Meitä insinööreinä pyydetään usein valmistamaan koneita, joiden on toimittava vaikeissa olosuhteissa, kuten ilmassa kulkemisessa tai maanpinnan poraamisessa.
Tällaisissa tilanteissa ballistisen lentoradan toimintatapa on ratkaisevan tärkeää tehtävän onnistumisen kannalta.
Nykyaikaisten aseiden, avaruusalusten ja jopa urheiluvälineiden pääajatuksena on ballistinen lentorata, joka on ammuksen polku, johon vaikuttavat vain painovoima ja ilmanvastus.
Aseesta ammutusta luodista aluksesta laukaistuun ohjukseen nämä esineet liikkuvat ballistisen lentoradan sääntöjen mukaan.
Tietämällä, mikä saa ammuksen menemään minne se menee, insinöörit voivat tehdä järjestelmiä, jotka ovat parempia suorituskyvyn, tarkkuuden ja turvallisuuden suhteen.
Tässä artikkelissa tarkastelen kuinka monimutkainen ballistinen liikerata on, miten sitä käytetään tekniikassa, mitä se ei voi tehdä ja miten se testataan.
Joten, olitpa aloitteleva insinööri tai kokenut ammattilainen, ota kiinni ja valmistaudu sukeltamaan ballististen lentoradan kiehtovaan maailmaan.
Ballistisen liikeradan ymmärtäminen
Muodollinen määritelmä:
Kehon liikeradan määräävät vain gravitaatiovoimat ja sen väliaineen vastus, jonka läpi se kulkee.
Ballistinen lentorata on kohteen reitti, joka heitetään, laukaistaan, pudotetaan, syötetään tai ammutaan, mutta joka ei liiku itsestään kulkiessaan ilmassa.
Alkunopeus, painovoiman vaikutukset ja ilmanvastuksen vaikutukset asettavat sen täysin.
Klassisessa mekaniikassa kohteen polku määräytyy sen mukaan, missä se on ja kuinka nopeasti se liikkuu tiettynä aikana.
Tämä tehdään käyttämällä kanonisia koordinaatteja ja Hamiltonin mekaniikkaa.
Ballistiset lentoradat eroavat muun tyyppisistä liikeradoista, koska niissä ei ole aktiivista propulsiovoimaa.
Mutta painovoima ja ilmanvastus voivat vaikuttaa myös muuntyyppisiin lentoratoihin, kuten laskuvarjon tai purjelentokoneen reittiin.
Esineiden liikkeen ymmärtäminen ballistisella liikeradalla
Kun painovoima vaikuttaa kohteeseen, sen liike määräytyy täysin sen mukaan, kuinka nopeasti ja missä kulmassa se laukaistiin.
Videopeleissä, joissa viholliset liikkuvat, algoritmeja käytetään selvittämään, minne luodit menevät osuessaan liikkuviin kohteisiin.
Laukaisukulma ja nopeus on laskettava huolellisesti, jotta varmistetaan, että kohde menee minne sen kuuluukin.
Ballistisen liikeradan sovellukset
Videopelit käyttävät usein ballistisia lentoratoja selvittääkseen, kuinka ammus laukaistaan oikeassa kulmassa osumaan kohteeseen.
Ballistisilla lentoradoilla on myös tärkeitä käyttökohteita esimerkiksi armeijassa ja tekniikassa, missä niitä voidaan käyttää ennustamaan ammusten, kuten luotien ja ohjusten, reittiä ja parantamaan niiden tarkkuutta ja kantamaa.
Cannonballsista raketteihin: Ballistisen lentoradan kiehtova maailma
Vieläkö vaikea ymmärtää? Muutanpa hieman näkökulmaa:
Jos joudut joskus ampumaan tykinkuulaa merirosvolaivasta, muista tähtää korkealle, ota painovoima huomioon ja rukoile, ettei pallo putoa valtamereen.
Loppujen lopuksi tuon kanuunankuidan polun määräävät vain painovoima ja ilmanvastus, etkä halua missata kohdettasi ja päätyä Davy Jonesin kaappiin.
Todellisuudessa ajatus ballistisesta liikeradalta on paljon monimutkaisempi kuin tykillä ampuminen merirosvolaivasta, ja insinöörien ja tutkijoiden on tiedettävä, miten se toimii.
