Úvod Do Balistického Kyvadla

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, ako forenzní vedci a vyšetrovatelia počítajú rýchlosť strely? Čo tak sa dozvedieť, ako sa projektil pohybuje alebo ako tvrdo do niečoho zasiahne?

Balistické kyvadlo je nástroj, ktorý zmenil svet balistiky a vydláždil cestu forenznej vede, ako ju poznáme dnes.

Ako študent alebo inžinier inžinierstva je dôležité pochopiť, ako balistické kyvadlo funguje a ako funguje.

V tomto blogovom príspevku sa pozriem na vedu, ktorá stojí za týmto zaujímavým zariadením, vrátane toho, ako funguje, aké pravidlá dodržiava a aký je jeho význam v strojárstve a iných oblastiach.

Oblečte si teda svoj laboratórny plášť a začnime!

Úvod do balistického kyvadla

Formálna definícia:

Zariadenie, ktoré využíva výchylku zaveseného závažia na určenie hybnosti strely.

Balistické kyvadlo je jednoduché, ale účinné zariadenie používané na meranie rýchlosti a kinetickej energie projektilu, ako je guľka.

Skladá sa z veľkého dreveného bloku, ktorý je zavesený na dvoch šnúrkach a slúži ako kyvadlové rameno.

Pracovný princíp

Na meranie rýchlosti guľky balistickým kyvadlom sa guľka vystrelí do bloku dreva, ktorý visí na šnúre.

Guľka sa zasekne v bloku, čím sa celý systém bloku a strely vykývne o určitú výšku h.

Zachovanie mechanickej energie hovorí, že 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, kde m je hmotnosť strely, M je hmotnosť bloku, vf je ich konečná rýchlosť po zrážke a h je ich najvyšší bod.

Zákony o ochrane prírody

Zákony zachovania zahrnuté vo výpočte počiatočnej rýchlosti strely v balistickom kyvadle sú zákony zachovania hybnosti a zachovania energie.

Počas nárazu sa hybnosť udržiava rovnaká a po náraze sa energia udržiava rovnaká.

Keď strela dosiahne svoj najvyšší bod, kinetická energia, ktorú mala na začiatku, sa zmení na potenciálnu energiu.

Keď sa kyvadlo vráti späť nadol, gravitačná potenciálna energia sa premení späť na kinetickú energiu.

Nekonvenčný spôsob, ako vyhrať diskusiu: Balistické kyvadlo

Stále ťažké pochopiť? Dovolím si trochu zmeniť uhol pohľadu:

Ľudia hovoria, že pero je mocnejšie ako meč, ale čo balistické kyvadlo? Netrápte sa zdôvodňovaním a presnými meraniami.

Keď nabudúce budete v ostrej hádke, chyťte svoje spoľahlivé balistické kyvadlo a nechajte ho hovoriť.

Koniec koncov, nič nehovorí „mám pravdu“ ako zariadenie, ktoré pomocou hodenej váhy zistí, ako rýchlo sa projektil pohybuje.

Dobre, to bol len vtip, ktorý vyzeral ako televízna reklama.

Teraz sa vráťme k vysvetleniu.

Pochopenie funkcie balistického kyvadla

Zariadenie je vyrobené z veľkého bloku dreva, ktorý je držaný dvoma strunami.

Tento blok je kyvadlo.

Zrážka, ktorá nie je elastická, je balistické kyvadlo.

Pri tomto druhu kolízie sa veci, ktoré na seba narazia, zlepia a kinetická energia nezostane rovnaká.

Keď guľka vystrelí do dreveného bloku, guľka sa zasekne v bloku a blok a guľka sa spolu vychýlia do výšky, ktorá závisí od toho, aké ťažké sú guľka a blok.

Toto je príklad nepružnej kolízie, pretože kinetická energia nezostáva rovnaká.

Ako zistiť rýchlosť

Veľkosť výkyvu kyvadla môže byť použitá na určenie hybnosti strely, ktorá sa potom môže použiť na určenie jej rýchlosti.

Pri použití balistického kyvadla na zistenie, ako rýchlo sa projektil pohybuje, nemusíte merať čas.

Namiesto toho musíte zmerať iba hmotnosť a vzdialenosť.

Chronografy, ktoré dokážu priamo merať rýchlosť strely, väčšinou nahradili balistické kyvadlo.

Ale stále sa používa v triedach, aby sa ukázalo, ako funguje hybnosť a šetrenie energie.

