Introduksjon Til Ballistisk Pendel

Har du noen gang lurt på hvordan rettsmedisinere og etterforskere beregner hastigheten til en kule? Hva med å lære om hvordan et prosjektil beveger seg eller hvor hardt det treffer noe?

Den ballistiske pendelen er et verktøy som endret ballistikkens verden og banet vei for rettsmedisin slik vi kjenner den i dag.

Som ingeniørstudent eller ingeniør er det viktig å forstå hvordan en ballistisk pendel fungerer og hvordan den fungerer.

I dette blogginnlegget skal jeg se på vitenskapen bak denne interessante enheten, inkludert hvordan den fungerer, reglene den følger, og dens betydning innen ingeniørfag og andre felt.

Så ta på deg laboratoriefrakken og la oss komme i gang!

Introduksjon til ballistisk pendel

Formell definisjon:

En enhet som bruker avbøyningen av en opphengt vekt for å bestemme farten til et prosjektil.

En ballistisk pendel er en enkel, men effektiv enhet som brukes til å måle hastigheten og kinetisk energi til et prosjektil, for eksempel en kule.

Den består av en stor trekloss som er hengt i to strenger og fungerer som pendelbob.

Arbeidsprinsipp

For å måle hastigheten til en kule med en ballistisk pendel, skytes en kule inn i en trekloss som henger i en snor.

Kulen setter seg fast i blokken, noe som får hele systemet med blokk og kule til å svinge opp en viss høyde h.

Bevaring av mekanisk energi sier at 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, der m er massen til kulen, M er massen til blokken, vf er deres slutthastighet etter kollisjon, og h er deres høyeste punkt.

Lover om bevaring

Bevaringslovene som er involvert i beregningen av starthastigheten til et prosjektil i en ballistisk pendel er lovene for bevaring av momentum og bevaring av energi.

Under krasjet holdes momentumet ved like, og etter krasjet holdes energien den samme.

Når prosjektilet når sitt høyeste punkt, blir den kinetiske energien det hadde ved starten omgjort til potensiell energi.

Når pendelen svinger ned igjen, blir gravitasjonspotensialet omgjort til kinetisk energi.

Den ukonvensjonelle måten å vinne en debatt på: Den ballistiske pendelen

Fortsatt vanskelig å forstå? La meg endre synspunktet litt:

Folk sier at pennen er mektigere enn sverdet, men hva med den ballistiske pendelen? Ikke bry deg med resonnement og eksakte målinger.

Ta tak i din trofaste ballistiske pendel neste gang du er i en heftig krangel, og la den snakke.

Tross alt, ingenting sier "jeg har rett" som en enhet som bruker en kastet vekt for å finne ut hvor raskt et prosjektil beveger seg.

Ok, det var bare en spøk laget for å se ut som en TV-reklame.

La oss nå gå tilbake til forklaringen.

Forstå funksjonen til ballistisk pendel

Enheten består av en stor trekloss som holdes oppe av to strenger.

Denne blokken er pendelbobben.

En kollisjon som ikke er elastisk er den ballistiske pendelen.

I denne typen kollisjon henger tingene som treffer hverandre sammen, og den kinetiske energien holdes ikke den samme.

Når en kule skytes inn i treklossen, setter kula seg fast i blokken, og blokken og kula svinger sammen opp til en høyde som avhenger av hvor tung kula og blokken er.

Dette er et eksempel på en uelastisk kollisjon fordi den kinetiske energien ikke forblir den samme.

Hvordan finne ut hastighet

Størrelsen på pendelens sving kan brukes til å finne ut kulens fart, som deretter kan brukes til å finne ut hastigheten.

Når du bruker en ballistisk pendel for å finne ut hvor raskt et prosjektil beveger seg, trenger du ikke å måle tid.

I stedet trenger du bare å måle masse og avstand.

Kronografer, som direkte kan måle hastigheten til et prosjektil, har stort sett erstattet den ballistiske pendelen.

