În calitate de ingineri, ni se cere adesea să facem mașini care trebuie să funcționeze în condiții grele, cum ar fi trecerea prin aer sau forarea în suprafața pământului.
În astfel de situații, cunoașterea modului în care funcționează o traiectorie balistică este crucială pentru succesul misiunii.
Ideea principală din spatele armelor moderne, navelor spațiale și chiar echipamentelor sportive este traiectoria balistică, care este calea unui proiectil care este afectat doar de gravitație și rezistența aerului.
De la un glonț împușcat de o armă până la o rachetă lansată de pe o navă, aceste obiecte se mișcă după regulile traiectoriei balistice.
Știind ce face ca un proiectil să meargă acolo unde merge, inginerii pot realiza sisteme care sunt mai bune din punct de vedere al performanței, preciziei și siguranței.
În acest articol, voi analiza cât de complicată este traiectoria balistică, cum este folosită în inginerie, ce nu poate face și cum să o testez.
Așadar, fie că sunteți un aspirant inginer sau un profesionist experimentat, puneți-vă centura și pregătiți-vă să vă scufundați în lumea fascinantă a traiectoriei balistice.
Înțelegerea traiectoriei balistice
Definiție formală:
Traiectoria urmată de un corp este determinată doar de forțele gravitaționale și de rezistența mediului prin care acesta trece.
O traiectorie balistică este calea unui obiect care este aruncat, lansat, aruncat, servit sau împușcat, dar nu se mișcă de la sine în timp ce trece prin aer.
Este setat complet de viteza inițială, de efectele gravitației și de efectele rezistenței aerului.
În mecanica clasică, calea unui obiect este definită de locul în care se află și de cât de repede se mișcă la un anumit moment.
Acest lucru se realizează prin utilizarea coordonatelor canonice și a mecanicii hamiltoniene.
Traiectorii balistice sunt diferite de alte tipuri de traiectorii deoarece nu au nicio propulsie activă.
Dar gravitația și rezistența aerului pot afecta și alte tipuri de traiectorii, cum ar fi calea unei parașute sau a unui planor.
Înțelegerea mișcării obiectelor într-o traiectorie balistică
Când un obiect este afectat de gravitație, mișcarea lui este complet determinată de cât de repede și în ce unghi a fost lansat.
În jocurile video în care inamicii se mișcă, algoritmii sunt folosiți pentru a afla unde vor ajunge gloanțele atunci când lovesc ținte în mișcare.
Pentru a vă asigura că obiectul merge acolo unde trebuie, unghiul de lansare și viteza trebuie calculate cu atenție.
Aplicații ale traiectoriei balistice
Jocurile video folosesc adesea traiectorii balistice pentru a-și da seama cum să lanseze un proiectil la unghiul potrivit pentru a lovi o țintă.
Traiectoriile balistice au, de asemenea, utilizări importante în domenii precum militarul și inginerie, unde pot fi folosite pentru a prezice traseul proiectilelor precum gloanțe și rachete și pentru a îmbunătăți precizia și raza de acțiune a acestora.
De la ghiulele la rachete: Lumea fascinantă a traiectoriei balistice
Încă greu de înțeles? Permiteți-mi să schimb puțin punctul de vedere:
Dacă vreodată ai nevoie să tragi o ghiule de tun dintr-o navă de pirați, amintește-ți să ținți sus, să ții cont de gravitație și să te rogi ca mingea să nu aterizeze în ocean.
La urma urmei, calea acelui ghiule este determinată doar de gravitație și rezistența aerului și nu ai vrea să ratezi ținta și să ajungi în Locker-ul lui Davy Jones.
Cu toată seriozitatea, ideea unei traiectorii balistice este mult mai complicată decât tragerea cu un tun de pe o navă pirat, iar inginerii și oamenii de știință trebuie să știe cum funcționează.
Deci, haideți să pornim și să ne scufundăm în lumea fascinantă a traiectoriei balistice, unde chiar și cele mai comune lucruri pot deveni obiecte de legende.
Bine, a fost doar o glumă care arăta ca o reclamă TV.
Acum să revenim la explicație.
Factori care afectează traiectoria balistică
Pentru a înțelege cum se mișcă un obiect balistic, trebuie să vă uitați la mai multe lucruri care îi afectează calea.
Într-un sens larg, aceste lucruri pot fi împărțite în două grupe: factori externi și factori interni.
Factori externi
- Gravitatie.
Gravitația este unul dintre cele mai importante lucruri care afectează locul în care va merge o minge.