Výpočet rýchlosti strely a iných parametrov

Na zistenie počiatočnej rýchlosti projektilu pomocou balistického kyvadla sa vystrelí guľka do voľne sa otáčajúceho ramena kyvadla.

Potom, čo sa dva objekty navzájom stretnú, kyvadlo sa vychýli do najvyššieho bodu a kombinovaná rýchlosť bobu a strely sa zmení.

Zachovanie hybnosti sa môže použiť na určenie počiatočnej rýchlosti strely z hľadiska hmotnosti strely a ohybu a výšky dosiahnutej kyvadlom.

Predtým, ako sa guľka a bob narazili, mali obaja rovnakú rýchlosť.

Meraním toho, ako vysoko ide kyvadlo do najvyššieho bodu, môžete zistiť, ako rýchlo sa guľka pohybovala na začiatku.

Výpočet rýchlosti projektilu pomocou vzdialenosti a času

Iným spôsobom možno počiatočnú rýchlosť projektilu zistiť meraním toho, ako ďaleko sa pohybuje horizontálne.

Pri tejto metóde sa nepoužíva kyvadlo a dá sa zložiť z pántov, aby neprekážalo pri experimente.

Strela je vystrelená vodorovne a meria sa jej dosah.

Pomocou tohto čísla môžeme pomocou rovnice zistiť, ako dlho bude let trvať (6).

Potom pomocou rovnice x = v0 t, kde V0 je počiatočná rýchlosť strely, môžeme zistiť počiatočnú rýchlosť.

Výpočet sily na šnúre

Môžeme použiť zákony hybnosti a zachovania energie, aby sme zistili silu na šnúre hneď po náraze.

Zmena rýchlosti strely sa rovná sile, ktorou pôsobí na blok.

Môžeme to zistiť pomocou skutočnosti, že hybnosť zostáva rovnaká pred a po náraze.

Počiatočná hybnosť strely je daná rovnicou p = mv0, kde m je hmotnosť strely a v0 je jej počiatočná rýchlosť.

Po zrážke sa celková hmotnosť (m + M) pohybuje rýchlosťou nazývanou vf.

Zákon zachovania hybnosti nám hovorí, že mv0 = (m + M)vf.

Pre vf môžeme vyriešiť: vf = mv0 / (m + M).

Impulz vyslaný guľkou na blok je potom daný vzťahom: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).

Môžeme použiť zákon zachovania energie, aby sme zistili, aká veľká sila pôsobila na šnúru hneď po dopade na zem.

Celková mechanická energia pred nárazom je rovnaká ako celková mechanická energia po náraze: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, kde g je zrýchlenie spôsobené gravitácia a h je najvyšší bod, ktorý môže systém blokov a striel dosiahnuť.

Vf môžeme vyriešiť pomocou našej predchádzajúcej rovnice a dosadiť ju do tejto rovnice: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.

Keď túto rovnicu čo najjednoduchšie urobíme, dostaneme: v02 = 2gh / (1+M/m).

Druhý Newtonov zákon nám hovorí, ako nájsť silu F na šnúre: F = I / t, kde t je čas, ktorý trvá, kým sa blokový a guľkový systém zastaví.

Výpočet uhla výkyvu kyvadla

Počiatočná rýchlosť strely závisí od toho, ako ďaleko sa kyvadlo kýva nahor a aké ťažké sú kyvadlo a projektil.

Keď projektil narazí na kyvadlo, kyvadlo sa posunie nahor z rovnovážnej polohy do svojho maximálneho uhla.

Faktory ovplyvňujúce experimenty s balistickým kyvadlom

Pri experimente s balistickým kyvadlom je guľka vystrelená do dreveného bloku, ktorý visí na šnúre.

Tým sa to celé vyšvihne do výšky h.

Na dosiahnutie presných výsledkov je dôležité minimalizovať zdroje chýb.

Počas laboratórneho experimentu s balistickým kyvadlom sa môžu stať chyby, pretože meracie nástroje nie sú dokonalé, výstrel nie je vždy rovnaký alebo rovnice nie sú správne usporiadané.

Obmedzenie zdrojov chýb

Na zníženie chýb sa dá urobiť niekoľko vecí.

Najprv urobte kyvadlo, ktoré funguje dobre a zostane rovnaké.

To sa dá dosiahnuť priskrutkovaním závitovej tyče k plastovej krabici a pridaním závažia, aby sa stred rovnováhy dostal do blízkosti stredu krabice.

