مقدمة في البندول الباليستي

هل تساءلت يومًا كيف يحسب علماء الطب الشرعي والمحققون سرعة الرصاصة؟ ماذا عن تعلم كيفية تحرك المقذوف أو مدى صعوبة اصطدامه بشيء ما؟

البندول الباليستي هو أداة غيرت عالم المقذوفات ومهدت الطريق لعلم الطب الشرعي كما نعرفه اليوم.

كطالب هندسة أو مهندس ، من المهم أن تفهم كيف يعمل البندول الباليستي وكيف يعمل.

في منشور المدونة هذا ، سألقي نظرة على العلم وراء هذا الجهاز المثير للاهتمام ، بما في ذلك كيفية عمله ، والقواعد التي يتبعها ، وأهميته في الهندسة والمجالات الأخرى.

لذا ارتدي معطف المختبر ودعنا نبدأ!

مقدمة في البندول الباليستي

تعريف رسمي:

جهاز يستخدم انحراف وزن معلق لتحديد زخم المقذوف.

البندول الباليستي هو جهاز بسيط ولكنه فعال يستخدم لقياس السرعة والطاقة الحركية للقذيفة ، مثل الرصاصة.

وهي مكونة من كتلة كبيرة من الخشب معلقة بخيطين وتعمل كبندول.

مبدأ العمل

لقياس سرعة رصاصة ذات بندول باليستي ، يتم إطلاق رصاصة في كتلة خشبية معلقة بخيط.

تتعطل الرصاصة في الكتلة ، مما يجعل نظام الكتلة والرصاص بأكمله يتأرجح بعض الارتفاع h.

تنص عملية حفظ الطاقة الميكانيكية على أن 12 (م + م) ت ع 2 = (م + م) غ ، حيث م هي كتلة الرصاصة ، م هي كتلة الكتلة ، و س هي سرعتهم النهائية بعد الاصطدام ، و ح هي أعلى نقطة.

قوانين الحفظ

قوانين الحفظ التي ينطوي عليها حساب السرعة الأولية للقذيفة في البندول الباليستي هي قوانين الحفاظ على الزخم والحفاظ على الطاقة.

أثناء الانهيار ، يظل الزخم كما هو ، وبعد الانهيار ، تظل الطاقة كما هي.

عندما تصل المقذوفة إلى أعلى نقطة لها ، تتحول الطاقة الحركية التي كانت لديها في البداية إلى طاقة كامنة.

عندما يتأرجح البندول لأسفل ، يتم إرجاع طاقة الجاذبية الكامنة إلى طاقة حركية.

الطريقة غير التقليدية للفوز بمناقشة: البندول الباليستي

لا يزال من الصعب فهمها؟ اسمحوا لي أن أغير وجهة النظر قليلاً:

يقول الناس أن القلم أقوى من السيف ، لكن ماذا عن البندول الباليستي؟ لا تهتم بالمنطق والقياسات الدقيقة.

احصل على بندولك الباليستي الموثوق به في المرة القادمة التي تدخل فيها في جدال محتدم ودعه يتحدث.

بعد كل شيء ، لا شيء يقول "أنا على حق" مثل جهاز يستخدم وزنًا مُلقى لمعرفة مدى سرعة حركة المقذوف.

حسنًا ، كانت هذه مجرد مزحة لتبدو وكأنها إعلان تلفزيوني.

الآن دعنا نعود إلى الشرح.

فهم وظيفة البندول الباليستي

يتكون الجهاز من كتلة كبيرة من الخشب مثبتة بخيطين.

هذه الكتلة هي البندول بوب.

الاصطدام غير المرن هو البندول الباليستي.

في هذا النوع من الاصطدام ، تلتصق الأشياء التي تضرب بعضها ببعض ، ولا يتم الاحتفاظ بالطاقة الحركية كما هي.

عندما يتم إطلاق رصاصة على الكتلة الخشبية ، تعلق الرصاصة في الكتلة ، وتتأرجح الكتلة والرصاصة معًا إلى ارتفاع يعتمد على مدى ثقل الرصاصة والكتلة.

هذا مثال على تصادم غير مرن لأن الطاقة الحركية لا تبقى كما هي.

كيف تعرف السرعة

يمكن استخدام حجم تأرجح البندول لمعرفة زخم الرصاصة ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لمعرفة سرعتها.

عند استخدام البندول الباليستي لمعرفة مدى سرعة حركة المقذوف ، لا تحتاج إلى قياس الوقت.

بدلاً من ذلك ، ما عليك سوى قياس الكتلة والمسافة.

استبدلت الكرونوغرافات ، التي يمكنها قياس سرعة المقذوف مباشرة ، البندول الباليستي.

لكنها لا تزال تستخدم في الفصول الدراسية لإظهار كيفية عمل الزخم والحفاظ على الطاقة.

