Ar kada nors susimąstėte, kaip kriminalistai ir tyrėjai apskaičiuoja kulkos greitį? Kaip sužinoti, kaip sviedinys juda arba kaip stipriai jis į ką nors atsitrenkia?
Balistinė švytuoklė yra įrankis, pakeitęs balistikos pasaulį ir atvėręs kelią šiandieniniam teismo mokslui.
Kaip inžinieriaus studentas ar inžinierius, svarbu suprasti, kaip veikia balistinė švytuoklė ir kaip ji veikia.
Šiame tinklaraščio įraše apžvelgsiu šio įdomaus įrenginio mokslą, įskaitant jo veikimą, taisykles, kurių laikomasi, ir jo svarbą inžinerijos ir kitose srityse.
Taigi apsivilkite laboratorinį chalatą ir pradėkime!
Balistinės švytuoklės įvadas
Oficialus apibrėžimas:
Įtaisas, kuris naudoja pakabinamo svorio įlinkį sviedinio impulsui nustatyti.
Balistinė švytuoklė yra paprastas, bet efektyvus prietaisas, naudojamas sviedinio, pavyzdžiui, kulkos, greičiui ir kinetikai matuoti.
Jis sudarytas iš didelio medžio luito, kuris pakabinamas dviem stygomis ir tarnauja kaip švytuoklė.
Darbo principas
Norint išmatuoti kulkos greitį balistine švytuokle, kulka šaunama į medžio luitą, kabantį ant virvelės.
Kulka įstringa bloke, todėl visa bloko ir kulkos sistema pakyla į aukštį h.
Mechaninės energijos išsaugojimas sako, kad 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, kur m yra kulkos masė, M yra bloko masė, vf yra jų galutinis greitis po susidūrimo, o h yra aukščiausias jų taškas.
Įstatymai apie gamtosaugą
Apskaičiuojant pradinį sviedinio greitį balistinėje švytuoklėje, naudojami energijos išsaugojimo dėsniai, yra impulso išsaugojimo ir energijos išsaugojimo dėsniai.
Avarijos metu impulsas išlieka toks pat, o po avarijos energija išlieka ta pati.
Kai sviedinys pasiekia aukščiausią tašką, jo pradžioje turėta kinetinė energija paverčiama potencialia energija.
Kai švytuoklė svyruoja atgal, gravitacinė potenciali energija vėl paverčiama kinetine energija.
Netradicinis būdas laimėti diskusiją: balistinė švytuoklė
Vis dar sunku suprasti? Šiek tiek pakeisiu požiūrį:
Žmonės sako, kad rašiklis galingesnis už kardą, bet kaip su balistine švytuokle? Nesivaržykite argumentuodami ir tiksliais matavimais.
Kitą kartą, kai dalyvausite karštuose ginčuose, paimkite savo patikimą balistinę švytuoklę ir leiskite jai kalbėti.
Juk niekas nesako „aš teisus“, kaip prietaisas, kuris naudoja mestą svorį, kad suprastų, kaip greitai juda sviedinys.
Gerai, tai buvo tik pokštas, panašus į TV reklamą.
Dabar grįžkime prie paaiškinimo.
Balistinės švytuoklės funkcijos supratimas
Prietaisas pagamintas iš didelio medžio luito, kurį laiko dvi virvelės.
Šis blokas yra švytuoklė.
Susidūrimas, kuris nėra elastingas, yra balistinė švytuoklė.
Tokio tipo susidūrimo metu daiktai, kurie atsitrenkia vienas į kitą, sulimpa, o kinetinė energija nėra tokia pati.
Kai kulka paleidžiama į medinį bloką, kulka įstringa bloke, o blokas ir kulka kartu pakyla į aukštį, kuris priklauso nuo kulkos ir bloko sunkumo.
Tai neelastingo susidūrimo pavyzdys, nes kinetinė energija nesikeičia.
Kaip sužinoti greitį
Švytuoklės siūbavimo dydis gali būti naudojamas norint nustatyti kulkos impulsą, kuris vėliau gali būti naudojamas jos greičiui nustatyti.
Kai naudojate balistinę švytuoklę, kad išsiaiškintumėte, kaip greitai juda sviedinys, jums nereikia matuoti laiko.
Vietoj to, jums reikia išmatuoti tik masę ir atstumą.
Chronografai, galintys tiesiogiai matuoti sviedinio greitį, dažniausiai pakeitė balistinę švytuoklę.
Tačiau jis vis dar naudojamas klasėse, siekiant parodyti, kaip veikia pagreitis ir energijos taupymas.
Sviedinio greičio ir kitų parametrų skaičiavimas
Norint išsiaiškinti pradinį sviedinio greitį balistinės švytuoklės pagalba, kulka paleidžiama į laisvai siūbuojančią švytuoklės strypą.
