엔지니어로서 우리는 종종 공기를 통과하거나 지표면에 구멍을 뚫는 것과 같은 열악한 조건에서 작동해야 하는 기계를 제작하라는 요청을 받습니다.
이러한 종류의 상황에서 탄도 궤도가 어떻게 작동하는지 아는 것이 임무의 성공에 매우 중요합니다.
현대 무기, 우주선, 심지어 스포츠 장비의 기본 아이디어는 중력과 공기 저항에 의해서만 영향을 받는 발사체의 경로인 탄도 궤적입니다.
총에서 발사되는 총알에서 배에서 발사되는 미사일에 이르기까지 이러한 물체는 탄도 궤적의 규칙에 따라 움직입니다.
발사체가 어디로 가는지 알면 엔지니어는 성능, 정확성 및 안전성 측면에서 더 나은 시스템을 만들 수 있습니다.
이 기사에서는 탄도 궤적이 얼마나 복잡한지, 엔지니어링에서 어떻게 사용되는지, 할 수 없는 것은 무엇인지, 테스트하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.
따라서 야심 찬 엔지니어이든 노련한 전문가이든 벨트를 매고 매혹적인 탄도 궤적의 세계로 뛰어들 준비를 하십시오.
탄도 궤적 이해
공식적인 정의:
물체가 따라가는 궤적은 중력과 물체가 통과하는 매질의 저항에 의해서만 결정됩니다.
탄도 궤적은 던지거나, 발사하거나, 떨어뜨리거나, 제공하거나, 총을 쏘지만 물체가 공중을 통과할 때 자체적으로 움직이지 않는 물체의 경로입니다.
초기 속도, 중력의 영향 및 공기 저항의 영향으로 완전히 설정됩니다.
고전 역학에서 물체의 경로는 물체가 있는 위치와 특정 시간에 움직이는 속도로 정의됩니다.
이것은 정식 좌표와 해밀턴 역학을 사용하여 수행됩니다.
탄도 궤적은 활성 추진력이 없기 때문에 다른 유형의 궤적과 다릅니다.
그러나 중력과 공기 저항은 낙하산이나 글라이더의 경로와 같은 다른 유형의 궤적에도 영향을 미칠 수 있습니다.
탄도 궤적에서 물체의 움직임 이해
물체가 중력의 영향을 받을 때 물체의 움직임은 물체가 발사된 속도와 각도에 따라 완전히 결정됩니다.
적들이 돌아다니는 비디오 게임에서는 총알이 움직이는 목표물에 부딪쳤을 때 총알이 어디로 갈지 알아내는 데 알고리즘이 사용됩니다.
물체가 예상대로 이동하는지 확인하려면 발사 각도와 속도를 신중하게 계산해야 합니다.
탄도 궤적의 응용
비디오 게임은 종종 탄도 궤적을 사용하여 발사체를 올바른 각도로 발사하여 목표물을 맞추는 방법을 알아냅니다.
탄도 궤적은 또한 군사 및 공학과 같은 분야에서 중요한 용도로 사용되며 총알 및 미사일과 같은 발사체의 경로를 예측하고 정확도와 범위를 개선하는 데 사용될 수 있습니다.
포탄에서 로켓까지: 매혹적인 탄도 궤도의 세계
아직도 이해하기 어렵나요? 관점을 조금 바꿔보겠습니다.
해적선에서 포탄을 발사해야 하는 경우 높이 조준하고 중력을 고려하여 포탄이 바다에 떨어지지 않도록 기도해야 합니다.
결국, 그 포탄의 경로는 중력과 공기 저항에 의해서만 결정되며, 목표를 놓치고 Davy Jones의 사물함에서 끝나는 것을 원하지 않을 것입니다.
진지하게 말해서 탄도 궤도의 개념은 해적선에서 대포를 발사하는 것보다 훨씬 더 복잡하며 엔지니어와 과학자는 그것이 어떻게 작동하는지 알아야 합니다.
이제 항해를 시작하고 가장 평범한 것조차 전설이 될 수 있는 매혹적인 탄도 궤적의 세계로 뛰어들자.
좋아요, 그건 그냥 TV 광고처럼 보이는 농담이었습니다.
이제 설명으로 돌아가 봅시다.
탄도 궤도에 영향을 미치는 요인
탄도 물체가 어떻게 움직이는지 이해하려면 경로에 영향을 미치는 몇 가지 사항을 살펴봐야 합니다.
넓은 의미에서 이러한 것들은 외부 요인과 내부 요인의 두 그룹으로 나눌 수 있습니다.
외부 요인
- 중력.
중력은 공이 어디로 갈지에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나입니다.
