Εισαγωγή Στο Βαλλιστικό Εκκρεμές

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πώς οι ιατροδικαστές και οι ερευνητές υπολογίζουν την ταχύτητα μιας σφαίρας; Τι θα έλεγες να μάθεις πώς κινείται ένα βλήμα ή πόσο δυνατά χτυπά κάτι;

Το βαλλιστικό εκκρεμές είναι ένα εργαλείο που άλλαξε τον κόσμο της βαλλιστικής και άνοιξε το δρόμο για την εγκληματολογική επιστήμη όπως τη γνωρίζουμε σήμερα.

Ως φοιτητής μηχανικός ή μηχανικός, είναι σημαντικό να κατανοήσετε πώς λειτουργεί και πώς λειτουργεί ένα βαλλιστικό εκκρεμές.

Σε αυτήν την ανάρτηση ιστολογίου, θα εξετάσω την επιστήμη πίσω από αυτήν την ενδιαφέρουσα συσκευή, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου λειτουργίας της, των κανόνων που ακολουθεί και της σημασίας της στη μηχανική και σε άλλους τομείς.

Φορέστε λοιπόν το εργαστηριακό σας παλτό και ας ξεκινήσουμε!

Εισαγωγή στο Βαλλιστικό Εκκρεμές

Επίσημος ορισμός:

Μια συσκευή που χρησιμοποιεί την εκτροπή ενός αιωρούμενου βάρους για να προσδιορίσει την ορμή ενός βλήματος.

Ένα βαλλιστικό εκκρεμές είναι μια απλή αλλά αποτελεσματική συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ταχύτητας και της κινητικής ενέργειας ενός βλήματος, όπως μια σφαίρα.

Αποτελείται από ένα μεγάλο κομμάτι ξύλου που κρέμεται από δύο χορδές και χρησιμεύει ως το εκκρεμές.

Αρχή λειτουργίας

Για να μετρηθεί η ταχύτητα μιας σφαίρας με ένα βαλλιστικό εκκρεμές, μια σφαίρα εκτοξεύεται σε ένα ξύλο που κρέμεται από μια χορδή.

Η σφαίρα κολλάει στο μπλοκ, γεγονός που κάνει ολόκληρο το σύστημα του μπλοκ και της σφαίρας να αιωρείται σε κάποιο ύψος h.

Η διατήρηση της μηχανικής ενέργειας λέει ότι 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, όπου m είναι η μάζα της σφαίρας, M είναι η μάζα του μπλοκ, vf είναι η τελική τους ταχύτητα μετά τη σύγκρουση και h είναι το υψηλότερο σημείο τους.

Νόμοι για τη διατήρηση

Οι νόμοι διατήρησης που εμπλέκονται στον υπολογισμό της αρχικής ταχύτητας ενός βλήματος σε ένα βαλλιστικό εκκρεμές είναι οι νόμοι της διατήρησης της ορμής και της διατήρησης της ενέργειας.

Κατά τη διάρκεια της συντριβής, η ορμή διατηρείται η ίδια και μετά τη συντριβή, η ενέργεια διατηρείται η ίδια.

Όταν το βλήμα φτάσει στο υψηλότερο σημείο του, η κινητική ενέργεια που είχε στην αρχή μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια.

Καθώς το εκκρεμές ταλαντεύεται προς τα πίσω, η βαρυτική δυναμική ενέργεια μετατρέπεται ξανά σε κινητική ενέργεια.

Ο αντισυμβατικός τρόπος για να κερδίσετε μια συζήτηση: Το βαλλιστικό εκκρεμές

Ακόμα δύσκολο να το καταλάβεις; Να αλλάξω λίγο την άποψη:

Οι άνθρωποι λένε ότι το στυλό είναι πιο δυνατό από το σπαθί, αλλά τι γίνεται με το βαλλιστικό εκκρεμές; Μην ασχολείστε με συλλογισμούς και ακριβείς μετρήσεις.

