¿Alguna vez te has preguntado cómo los científicos e investigadores forenses calculan la velocidad de una bala? ¿Qué tal aprender cómo se mueve un proyectil o qué tan fuerte golpea algo?
El péndulo balístico es una herramienta que cambió el mundo de la balística y allanó el camino para la ciencia forense tal como la conocemos hoy.
Como estudiante de ingeniería o ingeniero, es importante comprender cómo funciona un péndulo balístico y cómo funciona.
En esta publicación de blog, analizaré la ciencia detrás de este interesante dispositivo, incluido cómo funciona, las reglas que sigue y su importancia en la ingeniería y otros campos.
¡Así que ponte tu bata de laboratorio y comencemos!
Introducción al péndulo balístico
Definicion formal:
Un dispositivo que utiliza la desviación de un peso suspendido para determinar el impulso de un proyectil.
Un péndulo balístico es un dispositivo simple pero efectivo que se utiliza para medir la velocidad y la energía cinética de un proyectil, como una bala.
Está hecho de un gran bloque de madera que cuelga de dos cuerdas y sirve como la lenteja del péndulo.
Principio de funcionamiento
Para medir la velocidad de una bala con un péndulo balístico, se dispara una bala contra un bloque de madera que cuelga de una cuerda.
La bala se atasca en el bloque, lo que hace que todo el sistema de bloque y bala oscile hasta una altura h.
La conservación de la energía mecánica dice que 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, donde m es la masa de la bala, M es la masa del bloque, vf es su velocidad final después del choque y h es su punto más alto.
Leyes sobre la conservación
Las leyes de conservación involucradas en el cálculo de la velocidad inicial de un proyectil en un péndulo balístico son las leyes de conservación del impulso y conservación de la energía.
Durante el choque, la cantidad de movimiento se mantiene igual, y después del choque, la energía se mantiene igual.
Cuando el proyectil alcanza su punto más alto, la energía cinética que tenía al principio se convierte en energía potencial.
A medida que el péndulo vuelve a oscilar hacia abajo, la energía potencial gravitacional se convierte nuevamente en energía cinética.
La forma poco convencional de ganar un debate: el péndulo balístico
¿Todavía es difícil de entender? Déjame cambiar un poco el punto de vista:
La gente dice que la pluma es más poderosa que la espada, pero ¿qué pasa con el péndulo balístico? No se moleste con el razonamiento y las medidas exactas.
Tome su péndulo balístico de confianza la próxima vez que esté en una discusión acalorada y déjelo hablar.
Después de todo, nada dice "tengo razón" como un dispositivo que usa un peso lanzado para calcular qué tan rápido se mueve un proyectil.
De acuerdo, solo fue una broma hecha para parecer un anuncio de televisión.
Ahora volvamos a la explicación.
Comprender la función del péndulo balístico
El dispositivo se compone de un gran bloque de madera que se sostiene con dos cuerdas.
Este bloque es la lenteja del péndulo.
Una colisión que no es elástica es el péndulo balístico.
En este tipo de colisión, las cosas que chocan entre sí se pegan y la energía cinética no se mantiene igual.
Cuando se dispara una bala contra el bloque de madera, la bala se atasca en el bloque, y el bloque y la bala juntos se balancean hasta una altura que depende de qué tan pesados sean la bala y el bloque.
Este es un ejemplo de una colisión inelástica porque la energía cinética no permanece igual.
como saber la velocidad
El tamaño de la oscilación del péndulo se puede usar para calcular el impulso de la bala, que luego se puede usar para calcular su velocidad.
Cuando se usa un péndulo balístico para calcular qué tan rápido se mueve un proyectil, no es necesario medir el tiempo.
En cambio, solo necesita medir la masa y la distancia.
Los cronógrafos, que pueden medir directamente la velocidad de un proyectil, han reemplazado en su mayoría al péndulo balístico.
Pero todavía se usa en las aulas para mostrar cómo funcionan el impulso y la conservación de la energía.