물체에 -9.8m/s2의 수직 가속도를 제공합니다. 즉, 물체의 수직 속도가 매초 -9.8m/s씩 변경됩니다.
물체에 작용하는 외부 힘이 없으면 수평 속도는 동일하게 유지됩니다.
공기 저항이 거의 없이 지구 가까이에 던져진 물체의 비행 경로는 포물선입니다.
- 드래그 또는 공기 저항.
항력이라고도 하는 공기 저항은 속도, 질량 및 표면적에 따라 달라집니다.
동일한 질량과 표면적을 가진 발사체는 드래그가 많을수록 더 빨리 움직입니다.
발사체가 어떻게 움직이는지 알아낼 때 공기 저항을 고려해야 합니다.
공기 저항이 강하면 비행 경로를 파악하기가 더 어렵습니다.
탄도 계수(BC)는 궤적 테이블에서 원거리에서 발사체의 속도와 항력을 파악하는 데 사용됩니다.
- 바람.
바람의 속도와 방향은 움직이는 물체의 경로에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
비행 중에는 바람 때문에 발사체가 경로를 벗어나 어디로 착륙할지 알기 어렵습니다.
내부 요인
- 시작 시 속도.
발사체가 발사되는 속도가 초기 속도입니다.
발사체가 더 멀리 갈 수 있을수록 처음에 더 빨리 움직입니다.
- 발사 각도.
발사 각도는 수평과 발사체가 보내지는 방향 사이의 각도입니다.
공기 저항이 많지 않은 경우 평지에서 발사체의 범위는 발사 각도에 따라 달라집니다.
- 개체의 모양과 회전입니다.
공기 저항이 중요한 경우 물체의 모양과 회전이 비행 경로에 영향을 미칩니다.
탄도 계수(BC)는 물체가 공중에서 얼마나 잘 날 수 있는지를 나타냅니다.
그것은 무게와 크기와 같은 것들에 달려 있습니다.
공기의 압력과 온도.
탄도 물체의 경로는 기압과 온도의 영향을 받을 수 있습니다.
공기의 밀도가 변하면 드래그로 인해 개체의 속도가 느려지고 경로가 변경됩니다.
탄도 궤적 계산
문제의 난이도에 따라 다른 수학 방정식을 사용하여 발사체의 정확한 경로를 알아낼 수 있습니다.
보통 미분 방정식(ODE)은 중력과 공기 저항을 고려할 때 발사체가 어떻게 움직이는지 파악하는 데 자주 사용됩니다.
그러나 수치 통합 방법을 사용하여 발사체가 어디로 갈지 알아낼 수도 있습니다.
등가속도 방정식
일정 가속 방정식을 사용하면 발사체가 어디에 있는지, 얼마나 빨리 움직이는지, 주어진 시간에 얼마나 빨리 움직이는지 파악할 수 있습니다.
뉴턴의 운동 법칙을 적용하면 다음과 같은 방정식이 도출됩니다.
x = x0 + v0x * t
y = y0 + v0y * t - 0.5 * g * t^2
vx = v0x
vy = v0y - g * t
여기서 x와 y는 발사체의 수평 및 수직 위치, x0 및 y0은 초기 위치, v0x 및 v0y는 x 및 y 방향의 초기 속도, g는 중력에 의한 가속도, t는 시간입니다. 지나 갔다.
항력 공식
항력 공식을 사용하면 발사체가 얼마나 많은 항력을 받고 있는지 파악할 수 있습니다.
여기서 (C)는 총알의 항력 계수, ()는 공기 밀도, (A)는 총알의 표면적, (t)는 총알의 비행 시간, (m)은 총알의 질량입니다.
탄도 계수
탄도 계수는 공의 경로(BC)를 파악하는 또 다른 중요한 요소입니다.
이 계수는 발사체가 공기 중에서 얼마나 잘 이동할 수 있는지 측정하는 방법이며 무게, 모양 및 직경과 같은 요소에 따라 달라집니다.
BC는 복잡한 수학을 할 필요 없이 총알의 경로와 최종 속도를 파악하는 데 사용할 수 있습니다.
중력의 영향
중력이 모든 곳에서 동일하고 공간을 통해 움직이는 물체에 작용하는 다른 힘이 없다면 물체의 경로는 무언가에 부딪히거나 중력에 의해 뒤로 당겨지기 전에 얼마나 멀리 갔는지에 따라 포물선 또는 타원형이 될 것입니다.
그러나 행성이나 별과 같은 큰 물체에 얼마나 가까이 있는지에 따라 중력이 변하고 태양풍과 복사압과 같은 다른 힘이 작용하기 때문에 혜성이 태양에 가까이 지나가는 것과 같은 우주 여행 상황에서 쌍곡선 궤적이 있을 수 있습니다. 행성 간 여행 임무.
