Te-ai întrebat vreodată cum calculează oamenii de știință criminalistică și anchetatorii viteza unui glonț? Ce zici de a afla cum se mișcă un proiectil sau cât de tare lovește ceva?
Pendulul balistic este un instrument care a schimbat lumea balisticii și a deschis calea pentru știința criminalistică așa cum o cunoaștem astăzi.
Ca student la inginerie sau inginer, este important să înțelegeți cum funcționează un pendul balistic și cum funcționează.
În această postare pe blog, voi analiza știința din spatele acestui dispozitiv interesant, inclusiv modul în care funcționează, regulile pe care le urmează și importanța sa în inginerie și în alte domenii.
Așa că îmbracă-ți halatul de laborator și hai să începem!
Introducere în Pendulul Balistic
Definiție formală:
Un dispozitiv care utilizează deviația unei greutăți suspendate pentru a determina impulsul unui proiectil.
Un pendul balistic este un dispozitiv simplu, dar eficient, utilizat pentru măsurarea vitezei și a energiei cinetice a unui proiectil, cum ar fi un glonț.
Este alcătuit dintr-un bloc mare de lemn care este atârnat de două sfori și servește drept bob pendulului.
Principiul de funcționare
Pentru a măsura viteza unui glonț cu un pendul balistic, un glonț este tras într-un bloc de lemn care atârnă de o sfoară.
Glonțul rămâne blocat în bloc, ceea ce face ca întregul sistem de blocare și glonț să se ridice la o înălțime h.
Conservarea energiei mecanice spune că 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, unde m este masa glonțului, M este masa blocului, vf este viteza lor finală după ciocnire și h este punctul lor cel mai înalt.
Legile privind conservarea
Legile de conservare implicate în calculul vitezei inițiale a unui proiectil într-un pendul balistic sunt legile conservării impulsului și conservării energiei.
În timpul prăbușirii, impulsul este păstrat același, iar după accident, energia este păstrată la fel.
Când proiectilul atinge punctul cel mai înalt, energia cinetică pe care o avea la început este transformată în energie potențială.
Pe măsură ce pendulul se balansează înapoi în jos, energia potențială gravitațională este transformată înapoi în energie cinetică.
Modul neconvențional de a câștiga o dezbatere: Pendulul balistic
Încă greu de înțeles? Hai sa schimb putin punctul de vedere:
Oamenii spun că stiloul este mai puternic decât sabia, dar cum rămâne cu pendulul balistic? Nu vă deranjați cu raționament și măsurători exacte.
Luați-vă pendulul balistic de încredere data viitoare când vă aflați într-o ceartă aprinsă și lăsați-l să vorbească.
La urma urmei, nimic nu spune „Am dreptate” ca un dispozitiv care folosește o greutate aruncată pentru a-și da seama cât de repede se mișcă un proiectil.
Bine, a fost doar o glumă făcută să arate ca o reclamă TV.
Acum să revenim la explicație.
Înțelegerea funcției pendulului balistic
Dispozitivul este alcătuit dintr-un bloc mare de lemn care este susținut de două șiruri.
Acest bloc este pendulul bob.
O coliziune care nu este elastică este pendulul balistic.
În acest tip de ciocnire, lucrurile care se lovesc unele de altele se lipesc împreună, iar energia cinetică nu este păstrată la fel.
Când un glonț este tras în blocul de lemn, glonțul rămâne blocat în bloc, iar blocul și glonțul se balansează împreună până la o înălțime care depinde de cât de grele sunt glonțul și blocul.
Acesta este un exemplu de coliziune neelastică, deoarece energia cinetică nu rămâne aceeași.
Cum să-ți dai seama de viteză
Mărimea balansării pendulului poate fi folosită pentru a afla impulsul glonțului, care poate fi apoi folosit pentru a-și afla viteza.
Când utilizați un pendul balistic pentru a vă da seama cât de repede se mișcă un proiectil, nu trebuie să măsurați timpul.
În schimb, trebuie doar să măsurați masa și distanța.
Cronografele, care pot măsura direct viteza unui proiectil, au înlocuit în mare parte pendulul balistic.
Dar este încă folosit în sălile de clasă pentru a arăta cum funcționează impulsul și conservarea energiei.