Lähdetään siis purjehtimaan ja sukeltamaan ballististen lentoradan kiehtovaan maailmaan, jossa yleisimmistäkin asioista voi tulla legendoja.
Okei, se oli vain vitsi, joka näytti TV-mainokselta.
Palataan nyt selitykseen.
Ballistiseen lentorataan vaikuttavat tekijät
Ymmärtääksesi, kuinka ballistinen esine liikkuu, sinun on tarkasteltava useita asioita, jotka vaikuttavat sen reittiin.
Laajassa mielessä nämä asiat voidaan jakaa kahteen ryhmään: ulkoiset tekijät ja sisäiset tekijät.
Ulkoiset tekijät
- Painovoima.
Painovoima on yksi tärkeimmistä asioista, joka vaikuttaa mihin pallo menee.
Se antaa esineelle pystykiihtyvyyden -9,8 m/s2, mikä tarkoittaa, että sen pystynopeus muuttuu -9,8 m/s sekunnissa.
Jos esineeseen ei vaikuta ulkopuolisia voimia, vaakanopeus pysyy samana.
Maata lähelle heitettyjen ja vähäisen ilmanvastuksen omaavien esineiden lentorata on paraabeli.
- Veto- tai ilmanvastus.
Ilmanvastus, jota kutsutaan myös vastustukseksi, riippuu nopeudesta, massasta ja pinta-alasta.
Mitä suurempi vastus hidastaa ammusta, jolla on sama massa ja pinta-ala, sitä nopeammin se liikkuu.
Kun selvitetään, kuinka ammus liikkuu, on otettava huomioon ilmanvastus.
Kun ilmanvastus on voimakas, lentoradan selvittäminen on vaikeampaa.
Ballistista kerrointa (BC) käytetään lentoratataulukoissa määrittämään ammuksen nopeus etäisyydellä ja sen vastus.
- Tuuli.
Tuulen nopeudella ja suunnalla voi olla suuri vaikutus liikkuvan kohteen reittiin.
Lennon aikana tuuli voi saada ammuksen poikkeamaan kurssista, jolloin on vaikea sanoa, mihin se laskeutuu.
Sisäiset tekijät
- Nopeus alussa.
Ammuksen laukaisunopeus on alkunopeus.
Mitä pidemmälle ammus voi mennä, sitä nopeammin se liikkuu alussa.
- Käynnistyskulma.
Laukaisukulma on vaakatason ja ammuksen lähetyssuunnan välinen kulma.
Kun ilmanvastusta ei ole paljon, ammuksen kantama tasaisella alustalla riippuu kulmasta, josta se laukaistaan.
- Esineen muoto ja kierto.
Kun ilmanvastus on tärkeä, kohteen muoto ja pyöriminen vaikuttavat sen lentorataan.
Ballistinen kerroin (BC) osoittaa, kuinka hyvin esine voi lentää ilmassa.
Se riippuu asioista, kuten kuinka paljon se painaa ja kuinka suuri se on.
Ilman paine ja lämpötila.
Ballistisen esineen reittiin voivat vaikuttaa ilmanpaine ja lämpötila.
Kun ilman tiheys muuttuu, vetäminen hidastaa kohdetta, joka muuttaa reittiään.
Ballistisen lentoradan laskeminen
Riippuen siitä, kuinka vaikea ongelma on, voit käyttää erilaisia matemaattisia yhtälöitä selvittääksesi ammuksen tarkan polun.
Tavallisia differentiaaliyhtälöitä (ODE) käytetään usein selvittämään, kuinka ammus liikkuu, kun painovoima ja ilmanvastus otetaan huomioon.
Mutta voit myös käyttää numeerisia integrointimenetelmiä selvittääksesi, minne ammus menee.
Vakiokiihtyvyysyhtälöt
Vakiokiihtyvyysyhtälöiden avulla voit selvittää missä ammus on, kuinka nopeasti se liikkuu ja kuinka nopeasti se liikkuu kulloinkin.
