Oletko koskaan miettinyt, kuinka rikostekniset tutkijat laskevat luodin nopeuden? Entä jos oppisit kuinka ammus liikkuu tai kuinka kovaa se osuu johonkin?
Ballistinen heiluri on työkalu, joka muutti ballistiikan maailmaa ja tasoitti tietä oikeuslääketieteelliselle tieteelle sellaisena kuin sen nykyään tunnemme.
Insinööriopiskelijana tai insinöörinä on tärkeää ymmärtää, kuinka ballistinen heiluri toimii ja miten se toimii.
Tässä blogiviestissä tarkastelen tämän mielenkiintoisen laitteen takana olevaa tiedettä, mukaan lukien sen toimintaa, sen noudattamia sääntöjä ja sen merkitystä tekniikassa ja muilla aloilla.
Joten pue laboratoriotakisi päälle ja aloitetaan!
Johdatus ballistiseen heiluriin
Muodollinen määritelmä:
Laite, joka käyttää riippuvan painon taipumista ammuksen liikemäärän määrittämiseen.
Ballistinen heiluri on yksinkertainen mutta tehokas laite, jota käytetään ammuksen, kuten luodin, nopeuden ja kineettisen energian mittaamiseen.
Se koostuu suuresta puukappaleesta, joka on ripustettu kahdella narulla ja toimii heilurikepana.
Toimintaperiaate
Luodin nopeuden mittaamiseksi ballistisella heilurilla ammutaan luoti puukappaleeseen, joka roikkuu narussa.
Luoti juuttuu lohkoon, mikä saa koko lohkon ja luodin järjestelmän heilauttamaan jonkin verran korkeutta h.
Mekaanisen energian säilyminen sanoo, että 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, missä m on luodin massa, M on kappaleen massa, vf on niiden lopullinen nopeus törmäyksen jälkeen ja h on niiden korkein kohta.
Suojelulakeja
Ballistisessa heilurissa olevan ammuksen alkunopeuden laskemiseen liittyvät säilymislait ovat liikemäärän ja energian säilymisen lakeja.
Törmäyksen aikana vauhti pysyy samana, ja törmäyksen jälkeen energia pysyy samana.
Kun ammus saavuttaa korkeimman kohdan, kineettinen energia, joka sillä oli alussa, muuttuu potentiaalienergiaksi.
Kun heiluri heilahtaa takaisin alas, gravitaatiopotentiaalienergia muuttuu takaisin kineettiseksi energiaksi.
Epätavallinen tapa voittaa keskustelu: Ballistinen heiluri
Vieläkö vaikea ymmärtää? Muutan vähän näkökulmaa:
Ihmiset sanovat, että kynä on miekkaa mahtavampi, mutta entä ballistinen heiluri? Älä vaivaudu perustelemiseen ja tarkkoihin mittoihin.
Tartu luotettavaan ballistiseen heiluriisi seuraavan kerran, kun joudut kiivaaseen riitaan, ja anna sen puhua.
Loppujen lopuksi mikään ei sano "Olen oikeassa" kuin laite, joka käyttää heitetyn painon selvittääkseen kuinka nopeasti ammus liikkuu.
Okei, se oli vain vitsi, joka tehtiin näyttämään TV-mainokselta.
Palataan nyt selitykseen.
Ballistisen heilurin toiminnan ymmärtäminen
Laite on tehty suuresta puukappaleesta, jota pitää kaksi nauhaa.
Tämä lohko on heilurin bob.
Törmäys, joka ei ole elastinen, on ballistinen heiluri.
Tällaisessa törmäyksessä toisiinsa osuvat asiat tarttuvat yhteen, eikä liike-energia pysy ennallaan.
Kun luoti ammutaan puupalikkoon, luoti juuttuu lohkoon ja lohko ja luoti yhdessä heilauttavat korkeuteen, joka riippuu luodin ja lohkon painamisesta.
Tämä on esimerkki joustamattomasta törmäyksestä, koska kineettinen energia ei pysy samana.
Kuinka selvittää nopeus
Heilurin heilahduksen koon avulla voidaan selvittää luodin liikemäärä, jonka avulla voidaan sitten selvittää sen nopeus.
Kun käytät ballistista heiluria selvittääksesi kuinka nopeasti ammus liikkuu, sinun ei tarvitse mitata aikaa.
Sen sijaan sinun tarvitsee vain mitata massa ja etäisyys.
Kronografit, joilla voidaan mitata suoraan ammuksen nopeutta, ovat useimmiten korvanneet ballistisen heilurin.
Mutta sitä käytetään edelleen luokkahuoneissa osoittamaan, kuinka vauhti ja energiansäästö toimivat.
