Vous êtes-vous déjà demandé comment les médecins légistes et les enquêteurs calculent la vitesse d'une balle ? Que diriez-vous d'apprendre comment un projectile se déplace ou à quel point il frappe quelque chose ?
Le pendule balistique est un outil qui a changé le monde de la balistique et a ouvert la voie à la science médico-légale telle que nous la connaissons aujourd'hui.
En tant qu'étudiant ingénieur ou ingénieur, il est important de comprendre comment fonctionne un pendule balistique et comment il fonctionne.
Dans cet article de blog, j'examinerai la science derrière cet appareil intéressant, y compris son fonctionnement, les règles qu'il suit et son importance en ingénierie et dans d'autres domaines.
Alors enfilez votre blouse de laboratoire et commençons !
Introduction au pendule balistique
Définition formelle:
Un dispositif qui utilise la déflexion d'un poids suspendu pour déterminer la quantité de mouvement d'un projectile.
Un pendule balistique est un dispositif simple mais efficace utilisé pour mesurer la vitesse et l'énergie cinétique d'un projectile, tel qu'une balle.
Il est composé d'un gros bloc de bois suspendu par deux cordes et sert de pendule.
Principe de fonctionnement
Pour mesurer la vitesse d'une balle avec un pendule balistique, une balle est tirée dans un bloc de bois suspendu à une ficelle.
La balle reste coincée dans le bloc, ce qui fait basculer tout le système de bloc et de balle d'une certaine hauteur h.
La conservation de l'énergie mécanique dit que 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, où m est la masse de la balle, M est la masse du bloc, vf est leur vitesse finale après la collision et h est leur point culminant.
Lois sur la conservation
Les lois de conservation impliquées dans le calcul de la vitesse initiale d'un projectile dans un pendule balistique sont les lois de conservation de la quantité de mouvement et de conservation de l'énergie.
Pendant le crash, l'élan est maintenu le même, et après le crash, l'énergie est maintenue la même.
Lorsque le projectile atteint son point le plus haut, l'énergie cinétique qu'il avait au départ est transformée en énergie potentielle.
Lorsque le pendule redescend, l'énergie potentielle gravitationnelle est reconvertie en énergie cinétique.
La manière non conventionnelle de gagner un débat : le pendule balistique
Toujours difficile à comprendre ? Je change un peu le point de vue :
Les gens disent que la plume est plus puissante que l'épée, mais qu'en est-il du pendule balistique ? Ne vous embêtez pas avec le raisonnement et les mesures exactes.
Prenez votre fidèle pendule balistique la prochaine fois que vous vous disputez et laissez-le parler.
Après tout, rien ne dit "j'ai raison" comme un appareil qui utilise un poids lancé pour déterminer la vitesse à laquelle un projectile se déplace.
D'accord, c'était juste une blague faite pour ressembler à une publicité télévisée.
Revenons maintenant à l'explication.
Comprendre la fonction du pendule balistique
L'appareil est constitué d'un gros bloc de bois soutenu par deux cordes.
Ce bloc est le bob du pendule.
Une collision qui n'est pas élastique est le pendule balistique.
Dans ce genre de collision, les choses qui se heurtent se collent et l'énergie cinétique n'est pas la même.
Lorsqu'une balle est tirée dans le bloc de bois, la balle reste coincée dans le bloc, et le bloc et la balle se balancent ensemble à une hauteur qui dépend du poids de la balle et du bloc.
Ceci est un exemple de collision inélastique car l'énergie cinétique ne reste pas la même.
Comment calculer la vitesse
La taille de l'oscillation du pendule peut être utilisée pour déterminer l'élan de la balle, qui peut ensuite être utilisée pour déterminer sa vitesse.
Lorsque vous utilisez un pendule balistique pour déterminer la vitesse à laquelle un projectile se déplace, vous n'avez pas besoin de mesurer le temps.
Au lieu de cela, vous n'avez qu'à mesurer la masse et la distance.
Les chronographes, capables de mesurer directement la vitesse d'un projectile, ont pour la plupart remplacé le pendule balistique.
Mais il est toujours utilisé dans les salles de classe pour montrer comment la quantité de mouvement et la conservation de l'énergie fonctionnent.