Men det brukes fortsatt i klasserom for å vise hvordan fremdrift og bevaring av energi fungerer.

Beregning av prosjektilhastighet og andre parametere

For å finne ut starthastigheten til et prosjektil ved hjelp av en ballistisk pendel, skytes en kule inn i pendelens frittsvingende bob.

Etter at de to gjenstandene treffer hverandre, svinger pendelen til sitt høyeste punkt og den kombinerte hastigheten til bob og kule endres.

Bevaring av momentum kan brukes til å bestemme starthastigheten til kulen i form av massene til kulen og bob og høyden nådd av pendelen.

Før kula og bob traff hverandre hadde de begge like mye fart.

Ved å måle hvor høyt pendelen går til det høyeste punktet, kan du finne ut hvor raskt kulen beveget seg først.

Beregning av prosjektilhastighet ved hjelp av avstand og tid

På en annen måte kan starthastigheten til et prosjektil beregnes ved å måle hvor langt det beveger seg horisontalt.

Pendelen brukes ikke i denne metoden, og den kan tas av hengslene slik at den ikke kommer i veien for eksperimentet.

Prosjektilet skytes horisontalt, og rekkevidden måles.

Med dette tallet kan vi bruke ligningen for å finne ut hvor lang tid flyturen vil ta (6).

Deretter, ved å bruke ligningen x = v0 t, hvor V0 er starthastigheten til prosjektilet, kan vi finne ut starthastigheten.

Beregner kraft på ledningen

Vi kan bruke lovene om momentum og energisparing for å finne ut kraften på ledningen rett etter sammenstøtet.

Endringen i kulens hastighet er lik kraften den legger på blokken.

Vi kan finne ut av dette ved å bruke det faktum at momentum forblir det samme før og etter en påvirkning.

Kulens startmoment er gitt av ligningen p = mv0, der m er kulens masse og v0 er starthastigheten.

Etter kollisjonen beveger den totale massen (m + M) seg med en hastighet som kalles vf.

Loven om bevaring av momentum forteller oss at mv0 = (m + M)vf.

Vi kan løse for vf: vf = mv0 / (m + M).

Impulsen gitt av kulen på blokken er da gitt av: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).

Vi kan bruke loven om bevaring av energi for å finne ut hvor mye kraft som var på ledningen rett etter at den traff bakken.

Den totale mekaniske energien før støtet er den samme som den totale mekaniske energien etter støtet: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, hvor g er akselerasjonen forårsaket av gravitasjon og h er det høyeste punktet som blokk- og kulesystemet kan nå.

Vi kan løse for vf ved å bruke vår forrige ligning og erstatte den med denne ligningen: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.

Ved å gjøre denne ligningen så enkel som mulig får vi: v02 = 2gh / (1+M/m).

Newtons andre lov forteller oss hvordan vi finner kraften F på snoren: F = I / t, der t er tiden det tar før blokk- og kulesystemet slutter å bevege seg.

Beregning av vinkelen på pendelsvingen

Starthastigheten til prosjektilet avhenger av hvor langt pendelen svinger opp og hvor tung pendelen og prosjektilet er.

Når et prosjektil treffer en pendel, beveger pendelen seg opp fra sin likevektsposisjon til sin maksimale vinkel.

Faktorer som påvirker ballistiske pendeleksperimenter

I et ballistisk pendeleksperiment skytes en kule inn i en trekloss som henger i en snor.

Dette får det hele til å svinge opp til en høyde h.

For å oppnå nøyaktige resultater er det viktig å minimere feilkilder.

Under et laboratorieeksperiment med en ballistisk pendel kan feil skje fordi måleverktøyene ikke er perfekte, skuddet ikke alltid er det samme, eller ligningene ikke er omorganisert på riktig måte.

Redusere feilkilder

Flere ting kan gjøres for å kutte ned på feil.

Lag først en pendel som fungerer bra og forblir den samme.

