Чудили ли сте се някога как криминалистите и следователите изчисляват скоростта на куршума? Какво ще кажете да научите как се движи снаряд или колко силно удря нещо?
Балистичното махало е инструмент, който промени света на балистиката и проправи пътя за съдебната медицина, каквато я познаваме днес.
Като студент по инженерство или инженер е важно да разберете как работи балистичното махало и как работи.
В тази публикация в блога ще разгледам науката зад това интересно устройство, включително как работи, правилата, които следва, и значението му в инженерството и други области.
Така че облечете лабораторната си престилка и да започваме!
Въведение в балистичното махало
Официална дефиниция:
Устройство, което използва отклонението на окачена тежест, за да определи импулса на снаряда.
Балистичното махало е просто, но ефективно устройство, използвано за измерване на скоростта и кинетичната енергия на снаряд, като например куршум.
Състои се от голям дървен блок, който е окачен на две струни и служи като махало.
Принцип на работа
За да се измери скоростта на куршум с балистично махало, куршумът се изстрелва в дървен блок, който виси на връв.
Куршумът се забива в блока, което кара цялата система от блок и куршум да се люлее на някаква височина h.
Запазването на механичната енергия казва, че 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, където m е масата на куршума, M е масата на блока, vf е крайната им скорост след сблъсък, а h е най-високата им точка.
Закони за опазване
Законите за запазване, включени в изчисляването на началната скорост на снаряд в балистично махало, са законите за запазване на импулса и запазване на енергията.
По време на катастрофата инерцията се запазва същата, а след катастрофата енергията се запазва същата.
Когато снарядът достигне най-високата си точка, кинетичната енергия, която е имал в началото, се превръща в потенциална енергия.
Докато махалото се люлее обратно надолу, гравитационната потенциална енергия се превръща обратно в кинетична енергия.
Нетрадиционният начин да спечелите дебат: балистичното махало
Все още трудно за разбиране? Да променя малко гледната точка:
Хората казват, че писалката е по-силна от меча, но какво да кажем за балистичното махало? Не се занимавайте с разсъждения и точни мерки.
Грабнете вашето надеждно балистично махало следващия път, когато сте в разгорещен спор и го оставете да говори.
В края на краищата нищо не казва „Прав съм“ като устройство, което използва хвърлена тежест, за да разбере колко бързо се движи снаряд.
Добре, това беше просто шега, направена да изглежда като телевизионна реклама.
Сега да се върнем към обяснението.
Разбиране на функцията на балистичното махало
Устройството е съставено от голям дървен блок, който се държи на две струни.
Този блок е бобът на махалото.
Сблъсък, който не е еластичен, е балистичното махало.
При този вид сблъсък нещата, които се удрят едно в друго, се слепват и кинетичната енергия не се запазва същата.
Когато куршумът бъде изстрелян в дървения блок, куршумът се забива в блока и блокът и куршумът заедно се люлеят до височина, която зависи от това колко тежки са куршумът и блокът.
Това е пример за нееластичен сблъсък, тъй като кинетичната енергия не остава същата.
Как да разбера скоростта
Размерът на люлеенето на махалото може да се използва за определяне на импулса на куршума, който след това може да се използва за определяне на неговата скорост.
Когато използвате балистично махало, за да разберете колко бързо се движи снаряд, не е необходимо да измервате времето.
Вместо това трябва само да измерите масата и разстоянието.
Хронографите, които могат директно да измерват скоростта на снаряд, са заменили най-вече балистичното махало.
Но все още се използва в класните стаи, за да покаже как работят инерцията и запазването на енергията.
Изчисляване на скоростта на снаряда и други параметри
За да се определи началната скорост на снаряд с помощта на балистично махало, куршумът се изстрелва в свободно люлеещата се част на махалото.
След като двата обекта се ударят един в друг, махалото се люлее до най-високата си точка и комбинираната скорост на удара и куршума се променя.
Запазването на импулса може да се използва за определяне на началната скорост на куршума по отношение на масите на куршума и боба и височината, достигната от махалото.
Преди куршумът и бобът да се ударят, и двамата имаха еднаква скорост.
Като измерите колко високо се издига махалото до най-високата си точка, можете да разберете колко бързо се е движел куршумът в началото.
Изчисляване на скоростта на снаряда с помощта на разстояние и време
По друг начин началната скорост на снаряда може да бъде определена чрез измерване на колко далеч се движи хоризонтално.
Махалото не се използва в този метод и може да се свали от пантите, за да не пречи на експеримента.
Снарядът се изстрелва хоризонтално и се измерва обсега му.
С това число можем да използваме уравнение, за да разберем колко време ще отнеме полетът (6).
След това, използвайки уравнението x = v0 t, където V0 е началната скорост на снаряда, можем да намерим началната скорост.
Изчисляване на силата върху кабела
Можем да използваме законите за импулса и запазването на енергията, за да разберем силата върху кабела веднага след удара.
Промяната в скоростта на куршума е равна на силата, която прилага върху блока.
Можем да разберем това, като използваме факта, че инерцията остава същата преди и след удар.
Началният импулс на куршума се дава от уравнението p = mv0, където m е масата на куршума, а v0 е началната му скорост.
След сблъсъка общата маса (m + M) се движи със скорост, наречена vf.
Законът за запазване на импулса ни казва, че mv0 = (m + M)vf.
Можем да намерим vf: vf = mv0 / (m + M).
Тогава импулсът, придаден от куршума на блока, се дава от: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).