Calcul de la vitesse du projectile et d'autres paramètres
Pour déterminer la vitesse initiale d'un projectile à l'aide d'un pendule balistique, une balle est tirée dans le bob à oscillation libre du pendule.
Une fois que les deux objets se sont heurtés, le pendule oscille jusqu'à son point le plus élevé et la vitesse combinée du bob et de la balle change.
La conservation de la quantité de mouvement peut être utilisée pour déterminer la vitesse initiale de la balle en termes de masses de la balle et du bob et de la hauteur atteinte par le pendule.
Avant que la balle et le bob ne se touchent, ils avaient tous les deux la même vitesse.
En mesurant la hauteur à laquelle le pendule atteint son point le plus élevé, vous pouvez déterminer à quelle vitesse la balle se déplaçait au début.
Calcul de la vitesse du projectile à l'aide de la distance et du temps
D'une autre manière, la vitesse initiale d'un projectile peut être déterminée en mesurant la distance à laquelle il se déplace horizontalement.
Le pendule n'est pas utilisé dans cette méthode, et il peut être retiré de ses gonds pour ne pas gêner l'expérience.
Le projectile est tiré horizontalement et sa portée est mesurée.
Avec ce nombre, nous pouvons utiliser l'équation pour déterminer la durée du vol (6).
Ensuite, en utilisant l'équation x = v0 t, où V0 est la vitesse initiale du projectile, nous pouvons déterminer la vitesse initiale.
Calcul de la force sur le cordon
Nous pouvons utiliser les lois de la quantité de mouvement et de la conservation de l'énergie pour déterminer la force exercée sur la corde juste après l'impact.
Le changement de vitesse de la balle est égal à la force qu'elle exerce sur le bloc.
Nous pouvons comprendre cela en utilisant le fait que l'élan reste le même avant et après un impact.
L'impulsion initiale de la balle est donnée par l'équation p = mv0, où m est la masse de la balle et v0 est sa vitesse initiale.
Après la collision, la masse totale (m + M) se déplace à une vitesse appelée vf.
La loi de conservation de la quantité de mouvement nous dit que mv0 = (m + M)vf.
On peut résoudre pour vf : vf = mv0 / (m + M).
L'impulsion donnée par la balle sur le bloc est alors donnée par : I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).
Nous pouvons utiliser la loi de conservation de l'énergie pour déterminer la force exercée sur la corde juste après qu'elle ait touché le sol.
L'énergie mécanique totale avant l'impact est la même que l'énergie mécanique totale après l'impact : (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, où g est l'accélération causée par gravité et h est le point le plus élevé que le système de blocs et de balles peut atteindre.
Nous pouvons résoudre vf en utilisant notre équation précédente et la substituer dans cette équation : (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.
En rendant cette équation aussi simple que possible, on obtient : v02 = 2gh / (1+M/m).
La deuxième loi de Newton nous indique comment trouver la force F sur la corde : F = I / t, où t est le temps qu'il faut au système bloc-balle pour s'arrêter de bouger.
Calcul de l'angle d'oscillation du pendule
La vitesse initiale du projectile dépend de la distance parcourue par le pendule et du poids du pendule et du projectile.
Lorsqu'un projectile frappe un pendule, le pendule monte de sa position d'équilibre à son angle maximal.
Facteurs affectant les expériences de pendule balistique
Dans une expérience de pendule balistique, une balle est tirée dans un bloc de bois suspendu à une ficelle.
Cela fait basculer l'ensemble jusqu'à une hauteur h.
Pour obtenir des résultats précis, il est important de minimiser les sources d'erreur.
Lors d'une expérience en laboratoire avec un pendule balistique, des erreurs peuvent se produire car les outils de mesure ne sont pas parfaits, le tir n'est pas toujours le même ou les équations ne sont pas réarrangées correctement.
Réduction des sources d'erreur
Plusieurs choses peuvent être faites pour réduire les erreurs.
Tout d'abord, fabriquez un pendule qui fonctionne bien et qui reste le même.
Cela peut être fait en boulonnant une tige filetée à une boîte en plastique et en ajoutant du poids pour que le centre d'équilibre soit près du centre de la boîte.
