذوفات المدفعية، والأهم من ذلك مقذوفات الطاقة الحركية الخارقة للدروع المثبتة بزعانف النابذة للقبقاب APFSDS.
الوسيلة الأخرى للاتزان يطلق عليها "الاستقرار التدويري" spin stabilisation أو التسريع المغزلي وهي مرتبطة بسبطانات الأسلحة النارية المحلزنة. فأغلب مقذوفات المدفعية تكتسب استقرارها من خلال تسريع المقذوف بشكل مغزلي وذلك لإنتاج تأثير توازني gyroscopic effect، يبقي محور التسريع في حالة مستقرة. دورة التسريع تنجز في سبطانة المدفع المحلزن عن طريق تشغيل طوق القيادة driving band حول جسم المقذوف (يصنع عادة من سبيكة نحاسية)، بحيث يتبع الطوق مسار الحلزنة في التجويف الداخلي لسطح السبطانة، مما يمنح المقذوف معدل دوران محوري نتيجة الاحتكاك الانزلاقي sliding friction. إن نسبة أو معدل الدوران محدد عادة بسرعة المقذوف والمسافة بين مسارات الحلزنة. كما أن معدل التسريع وسرعته سوف تتناقص أيضاً خلال كافة مراحل طيران المقذوف، الأمر الذي يؤثر في النهاية على استقرار هذا الأخير.
فلمواجهة الضغوط العالية في تجويف سبطانة السلاح، تتطلب قاعدة المقذوف أن تكون قوية جداً ولذلك هي يجب أن تكون سميكة وثقيلة نسبياً. كما أن تدبيب أنف المقذوف وجعله أكثر حدة مطلب مهم هو الآخر لتخفيف عائق الديناميكا الهوائية. هكذا، مزيج العنصران (القاعدة الثقيلة والمقدمة الحادة) يمنحان ذخيرة المدفعية الحديثة مركز ثقل centre of gravity بالقرب من قاعدة المقذوف، ومركز ضغط بالقرب من مقدمة الأنف. لسوء الحظ هذا الأمر يؤدي لاضطراب وعدم استقرار المقذوف أثناء طيرانه، لذلك فإن الاستقرار الديناميكي مكتسب بدوران المقذوف السريع حول محوره الطولي longitudinal axis الذي بدوره ينتج قوى توازنية قوية (لذلك يطلق عليها مصطلح الحركة التوازنية gyroscopic motion). وسيلة حفظ التوازن هذه في شكلها البسيط تعتبر وتراعي مقدمة المقذوف المتطرفة. فمن خلال الخبرات التجريبية، تبين أن المقدمة إذا كانت مرتكزة وثابتة، فإنها لا تستطيع جعل المقذوف ينتصب مستقيماً أثناء طيرانه، ولكن في اللحظة التي تبدأ فيها المقدمة بالدوران المغزلي السريع بما فيه الكفاية، فإنها لا تبقي المقذوف في وضع منتصب فقط، بل إنها تقاوم أي جهود لسحبه وجره عن ذلك الموضع.
في الحقيقة حركة الانتقال التي لوحظت مع الدوران المغزلي لمقدمة المقذوف تدعى "الترنح" nutation والتعبير يشير لحركة غير منتظمة على هيئة تمايل طفيف في محور دوران جسم متماثل محورياً بشكل كبير، مثل مقذوفات المدافع وطلقات الأسلحة الخفيفة. فالمقذوفات التي تطلق من مدافع محلزنة التجويف لا تتبع مسار طيران مستقيم وصولاً للهدف، بل أن القوى التدويرية هي في الحقيقة من يحفظ المقذوف بعيداً عن طيرانه المستقيم نحو الهدف، وتجعل مقدمة أنف المقذوف تدور بحلقة دائرية صغيرة بعيداً عن خط الطيران (الاختبارات أظهرت أيضاً أن طول المقذوف إذا تجاوز 7 أضعاف قطره، فإنه يتعذر تأمين الاستقرار بشكل مرضي بواسطة الدوران المغزلي، مهما كانت سرعة هذا الدوران أو معدله).