Calcularea vitezei proiectilului și a altor parametri
Pentru a afla viteza inițială a unui proiectil cu ajutorul unui pendul balistic, un glonț este tras în bob-ul liber al pendulului.
După ce cele două obiecte se lovesc unul de celălalt, pendulul se balansează până la punctul său cel mai înalt și viteza combinată a bobului și a glonțului se modifică.
Conservarea impulsului poate fi folosită pentru a determina viteza inițială a glonțului în ceea ce privește masele glonțului și bob și înălțimea atinsă de pendul.
Înainte ca glonțul și bob să se lovească unul de celălalt, ambii aveau aceeași viteză.
Măsurând cât de sus ajunge pendulul până la punctul său cel mai înalt, vă puteți da seama cât de repede se mișca glonțul la început.
Calcularea vitezei proiectilului folosind distanță și timp
Într-un alt mod, viteza inițială a unui proiectil poate fi stabilită prin măsurarea cât de departe se mișcă pe orizontală.
Pendulul nu este folosit în această metodă și poate fi scos de pe balamalele sale, astfel încât să nu împiedice experimentul.
Proiectilul este tras pe orizontală, iar raza sa este măsurată.
Cu acest număr, putem folosi ecuația pentru a ne da seama cât timp va dura zborul (6).
Apoi, folosind ecuația x = v0 t, unde V0 este viteza inițială a proiectilului, putem determina viteza inițială.
Calcularea forței pe cablu
Putem folosi legile momentului și conservării energiei pentru a afla forța pe cordon imediat după impact.
Modificarea vitezei glonțului este egală cu forța pe care o exercită asupra blocului.
Ne putem da seama de acest lucru folosind faptul că impulsul rămâne același înainte și după impact.
Momentul inițial al glonțului este dat de ecuația p = mv0, unde m este masa glonțului și v0 este viteza sa inițială.
După ciocnire, masa totală (m + M) se deplasează cu o viteză numită vf.
Legea conservării impulsului ne spune că mv0 = (m + M)vf.
Putem rezolva pentru vf: vf = mv0 / (m + M).
Impulsul dat de glonț pe bloc este apoi dat de: I = Δp = m(vf - v0) (vf - v0).
Putem folosi legea conservării energiei pentru a ne da seama câtă forță a fost asupra cablului imediat după ce a lovit pământul.
Energia mecanică totală înainte de impact este aceeași cu energia mecanică totală după impact: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, unde g este accelerația cauzată de gravitația și h este punctul cel mai înalt pe care îl poate atinge sistemul de blocare și glonț.
Putem rezolva pentru vf folosind ecuația anterioară și o înlocuim în această ecuație: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ M)gh.
Făcând această ecuație cât mai simplă posibil, obținem: v02 = 2gh / (1+M/m).
A doua lege a lui Newton ne spune cum să găsim forța F asupra cordonului: F = I / t, unde t este timpul necesar pentru ca sistemul de blocare și glonț să se oprească din mișcare.
Calcularea unghiului balansării pendulului
Viteza inițială a proiectilului depinde de cât de departe se balansează pendulul și de cât de grele sunt pendulul și proiectilul.
Când un proiectil lovește un pendul, acesta se mișcă în sus din poziția sa de echilibru până la unghiul maxim.
Factori care afectează experimentele cu pendul balistic
Într-un experiment cu pendul balistic, un glonț este tras într-un bloc de lemn care atârnă de o sfoară.
Acest lucru face ca totul să se balanseze până la o înălțime h.
Pentru a obține rezultate precise, este important să minimizați sursele de eroare.
În timpul unui experiment de laborator cu un pendul balistic, pot apărea greșeli deoarece instrumentele de măsurare nu sunt perfecte, lovitura nu este întotdeauna aceeași sau ecuațiile nu sunt rearanjate corect.
Reducerea surselor de eroare
Se pot face mai multe lucruri pentru a reduce greșelile.
Mai întâi, faceți un pendul care funcționează bine și rămâne același.
Acest lucru se poate face prin fixarea unei tije filetate pe o cutie de plastic și adăugarea de greutate pentru a face centrul echilibrului aproape de centrul cutiei.
Marcați cu atenție unde se află centrul de masă și testați dispozitivul echilibrându-l pe un creion.
