Uvod V Balistično Nihalo

Ste se kdaj vprašali, kako forenzični znanstveniki in preiskovalci izračunajo hitrost krogle? Kaj pa učenje o tem, kako se projektil premika ali kako močno nekaj zadene?

Balistično nihalo je orodje, ki je spremenilo svet balistike in utrlo pot forenzični znanosti, kot jo poznamo danes.

Kot študent strojništva ali inženir je pomembno razumeti, kako balistično nihalo deluje in kako deluje.

V tem blogu si bom ogledal znanost, ki stoji za to zanimivo napravo, vključno z njenim delovanjem, pravili, ki jih upošteva, in njenim pomenom v tehniki in na drugih področjih.

Zato si oblecite laboratorijski plašč in začnimo!

Uvod v balistično nihalo

Formalna opredelitev:

Naprava, ki uporablja odklon viseče uteži za določanje gibalne količine izstrelka.

Balistično nihalo je preprosta, a učinkovita naprava, ki se uporablja za merjenje hitrosti in kinetične energije izstrelka, kot je krogla.

Sestavljen je iz velikega lesenega bloka, ki je obešen na dve vrvici in služi kot nihalo.

Načelo delovanja

Za merjenje hitrosti krogle z balističnim nihalom se krogla izstreli v leseni blok, ki visi na vrvici.

Krogla se zatakne v bloku, zaradi česar celoten sistem bloka in krogle zaniha nekaj višine h.

Ohranjanje mehanske energije pravi, da je 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, kjer je m masa krogle, M masa bloka, vf njihova končna hitrost po trku, h pa njihova najvišja točka.

Zakoni o ohranjanju

Ohranitveni zakoni, vključeni v izračun začetne hitrosti izstrelka v balističnem nihalu, so zakoni ohranitve gibalne količine in ohranitve energije.

Med trkom ostane zagon enak, po trku pa energija.

Ko projektil doseže najvišjo točko, se kinetična energija, ki jo je imel na začetku, spremeni v potencialno energijo.

Ko nihalo zaniha nazaj, se gravitacijska potencialna energija spremeni nazaj v kinetično energijo.

Nekonvencionalen način zmage v razpravi: Balistično nihalo

Še vedno težko razumeti? Naj malo spremenim pogled:

Ljudje pravijo, da je pero močnejše od meča, kaj pa balistično nihalo? Ne obremenjujte se z obrazložitvijo in natančnimi merami.

Ko boste naslednjič v burnem prepiru, zgrabite svoje zvesto balistično nihalo in mu pustite, da govori.

Navsezadnje nič ne reče "prav imam" kot naprava, ki uporablja vrženo utež, da ugotovi, kako hitro se premika izstrelek.

V redu, to je bila samo šala, ki je izgledala kot TV oglas.

Zdaj pa se vrnimo k razlagi.

Razumevanje funkcije balističnega nihala

Naprava je sestavljena iz velikega lesenega bloka, ki ga držita dve vrvici.

Ta blok je nihalo.

Trk, ki ni elastičen, je balistično nihalo.

Pri tovrstnem trku se stvari, ki se zadenejo, zlepijo skupaj, kinetična energija pa ne ostane enaka.

Ko je krogla izstreljena v leseni blok, se krogla zatakne v bloku, blok in krogla pa skupaj zanihata do višine, ki je odvisna od teže krogle in bloka.

To je primer neelastičnega trka, ker kinetična energija ne ostane enaka.

Kako ugotoviti hitrost

Velikost nihanja nihala se lahko uporabi za določitev zagona krogle, ki se nato uporabi za določitev njene hitrosti.

Ko z balističnim nihalom ugotovite, kako hitro se premika izstrelek, vam ni treba meriti časa.

Namesto tega morate izmeriti samo maso in razdaljo.

Kronografi, ki lahko neposredno merijo hitrost izstrelka, so večinoma nadomestili balistično nihalo.

Še vedno pa se uporablja v učilnicah, da pokaže, kako delujeta zagon in ohranjanje energije.

Izračun hitrosti izstrelka in drugih parametrov

Da bi s pomočjo balističnega nihala ugotovili začetno hitrost izstrelka, izstrelimo kroglo v prosto nihajoči bob nihala.