Oferă unui obiect o accelerație verticală de -9,8 m/s2, ceea ce înseamnă că viteza sa verticală se modifică cu -9,8 m/s în fiecare secundă.
Dacă nu există forțe exterioare care acționează asupra obiectului, viteza orizontală rămâne aceeași.
Calea de zbor a obiectelor aruncate aproape de Pământ și cu rezistență redusă a aerului este o parabolă.
- Rezistenta la tragere sau aer.
Rezistența aerului, numită și rezistență, depinde de viteză, masă și suprafață.
Cu cât mai multă frecare încetinește un proiectil cu aceeași masă și suprafață, cu atât se mișcă mai repede.
Când vă dați seama cum se va mișca un proiectil, trebuie luată în considerare rezistența aerului.
Când rezistența aerului este puternică, este mai greu să-ți dai seama calea de zbor.
Coeficientul balistic (BC) este folosit pe tabelele de traiectorie pentru a calcula viteza unui proiectil la distanță și rezistența acestuia.
- Vânt.
Viteza și direcția vântului pot avea un efect mare asupra traseului unui obiect în mișcare.
În timpul zborului, vântul poate face ca proiectilul să se îndepărteze de curs, ceea ce face dificil de a spune unde va ateriza.
Factori interni
- Viteza la start.
Viteza cu care este lansat proiectilul este viteza inițială.
Cu cât un proiectil poate merge mai departe, cu atât se mișcă mai repede la început.
- Unghiul de lansare.
Unghiul de lansare este unghiul dintre orizontală și direcția în care este trimis proiectilul.
Când nu există prea multă rezistență a aerului, raza de acțiune a unui proiectil pe teren plan depinde de unghiul la care este lansat.
- Forma și rotația obiectului.
Când rezistența aerului este importantă, forma și rotația unui obiect îi afectează calea de zbor.
Coeficientul balistic (BC) arată cât de bine poate zbura un obiect în aer.
Depinde de lucruri precum cât de mult cântărește și cât de mare este.
Presiunea și temperatura aerului.
Calea unui obiect balistic poate fi afectată de presiunea și temperatura aerului.
Când densitatea aerului se modifică, tragerea încetinește un obiect, care își schimbă traseul.
Calcularea traiectoriei balistice
În funcție de cât de grea este problema, puteți folosi diferite ecuații matematice pentru a afla calea exactă a unui proiectil.
Ecuațiile diferențiale obișnuite (ODE) sunt adesea folosite pentru a afla cum se mișcă un proiectil atunci când sunt luate în considerare gravitația și rezistența aerului.
Dar puteți folosi și metode de integrare numerică pentru a afla unde va merge proiectilul.
Ecuații de accelerație constantă
Cu ecuațiile de accelerație constantă, vă puteți da seama unde este un proiectil, cât de repede se mișcă și cât de repede se mișcă la un moment dat.
Aplicarea legilor de mișcare ale lui Newton conduce la aceste ecuații, care pot fi scrise ca:
x = x0 + v0x * t
y = y0 + v0y * t - 0,5 * g * t^2
vx = v0x
vy = v0y - g * t
unde x și y sunt pozițiile orizontale și verticale ale proiectilului, x0 și y0 sunt pozițiile inițiale, v0x și v0y sunt vitezele inițiale în direcțiile x și y, g este accelerația cauzată de gravitație și t este timpul în care a trecut.
Formula forței de tragere
Cu formula forței de tragere, vă puteți da seama cât de multă tragere are proiectilul.
Se ține cont de rezistența, unde (C) este coeficientul de rezistență al glonțului, () este densitatea aerului, (A) este aria suprafeței glonțului, (t) este timpul de zbor al glonțului și (m) este masa glonțului.
Coeficient balistic
Coeficientul balistic este un alt factor important în determinarea traseului unei mingi (BC).
Acest coeficient este o modalitate de a măsura cât de bine se poate mișca un proiectil prin aer și depinde de lucruri precum greutatea, forma și diametrul său.
BC poate fi folosit pentru a afla calea glonțului și viteza finală fără a fi nevoie să faceți matematică complicată.
Efectele gravitației
Dacă gravitația ar fi aceeași peste tot și nu ar exista alte forțe care să acționeze asupra unui obiect care se mișcă prin spațiu, calea acestuia ar fi fie parabolică, fie eliptică, în funcție de cât de departe merge înainte de a lovi ceva sau de a fi tras înapoi de gravitație.