Kai du objektai atsitrenkia vienas į kitą, švytuoklė pasisuka į aukščiausią tašką ir keičiasi bendras bobo ir kulkos greitis.
Impulso išsaugojimas gali būti naudojamas norint nustatyti pradinį kulkos greitį, atsižvelgiant į kulkos ir kulkos mases bei švytuoklės aukštį.
Kol kulka ir boba pataikė vienas į kitą, jie abu turėjo tokį patį greitį.
Išmatuodami, kaip aukštai švytuoklė pasiekia aukščiausią tašką, galite suprasti, kaip greitai kulka judėjo iš pradžių.
Sviedinio greičio apskaičiavimas naudojant atstumą ir laiką
Kitu būdu pradinį sviedinio greitį galima nustatyti išmatuojant, kiek jis juda horizontaliai.
Švytuoklė šiuo metodu nenaudojama, ją galima nuimti nuo vyrių, kad ji netrukdytų eksperimentui.
Sviedinys šaudomas horizontaliai, matuojamas jo nuotolis.
Turėdami šį skaičių, galime naudoti lygtį, kad išsiaiškintume, kiek laiko truks skrydis (6).
Tada, naudodamiesi lygtimi x = v0 t, kur V0 yra pradinis sviedinio greitis, galime išsiaiškinti pradinį greitį.
Laido jėgos apskaičiavimas
Galime naudoti impulso ir energijos tvermės dėsnius, kad išsiaiškintume jėgą, veikiančią laidą iškart po smūgio.
Kulkos greičio pokytis yra lygus jėgai, kurią ji veikia bloką.
Mes galime tai išsiaiškinti, pasinaudoję tuo, kad impulsas išlieka toks pat prieš ir po smūgio.
Pradinis kulkos impulsas nustatomas pagal lygtį p = mv0, kur m yra kulkos masė, o v0 yra jos pradinis greitis.
Po susidūrimo bendra masė (m + M) juda greičiu, vadinamu vf.
Impulso išsaugojimo dėsnis mums sako, kad mv0 = (m + M)vf.
Vf galime išspręsti: vf = mv0 / (m + M).
Tada impulsas, kurį kulka suteikia blokui, gaunamas taip: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).
Galime naudoti energijos tvermės dėsnį, kad išsiaiškintume, kiek jėgos buvo ant laido iškart po to, kai jis atsitrenkė į žemę.
Bendra mechaninė energija prieš smūgį yra tokia pati kaip visa mechaninė energija po smūgio: (1/2)mv02 = (1/2) (m+M)vf2 + (m+M)gh, kur g yra pagreitis, kurį sukelia gravitacija ir h yra aukščiausias taškas, kurį gali pasiekti blokų ir kulkų sistema.
Vf galime išspręsti naudodami ankstesnę lygtį ir pakeisti ją šia lygtimi: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+) M) gh.
Padarius šią lygtį kuo paprastesnę, gauname: v02 = 2gh / (1+M/m).
Antrasis Niutono dėsnis nurodo, kaip rasti jėgą F ant laido: F = I / t, kur t yra laikas, per kurį bloko ir kulkos sistema nustoja judėti.
Švytuoklės svyravimo kampo apskaičiavimas
Pradinis sviedinio greitis priklauso nuo to, kiek švytuoklė pasisuka aukštyn ir koks yra švytuoklės ir sviedinio sunkumas.
Kai sviedinys atsitrenkia į švytuoklę, švytuoklė juda aukštyn iš pusiausvyros padėties iki didžiausio kampo.
Balistinių švytuoklių eksperimentus įtakojantys veiksniai
Atliekant balistinės švytuoklės eksperimentą, kulka įšaunama į medžio luitą, kabantį ant virvelės.
Dėl to visas daiktas pakyla iki aukščio h.
Norint gauti tikslius rezultatus, svarbu kuo labiau sumažinti klaidų šaltinius.
Atliekant laboratorinį eksperimentą su balistine švytuokle, gali įvykti klaidų, nes matavimo įrankiai nėra tobuli, šūvis ne visada vienodas arba lygtys nėra tinkamai pertvarkytos.
Klaidų šaltinių mažinimas
Norint sumažinti klaidų skaičių, galima padaryti keletą dalykų.
Pirmiausia padarykite švytuoklę, kuri gerai veiktų ir liktų tokia pati.
Tai galima padaryti prisukant srieginį strypą prie plastikinės dėžutės ir pridedant svorį, kad balanso centras būtų šalia dėžutės centro.
Atidžiai pažymėkite, kur yra masės centras, ir išbandykite prietaisą balansuodami ant pieštuko.
Antra, matavimai turi būti atliekami teisingai, virvelei ir liniuotei nejudant.