Ko oba predmeta udarita drug ob drugega, nihalo zaniha na najvišjo točko in skupna hitrost boba in krogle se spremeni.

Ohranjanje gibalne količine se lahko uporabi za določitev začetne hitrosti krogle glede na maso krogle in boba ter višino, ki jo doseže nihalo.

Preden sta krogla in bob zadela drug drugega, sta imela oba enako hitrost.

Z merjenjem, kako visoko gre nihalo do najvišje točke, lahko ugotovite, kako hitro se je krogla sprva premikala.

Izračun hitrosti izstrelka z uporabo razdalje in časa

Na drug način je mogoče ugotoviti začetno hitrost izstrelka z merjenjem, kako daleč se premakne vodoravno.

Nihalo se pri tej metodi ne uporablja in ga lahko snamete s tečajev, da ne ovira poskusa.

Projektil se izstreli vodoravno in izmeri se njegov domet.

S to številko lahko uporabimo enačbo, da ugotovimo, kako dolgo bo trajal let (6).

Nato lahko z uporabo enačbe x = v0 t, kjer je V0 začetna hitrost izstrelka, ugotovimo začetno hitrost.

Izračun sile na vrvico

Uporabimo lahko zakone o gibalni količini in ohranjanju energije, da ugotovimo silo na vrvici takoj po udarcu.

Sprememba hitrosti krogle je enaka sili, s katero deluje na blok.

To lahko ugotovimo z uporabo dejstva, da zagon ostane enak pred udarcem in po njem.

Začetni moment krogle je podana z enačbo p = mv0, kjer je m masa krogle in v0 njena začetna hitrost.

Po trku se skupna masa (m + M) premika s hitrostjo, imenovano vf.

Zakon o ohranitvi gibalne količine nam pove, da je mv0 = (m + M)vf.

Za vf lahko rešimo: vf = mv0 / (m + M).

Impulz, ki ga krogla posreduje bloku, je potem podan z: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).

Z zakonom o ohranitvi energije lahko ugotovimo, koliko sile je delovalo na vrvico takoj po tem, ko je udarila ob tla.

Skupna mehanska energija pred udarcem je enaka celotni mehanski energiji po udarcu: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, kjer je g pospešek, ki ga povzroči gravitacija in h je najvišja točka, ki jo lahko dosežeta sistem bloka in krogle.

Vf lahko rešimo z našo prejšnjo enačbo in jo nadomestimo v to enačbo: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.

Če to enačbo čim bolj poenostavimo, dobimo: v02 = 2gh / (1+M/m).

Newtonov drugi zakon nam pove, kako najti silo F na vrvici: F = I / t, kjer je t čas, ki je potreben, da se sistem bloka in krogle neha premikati.

Izračun kota nihanja nihala

Začetna hitrost izstrelka je odvisna od tega, kako daleč nihalo zaniha navzgor in kako težka sta nihalo in izstrelek.

Ko izstrelek zadene nihalo, se nihalo premakne navzgor iz ravnotežnega položaja do največjega kota.

Dejavniki, ki vplivajo na poskuse z balističnim nihalom

V poskusu z balističnim nihalom se krogla izstreli v leseni blok, ki visi na vrvici.

Zaradi tega se vse skupaj zaniha do višine h.

Za doseganje natančnih rezultatov je pomembno čim bolj zmanjšati vire napak.

Med laboratorijskim poskusom z balističnim nihalom lahko pride do napak, ker merilna orodja niso popolna, strel ni vedno enak ali pa enačbe niso pravilno urejene.

Zmanjšanje virov napak

Za zmanjšanje napak je mogoče narediti več stvari.

Najprej naredite nihalo, ki dobro deluje in ostane enako.

To lahko storite tako, da na plastično škatlo privijete navojno palico in dodate težo, da bo središče ravnotežja blizu središča škatle.

Previdno označite, kje je središče mase, in preizkusite napravo tako, da jo uravnotežite na svinčniku.

Drugič, meritve je treba opraviti pravilno, pri čemer morata biti vrvica in ravnilo pri miru.