Newtonin liikelakien soveltaminen johtaa näihin yhtälöihin, jotka voidaan kirjoittaa seuraavasti:
x = x0 + v0x * t
y = y0 + v0y * t - 0,5 * g * t^2
vx = v0x
vy = v0y - g * t
missä x ja y ovat ammuksen vaaka- ja pystyasennot, x0 ja y0 ovat alkuasennot, v0x ja v0y ovat alkunopeudet x- ja y-suunnissa, g on painovoiman aiheuttama kiihtyvyys ja t on aika, jonka on läpäissyt.
Drag Force Formula
Vastusvoimakaavan avulla voit selvittää, kuinka paljon vastusta ammus kokee.
Se ottaa huomioon vastuksen, jossa (C) on luodin vastuskerroin, () on ilman tiheys, (A) on luodin pinta-ala, (t) on luodin lentoaika ja (m) on luodin massa.
Ballistinen kerroin
Ballistinen kerroin on toinen tärkeä tekijä pallon polun (BC) selvittämisessä.
Tämä kerroin on tapa mitata kuinka hyvin ammus voi liikkua ilman läpi, ja se riippuu muun muassa sen painosta, muodosta ja halkaisijasta.
BC:tä voidaan käyttää luodin reitin ja lopullisen nopeuden selvittämiseen ilman monimutkaista matematiikkaa.
Painovoiman vaikutukset
Jos painovoima olisi sama kaikkialla eikä avaruuden halki liikkuvaan esineeseen vaikuttaisi muita voimia, sen reitti olisi joko parabolinen tai elliptinen riippuen siitä, kuinka pitkälle se kulkee ennen kuin se osuu johonkin tai vetäytyy takaisin painovoiman vaikutuksesta.
Mutta koska painovoima muuttuu sen mukaan, kuinka lähellä olet suuria esineitä, kuten planeettoja ja tähtiä, ja koska pelissä on muita voimia, kuten aurinkotuulen ja säteilyn paineet, avaruusmatkatilanteissa voi esiintyä hyperbolisia lentoratoja, kuten komeetat, jotka kulkevat lähellä aurinkoa tai planeettojen väliset matkatehtävät.
Ballistisen liikeradan valinta
Ballistiselle ohjukselle valitaan optimaalinen ballistinen lentorata siten, että sen kantama ja tarkkuus ovat parhaimmillaan.
Maan pinnan pisteestä toiseen lasketaan lentorata, joka maksimoi kokonaishyötykuorman (heittopainon) ohjuksen käytettävissä olevalla työntövoimalla.
Hyötykuorman painoa pienentämällä voidaan valita erilaisia lentoratoja, jotka voivat joko kasvattaa nimellisetäisyyttä tai lyhentää kokonaisaikaa.
Asioita, jotka vaikuttavat luodin reittiin:
Ballistisen ohjuksen reittiin vaikuttavat monet asiat, jotka vaikuttavat sen kantamaan, nopeuteen ja tarkkuuteen.
Massa, alkunopeus, laukaisukulma, ilmanvastus ja painovoima ovat joitain näistä tekijöistä.
Esimerkiksi ohjuksen heittopaino perustuu sen massaan ja alkunopeuteen, mikä voi muuttaa sen reittiä.
Ohjuksen laukaisukulma on toinen tärkeä tekijä sen polun selvittämisessä.
Jotta saat parhaan etäisyyden ja tarkkuuden, sinun on valittava paras laukaisukulma.
Tarkkuus- ja ohjausjärjestelmä:
Ballistisen ohjuksen suunta ja tarkkuus riippuvat sen ohjausjärjestelmästä.
Voimat voivat aiheuttaa sen, että ohjus poikkeaa suunnitellulta reitiltä, joten se tarvitsee nopeasti toimivan ohjausjärjestelmän, joka on tarkka saadakseen sen takaisin raiteilleen.
Ohjatut ohjukset voivat muuttaa suuntaaan eri tavoin.
Yksi tapa on inertiaohjausjärjestelmät, jotka mittaavat kiihtyvyysantureiden avulla nopeuden ja suunnan muutoksia ja selvittävät missä ohjus on suhteessa lähtöpaikkaan.
Muut järjestelmät ohjaavat ohjuksen suuntaa käyttämällä aerodynaamisia pintoja, kuten pyrstöeviä tai reaktiosuihkuja.
