Úvod Do Balistického Kyvadla

Napadlo vás někdy, jak kriminalisté a vyšetřovatelé počítají rychlost střely? Co takhle zjistit, jak se projektil pohybuje nebo jak silně do něčeho narazí?

Balistické kyvadlo je nástroj, který změnil svět balistiky a vydláždil cestu forenzní vědě, jak ji známe dnes.

Jako student nebo inženýr inženýrství je důležité pochopit, jak balistické kyvadlo funguje a jak funguje.

V tomto příspěvku na blogu se podívám na vědu, která stojí za tímto zajímavým zařízením, včetně toho, jak funguje, jaká pravidla dodržuje a jaký je jeho význam ve strojírenství a dalších oborech.

Takže si oblečte svůj laboratorní plášť a můžeme začít!

Úvod do balistického kyvadla

Formální definice:

Zařízení, které využívá průhyb zavěšeného závaží k určení hybnosti střely.

Balistické kyvadlo je jednoduché, ale účinné zařízení používané pro měření rychlosti a kinetické energie projektilu, jako je kulka.

Skládá se z velkého dřevěného bloku, který je zavěšen na dvou provázcích a slouží jako kyvadlo.

Pracovní princip

Pro měření rychlosti kulky balistickým kyvadlem se kulka vystřelí do dřevěného bloku, který visí na provázku.

Střela se zasekne v bloku, což způsobí, že se celý systém bloku a střely vykývne o nějakou výšku h.

Zachování mechanické energie říká, že 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, kde m je hmotnost střely, M je hmotnost bloku, vf je jejich konečná rychlost po srážce a h je jejich nejvyšší bod.

Zákony o ochraně přírody

Zákony zachování, které se podílejí na výpočtu počáteční rychlosti střely v balistickém kyvadle, jsou zákony zachování hybnosti a zachování energie.

Během nárazu je hybnost udržována stejná a po nárazu je zachována stejná energie.

Když střela dosáhne svého nejvyššího bodu, kinetická energie, kterou měla na začátku, se změní na potenciální energii.

Když se kyvadlo zhoupne zpět dolů, gravitační potenciální energie se změní zpět na kinetickou energii.

Nekonvenční způsob, jak vyhrát debatu: Balistické kyvadlo

Stále těžké pochopit? Dovolím si trochu změnit úhel pohledu:

Lidé říkají, že pero je mocnější než meč, ale co balistické kyvadlo? Neobtěžujte se uvažováním a přesným měřením.

Popadněte své věrné balistické kyvadlo, až budete příště ve vášnivé hádce, a nechte ho mluvit.

Nic totiž neříká „mám pravdu“ jako zařízení, které pomocí hozeného závaží zjistí, jak rychle se projektil pohybuje.

Dobře, to byl jen vtip, který vypadal jako televizní reklama.

Nyní se vraťme k vysvětlení.

Pochopení funkce balistického kyvadla

Zařízení je vyrobeno z velkého bloku dřeva, který je držen dvěma strunami.

Tento blok je kyvadlo.

Srážka, která není elastická, je balistické kyvadlo.

Při tomto druhu srážky se věci, které na sebe narazí, slepí k sobě a kinetická energie není udržována stejná.

Když je kulka vypálena do dřevěného bloku, kulka se v bloku zasekne a blok a kulka se společně vychylují do výšky, která závisí na tom, jak těžké jsou kulka a blok.

Toto je příklad nepružné srážky, protože kinetická energie nezůstává stejná.

Jak zjistit rychlost

Velikost švihu kyvadla může být použita k určení hybnosti střely, která pak může být použita k určení její rychlosti.

Při použití balistického kyvadla ke zjištění, jak rychle se projektil pohybuje, nemusíte měřit čas.

Místo toho stačí změřit hmotnost a vzdálenost.

Chronografy, které dokážou přímo měřit rychlost střely, většinou nahradily balistické kyvadlo.

Ale stále se používá ve třídách, aby se ukázalo, jak funguje hybnost a zachování energie.