Αρπάξτε το έμπιστο βαλλιστικό σας εκκρεμές την επόμενη φορά που θα έχετε έντονη διαμάχη και αφήστε το να μιλήσει.

Εξάλλου, τίποτα δεν λέει "έχω δίκιο" όπως μια συσκευή που χρησιμοποιεί ένα πεταμένο βάρος για να καταλάβει πόσο γρήγορα κινείται ένα βλήμα.

Εντάξει, αυτό ήταν απλώς ένα αστείο για να μοιάζει με τηλεοπτική διαφήμιση.

Τώρα ας επιστρέψουμε στην εξήγηση.

Κατανόηση της Λειτουργίας του Βαλλιστικού Εκκρεμούς

Η συσκευή αποτελείται από ένα μεγάλο κομμάτι ξύλου που συγκρατείται από δύο χορδές.

Αυτό το μπλοκ είναι το εκκρεμές bob.

Μια σύγκρουση που δεν είναι ελαστική είναι το βαλλιστικό εκκρεμές.

Σε αυτό το είδος σύγκρουσης, τα πράγματα που χτυπούν το ένα το άλλο κολλάνε μεταξύ τους και η κινητική ενέργεια δεν παραμένει ίδια.

Όταν εκτοξεύεται μια σφαίρα στο ξύλινο μπλοκ, η σφαίρα κολλάει στο μπλοκ και το μπλοκ και η σφαίρα μαζί αιωρούνται σε ύψος που εξαρτάται από το πόσο βαριά είναι η σφαίρα και το μπλοκ.

Αυτό είναι ένα παράδειγμα ανελαστικής σύγκρουσης επειδή η κινητική ενέργεια δεν παραμένει ίδια.

Πώς να υπολογίσετε την ταχύτητα

Το μέγεθος της ταλάντευσης του εκκρεμούς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει την ορμή της σφαίρας, η οποία μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει την ταχύτητά της.

Όταν χρησιμοποιείτε ένα βαλλιστικό εκκρεμές για να καταλάβετε πόσο γρήγορα κινείται ένα βλήμα, δεν χρειάζεται να μετρήσετε το χρόνο.

Αντίθετα, χρειάζεται μόνο να μετρήσετε τη μάζα και την απόσταση.

Οι χρονογράφοι, οι οποίοι μπορούν να μετρήσουν άμεσα την ταχύτητα ενός βλήματος, έχουν ως επί το πλείστον αντικαταστήσει το βαλλιστικό εκκρεμές.

Αλλά εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στις τάξεις για να δείξει πώς λειτουργεί η ορμή και η διατήρηση της ενέργειας.

Υπολογισμός της ταχύτητας του βλήματος και άλλων παραμέτρων

Για να υπολογίσετε την αρχική ταχύτητα ενός βλήματος με τη βοήθεια ενός βαλλιστικού εκκρεμούς, μια σφαίρα εκτοξεύεται στην ελεύθερη αιώρηση του εκκρεμούς.

Αφού τα δύο αντικείμενα χτυπηθούν μεταξύ τους, το εκκρεμές ταλαντεύεται στο υψηλότερο σημείο του και η συνδυασμένη ταχύτητα του βαριδιού και της σφαίρας αλλάζει.

Η διατήρηση της ορμής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της αρχικής ταχύτητας της σφαίρας σε σχέση με τις μάζες της σφαίρας και του βαριδιού και το ύψος που φτάνει το εκκρεμές.

Πριν η σφαίρα και ο βαρίδι χτυπήσουν ο ένας τον άλλον, είχαν και οι δύο την ίδια ταχύτητα.

Μετρώντας πόσο ψηλά φτάνει το εκκρεμές στο υψηλότερο σημείο του, μπορείτε να καταλάβετε πόσο γρήγορα κινούνταν αρχικά η σφαίρα.

Υπολογισμός της ταχύτητας του βλήματος με χρήση απόστασης και χρόνου

Με άλλο τρόπο, η αρχική ταχύτητα ενός βλήματος μπορεί να υπολογιστεί μετρώντας πόσο μακριά κινείται οριζόντια.