Erilaisia taistelukärkiä ovat:
Ballistisen ohjuksen kantamaan, nopeuteen ja tarkkuuteen voi myös vaikuttaa sen ydinkärjen tyyppi.
On olemassa erilaisia kärkiä, kuten kemiallisia, biologisia ja ydinkärkiä.
Jokaisella tyypillä on erilaisia ominaisuuksia, jotka muuttavat ohjuksen liikkumista ja osumista.
Ballististen ohjusten jakaminen ryhmiin:
Suurin etäisyys, jonka ballistinen ohjus voi kulkea, määrittää sen, kuinka pitkän matkan se voi kulkea.
Lyhyen kantaman ohjukset voivat kulkea alle 1 000 kilometriä (noin 620 mailia), keskipitkän kantaman ohjukset voivat kulkea 1 000 - 3 000 kilometriä (noin 620 - 1 860 mailia) ja keskipitkän kantaman ohjukset voivat kulkea 3 000 - 5 500 kilometriä (noin 18600 kilometriä). -3 410 mailia).
Yhteenvetona voidaan todeta, että parhaan ballistisen lentoradan valinnassa kantamaan ja nopeuteen vaikuttavat esimerkiksi optimaalisiin tai alhaisiin lentoratoihin perustuva heittopainon laskeminen.
Maksimimatkaa, jonka ballistinen ohjus voi kulkea, käytetään sen kantaman määrittämiseen.
Tarkkuus riippuu tarkasta ohjausjärjestelmästä, joka voi ottaa huomioon voimat, jotka voivat saada ajoneuvon poikkeamaan suunnitellulta reitiltä.
Ohjuksen reittiin ja vaikutukseen voi myös vaikuttaa sen ydinkärjen tyyppi.
Ballistisen liikeradan sovellukset
Sovellukset armeijassa
Sotilaallisissa sovelluksissa ballistinen lentorata on erittäin tärkeä, koska se auttaa suunnittelemaan ja nopeuttamaan ammusten saamista haluttuihin tuloksiin.
Sitä käytetään määrittämään kulma, jossa ammuksen tulisi lentää saadakseen suurimman nopeuden tai etäisyyden.
Sitä käytetään selvittämään, kuinka pitkälle tykistötuli menee ja kuinka tarkka se on.
Sitä käytetään myös laskemaan, kuinka paljon vahinkoa kranaatinheitinammukset ja rakettikärjet tekevät.
Sovellukset tekniikassa
Suunniteltaessa ohjuksia ja raketteja avaruustutkimusta varten ballistinen lentorata on erittäin tärkeä tekijä.
Insinöörit käyttävät ballistisen lentoradan sääntöjä selvittääkseen, minne raketti tai ohjus menee, ja varmistamaan, että se pääsee minne sen pitäisi mennä.
He käyttävät sitä myös parantaakseen ohjuksen tai raketin suunnittelua varmistaakseen, että sillä on työnsä edellyttämä nopeus ja kantama.
Sovellukset urheilussa
Urheilussa ballistinen liikerata on myös tärkeä.
Useimmissa urheilulajeissa ammus, yleensä pallo, liikkuu ilmassa.
Analyytikot käyttävät fysiikan käsitteitä, kuten kinematiikkaa ja ammuksen liikettä, selvittääkseen parhaan kulman pallon lentoon nopeuden tai etäisyyden maksimoimiseksi.
Esimerkiksi baseballissa analyytikot käyttävät kinematiikkaa ja ammuksen liikkeitä koskevia tietojaan tutkiakseen syöttäjiä ja löytääkseen niille parhaan tavan heittää.
Koripallon analyytikot käyttävät näitä sääntöjä selvittääkseen parhaan kulman laukaukselle, joka antaa pelaajalle parhaan mahdollisen maalin.
Ballistisen lentoradan rajoitukset ja validointi
On monia tapoja tarkistaa, onko ballistinen lentorata tarkka, kuten:
Alueen testaus
Aluetestaus on yksi menetelmä.
Tässä menetelmässä ammus ammutaan tunnettuun kohteeseen ja mitataan etäisyys aiotusta kohteesta.