Tai galima padaryti įsitikinus, kad eksperimente naudojama įranga yra stabili ir saugi.
Trečia, sviedinys turi būti šaudomas tiesia linija ir kiekvieną kartą gaudomas tuo pačiu būdu.
Vienas iš būdų tai padaryti yra padaryti taip, kad putos gaudytų sviedinį taip, kad jis veiktų kiekvieną kartą.
Pažangios įrangos naudojimas
Šiuolaikinės įrangos naudojimas taip pat gali padėti sumažinti klaidų.
Pavyzdžiui, naudojant tikslesnį kampo skaitytuvą, matavimai gali būti tikslesni.
Be to, eksperimentų kartojimas kelis kartus ir duomenų įrašymas po kiekvieno bandymo gali padėti nustatyti duomenų neatitikimus ar nukrypimus.
Apibendrinant galima teigti, kad balistinės švytuoklės laboratorijos eksperimento klaidų mažinimas apima tokius veiksmus kaip tikslaus švytuoklės aparato sukūrimas, tikslus atstumų matavimas, nuoseklus šūvių šaudymas tinkamais gaudymo mechanizmais, pažangios įrangos naudojimas, kur įmanoma, ir eksperimentų kartojimas kelis kartus.
Sumažinus vietų, kuriose gali įvykti klaidų, skaičių, eksperimentas gali būti tikslesnis, o tai leis gauti patikimesnius rezultatus.
Susidūrimų demonstracija: balistinė švytuoklė
Patarimas: jei reikia, įjunkite antraštės mygtuką. Jei nesate susipažinę su šnekamąja kalba, nustatymų mygtuke pasirinkite „automatinis vertimas“. Gali tekti pirmiausia spustelėti vaizdo įrašo kalbą, kad jūsų mėgstamiausia kalba taptų prieinama versti.
Naudojimo atvejai
| Naudojamas: | Apibūdinimas: |
|---|---|
| Sviedinio greičio matavimas: | Pagrindinis balistinės švytuoklės panaudojimas yra sviedinio greičio matavimas. Išmatuodami, kiek pakabinamas svoris pasislenka sviediniui pataikius į jį, inžinieriai ir mokslininkai gali išsiaiškinti, kaip greitai sviedinys judėjo atsitrenkęs į svorį. |
| Kulkos kalibravimas: | Balistinės švytuoklės naudojamos siekiant užtikrinti, kad kulkos būtų tikslios ir nuoseklios. Prietaisas gali nustatyti kulkos kinetinę energiją, impulsą ir greitį, kuris vėliau gali būti naudojamas kulkos konstrukcijai ir gamybai reguliuoti. |
| Balistinių incidentų tyrimas: | Teismo medicinos ekspertai gali naudoti balistines švytuokles balistiniams incidentams tirti. Žiūrėdami į sviedinio kelią ir greitį, jie gali gauti svarbios informacijos, kuri gali padėti išspręsti nusikaltimus ar avarijas. |
| Medžiaga bandymams: | Balistinės švytuoklės naudojamos tikrinant tokių dalykų kaip šarvai ir apsauginės priemonės patvarumą ir efektyvumą. Šaudydami sviediniais į medžiagą ir matuodami švytuoklės nukrypimą, inžinieriai ir mokslininkai gali įvertinti medžiagos efektyvumą stabdant ar sulėtinant sviedinį. |
| Balistikos tyrimai: | Tyrėjai balistinėmis švytuoklėmis išsiaiškina, kaip sviediniai elgiasi įvairiose situacijose. Mokslininkai gali išsiaiškinti, kaip sviedinio kelią ir greitį veikia tokie dalykai kaip oro pasipriešinimas, gravitacija ir smūgio kampas. |
Išvada
Pasibaigus kelionei po balistinės švytuoklės pasaulį, negalime nesižavėti ją sukūrusių žmonių kūrybiškumu.
Balistinė švytuoklė buvo svarbi balistikos ir teismo ekspertizės sričių dalis nuo tada, kai ji buvo pagaminta.
Tačiau balistinė švytuoklė taip pat yra geras pavyzdys, kaip mokslas ir inžinerija susitinka ten, kur teorijos ir principai pritaikomi realiame pasaulyje.
Tai parodo, kokie svarbūs yra moksliniai atradimai ir naujos idėjos ir kaip jie formuoja bei keičia pasaulį, kuriame gyvename.
Taigi, toliau plėsdami mokslinių tyrimų ribas, nepamirškime, iš kur atėjome, ir prietaisų bei idėjų, kurios leido įgyvendinti šių dienų naujoves.
Nuorodos ir nuorodos
Universiteto fizika su šiuolaikine fizika
Pasidalinti…