Pozorne si označte, kde je ťažisko, a vyskúšajte zariadenie tak, že ho vyvážite na ceruzke.

Po druhé, merania by sa mali vykonávať správne, pričom struna a pravítko zostanú nehybné.

Dá sa to urobiť tak, že sa uistíte, že zariadenie použité v experimente je stabilné a bezpečné.

Po tretie, projektil by mal byť vystrelený v priamej línii a chytený zakaždým rovnakým spôsobom.

Jedným zo spôsobov, ako to urobiť, je vytvoriť spôsob, akým pena zachytí projektil spôsobom, ktorý vždy funguje.

Používanie pokročilého vybavenia

Používanie moderného vybavenia môže tiež pomôcť znížiť počet chýb.

Napríklad použitie presnejšieho uhlového snímača môže pomôcť spresniť merania.

Okrem toho opakované opakovanie experimentov a zaznamenávanie údajov po každom pokuse môže pomôcť identifikovať akékoľvek nezrovnalosti alebo odľahlé hodnoty v údajoch.

Záverom možno povedať, že znižovanie chýb v laboratórnom experimente s balistickým kyvadlom zahŕňa vykonanie krokov, ako je vytvorenie presného kyvadlového prístroja, presné meranie vzdialeností, dôsledné vystreľovanie priamych výstrelov so správnymi chytacími mechanizmami, používanie pokročilých zariadení tam, kde je to možné, a viacnásobné opakovanie experimentov.

Znížením počtu miest, kde sa môžu vyskytnúť chyby, môže byť experiment presnejší, čo povedie k spoľahlivejším výsledkom.

Ukážka kolízií: Balistické kyvadlo

Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov. Ak nie ste oboznámení s hovoreným jazykom, vyberte v tlačidle nastavení „automatický preklad“. Možno budete musieť najskôr kliknúť na jazyk videa, až potom bude váš obľúbený jazyk dostupný na preklad.

Prípady použitia

Použité v:	Popis:
Meranie rýchlosti projektilu:	Primárnym použitím balistického kyvadla je meranie rýchlosti strely. Meraním toho, o koľko sa zavesené závažie po náraze projektilu pohne, môžu inžinieri a vedci zistiť, ako rýchlo sa projektil pohyboval, keď naň narazila.
Kalibrácia strely:	Balistické kyvadla sa používajú na zabezpečenie toho, aby boli strely presné a konzistentné. Zariadenie dokáže určiť kinetickú energiu, hybnosť a rýchlosť strely, ktoré potom možno použiť na úpravu konštrukcie a výroby strely.
Vyšetrovanie balistických incidentov:	Forenzní experti môžu použiť balistické kyvadla na vyšetrenie balistických incidentov. Pri pohľade na dráhu a rýchlosť projektilu môžu získať dôležité informácie, ktoré môžu pomôcť vyriešiť zločiny alebo nehody.
Materiály na testy:	Balistické kyvadla sa používajú na testovanie odolnosti a účinnosti vecí, ako je brnenie a ochranné vybavenie. Vystreľovaním projektilov na materiál a meraním vychýlenia kyvadla môžu inžinieri a vedci vyhodnotiť účinnosť materiálu pri zastavení alebo spomalení projektilu.
Výskum balistiky:	Výskumníci pomocou balistických kyvadiel zisťujú, ako sa projektily správajú v rôznych situáciách. Vedci dokážu zistiť, ako dráhu a rýchlosť projektilu ovplyvňujú veci ako odpor vzduchu, gravitácia a uhol dopadu.

Záver

Keď sa blížime ku koncu našej prehliadky sveta balistického kyvadla, nemôžeme obdivovať kreativitu ľudí, ktorí ho vyrobili.

Balistické kyvadlo je dôležitou súčasťou v oblasti balistiky a forenznej vedy odkedy bolo prvýkrát vyrobené.

Ale balistické kyvadlo je tiež dobrým príkladom toho, ako sa veda a inžinierstvo stretávajú v bode, kde sa teórie a princípy používajú v reálnom svete.

Ukazuje, aké dôležité sú vedecké objavy a nové myšlienky a ako formujú a menia svet, v ktorom žijeme.

Takže, keď budeme pokračovať v posúvaní hraníc vedeckého výskumu, nezabúdajme, odkiaľ sme prišli a na zariadenia a nápady, ktoré umožnili inovácie súčasnosti.

Odkazy a referencie

Univerzitná fyzika s modernou fyzikou