Ammuksen nopeuden ja muiden parametrien laskeminen
Ammuksen alkunopeuden selvittämiseksi ballistisen heilurin avulla ammutaan luoti heilurin vapaasti heilauttavaan keulaan.
Kun nämä kaksi esinettä osuvat toisiinsa, heiluri heilahtaa korkeimpaan pisteeseensä ja bobin ja luodin yhdistetty nopeus muuttuu.
Liikemäärän säilymisen avulla voidaan määrittää luodin alkunopeus luodin ja keilan massojen sekä heilurin saavuttaman korkeuden perusteella.
Ennen kuin luoti ja bob osuivat toisiinsa, molemmilla oli sama nopeus.
Mittaamalla kuinka korkealle heiluri nousee korkeimpaan pisteeseensä, voit selvittää, kuinka nopeasti luoti liikkui aluksi.
Ammuksen nopeuden laskeminen etäisyyden ja ajan avulla
Toisella tavalla ammuksen alkunopeus voidaan selvittää mittaamalla kuinka pitkälle se liikkuu vaakasuunnassa.
Heiluria ei käytetä tässä menetelmässä, ja se voidaan irrottaa saranoistaan, jotta se ei häiritse koetta.
Ammus ammutaan vaakatasossa ja sen kantama mitataan.
Tämän numeron avulla voimme laskea yhtälön avulla, kuinka kauan lento kestää (6).
Sitten käyttämällä yhtälöä x = v0 t, jossa V0 on ammuksen alkunopeus, voimme selvittää alkunopeuden.
Johdon voiman laskeminen
Voimme käyttää liikemäärän ja energian säilymisen lakeja selvittääksemme johtoon kohdistuvan voiman heti iskun jälkeen.
Luodin nopeuden muutos on yhtä suuri kuin voima, jonka se kohdistaa lohkoon.
Voimme selvittää tämän käyttämällä sitä tosiasiaa, että vauhti pysyy samana ennen törmäystä ja sen jälkeen.
Luodin alkuliikemäärä saadaan yhtälöstä p = mv0, missä m on luodin massa ja v0 on sen alkunopeus.
Törmäyksen jälkeen kokonaismassa (m + M) liikkuu nopeudella nimeltä vf.
Liikemäärän säilymislaki kertoo, että mv0 = (m + M)vf.
Voimme ratkaista vf:lle: vf = mv0 / (m + M).
Luodin lohkoon antama impulssi saadaan sitten seuraavasti: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).
Voimme käyttää energian säilymisen lakia selvittääksemme, kuinka paljon voimaa johdossa oli heti sen osuttua maahan.
Mekaaninen kokonaisenergia ennen törmäystä on sama kuin mekaaninen kokonaisenergia törmäyksen jälkeen: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, missä g on iskujen aiheuttama kiihtyvyys. Painovoima ja h on korkein piste, jonka lohko- ja luotijärjestelmä voi saavuttaa.
Voimme ratkaista vf:n käyttämällä edellistä yhtälöämme ja korvata sen tähän yhtälöön: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+) M)gh.
Tekemällä yhtälöstä mahdollisimman yksinkertaisen, saamme: v02 = 2gh / (1+M/m).
Newtonin toinen laki kertoo kuinka löytää voima F narussa: F = I / t, missä t on aika, joka kuluu lohko- ja luotijärjestelmän pysähtymiseen.
Heilurin heilahduskulman laskeminen
Ammuksen alkunopeus riippuu siitä, kuinka pitkälle heiluri heiluu ylös ja kuinka painavia heiluri ja ammus ovat.
Kun ammus osuu heiluriin, heiluri siirtyy tasapainoasennostaan maksimikulmaansa.
Ballistisiin heilurikokeisiin vaikuttavat tekijät
Ballistisessa heilurikokeessa luoti ammutaan puukappaleeseen, joka roikkuu narussa.
Tämä saa koko asian keinumaan korkeuteen h.
Tarkkojen tulosten saavuttamiseksi on tärkeää minimoida virhelähteet.
Ballistisella heilurilla tehdyssä laboratoriokokeessa voi tapahtua virheitä, koska mittaustyökalut eivät ole täydellisiä, laukaus ei ole aina sama tai yhtälöitä ei ole järjestetty oikein.
Virhelähteiden vähentäminen
Virheiden vähentämiseksi voidaan tehdä useita asioita.
Tee ensin heiluri, joka toimii hyvin ja pysyy samana.
Tämä voidaan tehdä ruuvaamalla kierretanko muovilaatikkoon ja lisäämällä painoa niin, että tasapainopiste on lähellä laatikon keskustaa.