탄도 궤적 선택
최적의 탄도 궤적은 탄도 미사일의 사거리와 정확도가 최상이 되도록 선택됩니다.
지구 표면의 한 지점에서 다른 지점까지 미사일의 가용 추력으로 총 페이로드(투사 중량)를 최대화하는 궤적을 계산합니다.
페이로드 중량을 줄임으로써 공칭 범위를 늘리거나 총 비행 시간을 줄일 수 있는 다양한 궤적을 선택할 수 있습니다.
총알의 경로에 영향을 미치는 것:
탄도 미사일의 경로는 사거리, 속도 및 정확도에 영향을 미치는 많은 요소의 영향을 받습니다.
질량, 초기 속도, 발사 각도, 공기 저항 및 중력이 이러한 요소 중 일부입니다.
예를 들어, 미사일의 던지는 무게는 질량과 초기 속도를 기반으로 하며, 이는 경로를 변경할 수 있습니다.
미사일이 발사되는 각도는 경로를 파악하는 또 다른 중요한 요소입니다.
최대한의 거리와 정확도를 얻으려면 최상의 발사 각도를 선택해야 합니다.
정확도 및 안내 시스템:
탄도 미사일의 방향과 정확도는 유도 시스템에 따라 달라집니다.
힘은 미사일이 계획된 경로에서 벗어나도록 만들 수 있으므로 미사일을 다시 궤도에 올리려면 정확하고 신속하게 작동하는 유도 시스템이 필요합니다.
유도 미사일은 다양한 방식으로 방향을 바꿀 수 있습니다.
한 가지 방법은 가속도계를 사용하여 속도와 방향의 변화를 측정하고 미사일이 시작된 위치와 관련하여 어디에 있는지 파악하는 관성 유도 시스템을 이용하는 것입니다.
다른 시스템은 꼬리 날개 또는 반응 제트와 같은 공기역학적 표면을 사용하여 미사일의 방향을 제어합니다.
다양한 종류의 탄두는 다음과 같습니다.
탄도 미사일의 범위, 속도 및 정확도는 탄두 유형에 따라 영향을 받을 수도 있습니다.
화학, 생물학 및 핵과 같은 다양한 종류의 탄두가 있습니다.
유형마다 미사일의 이동 방식과 타격 위치를 변경하는 특성이 다릅니다.
탄도 미사일을 그룹으로 나누기:
탄도 미사일이 이동할 수 있는 최대 거리는 얼마나 멀리 이동할 수 있는지를 결정합니다.
단거리 미사일은 1,000km(약 620마일) 미만, 중거리 미사일은 1,000~3,000km(약 620~1,860마일), 중거리 미사일은 3,000~5,500km(약 1,860km) -3,410마일).
요약하면, 최적의 탄도 궤적을 선택하기 위해 범위와 속도는 최적의 궤적 또는 침체된 궤적을 기반으로 한 던지기 무게 계산과 같은 요소의 영향을 받습니다.
탄도 미사일이 이동할 수 있는 최대 거리는 사거리를 결정하는 데 사용됩니다.
정확도는 차량이 계획된 경로에서 벗어나게 할 수 있는 힘을 설명할 수 있는 정확한 안내 시스템에 따라 달라집니다.
미사일의 경로와 충격은 탄두 유형에 따라 영향을 받을 수도 있습니다.
탄도 궤적의 응용
군대에서의 응용
군사 응용 프로그램에서 탄도 궤적은 원하는 결과를 얻기 위해 발사체를 계획하고 속도를 높이는 데 도움이 되기 때문에 매우 중요합니다.
최대 속도 또는 거리를 얻기 위해 발사체가 날아가야 하는 각도를 파악하는 데 사용됩니다.
포병 사격이 얼마나 멀리 가고 얼마나 정확한지 파악하는 데 사용됩니다.
또한 박격포 발사체와 로켓 탄두가 얼마나 많은 피해를 줄지 알아내는 데 사용됩니다.
공학에서의 응용
우주 탐사를 위한 미사일과 로켓을 설계할 때 탄도 궤적은 매우 중요한 요소입니다.
엔지니어는 탄도 궤적의 규칙을 사용하여 로켓이나 미사일이 어디로 갈지 파악하고 목적지에 도달하는지 확인합니다.
또한 미사일이나 로켓의 설계를 개선하여 임무를 수행하는 데 필요한 속도와 범위를 갖도록 합니다.
스포츠에서의 응용
스포츠에서는 탄도 궤적도 중요합니다.
대부분의 스포츠에서 발사체, 일반적으로 공은 공기를 통해 이동합니다.
분석가는 운동학 및 발사체 운동과 같은 물리학 개념을 사용하여 속도 또는 거리를 최대화하기 위한 공의 비행에 가장 적합한 각도를 알아냅니다.