حساب سرعة المقذوف والمعلمات الأخرى

لمعرفة السرعة الأولية للقذيفة بمساعدة البندول الباليستي ، يتم إطلاق رصاصة في البندول الذي يتأرجح بحرية.

بعد أن يصطدم الجسمان ببعضهما البعض ، يتأرجح البندول إلى أعلى نقطة وتتغير السرعة المشتركة لكل من البوب ​​والرصاصة.

يمكن استخدام الحفاظ على الزخم لتحديد السرعة الأولية للرصاصة من حيث كتل الرصاصة والبوب ​​والارتفاع الذي وصل إليه البندول.

قبل أن تصطدم الرصاصة والبوب ​​ببعضهما البعض ، كان كلاهما يتمتعان بنفس السرعة.

من خلال قياس مدى ارتفاع البندول إلى أعلى نقطة له ، يمكنك معرفة مدى سرعة تحرك الرصاصة في البداية.

حساب سرعة المقذوف باستخدام المسافة والوقت

بطريقة أخرى ، يمكن معرفة السرعة الأولية للقذيفة بقياس المسافة الأفقية للقذيفة.

لا يتم استخدام البندول في هذه الطريقة ، ويمكن خلعه من مفصلاته حتى لا يعيق التجربة.

يتم إطلاق القذيفة أفقيًا ، ويتم قياس مداها.

باستخدام هذا الرقم ، يمكننا استخدام المعادلة لمعرفة المدة التي ستستغرقها الرحلة (6).

بعد ذلك ، باستخدام المعادلة x = v0 t ، حيث V0 هي السرعة الأولية للقذيفة ، يمكننا معرفة السرعة الأولية.

حساب القوة على الحبل

يمكننا استخدام قوانين الزخم والحفاظ على الطاقة لمعرفة القوة على الحبل بعد التأثير مباشرة.

التغيير في سرعة الرصاصة يساوي القوة التي تضعها على الكتلة.

يمكننا معرفة ذلك باستخدام حقيقة أن الزخم يظل كما هو قبل التأثير وبعده.

يتم إعطاء الزخم الأولي للرصاصة بواسطة المعادلة p = mv0 ، حيث m هي كتلة الرصاصة و v0 هي سرعتها الأولية.

بعد الاصطدام ، تتحرك الكتلة الكلية (م + م) بسرعة تسمى vf.

يخبرنا قانون الحفاظ على الزخم أن mv0 = (m + M) vf.

يمكننا حل المشكلة من أجل vf: vf = mv0 / (m + M).

يتم إعطاء الدافع الذي تنقله الرصاصة على الكتلة بواسطة: I = Δp = m (vf - v0) (vf - v0).

يمكننا استخدام قانون الحفاظ على الطاقة لمعرفة مقدار القوة التي كانت على السلك بعد اصطدامه بالأرض.

إجمالي الطاقة الميكانيكية قبل الاصطدام هو نفس إجمالي الطاقة الميكانيكية بعد الاصطدام: (1/2) mv02 = (1/2) (m + M) vf2 + (m + M) gh ، حيث g هو التسارع الناتج عن الجاذبية و h هي أعلى نقطة يمكن أن يصل إليها نظام الكتل والرصاص.

يمكننا حل vf باستخدام المعادلة السابقة واستبدالها بهذه المعادلة: (1/2) mv0 ^ 2 = (1/2) (m + M) (mv0 / (m + M)) ^ 2 + (m + م) غ.

بجعل هذه المعادلة بسيطة قدر الإمكان ، نحصل على: v02 = 2gh / (1 + M / m).

يخبرنا قانون نيوتن الثاني عن كيفية إيجاد القوة F على الحبل: F = I / t ، حيث t هو الوقت الذي يستغرقه نظام الكتل والرصاصة للتوقف عن الحركة.

حساب زاوية تأرجح البندول

تعتمد السرعة الأولية للقذيفة على مدى تأرجح البندول لأعلى ومدى ثقل البندول والقذيفة.

عندما تصطدم قذيفة بندولًا ، يتحرك البندول لأعلى من موضع توازنه إلى أقصى زاوية له.

العوامل المؤثرة في تجارب البندول الباليستي

في تجربة البندول الباليستي ، يتم إطلاق رصاصة على كتلة من الخشب تتدلى من خيط.

هذا يجعل كل شيء يتأرجح حتى ارتفاع h.

لتحقيق نتائج دقيقة ، من المهم تقليل مصادر الخطأ.

أثناء تجربة معملية باستخدام البندول الباليستي ، يمكن أن تحدث أخطاء لأن أدوات القياس ليست مثالية ، أو أن اللقطة ليست هي نفسها دائمًا ، أو لم يتم إعادة ترتيب المعادلات بشكل صحيح.

تقليل مصادر الخطأ

يمكن القيام بالعديد من الأشياء لتقليل الأخطاء.

أولاً ، اصنع بندولًا يعمل جيدًا ويبقى كما هو.