Marquez soigneusement où se trouve le centre de masse et testez l'appareil en l'équilibrant sur un crayon.
Deuxièmement, les mesures doivent être prises correctement, la ficelle et la règle restant immobiles.
Cela peut être fait en s'assurant que l'équipement utilisé dans l'expérience est stable et sûr.
Troisièmement, le projectile doit être tiré en ligne droite et attrapé de la même manière à chaque fois.
Une façon de faire est de faire en sorte que la mousse attrape le projectile d'une manière qui fonctionne à chaque fois.
Utiliser un équipement avancé
L'utilisation d'équipements modernes peut également aider à réduire les erreurs.
Par exemple, l'utilisation d'un lecteur d'angle plus précis peut aider à rendre les mesures plus précises.
De plus, la répétition des expériences plusieurs fois et l'enregistrement des données après chaque essai peuvent aider à identifier les incohérences ou les valeurs aberrantes dans les données.
En conclusion, la réduction des erreurs dans une expérience de laboratoire de pendule balistique implique de prendre des mesures telles que la construction d'un appareil à pendule précis, la mesure précise des distances, le tir droit avec des mécanismes de capture appropriés, l'utilisation d'équipements de pointe lorsque cela est possible et la répétition des expériences plusieurs fois.
En réduisant le nombre d'endroits où des erreurs peuvent se produire, l'expérience peut être rendue plus précise, ce qui conduira à des résultats plus fiables.
Démo Collisions : Pendule balistique
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Cas d'utilisation
| Utilisé dans: | Description: |
|---|---|
| Mesurer la vitesse d'un projectile : | L'utilisation principale du pendule balistique est de mesurer la vitesse d'un projectile. En mesurant le mouvement d'un poids suspendu après qu'un projectile l'ait touché, les ingénieurs et les scientifiques peuvent déterminer à quelle vitesse le projectile se déplaçait lorsqu'il a touché le poids. |
| Calibrage des balles : | Des pendules balistiques sont utilisés pour s'assurer que les balles sont précises et cohérentes. L'appareil peut déterminer l'énergie cinétique, l'élan et la vitesse de la balle, qui peuvent ensuite être utilisés pour ajuster la conception et la fabrication de la balle. |
| Enquête sur les incidents balistiques : | Les experts médico-légaux peuvent utiliser des pendules balistiques pour enquêter sur des incidents balistiques. En regardant la trajectoire et la vitesse d'un projectile, ils peuvent obtenir des informations importantes qui peuvent aider à résoudre des crimes ou des accidents. |
| Matériel pour les tests : | Les pendules balistiques sont utilisés pour tester la durabilité et l'efficacité de choses comme les armures et les équipements de protection. En tirant des projectiles sur le matériau et en mesurant la déviation du pendule, les ingénieurs et les scientifiques peuvent évaluer l'efficacité du matériau à arrêter ou à ralentir un projectile. |
| Recherche sur la balistique : | Les chercheurs utilisent des pendules balistiques pour découvrir comment les projectiles se comportent dans différentes situations. Les scientifiques peuvent comprendre comment la trajectoire et la vitesse d'un projectile sont affectées par des éléments tels que la résistance de l'air, la gravité et l'angle d'impact. |
Conclusion
Alors que nous arrivons à la fin de notre tour du monde du pendule balistique, nous ne pouvons qu'admirer la créativité des personnes qui l'ont fabriqué.
Le pendule balistique a été une partie importante des domaines de la balistique et de la médecine légale depuis sa création.
Mais le pendule balistique est aussi un bon exemple de la façon dont la science et l'ingénierie se rencontrent au point où les théories et les principes sont mis en pratique dans le monde réel.
Il montre à quel point les découvertes scientifiques et les nouvelles idées sont importantes et comment elles façonnent et changent le monde dans lequel nous vivons.
Ainsi, alors que nous continuons à repousser les limites de la recherche scientifique, n'oublions pas d'où nous venons et les dispositifs et les idées qui ont rendu possible les innovations d'aujourd'hui.
Liens et références
Physique universitaire avec physique moderne
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