Merkitse huolellisesti massakeskipisteen sijainti ja testaa laitetta tasapainottamalla se kynällä.
Toiseksi mittaukset tulee tehdä oikein, narun ja viivaimen pysyessä paikallaan.
Tämä voidaan tehdä varmistamalla, että kokeessa käytetyt laitteet ovat vakaat ja turvalliset.
Kolmanneksi ammus tulee ampua suorassa linjassa ja ottaa kiinni samalla tavalla joka kerta.
Yksi tapa tehdä tämä on luoda tapa, jolla vaahto tarttuu ammukseen tavalla, joka toimii joka kerta.
Kehittyneiden laitteiden käyttö
Nykyaikaisten laitteiden käyttö voi myös auttaa vähentämään virheitä.
Esimerkiksi tarkemman kulmanlukijan käyttö voi auttaa tekemään mittauksista tarkempia.
Lisäksi kokeiden toistaminen useita kertoja ja tietojen tallentaminen jokaisen kokeen jälkeen voi auttaa tunnistamaan tiedoissa olevat epäjohdonmukaisuudet tai poikkeamat.
Yhteenvetona voidaan todeta, että virheiden vähentäminen ballistisen heilurin laboratoriokokeessa edellyttää toimenpiteitä, kuten tarkan heilurilaitteen rakentamista, etäisyyksien tarkkaa mittaamista, suorien laukausten ampumista johdonmukaisesti asianmukaisilla sieppausmekanismeilla, kehittyneiden laitteiden käyttämistä mahdollisuuksien mukaan ja kokeiden toistamista useita kertoja.
Vähentämällä paikkoja, joissa virheitä voi tapahtua, kokeilua voidaan tarkentaa, mikä johtaa luotettavampiin tuloksiin.
Törmäysdemo: Ballistic Pendulum
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.
Käytä koteloita
| Käytetty: | Kuvaus: |
|---|---|
| Ammuksen nopeuden mittaaminen: | Ballistisen heilurin ensisijainen käyttötarkoitus on mitata ammuksen nopeutta. Mittaamalla, kuinka paljon ripustettu paino liikkuu ammuksen osuttua siihen, insinöörit ja tutkijat voivat selvittää, kuinka nopeasti ammus liikkui osuessaan painoon. |
| Luodin kalibrointi: | Ballistisia heilureita käytetään varmistamaan, että luodit ovat tarkkoja ja johdonmukaisia. Laite voi määrittää luodin kineettisen energian, liikemäärän ja nopeuden, jonka avulla voidaan sitten säätää luodin suunnittelua ja valmistusta. |
| Ballististen tapausten tutkiminen: | Oikeuslääketieteen asiantuntijat voivat käyttää ballistisia heilureita ballististen tapahtumien tutkimiseen. Tarkastelemalla ammuksen reittiä ja nopeutta he voivat saada tärkeitä tietoja, jotka voivat auttaa ratkaisemaan rikoksia tai onnettomuuksia. |
| Materiaalit kokeisiin: | Ballistisia heilureita käytetään esimerkiksi panssarin ja suojavarusteiden kestävyyden ja tehokkuuden testaamiseen. Ammuttamalla materiaalia ja mittaamalla heilurin taipumaa insinöörit ja tutkijat voivat arvioida materiaalin tehokkuutta ammuksen pysäyttämisessä tai hidastamisessa. |
| Ballistiikan tutkimus: | Tutkijat käyttävät ballistisia heilureita selvittääkseen kuinka ammukset käyttäytyvät eri tilanteissa. Tutkijat voivat selvittää, kuinka ilmavastuksen, painovoiman ja törmäyskulman kaltaiset asiat vaikuttavat ammuksen reittiin ja nopeuteen. |
Johtopäätös
Saavumme ballistisen heilurin maailman kiertueemme loppuun, emme voi muuta kuin ihailla sen tekeneiden ihmisten luovuutta.
Ballistinen heiluri on ollut tärkeä osa ballistiikan ja oikeuslääketieteen alaa sen valmistamisesta lähtien.
Mutta ballistinen heiluri on myös hyvä esimerkki tieteen ja tekniikan kohtaamisesta siinä kohdassa, jossa teorioita ja periaatteita käytetään todellisessa maailmassa.
Se osoittaa, kuinka tärkeitä tieteelliset löydöt ja uudet ideat ovat ja kuinka ne muokkaavat ja muuttavat maailmaa, jossa elämme.
Niinpä jatkaessamme tieteellisen tutkimuksen rajojen työntämistä älkäämme unohtako, mistä olemme tulleet, sekä laitteita ja ideoita, jotka mahdollistivat tämän päivän innovaatiot.
Linkkejä ja referenssejä
Yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa
Jaa…