Dar deoarece gravitația se schimbă în funcție de cât de aproape sunteți de obiecte mari, cum ar fi planetele și stelele și pentru că există alte forțe în joc, cum ar fi vântul solar și presiunea radiației, pot exista traiectorii hiperbolice în situații de călătorie în spațiu, cum ar fi cometele care trec aproape de Soare sau misiuni de călătorie interplanetare.
Alegerea traiectoriei balistice
Traiectoria balistică optimă este aleasă pentru o rachetă balistică, astfel încât raza și precizia acesteia să fie la maximum.
De la un punct de pe suprafața Pământului la altul, se calculează traiectoria care maximizează sarcina utilă totală (greutate de aruncare) cu forța disponibilă a rachetei.
Prin reducerea greutății sarcinii utile, pot fi alese diferite traiectorii, care pot fie să mărească intervalul nominal, fie să scadă timpul total de zbor.
Lucruri care afectează calea unui glonț:
Calea unei rachete balistice este afectată de multe lucruri care îi afectează raza, viteza și precizia.
Masa, viteza inițială, unghiul de lansare, rezistența aerului și gravitația sunt câțiva dintre acești factori.
De exemplu, greutatea de aruncare a unei rachete se bazează pe masa ei și viteza inițială, care îi poate schimba calea.
Unghiul la care este lansată racheta este un alt factor important în determinarea traseului acesteia.
Pentru a obține cea mai mare distanță și precizie, trebuie să alegeți cel mai bun unghi de lansare.
Sistem de precizie și ghidare:
Direcția și precizia unei rachete balistice depind de sistemul de ghidare al acesteia.
Forțele pot determina abaterea rachetei de la calea planificată, așa că are nevoie de un sistem de ghidare cu acțiune rapidă și precis pentru a o readuce pe drumul cel bun.
Rachetele ghidate își pot schimba direcția în moduri diferite.
O modalitate este prin sistemele de ghidare inerțiale, care folosesc accelerometre pentru a măsura schimbările de viteză și direcție și pentru a afla unde se află racheta în raport cu locul în care a început.
Alte sisteme controlează direcția rachetei folosind suprafețe aerodinamice precum aripioarele de coadă sau jeturile de reacție.
Diferite tipuri de focoase sunt:
Raza de acțiune, viteza și precizia unei rachete balistice pot fi, de asemenea, afectate de tipul de focos pe care îl are.
Există diferite tipuri de focoase, cum ar fi chimice, biologice și nucleare.
Fiecare tip are calități diferite care schimbă modul în care se mișcă racheta și unde lovește.
Punerea rachetelor balistice în grupuri:
Distanța maximă pe care o poate parcurge o rachetă balistică determină cât de departe poate călători.
Rachetele cu rază scurtă de acțiune pot parcurge mai puțin de 1.000 de kilometri (aproximativ 620 de mile), rachetele cu rază medie de acțiune pot călători între 1.000 și 3.000 de kilometri (aproximativ 620 până la 1.860 de mile), iar rachetele cu rază intermediară pot călători între 3.000 și 5.500 de kilometri (aproximativ 5.500 de kilometri). -3.410 mile).
În concluzie, pentru a alege cea mai bună traiectorie balistică, raza de acțiune și viteza sunt afectate de lucruri precum calculul greutății de aruncare bazat pe traiectorii optime sau deprimate.
Distanța maximă pe care o poate parcurge o rachetă balistică este utilizată pentru a-și determina raza de acțiune.
Precizia depinde de un sistem de ghidare precis, care poate lua în considerare forțele care ar putea determina un vehicul să devieze de la traseul planificat.
Calea și impactul unei rachete pot fi, de asemenea, afectate de tipul de focos pe care îl are.
Aplicații ale traiectoriei balistice
Aplicații în domeniul militar
În aplicațiile militare, traiectoria balistică este foarte importantă deoarece ajută la planificarea și accelerarea proiectilelor pentru a obține rezultatele dorite.
Este folosit pentru a afla unghiul la care un proiectil ar trebui să zboare pentru a obține cea mai mare viteză sau distanță.
Este folosit pentru a afla cât de departe va ajunge focul de artilerie și cât de precis va fi.
De asemenea, este folosit pentru a afla cât de multe daune vor face proiectilele de mortar și focoasele de rachete.
Aplicații în Inginerie
Atunci când proiectați rachete și rachete pentru explorarea spațiului, traiectoria balistică este un factor foarte important.
Inginerii folosesc regulile traiectoriei balistice pentru a-și da seama unde va ajunge o rachetă sau o rachetă și să se asigure că ajunge acolo unde ar trebui să meargă.
De asemenea, îl folosesc pentru a îmbunătăți designul rachetei sau al rachetei pentru a se asigura că are viteza și raza de acțiune de care are nevoie pentru a-și face treaba.