Cálculo de la velocidad del proyectil y otros parámetros
Para calcular la velocidad inicial de un proyectil con la ayuda de un péndulo balístico, se dispara una bala en la lenteja de oscilación libre del péndulo.
Después de que los dos objetos chocan entre sí, el péndulo oscila hasta su punto más alto y cambia la velocidad combinada de la lenteja y la bala.
La conservación de la cantidad de movimiento se puede usar para determinar la velocidad inicial de la bala en términos de las masas de la bala y la lenteja y la altura alcanzada por el péndulo.
Antes de que la bala y la lenteja chocaran entre sí, ambas tenían la misma velocidad.
Al medir qué tan alto llega el péndulo a su punto más alto, puedes calcular qué tan rápido se movía la bala al principio.
Cálculo de la velocidad del proyectil utilizando la distancia y el tiempo
De otra manera, la velocidad inicial de un proyectil se puede calcular midiendo la distancia que se mueve horizontalmente.
El péndulo no se usa en este método y se puede sacar de sus bisagras para que no interfiera con el experimento.
El proyectil se dispara horizontalmente y se mide su alcance.
Con este número, podemos usar la ecuación para calcular cuánto tiempo tomará el vuelo (6).
Luego, usando la ecuación x = v0 t, donde V0 es la velocidad inicial del proyectil, podemos calcular la velocidad inicial.
Cálculo de la fuerza en el cable
Podemos usar las leyes del impulso y la conservación de la energía para calcular la fuerza sobre la cuerda justo después del impacto.
El cambio en la velocidad de la bala es igual a la fuerza que ejerce sobre el bloque.
Podemos resolver esto usando el hecho de que el impulso permanece igual antes y después de un impacto.
El impulso inicial de la bala está dado por la ecuación p = mv0, donde m es la masa de la bala y v0 es su velocidad inicial.
Después del choque, la masa total (m + M) se mueve con una velocidad llamada vf.
La ley de conservación del momento nos dice que mv0 = (m + M)vf.
Podemos resolver para vf: vf = mv0 / (m + M).
El impulso impartido por la bala en el bloque viene dado entonces por: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).
Podemos usar la ley de conservación de la energía para calcular cuánta fuerza había en la cuerda justo después de que golpeó el suelo.
La energía mecánica total antes del impacto es la misma que la energía mecánica total después del impacto: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, donde g es la aceleración provocada por gravedad y h es el punto más alto que puede alcanzar el sistema de bloque y bala.
Podemos resolver vf usando nuestra ecuación anterior y sustituirla en esta ecuación: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M) gh.
Haciendo esta ecuación lo más simple posible, obtenemos: v02 = 2gh / (1+M/m).
La segunda ley de Newton nos dice cómo encontrar la fuerza F sobre la cuerda: F = I / t, donde t es el tiempo que tarda el sistema de bloque y bala en dejar de moverse.
Cálculo del ángulo de oscilación del péndulo
La velocidad inicial del proyectil depende de qué tan lejos se balancee el péndulo y qué tan pesados sean el péndulo y el proyectil.
Cuando un proyectil golpea un péndulo, el péndulo se mueve hacia arriba desde su posición de equilibrio hasta su ángulo máximo.
Factores que afectan los experimentos de péndulo balístico
En un experimento de péndulo balístico, se dispara una bala contra un bloque de madera que cuelga de una cuerda.
Esto hace que todo oscile hasta una altura h.
Para lograr resultados precisos, es importante minimizar las fuentes de error.
Durante un experimento de laboratorio con un péndulo balístico, pueden ocurrir errores porque las herramientas de medición no son perfectas, el tiro no siempre es el mismo o las ecuaciones no se reorganizan correctamente.
Reducción de las fuentes de error
Se pueden hacer varias cosas para reducir los errores.
Primero, haz un péndulo que funcione bien y permanezca igual.