Dette kan gjøres ved å bolte en gjenget stang til en plastboks og legge til vekt for å gjøre balansesenteret nær midten av boksen.

Merk nøye hvor massesenteret er, og test enheten ved å balansere den på en blyant.

For det andre bør målingene tas riktig, med strengen og linjalen i ro.

Dette kan gjøres ved å sørge for at utstyret som brukes i forsøket er stabilt og trygt.

For det tredje skal prosjektilet skytes i en rett linje og fanges på samme måte hver gang.

En måte å gjøre dette på er å lage en måte for skummet å fange opp prosjektilet på en måte som fungerer hver gang.

Bruker avansert utstyr

Bruk av moderne utstyr kan også bidra til å redusere feil.

For eksempel kan bruk av en mer nøyaktig vinkelleser bidra til å gjøre målingene mer nøyaktige.

I tillegg kan det å gjenta eksperimenter flere ganger og registrere data etter hver utprøving bidra til å identifisere eventuelle inkonsekvenser eller avvik i data.

Avslutningsvis innebærer å redusere feil i et ballistisk pendellabeksperiment å ta skritt som å bygge et nøyaktig pendelapparat, måle avstander nøyaktig, skyte rette skudd konsekvent med riktige fangstmekanismer, bruke avansert utstyr der det er mulig, og gjenta eksperimenter flere ganger.

Ved å redusere antall steder hvor feil kan skje, kan eksperimentet gjøres mer nøyaktig, noe som vil føre til mer pålitelige resultater.

Kollisjonsdemo: Ballistisk pendel

Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med talespråket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.

Brukssaker

Brukt i:	Beskrivelse:
Måling av hastigheten til et prosjektil:	Den primære bruken av den ballistiske pendelen er å måle hastigheten til et prosjektil. Ved å måle hvor mye en opphengt vekt beveger seg etter at et prosjektil treffer den, kan ingeniører og forskere finne ut hvor raskt prosjektilet beveget seg da det traff vekten.
Kulekalibrering:	Ballistiske pendler brukes for å sikre at kulene er nøyaktige og konsistente. Enheten kan bestemme kulens kinetiske energi, momentum og hastighet, som deretter kan brukes til å justere design og produksjon av kulen.
Undersøker ballistiske hendelser:	Kriminaltekniske eksperter kan bruke ballistiske pendler for å undersøke ballistiske hendelser. Ved å se på et prosjektils vei og hastighet kan de få viktig informasjon som kan bidra til å løse forbrytelser eller ulykker.
Materialer for tester:	Ballistiske pendler brukes til å teste holdbarheten og effektiviteten til ting som rustning og verneutstyr. Ved å skyte prosjektiler mot materialet og måle nedbøyningen av pendelen, kan ingeniører og forskere evaluere materialets effektivitet når det gjelder å stoppe eller bremse et prosjektil.
Forskning på ballistikk:	Forskere bruker ballistiske pendler for å finne ut hvordan prosjektiler oppfører seg i ulike situasjoner. Forskere kan finne ut hvordan et prosjektils bane og hastighet påvirkes av ting som luftmotstand, tyngdekraft og støtvinkelen.

Konklusjon

Når vi kommer til slutten av vår omvisning i den ballistiske pendelens verden, kan vi ikke annet enn å beundre kreativiteten til menneskene som har laget den.

Den ballistiske pendelen har vært en viktig del av feltene ballistikk og rettsmedisin helt siden den ble laget.

Men den ballistiske pendelen er også et godt eksempel på hvordan vitenskap og ingeniørfag møtes på det punktet hvor teorier og prinsipper tas i bruk i den virkelige verden.

Den viser hvor viktige vitenskapelige oppdagelser og nye ideer er og hvordan de former og endrer verden vi lever i.

Så, mens vi fortsetter å presse grensene for vitenskapelig forskning, la oss ikke glemme hvor vi kom fra og enhetene og ideene som gjorde det mulig for dagens innovasjoner.

Lenker og referanser

Universitetsfysikk med moderne fysikk