Το εκκρεμές δεν χρησιμοποιείται σε αυτή τη μέθοδο και μπορεί να αφαιρεθεί από τους μεντεσέδες του, ώστε να μην εμποδίσει το πείραμα.

Το βλήμα εκτοξεύεται οριζόντια και μετράται η εμβέλειά του.

Με αυτόν τον αριθμό, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση για να υπολογίσουμε πόσο χρόνο θα διαρκέσει η πτήση (6).

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας την εξίσωση x = v0 t, όπου V0 είναι η αρχική ταχύτητα του βλήματος, μπορούμε να υπολογίσουμε την αρχική ταχύτητα.

Υπολογισμός δύναμης στο καλώδιο

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τους νόμους της ορμής και της εξοικονόμησης ενέργειας για να καταλάβουμε τη δύναμη στο καλώδιο αμέσως μετά την κρούση.

Η αλλαγή στην ταχύτητα της σφαίρας είναι ίση με τη δύναμη που ασκεί στο μπλοκ.

Μπορούμε να το καταλάβουμε χρησιμοποιώντας το γεγονός ότι η ορμή παραμένει ίδια πριν και μετά από μια κρούση.

Η αρχική ορμή της σφαίρας δίνεται από την εξίσωση p = mv0, όπου m είναι η μάζα της σφαίρας και v0 η αρχική της ταχύτητα.

Μετά τη σύγκρουση, η συνολική μάζα (m + M) κινείται με ταχύτητα που ονομάζεται vf.

Ο νόμος της διατήρησης της ορμής μας λέει ότι mv0 = (m + M)vf.

Μπορούμε να λύσουμε για vf: vf = mv0 / (m + M).

Η ώθηση που μεταδίδεται από τη σφαίρα στο μπλοκ δίνεται στη συνέχεια από: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το νόμο της διατήρησης της ενέργειας για να καταλάβουμε πόση δύναμη ασκήθηκε στο καλώδιο αμέσως μετά την πρόσκρουσή του στο έδαφος.

Η συνολική μηχανική ενέργεια πριν από την κρούση είναι ίδια με τη συνολική μηχανική ενέργεια μετά την κρούση: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, όπου g είναι η επιτάχυνση που προκαλείται από η βαρύτητα και το h είναι το υψηλότερο σημείο που μπορεί να φτάσει το σύστημα μπλοκ και σφαιρών.

Μπορούμε να λύσουμε για vf χρησιμοποιώντας την προηγούμενη εξίσωσή μας και να την αντικαταστήσουμε με αυτήν την εξίσωση: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.

Κάνοντας αυτή την εξίσωση όσο το δυνατόν πιο απλή, παίρνουμε: v02 = 2gh / (1+M/m).

Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα μας λέει πώς να βρούμε τη δύναμη F στο καλώδιο: F = I / t, όπου t είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να σταματήσει να κινείται το σύστημα μπλοκ και σφαίρας.

Υπολογισμός της γωνίας της ταλάντευσης του εκκρεμούς

Η αρχική ταχύτητα του βλήματος εξαρτάται από το πόσο μακριά ταλαντεύεται το εκκρεμές και πόσο βαριά είναι το εκκρεμές και το βλήμα.

Όταν ένα βλήμα χτυπά ένα εκκρεμές, το εκκρεμές κινείται προς τα πάνω από τη θέση ισορροπίας του στη μέγιστη γωνία του.

Παράγοντες που επηρεάζουν τα πειράματα βαλλιστικού εκκρεμούς

Σε ένα πείραμα βαλλιστικού εκκρεμούς, μια σφαίρα εκτοξεύεται σε ένα ξύλο που κρέμεται από μια χορδή.

Αυτό κάνει το όλο πράγμα να αιωρείται σε ύψος h.