Можем да използваме закона за запазване на енергията, за да разберем колко сила е действала върху кабела веднага след удара му в земята.
Общата механична енергия преди удара е същата като общата механична енергия след удара: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, където g е ускорението, причинено от гравитацията и h е най-високата точка, която блокът и куршумът могат да достигнат.
Можем да решим vf с помощта на нашето предишно уравнение и да го заместим в това уравнение: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.
Като направим това уравнение възможно най-просто, получаваме: v02 = 2gh / (1+M/m).
Вторият закон на Нютон ни казва как да намерим силата F върху кордата: F = I / t, където t е времето, необходимо на системата от блок и куршум да спрат да се движат.
Изчисляване на ъгъла на люлеене на махалото
Началната скорост на снаряда зависи от това колко далеч се люлее махалото и колко тежки са махалото и снарядът.
Когато снаряд удари махало, махалото се движи нагоре от равновесното си положение до максималния си ъгъл.
Фактори, влияещи върху експериментите с балистично махало
В експеримент с балистично махало, куршум се изстрелва в дървен блок, който виси на връв.
Това кара цялото нещо да се люлее до височина h.
За постигане на точни резултати е важно да се минимизират източниците на грешки.
По време на лабораторен експеримент с балистично махало могат да се случат грешки, защото измервателните инструменти не са перфектни, изстрелът не винаги е един и същ или уравненията не са пренаредени правилно.
Намаляване на източниците на грешки
Могат да се направят няколко неща, за да се намалят грешките.
Първо, направете махало, което работи добре и остава същото.
Това може да стане чрез завинтване на прът с резба към пластмасова кутия и добавяне на тежест, за да направите центъра на баланс близо до центъра на кутията.
Маркирайте внимателно къде е центърът на масата и тествайте устройството, като го балансирате върху молив.
Второ, измерванията трябва да се правят правилно, като връвта и линийката остават неподвижни.
Това може да стане, като се уверите, че използваното в експеримента оборудване е стабилно и безопасно.
Трето, снарядът трябва да се изстреля по права линия и всеки път да се хваща по един и същи начин.
Един от начините да направите това е да направите път за пяната да хване снаряда по начин, който работи всеки път.
Използване на усъвършенствано оборудване
Използването на модерно оборудване също може да помогне за намаляване на грешките.
Например, използването на по-точен ъглов четец може да помогне за по-точни измервания.
Освен това, повтарянето на експериментите няколко пъти и записването на данни след всеки опит може да помогне за идентифициране на несъответствия или отклонения в данните.
В заключение, намаляването на грешките в лабораторен експеримент с балистично махало включва предприемане на стъпки като изграждане на точен апарат с махало, точно измерване на разстояния, изстрелване на прави изстрели последователно с подходящи механизми за улавяне, използване на усъвършенствано оборудване, където е възможно, и повтаряне на експериментите многократно.
Чрез намаляване на броя на местата, където могат да се случат грешки, експериментът може да бъде направен по-точен, което ще доведе до по-надеждни резултати.
Демонстрация на сблъсъци: Балистично махало
Съвет: Включете бутона за надписи, ако имате нужда от него. Изберете „автоматичен превод“ в бутона за настройки, ако не сте запознати с говоримия език. Може да се наложи първо да щракнете върху езика на видеоклипа, преди любимият ви език да стане достъпен за превод.
Случаи на употреба
| Използвано в: | Описание: |
|---|---|
| Измерване на скоростта на снаряд: | Основната употреба на балистичното махало е за измерване на скоростта на снаряд. Чрез измерване на това колко се движи окачена тежест, след като снарядът я удари, инженерите и учените могат да разберат колко бързо се е движел снарядът, когато удари тежестта. |
| Калибриране на куршума: | Използват се балистични махала, за да се гарантира, че куршумите са точни и последователни. Устройството може да определи кинетичната енергия, инерцията и скоростта на куршума, които след това могат да се използват за коригиране на дизайна и производството на куршума. |
| Разследване на балистични инциденти: | Съдебните експерти могат да използват балистични махала за разследване на балистични инциденти. Като гледат пътя и скоростта на снаряда, те могат да получат важна информация, която може да помогне за разкриването на престъпления или злополуки. |
| Материали за тестове: | Балистичните махала се използват за тестване на издръжливостта и ефективността на неща като броня и защитна екипировка. Чрез изстрелване на снаряди към материала и измерване на отклонението на махалото, инженерите и учените могат да оценят ефективността на материала при спиране или забавяне на снаряд. |
| Изследвания по балистика: | Изследователите използват балистични махала, за да разберат как се държат снарядите в различни ситуации. Учените могат да разберат как пътят и скоростта на снаряда се влияят от неща като въздушно съпротивление, гравитация и ъгъл на удара. |
Заключение
Докато стигаме до края на нашата обиколка из света на балистичното махало, не можем да не се възхищаваме на креативността на хората, които са го направили.
Балистичното махало е важна част от областта на балистиката и съдебната медицина откакто е създадено за първи път.
Но балистичното махало също е добър пример за това как науката и инженерството се срещат в точката, където теориите и принципите се използват в реалния свят.
Показва колко важни са научните открития и новите идеи и как те оформят и променят света, в който живеем.
Така че, докато продължаваме да разширяваме границите на научните изследвания, нека не забравяме откъде идваме и устройствата и идеите, които направиха възможни иновациите днес.
Връзки и препратки
Университетска физика със съвременна физика
Сподели на…