Výpočet rychlosti střely a dalších parametrů

Aby se zjistila počáteční rychlost střely pomocí balistického kyvadla, je do volně se kývajícího ramene kyvadla vypálena kulka.

Poté, co se dva objekty navzájem střetnou, kyvadlo se vychýlí do nejvyššího bodu a kombinovaná rychlost kulky a kulky se změní.

Zachování hybnosti může být použito k určení počáteční rychlosti střely z hlediska hmotností střely a ohybu a výšky dosažené kyvadlem.

Než se kulka a bob trefili, měli oba stejnou rychlost.

Změřením toho, jak vysoko se kyvadlo dostane do svého nejvyššího bodu, můžete zjistit, jak rychle se kulka zpočátku pohybovala.

Výpočet rychlosti střely pomocí vzdálenosti a času

Jiným způsobem lze počáteční rychlost střely zjistit měřením toho, jak daleko se pohybuje vodorovně.

Kyvadlo se v této metodě nepoužívá a lze jej sundat z pantů, aby nepřekáželo experimentu.

Projektil je vystřelen vodorovně a měří se jeho dostřel.

S tímto číslem můžeme pomocí rovnice zjistit, jak dlouho bude let trvat (6).

Potom pomocí rovnice x = v0 t, kde V0 je počáteční rychlost střely, můžeme vypočítat počáteční rychlost.

Výpočet síly na šňůře

Můžeme použít zákony hybnosti a zachování energie, abychom zjistili sílu působící na šňůru hned po nárazu.

Změna rychlosti střely se rovná síle, kterou působí na blok.

Můžeme to zjistit pomocí skutečnosti, že hybnost zůstává stejná před a po nárazu.

Počáteční hybnost střely je dána rovnicí p = mv0, kde m je hmotnost střely a v0 je její počáteční rychlost.

Po srážce se celková hmotnost (m + M) pohybuje rychlostí zvanou vf.

Zákon zachování hybnosti nám říká, že mv0 = (m + M)vf.

Pro vf můžeme řešit: vf = mv0 / (m + M).

Impulz udělený střelou na bloku je pak dán vztahem: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).

Můžeme použít zákon zachování energie, abychom zjistili, jak velká síla působila na šňůru hned poté, co dopadla na zem.

Celková mechanická energie před nárazem je stejná jako celková mechanická energie po nárazu: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, kde g je zrychlení způsobené gravitace a h je nejvyšší bod, kterého může systém bloků a střel dosáhnout.

Můžeme vyřešit vf pomocí naší předchozí rovnice a dosadit ji do této rovnice: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.

Tím, že tuto rovnici co nejvíce zjednodušíme, dostaneme: v02 = 2gh / (1+M/m).

Druhý Newtonův zákon nám říká, jak najít sílu F na šňůře: F = I / t, kde t je čas, který trvá, než se bloková a kulová soustava zastaví.

Výpočet úhlu výkyvu kyvadla

Počáteční rychlost střely závisí na tom, jak daleko se kyvadlo vychýlí nahoru a jak těžké je kyvadlo a střela.

Když střela narazí na kyvadlo, kyvadlo se z rovnovážné polohy posune nahoru do svého maximálního úhlu.

Faktory ovlivňující experimenty s balistickým kyvadlem

Při experimentu s balistickým kyvadlem je kulka vypálena do dřevěného bloku, který visí na provázku.

Tím se celá věc vyhoupne do výšky h.

Pro dosažení přesných výsledků je důležité minimalizovat zdroje chyb.

Během laboratorního experimentu s balistickým kyvadlem může dojít k chybám, protože měřicí nástroje nejsou dokonalé, výstřel není vždy stejný nebo rovnice nejsou správně uspořádány.

Omezení zdrojů chyb

Pro omezení chyb lze udělat několik věcí.

Nejprve vyrobte kyvadlo, které dobře funguje a zůstane stejné.

To lze provést přišroubováním závitové tyče k plastové krabičce a přidáním závaží, aby se střed rovnováhy dostal do blízkosti středu krabičky.