În al doilea rând, măsurătorile trebuie luate corect, cu sfoara și rigla rămânând nemișcate.
Acest lucru se poate face asigurându-vă că echipamentul utilizat în experiment este stabil și sigur.
În al treilea rând, proiectilul ar trebui să fie împușcat în linie dreaptă și prins în același mod de fiecare dată.
O modalitate de a face acest lucru este de a crea o cale prin care spuma să prindă proiectilul într-un mod care funcționează de fiecare dată.
Utilizarea echipamentelor avansate
Utilizarea echipamentelor moderne poate ajuta, de asemenea, la reducerea greșelilor.
De exemplu, utilizarea unui cititor de unghi mai precis poate ajuta la realizarea măsurătorilor mai precise.
În plus, repetarea experimentelor de mai multe ori și înregistrarea datelor după fiecare încercare poate ajuta la identificarea oricăror inconsecvențe sau valori aberante în date.
În concluzie, reducerea erorilor într-un experiment de laborator cu pendul balistic implică luarea de măsuri precum construirea unui aparat pendular precis, măsurarea cu precizie a distanțelor, tragerea de focuri drepte în mod consecvent cu mecanisme de prindere adecvate, utilizarea echipamentelor avansate acolo unde este posibil și repetarea experimentelor de mai multe ori.
Prin reducerea numărului de locuri în care se pot produce greșeli, experimentul poate fi făcut mai precis, ceea ce va duce la rezultate mai fiabile.
Demostrație de coliziuni: Pendul balistic
Sfat: activați butonul de subtitrare dacă aveți nevoie de el. Alegeți „traducere automată” în butonul de setări, dacă nu sunteți familiarizat cu limba vorbită. Poate fi necesar să faceți mai întâi clic pe limba videoclipului înainte ca limba preferată să devină disponibilă pentru traducere.
Cazuri de utilizare
| Folosit in: | Descriere: |
|---|---|
| Măsurarea vitezei unui proiectil: | Utilizarea principală a pendulului balistic este măsurarea vitezei unui proiectil. Măsurând cât de mult se mișcă o greutate suspendată după ce un proiectil o lovește, inginerii și oamenii de știință își pot da seama cât de repede se mișca proiectilul când a lovit greutatea. |
| Calibrare glonț: | Pendulele balistice sunt folosite pentru a se asigura că gloanțele sunt precise și consecvente. Dispozitivul poate determina energia cinetică, impulsul și viteza glonțului, care pot fi apoi utilizate pentru a ajusta proiectarea și fabricarea glonțului. |
| Investigarea incidentelor balistice: | Experții criminaliști pot folosi pendulele balistice pentru a investiga incidentele balistice. Privind traseul și viteza unui proiectil, aceștia pot obține informații importante care pot ajuta la rezolvarea unor crime sau accidente. |
| Materiale pentru teste: | Pendulele balistice sunt folosite pentru a testa durabilitatea și eficacitatea unor lucruri precum armura și echipamentul de protecție. Tragând proiectile în material și măsurând deviația pendulului, inginerii și oamenii de știință pot evalua eficacitatea materialului în oprirea sau încetinirea unui proiectil. |
| Cercetări în domeniul balistică: | Cercetătorii folosesc pendulele balistice pentru a afla cum se comportă proiectilele în diferite situații. Oamenii de știință își pot da seama cum calea și viteza unui proiectil sunt afectate de lucruri precum rezistența aerului, gravitația și unghiul de impact. |
Concluzie
Când ajungem la sfârșitul turului nostru în lumea pendulului balistic, nu putem să nu admirăm creativitatea oamenilor care l-au realizat.
Pendulul balistic a fost o parte importantă a domeniului balisticii și științei criminalistice încă de când a fost făcut pentru prima dată.
Dar pendulul balistic este, de asemenea, un bun exemplu al modului în care știința și ingineria se întâlnesc în punctul în care teoriile și principiile sunt folosite în lumea reală.
Arată cât de importante sunt descoperirile științifice și noile idei și cum modelează și schimbă lumea în care trăim.
Așadar, pe măsură ce continuăm să depășim limitele cercetării științifice, să nu uităm de unde venim și de dispozitivele și ideile care au făcut posibile inovațiile de astăzi.
Link-uri și referințe
Fizica universitară cu fizica modernă
Distribuie pe…