To lahko storite tako, da zagotovite, da je oprema, uporabljena v poskusu, stabilna in varna.

Tretjič, projektil je treba izstreliti v ravni črti in ga vsakič ujeti na enak način.

Eden od načinov za to je, da naredite pot, da pena ujame izstrelek na način, ki deluje vsakič.

Uporaba napredne opreme

Tudi uporaba sodobne opreme lahko pomaga zmanjšati napake.

Na primer, uporaba natančnejšega čitalnika kotov lahko pripomore k natančnejši meritvi.

Poleg tega lahko večkratno ponavljanje poskusov in beleženje podatkov po vsakem poskusu pomaga pri odkrivanju morebitnih nedoslednosti ali odstopanj v podatkih.

Skratka, zmanjšanje napak v laboratorijskem poskusu z balističnim nihalom vključuje sprejemanje korakov, kot je izdelava natančne naprave z nihalom, natančno merjenje razdalj, dosledno streljanje ravnih strelov z ustreznimi mehanizmi za lovljenje, uporaba napredne opreme, kjer je to mogoče, in večkratno ponavljanje poskusov.

Z zmanjšanjem števila mest, kjer se lahko zgodijo napake, je lahko poskus bolj natančen, kar bo vodilo do bolj zanesljivih rezultatov.

Predstavitev trkov: Balistično nihalo

Nasvet: Vklopite gumb za napise, če ga potrebujete. V gumbu z nastavitvami izberite »samodejno prevajanje«, če govorjenega jezika niste seznanjeni. Morda boste morali najprej klikniti jezik videoposnetka, preden bo vaš najljubši jezik na voljo za prevod.

Primeri uporabe

Uporablja se v:	Opis:
Merjenje hitrosti izstrelka:	Primarna uporaba balističnega nihala je merjenje hitrosti izstrelka. Z merjenjem, za koliko se viseča utež premakne po tem, ko vanj zadene izstrelek, lahko inženirji in znanstveniki ugotovijo, kako hitro se je izstrelek premikal, ko je zadel utež.
Kalibracija krogle:	Balistična nihala se uporabljajo za zagotovitev, da so krogle natančne in dosledne. Naprava lahko določi kinetično energijo, zagon in hitrost krogle, ki se lahko nato uporabijo za prilagajanje zasnove in izdelave krogle.
Preiskovanje balističnih incidentov:	Forenzični strokovnjaki lahko uporabljajo balistična nihala za preiskavo balističnih incidentov. Če pogledajo pot in hitrost izstrelka, lahko pridobijo pomembne informacije, ki lahko pomagajo pri reševanju zločinov ali nesreč.
Materiali za teste:	Balistična nihala se uporabljajo za preizkušanje vzdržljivosti in učinkovitosti stvari, kot so oklepi in zaščitna oprema. Z izstreljevanjem izstrelkov v material in merjenjem odklona nihala lahko inženirji in znanstveniki ocenijo učinkovitost materiala pri ustavljanju ali upočasnjevanju izstrelka.
Raziskave balistike:	Raziskovalci uporabljajo balistična nihala, da ugotovijo, kako se izstrelki obnašajo v različnih situacijah. Znanstveniki lahko ugotovijo, kako na pot in hitrost izstrelka vplivajo stvari, kot so zračni upor, gravitacija in udarni kot.

Zaključek

Ko se bližamo koncu našega potovanja po svetu balističnega nihala, ne moremo kaj, da ne bi občudovali ustvarjalnosti ljudi, ki so ga izdelali.

Balistično nihalo je pomemben del področij balistike in forenzične znanosti že odkar je bilo izdelano.

Toda balistično nihalo je tudi dober primer, kako se znanost in tehnika srečata na točki, kjer se teorije in načela uporabljajo v resničnem svetu.

Prikazuje, kako pomembna so znanstvena odkritja in nove ideje ter kako oblikujejo in spreminjajo svet, v katerem živimo.

Torej, ko še naprej premikamo meje znanstvenih raziskav, ne pozabimo, od kod prihajamo, ter na naprave in ideje, ki so omogočile današnje inovacije.

Povezave in reference

Univerzitetna fizika s sodobno fiziko