Για να επιτευχθούν ακριβή αποτελέσματα, είναι σημαντικό να ελαχιστοποιούνται οι πηγές σφαλμάτων.

Κατά τη διάρκεια ενός εργαστηριακού πειράματος με ένα βαλλιστικό εκκρεμές, μπορεί να συμβούν λάθη επειδή τα εργαλεία μέτρησης δεν είναι τέλεια, η βολή δεν είναι πάντα η ίδια ή οι εξισώσεις δεν έχουν αναδιαταχθεί σωστά.

Μείωση των πηγών σφαλμάτων

Πολλά πράγματα μπορούν να γίνουν για να περιορίσουμε τα λάθη.

Πρώτα, φτιάξτε ένα εκκρεμές που λειτουργεί καλά και παραμένει το ίδιο.

Αυτό μπορεί να γίνει βιδώνοντας μια ράβδο με σπείρωμα σε ένα πλαστικό κουτί και προσθέτοντας βάρος για να γίνει το κέντρο ισορροπίας κοντά στο κέντρο του κουτιού.

Σημειώστε προσεκτικά πού βρίσκεται το κέντρο μάζας και δοκιμάστε τη συσκευή ισορροπώντας την σε ένα μολύβι.

Δεύτερον, οι μετρήσεις πρέπει να γίνονται σωστά, με τη χορδή και το χάρακα να παραμένουν ακίνητα.

Αυτό μπορεί να γίνει διασφαλίζοντας ότι ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στο πείραμα είναι σταθερός και ασφαλής.

Τρίτον, το βλήμα πρέπει να εκτοξεύεται σε ευθεία γραμμή και να πιάνεται με τον ίδιο τρόπο κάθε φορά.

Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να φτιάξετε έναν τρόπο ώστε ο αφρός να πιάσει το βλήμα με τρόπο που λειτουργεί κάθε φορά.

Χρήση προηγμένου εξοπλισμού

Η χρήση σύγχρονου εξοπλισμού μπορεί επίσης να βοηθήσει στη μείωση των λαθών.

Για παράδειγμα, η χρήση ενός πιο ακριβούς αναγνώστη γωνίας μπορεί να βοηθήσει να γίνουν οι μετρήσεις πιο ακριβείς.

Επιπλέον, η επανάληψη των πειραμάτων πολλές φορές και η καταγραφή δεδομένων μετά από κάθε δοκιμή μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό τυχόν ασυνεπειών ή ακραίων στοιχείων στα δεδομένα.

Συμπερασματικά, η μείωση των σφαλμάτων σε ένα εργαστηριακό πείραμα βαλλιστικού εκκρεμούς περιλαμβάνει τη λήψη βημάτων όπως η κατασκευή μιας ακριβούς συσκευής εκκρεμούς, η ακριβής μέτρηση αποστάσεων, η ρίψη ευθειών βολών με συνέπεια με τους κατάλληλους μηχανισμούς σύλληψης, η χρήση προηγμένου εξοπλισμού όπου είναι δυνατόν και η επανάληψη των πειραμάτων πολλές φορές.

Με τη μείωση του αριθμού των τόπων όπου μπορεί να συμβούν λάθη, το πείραμα μπορεί να γίνει πιο ακριβές, γεγονός που θα οδηγήσει σε πιο αξιόπιστα αποτελέσματα.

Επίδειξη συγκρούσεων: Βαλλιστικό Εκκρεμές

Συμβουλή: Ενεργοποιήστε το κουμπί υπότιτλων εάν το χρειάζεστε. Επιλέξτε «αυτόματη μετάφραση» στο κουμπί ρυθμίσεων, εάν δεν είστε εξοικειωμένοι με την ομιλούμενη γλώσσα. Ίσως χρειαστεί να κάνετε πρώτα κλικ στη γλώσσα του βίντεο προτού η αγαπημένη σας γλώσσα γίνει διαθέσιμη για μετάφραση.