Aplicații în sport
În sport, traiectoria balistică este de asemenea importantă.
În majoritatea sporturilor, un proiectil, de obicei o minge, se mișcă prin aer.
Analiștii folosesc concepte de fizică precum cinematica și mișcarea proiectilului pentru a afla cel mai bun unghi pentru zborul unei mingi pentru a maximiza viteza sau distanța.
În baseball, de exemplu, analiștii își folosesc cunoștințele despre cinematică și mișcarea proiectilelor pentru a studia ulciorii și pentru a găsi cea mai bună modalitate de a arunca.
Analiștii din baschet folosesc aceste reguli pentru a afla cel mai bun unghi pentru o lovitură care îi va oferi jucătorului cea mai bună șansă de a marca.
Limitări și validare a traiectoriei balistice
Există multe modalități de a verifica dacă o traiectorie balistică este exactă, cum ar fi:
Testarea intervalului
Testarea intervalului este o metodă.
În această metodă, proiectilul este tras către o țintă cunoscută și se măsoară distanța față de ținta intenționată.
Această metodă poate fi folosită pentru a testa cât de precisă este o traiectorie balistică în diferite condiții, cum ar fi vântul, temperatura și altitudinea.
radar Doppler
Radarul Doppler este o altă metodă care poate fi folosită pentru a urmări zborul proiectilului și a compara traiectoria măsurată cu traiectoria prezisă.
Această metodă poate fi folosită pentru a afla viteza proiectilului, accelerația și locația în diferite puncte de-a lungul traseului său.
Camere de mare viteză
Camerele de mare viteză pot înregistra traseul proiectilului și pot afla încotro se îndreaptă.
Această metodă este bună pentru a studia zborul unui proiectil în detaliu, cum ar fi a afla cum îl afectează rotirea, glisarea și vântul.
Testarea tunelului de vânt
Folosind un tunel de vânt, zborul proiectilului poate fi simulat într-un mediu controlat și traseul acestuia poate fi studiat în diferite condiții de vânt.
Această metodă poate fi folosită pentru a testa modul în care forțele aerodinamice afectează modul în care zboară un proiectil.
Simulare pe calculator
În cele din urmă, o simulare pe computer poate fi utilizată pentru a prezice și a confirma că o traiectorie balistică este exactă.
Această metodă implică utilizarea unui software de calculator pentru a simula zborul proiectilului și compararea traiectoriei simulate cu traiectoria prezisă.
Această metodă este utilă pentru a testa cât de precis este modelul de predicție a traiectoriei balistice în diferite condiții de lansare și factori de mediu.
În concluzie, o traiectorie balistică poate fi verificată pentru acuratețe folosind o serie de metode, cum ar fi testarea distanței, radarul Doppler, camerele de mare viteză, testarea tunelului de vânt și simularea pe computer.
Metoda folosită va depinde de obiectivele testului și de resursele disponibile.
Partea din textul precedent care a vorbit despre validarea unei traiectorii balistice în contextul observării semnelor de arme și scule nu a avut nimic de-a face cu întrebarea.
Mișcarea proiectilului - traiectorie balistică
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.
Concluzie
Pe măsură ce ajungem la sfârșitul călătoriei noastre prin lumea traiectoriei balistice, un lucru devine clar: legile fizicii sunt peste tot.
Ele explică atât cele mai comune, cât și cele mai ciudate lucruri care se întâmplă în universul nostru.
Legile naturii sunt aceleași indiferent dacă o rachetă este trimisă în spațiu sau un glonț este împușcat dintr-o armă.
În calitate de ingineri, este datoria noastră să folosim aceste legi pentru a proiecta mașini care ne îmbunătățesc viața și să depășească limitele a ceea ce este posibil.
Dar pe măsură ce ne gândim la cât de complicată este o traiectorie balistică, trebuie să ne gândim și la ce înseamnă munca noastră din punct de vedere etic.
Trebuie să ne folosim cunoștințele și abilitățile într-un mod responsabil și să ne gândim la modul în care ceea ce facem afectează oamenii și mediul.
În cele din urmă, studierea traiectoriei balistice nu înseamnă doar a afla cum se mișcă lucrurile prin spațiu; este, de asemenea, despre utilizarea acelei cunoștințe pentru a duce mai departe obiectivele umanității.
Să continuăm să căutăm în misterele universului cu un sentiment de scop, umilință și curiozitate.
Link-uri și referințe
Traiectorii balistice analitice cu tracțiune aproximativ liniară:
Distribuie pe…