Tällä menetelmällä voidaan testata, kuinka tarkka ballistinen lentorata on eri olosuhteissa, kuten tuulessa, lämpötilassa ja korkeudessa.
Doppler-tutka
Doppler-tutka on toinen menetelmä, jolla voidaan seurata ammuksen lentoa ja vertailla mitattua lentorataa ennustettuun lentorataan.
Tällä menetelmällä voidaan selvittää ammuksen nopeus, kiihtyvyys ja sijainti eri kohdissa sen reitillä.
Nopeat kamerat
Nopeat kamerat voivat tallentaa ammuksen reitin ja selvittää, minne se on menossa.
Tämä menetelmä on hyvä tutkia ammuksen lentoa yksityiskohtaisesti, kuten selvittää, kuinka pyöriminen, vastus ja tuuli vaikuttavat siihen.
Tuulitunnelin testaus
Tuulitunnelin avulla ammuksen lentoa voidaan simuloida kontrolloidussa ympäristössä ja sen reittiä tutkia erilaisissa tuuliolosuhteissa.
Tällä menetelmällä voidaan testata, kuinka aerodynaamiset voimat vaikuttavat ammuksen lentää.
Tietokonesimulaatio
Lopuksi tietokonesimulaatiolla voidaan ennustaa ja varmistaa, että ballistinen lentorata on tarkka.
Tämä menetelmä sisältää tietokoneohjelmiston käyttämisen ammuksen lennon simuloimiseen ja simuloidun lentoradan vertaamisen ennustettuun lentorataan.
Tämä menetelmä on hyödyllinen testattaessa, kuinka tarkka ballistisen liikeradan ennustemalli on erilaisissa laukaisuolosuhteissa ja ympäristötekijöissä.
Lopuksi voidaan todeta, että ballistisen lentoradan tarkkuus voidaan tarkistaa useilla menetelmillä, kuten etäisyystestillä, Doppler-tutkalla, suurnopeuskameroilla, tuulitunnelitestauksella ja tietokonesimulaatiolla.
Käytetty menetelmä riippuu testin tavoitteista ja käytettävissä olevista resursseista.
Edellisen tekstin osa, joka puhui ballistisen liikeradan vahvistamisesta aseen ja työkalun jälkien tarkastelun yhteydessä, ei liittynyt kysymykseen.
Projectile Motion - Ballistinen lentorata
Vinkki: Ota tekstityspainike käyttöön, jos tarvitset sitä. Valitse asetuspainikkeesta "automaattinen käännös", jos puhuttu kieli ei ole sinulle tuttu. Sinun on ehkä napsautettava ensin videon kieltä, ennen kuin suosikkikielesi on saatavilla käännettäväksi.
Johtopäätös
Kun tulemme ballististen lentoratojen maailman halki matkamme loppuun, yksi asia tulee selväksi: fysiikan lait ovat kaikkialla.
Ne selittävät sekä yleisimmät että kummallisimmat asiat, joita universumissamme tapahtuu.
Luonnonlait ovat samat riippumatta siitä, lähetetäänkö raketti avaruuteen tai ammutaanko luoti aseesta.
Insinööreinä meidän tehtävämme on käyttää näitä lakeja suunnitellaksemme koneita, jotka tekevät elämästämme paremman ja ylittävät mahdollisuuksien rajoja.
Mutta kun ajattelemme ballistisen liikeradan monimutkaisuutta, meidän on myös mietittävä, mitä työmme tarkoittaa eettisesti.
Meidän tulee käyttää tietojamme ja taitojamme vastuullisesti ja miettiä, miten tekemämme vaikuttaa ihmisiin ja ympäristöön.
Loppujen lopuksi ballistisen liikeradan tutkiminen ei ole vain sen selvittämistä, kuinka asiat liikkuvat avaruudessa; kyse on myös tämän tiedon käyttämisestä ihmiskunnan tavoitteiden viemiseen eteenpäin.
Jatkakaamme maailmankaikkeuden mysteerien tutkimista tarkoituksenmukaisesti, nöyryydellä ja uteliaisuudella.
Linkkejä ja referenssejä
Analyyttiset ballistiset liikeradat suunnilleen lineaarisella vedolla:
Jaa…