Θήκες χρήσης

Χρησιμοποιείται σε:	Περιγραφή:
Μέτρηση της ταχύτητας ενός βλήματος:	Η κύρια χρήση του βαλλιστικού εκκρεμούς είναι η μέτρηση της ταχύτητας ενός βλήματος. Μετρώντας πόσο κινείται ένα αιωρούμενο βάρος αφού το χτυπήσει ένα βλήμα, οι μηχανικοί και οι επιστήμονες μπορούν να καταλάβουν πόσο γρήγορα κινούνταν το βλήμα όταν χτύπησε το βάρος.
Βαθμονόμηση κουκκίδων:	Τα βαλλιστικά εκκρεμή χρησιμοποιούνται για να διασφαλιστεί ότι οι σφαίρες είναι ακριβείς και συνεπείς. Η συσκευή μπορεί να προσδιορίσει την κινητική ενέργεια, την ορμή και την ταχύτητα της σφαίρας, η οποία μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την προσαρμογή του σχεδιασμού και της κατασκευής της σφαίρας.
Διερεύνηση βαλλιστικών περιστατικών:	Οι ιατροδικαστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν βαλλιστικά εκκρεμή για να διερευνήσουν βαλλιστικά περιστατικά. Εξετάζοντας τη διαδρομή και την ταχύτητα ενός βλήματος, μπορούν να λάβουν σημαντικές πληροφορίες που μπορούν να βοηθήσουν στην επίλυση εγκλημάτων ή ατυχημάτων.
Υλικά για Δοκιμές:	Τα βαλλιστικά εκκρεμή χρησιμοποιούνται για τη δοκιμή της ανθεκτικότητας και της αποτελεσματικότητας πραγμάτων όπως η πανοπλία και ο προστατευτικός εξοπλισμός. Εκτοξεύοντας βλήματα στο υλικό και μετρώντας την απόκλιση του εκκρεμούς, οι μηχανικοί και οι επιστήμονες μπορούν να αξιολογήσουν την αποτελεσματικότητα του υλικού στη διακοπή ή την επιβράδυνση ενός βλήματος.
Έρευνα για τη Βαλλιστική:	Οι ερευνητές χρησιμοποιούν βαλλιστικά εκκρεμή για να ανακαλύψουν πώς συμπεριφέρονται τα βλήματα σε διαφορετικές καταστάσεις. Οι επιστήμονες μπορούν να καταλάβουν πώς η διαδρομή και η ταχύτητα ενός βλήματος επηρεάζονται από πράγματα όπως η αντίσταση του αέρα, η βαρύτητα και η γωνία πρόσκρουσης.

συμπέρασμα

Καθώς φτάνουμε στο τέλος της περιήγησής μας στον κόσμο του βαλλιστικού εκκρεμούς, δεν μπορούμε παρά να θαυμάσουμε τη δημιουργικότητα των ανθρώπων που το έφτιαξαν.

Το βαλλιστικό εκκρεμές αποτελεί σημαντικό μέρος των πεδίων της βαλλιστικής και της εγκληματολογικής επιστήμης από τότε που κατασκευάστηκε για πρώτη φορά.

Αλλά το βαλλιστικό εκκρεμές είναι επίσης ένα καλό παράδειγμα του πώς η επιστήμη και η μηχανική συναντώνται στο σημείο όπου οι θεωρίες και οι αρχές χρησιμοποιούνται στον πραγματικό κόσμο.

Δείχνει πόσο σημαντικές είναι οι επιστημονικές ανακαλύψεις και οι νέες ιδέες και πώς διαμορφώνουν και αλλάζουν τον κόσμο στον οποίο ζούμε.

Έτσι, καθώς συνεχίζουμε να πιέζουμε τα όρια της επιστημονικής έρευνας, ας μην ξεχνάμε από πού προερχόμαστε και τις συσκευές και τις ιδέες που κατέστησαν δυνατές τις καινοτομίες του σήμερα.

Σύνδεσμοι και παραπομπές

Πανεπιστημιακή Φυσική με Σύγχρονη Φυσική