Pečlivě si označte, kde je těžiště, a vyzkoušejte zařízení vyvážením na tužku.

Za druhé, měření by měla být prováděna správně, s provázkem a pravítkem zůstat v klidu.

Toho lze dosáhnout tím, že se ujistíte, že zařízení použité v experimentu je stabilní a bezpečné.

Za třetí, projektil by měl být vystřelen v přímé linii a pokaždé chycen stejným způsobem.

Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je vytvořit způsob, jak pěna zachytit projektil způsobem, který funguje pokaždé.

Použití pokročilého vybavení

Používání moderního vybavení může také pomoci omezit chyby.

Například použití přesnější úhlové čtečky může pomoci zpřesnit měření.

Několikrát opakování experimentů a záznam dat po každém pokusu navíc může pomoci identifikovat jakékoli nesrovnalosti nebo odlehlé hodnoty v datech.

Závěrem lze říci, že omezování chyb v laboratorním experimentu s balistickým kyvadlem zahrnuje kroky, jako je sestavení přesného kyvadlového aparátu, přesné měření vzdáleností, střílení přímých výstřelů konzistentně se správnými chytacími mechanismy, použití pokročilého vybavení tam, kde je to možné, a vícenásobné opakování experimentů.

Snížením počtu míst, kde se mohou stát chyby, lze experiment zpřesnit, což povede ke spolehlivějším výsledkům.

Kolize Demo: Balistické kyvadlo

Tip: Pokud potřebujete, zapněte tlačítko titulků. Pokud nejste obeznámeni s mluveným jazykem, vyberte v tlačítku nastavení „automatický překlad“. Než bude váš oblíbený jazyk dostupný pro překlad, možná budete muset nejprve kliknout na jazyk videa.

Případy užití

Použito v:	Popis:
Měření rychlosti střely:	Primárním použitím balistického kyvadla je měření rychlosti střely. Měřením toho, jak moc se zavěšené závaží po nárazu projektilu pohne, mohou inženýři a vědci zjistit, jak rychle se střela pohybovala, když dopadla na závaží.
Kalibrace střely:	Balistická kyvadla se používají k zajištění toho, že kulky jsou přesné a konzistentní. Zařízení dokáže určit kinetickou energii, hybnost a rychlost střely, které pak lze použít k úpravě konstrukce a výroby střely.
Vyšetřování balistických incidentů:	Forenzní experti mohou použít balistická kyvadla k vyšetřování balistických incidentů. Při pohledu na dráhu a rychlost střely mohou získat důležité informace, které mohou pomoci vyřešit zločiny nebo nehody.
Materiály pro testy:	Balistická kyvadla se používají k testování odolnosti a účinnosti věcí, jako je brnění a ochranné vybavení. Vystřelením projektilů na materiál a měřením výchylky kyvadla mohou inženýři a vědci vyhodnotit účinnost materiálu při zastavení nebo zpomalení střely.
Výzkum balistiky:	Vědci pomocí balistických kyvadel zjišťují, jak se projektily chovají v různých situacích. Vědci mohou zjistit, jak dráhu a rychlost střely ovlivňují věci, jako je odpor vzduchu, gravitace a úhel dopadu.

Závěr

Když se blížíme ke konci našeho turné po světě balistického kyvadla, nemůžeme si pomoci, ale obdivujeme kreativitu lidí, kteří jej vyrobili.

Balistické kyvadlo je důležitou součástí oborů balistiky a forenzní vědy již od doby, kdy bylo poprvé vyrobeno.

Ale balistické kyvadlo je také dobrým příkladem toho, jak se věda a technika setkávají v bodě, kdy se teorie a principy používají v reálném světě.

Ukazuje, jak důležité jsou vědecké objevy a nové myšlenky a jak utvářejí a mění svět, ve kterém žijeme.

Když tedy stále posouváme hranice vědeckého výzkumu, nezapomínejme, odkud jsme přišli a na zařízení a nápady, které umožnily inovace dneška.

Odkazy a odkazy

Univerzitní fyzika s moderní fyzikou