Esto se puede hacer atornillando una varilla roscada a una caja de plástico y agregando peso para hacer que el centro de equilibrio esté cerca del centro de la caja.
Marque cuidadosamente dónde está el centro de masa y pruebe el dispositivo balanceándolo con un lápiz.
En segundo lugar, las medidas deben tomarse correctamente, con la cuerda y la regla quietas.
Esto se puede hacer asegurándose de que el equipo utilizado en el experimento sea estable y seguro.
En tercer lugar, el proyectil debe dispararse en línea recta y atraparse de la misma manera cada vez.
Una forma de hacer esto es hacer que la espuma atrape el proyectil de una manera que funcione siempre.
Uso de equipo avanzado
El uso de equipos modernos también puede ayudar a reducir los errores.
Por ejemplo, usar un lector de ángulos más preciso puede ayudar a que las mediciones sean más precisas.
Además, repetir los experimentos varias veces y registrar los datos después de cada prueba puede ayudar a identificar cualquier inconsistencia o valor atípico en los datos.
En conclusión, reducir los errores en un experimento de laboratorio de péndulo balístico implica tomar medidas como construir un aparato de péndulo preciso, medir distancias con precisión, disparar tiros rectos de manera consistente con los mecanismos de captura adecuados, usar equipos avanzados cuando sea posible y repetir los experimentos varias veces.
Al reducir la cantidad de lugares donde pueden ocurrir errores, el experimento puede hacerse más preciso, lo que conducirá a resultados más confiables.
Demostración de colisiones: péndulo balístico
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casos de uso
| Utilizada en: | Descripción: |
|---|---|
| Medir la velocidad de un proyectil: | El uso principal del péndulo balístico es medir la velocidad de un proyectil. Al medir cuánto se mueve un peso suspendido después de que un proyectil lo golpea, los ingenieros y científicos pueden determinar qué tan rápido se movía el proyectil cuando golpeó el peso. |
| Calibración de bala: | Los péndulos balísticos se utilizan para asegurarse de que las balas sean precisas y consistentes. El dispositivo puede determinar la energía cinética, el momento y la velocidad de la bala, que luego se pueden usar para ajustar el diseño y la fabricación de la bala. |
| Investigación de incidentes balísticos: | Los expertos forenses pueden usar péndulos balísticos para investigar incidentes balísticos. Al observar la trayectoria y la velocidad de un proyectil, pueden obtener información importante que puede ayudar a resolver crímenes o accidentes. |
| Materiales para las pruebas: | Los péndulos balísticos se utilizan para probar la durabilidad y la eficacia de cosas como armaduras y equipos de protección. Al disparar proyectiles al material y medir la desviación del péndulo, los ingenieros y científicos pueden evaluar la eficacia del material para detener o ralentizar un proyectil. |
| Investigación en balística: | Los investigadores utilizan péndulos balísticos para averiguar cómo se comportan los proyectiles en diferentes situaciones. Los científicos pueden averiguar cómo la trayectoria y la velocidad de un proyectil se ven afectadas por cosas como la resistencia del aire, la gravedad y el ángulo de impacto. |
Conclusión
Al llegar al final de nuestro recorrido por el mundo del péndulo balístico, no podemos evitar admirar la creatividad de las personas que lo hicieron.
El péndulo balístico ha sido una parte importante de los campos de la balística y la ciencia forense desde que se fabricó por primera vez.
Pero el péndulo balístico también es un buen ejemplo de cómo la ciencia y la ingeniería se encuentran en el punto donde las teorías y los principios se ponen en práctica en el mundo real.
Muestra cuán importantes son los descubrimientos científicos y las nuevas ideas y cómo moldean y cambian el mundo en el que vivimos.
Entonces, a medida que continuamos superando los límites de la investigación científica, no olvidemos de dónde venimos y los dispositivos e ideas que hicieron posible las innovaciones de hoy.
Enlaces y referencias
Física Universitaria con Física Moderna
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