예를 들어, 야구에서 분석가는 운동학 및 발사체 운동에 대한 지식을 사용하여 투수를 연구하고 가장 좋은 던지는 방법을 찾습니다.
농구 분석가들은 이러한 규칙을 사용하여 선수에게 최상의 득점 기회를 제공할 슛에 대한 최상의 각도를 파악합니다.
탄도 궤적의 한계 및 검증
탄도 궤적이 정확한지 확인하는 방법은 다음과 같이 여러 가지가 있습니다.
범위 테스트
범위 테스트는 한 가지 방법입니다.
이 방법에서는 발사체를 알려진 목표물에 발사하고 의도한 목표물로부터의 거리를 측정합니다.
이 방법은 바람, 온도 및 고도와 같은 다양한 조건에서 탄도 궤적이 얼마나 정확한지 테스트하는 데 사용할 수 있습니다.
도플러 레이더
도플러 레이더는 발사체의 비행을 추적하고 측정된 궤적을 예측된 궤적과 비교하는 데 사용할 수 있는 또 다른 방법입니다.
이 방법은 발사체의 속도, 가속도 및 경로를 따라 다른 지점에서의 위치를 파악하는 데 사용할 수 있습니다.
고속 카메라
고속 카메라는 발사체의 경로를 기록하고 어디로 가는지 파악할 수 있습니다.
이 방법은 회전, 드래그 및 바람이 어떻게 영향을 미치는지 파악하는 것과 같이 발사체의 비행을 자세히 연구하는 데 좋습니다.
풍동 테스트
풍동을 사용하여 제어된 환경에서 발사체의 비행을 시뮬레이션하고 다양한 바람 조건에서 경로를 연구할 수 있습니다.
이 방법은 공기역학적 힘이 발사체가 날아가는 방식에 어떤 영향을 미치는지 테스트하는 데 사용할 수 있습니다.
컴퓨터 시뮬레이션
마지막으로 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 탄도 궤적이 정확한지 예측하고 확인할 수 있습니다.
이 방법은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 발사체의 비행을 시뮬레이션하고 시뮬레이션된 궤적을 예측된 궤적과 비교하는 것을 포함합니다.
이 방법은 다양한 발사 조건 및 환경 요인에서 탄도 궤적 예측 모델이 얼마나 정확한지 테스트하는 데 유용합니다.
결론적으로 탄도 궤적은 범위 테스트, 도플러 레이더, 고속 카메라, 풍동 테스트 및 컴퓨터 시뮬레이션과 같은 여러 가지 방법을 사용하여 정확도를 확인할 수 있습니다.
사용되는 방법은 테스트의 목표와 사용 가능한 리소스에 따라 다릅니다.
총과 도구 자국을 보는 맥락에서 탄도 궤적을 검증하는 것에 대해 이야기한 이전 텍스트 부분은 질문과 관련이 없습니다.
발사체 모션 - 탄도 궤적
팁: 필요한 경우 캡션 버튼을 켭니다. 구어에 익숙하지 않은 경우 설정 버튼에서 "자동 번역"을 선택하십시오. 좋아하는 언어를 번역할 수 있게 되기 전에 먼저 동영상의 언어를 클릭해야 할 수도 있습니다.
결론
탄도 궤적의 세계 여행을 마치면서 한 가지 분명한 사실이 밝혀졌습니다. 물리 법칙은 어디에나 있다는 것입니다.
그들은 우리 우주에서 일어나는 가장 흔한 일과 가장 이상한 일을 모두 설명합니다.
로켓이 우주로 보내지든 총에서 총알이 발사되든 자연의 법칙은 동일합니다.
엔지니어로서 이러한 법칙을 사용하여 우리의 삶을 개선하고 가능성의 한계를 뛰어넘는 기계를 설계하는 것이 우리의 임무입니다.
그러나 탄도 궤도가 얼마나 복잡한지 생각할 때 윤리적 측면에서 우리 작업이 의미하는 바도 생각해야 합니다.
우리는 우리의 지식과 기술을 책임 있는 방식으로 사용해야 하며 우리가 만드는 것이 사람과 환경에 어떤 영향을 미치는지 생각해야 합니다.
결국, 탄도 궤적을 연구하는 것은 물체가 공간을 통해 어떻게 움직이는지 알아내는 것에 관한 것이 아닙니다. 그것은 또한 인류의 목표를 앞으로 나아가기 위해 그 지식을 사용하는 것에 관한 것입니다.
목적의식과 겸허함과 호기심으로 우주의 신비를 계속 들여다보자.
링크 및 참조
대략적인 선형 항력이 있는 분석적 탄도 궤적:
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