يمكن القيام بذلك عن طريق ربط قضيب ملولب بصندوق بلاستيكي وإضافة الوزن لجعل مركز التوازن بالقرب من مركز الصندوق.

ضع علامة بعناية على مكان مركز الكتلة ، واختبر الجهاز عن طريق موازنته على قلم رصاص.

ثانيًا ، يجب إجراء القياسات بشكل صحيح ، مع بقاء الوتر والمسطرة ثابتة.

يمكن القيام بذلك عن طريق التأكد من أن المعدات المستخدمة في التجربة مستقرة وآمنة.

ثالثًا ، يجب إطلاق القذيفة في خط مستقيم وإمساكها بنفس الطريقة في كل مرة.

تتمثل إحدى طرق القيام بذلك في إفساح المجال للرغوة لالتقاط المقذوف بطريقة تعمل في كل مرة.

استخدام المعدات المتطورة

يمكن أن يساعد استخدام المعدات الحديثة أيضًا في تقليل الأخطاء.

على سبيل المثال ، يمكن أن يساعد استخدام قارئ زاوية أكثر دقة في جعل القياسات أكثر دقة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يساعد تكرار التجارب عدة مرات وتسجيل البيانات بعد كل تجربة في تحديد أي تناقضات أو قيم متطرفة في البيانات.

في الختام ، يتضمن تقليل الأخطاء في تجربة معمل البندول الباليستي اتخاذ خطوات مثل بناء جهاز بندول دقيق ، وقياس المسافات بدقة ، وإطلاق طلقات مستقيمة باستمرار مع آليات اصطياد مناسبة ، واستخدام معدات متطورة حيثما أمكن ، وتكرار التجارب عدة مرات.

من خلال تقليل عدد الأماكن التي يمكن أن تحدث فيها الأخطاء ، يمكن جعل التجربة أكثر دقة ، مما يؤدي إلى نتائج أكثر موثوقية.

عرض الاصطدامات: البندول الباليستي

نصيحة: قم بتشغيل زر التسمية التوضيحية إذا كنت بحاجة إليه. اختر "ترجمة آلية" في زر الإعدادات ، إذا لم تكن معتادًا على اللغة المنطوقة. قد تحتاج إلى النقر فوق لغة الفيديو أولاً قبل أن تصبح لغتك المفضلة متاحة للترجمة.

استخدم حالات

مستعمل في:	وصف:
قياس سرعة المقذوف:	الاستخدام الأساسي للبندول الباليستي هو قياس سرعة المقذوف. من خلال قياس مقدار تحرك الوزن المعلق بعد اصطدام المقذوفة به ، يمكن للمهندسين والعلماء معرفة مدى سرعة تحرك المقذوف عند اصطدامه بالوزن.
معايرة الرصاصة:	تستخدم البندولات الباليستية للتأكد من أن الرصاص دقيق ومتسق. يمكن للجهاز تحديد الطاقة الحركية للرصاصة والزخم والسرعة ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لضبط تصميم وتصنيع الرصاصة.
التحقيق في الحوادث الباليستية:	يمكن لخبراء الطب الشرعي استخدام البندولات الباليستية للتحقيق في الحوادث الباليستية. من خلال النظر إلى مسار القذيفة وسرعتها ، يمكنهم الحصول على معلومات مهمة يمكن أن تساعد في حل الجرائم أو الحوادث.
مواد الاختبارات:	تستخدم البندولات الباليستية لاختبار متانة وفعالية أشياء مثل الدروع ومعدات الحماية. من خلال إطلاق مقذوفات على المادة وقياس انحراف البندول ، يمكن للمهندسين والعلماء تقييم فعالية المادة في إيقاف أو إبطاء قذيفة.
البحث في المقذوفات:	يستخدم الباحثون البندولات الباليستية لمعرفة كيف تتصرف المقذوفات في المواقف المختلفة. يمكن للعلماء معرفة كيفية تأثر مسار القذيفة وسرعتها بأشياء مثل مقاومة الهواء والجاذبية وزاوية التأثير.

خاتمة

مع وصولنا إلى نهاية جولتنا في عالم البندول الباليستي ، لا يسعنا إلا الإعجاب بإبداع الأشخاص الذين صنعوه.

كان البندول الباليستي جزءًا مهمًا من مجالات علم المقذوفات والطب الشرعي منذ صنعه لأول مرة.

لكن البندول الباليستي هو أيضًا مثال جيد على كيفية التقاء العلم والهندسة عند النقطة التي يتم فيها استخدام النظريات والمبادئ في العالم الحقيقي.

يوضح مدى أهمية الاكتشافات العلمية والأفكار الجديدة وكيف تشكل وتغير العالم الذي نعيش فيه.

لذا ، بينما نواصل دفع حدود البحث العلمي ، دعونا لا ننسى من أين أتينا والأجهزة والأفكار التي جعلت من الممكن ابتكارات اليوم.

الروابط والمراجع

الفيزياء الجامعية مع الفيزياء الحديثة