Вы когда-нибудь задумывались, как криминалисты и следователи рассчитывают скорость пули? Как насчет того, чтобы узнать, как движется снаряд или как сильно он во что-то попадает?
Баллистический маятник — это инструмент, который изменил мир баллистики и проложил путь к криминалистике, какой мы ее знаем сегодня.
Будучи студентом инженерного факультета или инженером, важно понимать, как работает баллистический маятник.
В этом сообщении в блоге я рассмотрю науку, стоящую за этим интересным устройством, в том числе то, как оно работает, правила, которым оно следует, и его важность в технике и других областях.
Так что надевайте лабораторный халат и приступим!
Введение в баллистический маятник
Формальное определение:
Устройство, использующее отклонение подвешенного груза для определения импульса снаряда.
Баллистический маятник — это простое, но эффективное устройство, используемое для измерения скорости и кинетической энергии снаряда, например пули.
Он состоит из большого деревянного блока, который подвешен на двух нитях и служит маятником.
Принцип работы
Чтобы измерить скорость пули с помощью баллистического маятника, пуля выстреливается в деревянный брусок, подвешенный на веревке.
Пуля застревает в блоке, что заставляет всю систему блока и пули раскачиваться на высоту h.
Закон сохранения механической энергии говорит, что 12(m+M)v f2 = (m+M)gh, где m — масса пули, M — масса блока, vf — их конечная скорость после столкновения, h — их наивысшая точка.
Законы о сохранении
Законы сохранения, используемые при вычислении начальной скорости снаряда в баллистическом маятнике, — это законы сохранения количества движения и сохранения энергии.
Во время крушения импульс остается прежним, а после крушения энергия остается прежней.
Когда снаряд достигает высшей точки, кинетическая энергия, которую он имел в начале, превращается в потенциальную энергию.
Когда маятник качается обратно вниз, потенциальная энергия гравитации снова превращается в кинетическую энергию.
Нетрадиционный способ выиграть дебаты: баллистический маятник
Все еще трудно понять? Немного изменю точку зрения:
Люди говорят, что перо сильнее меча, но как насчет баллистического маятника? Не утруждайте себя рассуждениями и точными измерениями.
Возьмите свой верный баллистический маятник в следующий раз, когда вы окажетесь в горячем споре, и пусть он говорит сам за себя.
В конце концов, ничто так не говорит «я прав», как устройство, которое использует брошенный груз, чтобы выяснить, с какой скоростью движется снаряд.
Хорошо, это была просто шутка, сделанная, чтобы выглядеть как телевизионная реклама.
Теперь вернемся к объяснению.
Понимание функции баллистического маятника
Устройство состоит из большого деревянного бруска, который держится на двух струнах.
Этот блок представляет собой маятник.
Cтолкновение, которое не является упругим, является баллистическим маятником.
При таком столкновении предметы, сталкивающиеся друг с другом, слипаются, и кинетическая энергия не остается неизменной.
Когда пуля попадает в деревянный брусок, пуля застревает в нем, и брусок и пуля вместе поднимаются на высоту, которая зависит от того, насколько тяжелы пуля и брусок.
Это пример неупругого столкновения, потому что кинетическая энергия не остается неизменной.
Как узнать скорость
Размер качания маятника можно использовать для определения импульса пули, который затем можно использовать для определения ее скорости.
При использовании баллистического маятника для определения скорости движения снаряда вам не нужно измерять время.
Вместо этого вам нужно только измерить массу и расстояние.
Хронографы, которые могут напрямую измерять скорость снаряда, в основном заменили баллистический маятник.
Но его до сих пор используют в классах, чтобы показать, как работает импульс и сохранение энергии.
Расчет скорости снаряда и других параметров
Чтобы определить начальную скорость снаряда с помощью баллистического маятника, пуля выстреливается в свободно качающийся груз маятника.
После того, как два объекта столкнулись друг с другом, маятник качается до высшей точки, и общая скорость пули и груза изменяется.
Cохранение количества движения можно использовать для определения начальной скорости пули с точки зрения масс пули и груза и высоты, достигнутой маятником.
До того, как пуля и шарик столкнулись друг с другом, они оба имели одинаковую скорость.
Измерив, как высоко маятник поднимается до своей наивысшей точки, вы можете выяснить, с какой скоростью сначала двигалась пуля.
Расчет скорости снаряда с использованием расстояния и времени
По-другому можно определить начальную скорость снаряда, измерив, насколько далеко он перемещается по горизонтали.
В этом методе маятник не используется, и его можно снять с петель, чтобы он не мешал эксперименту.
Cнаряд выстреливается горизонтально, и измеряется его дальность.
C этим числом мы можем использовать уравнение, чтобы вычислить, сколько времени займет полет (6).
Тогда, используя уравнение x = v0 t, где V0 — начальная скорость снаряда, мы можем вычислить начальную скорость.
Расчет силы на шнуре
Мы можем использовать законы сохранения количества движения и энергии, чтобы вычислить силу, действующую на шнур сразу после удара.
Изменение скорости пули равно силе, действующей на брусок.
Мы можем понять это, используя тот факт, что импульс остается одним и тем же до и после удара.
Начальный импульс пули определяется уравнением p = mv0, где m — масса пули, а v0 — ее начальная скорость.
После столкновения полная масса (m + M) движется со скоростью vf.
Закон сохранения импульса говорит нам, что mv0 = (m + M)vf.
Мы можем решить для vf: vf = mv0 / (m + M).
Тогда импульс, сообщаемый пулей блоку, определяется как: I = ∆p = m(vf - v0) (vf - v0).
Мы можем использовать закон сохранения энергии, чтобы выяснить, какая сила была на шнуре сразу после того, как он упал на землю.
Полная механическая энергия до удара равна полной механической энергии после удара: (1/2)mv02 = (1/2)(m+M)vf2 + (m+M)gh, где g — ускорение, вызванное сила тяжести, а h — самая высокая точка, до которой может добраться система блоков и пуль.
Мы можем найти vf, используя наше предыдущее уравнение, и подставить его в следующее уравнение: (1/2)mv0^2 = (1/2)(m+M)(mv0 / (m+M))^2 + (m+ М)гх.
Максимально упрощая это уравнение, мы получаем: v02 = 2gh/(1+M/m).
Второй закон Ньютона говорит нам, как найти силу F, действующую на шнур: F = I/t, где t — время, за которое блок и пуля перестают двигаться.
Вычисление угла качания маятника
Начальная скорость снаряда зависит от того, насколько далеко маятник раскачивается и насколько тяжелы маятник и снаряд.
Когда снаряд попадает в маятник, маятник поднимается из положения равновесия до максимального угла.
Факторы, влияющие на эксперименты с баллистическим маятником
В эксперименте с баллистическим маятником пуля выстреливает в деревянный брусок, висящий на веревке.
Это заставляет все это качаться на высоту h.
Для достижения точных результатов важно свести к минимуму источники ошибок.
Во время лабораторного эксперимента с баллистическим маятником могут произойти ошибки, потому что измерительные инструменты не идеальны, выстрел не всегда одинаков или уравнения переставлены неправильно.
Уменьшение источников ошибок
Можно сделать несколько вещей, чтобы сократить количество ошибок.
Во-первых, сделайте маятник, который хорошо работает и остается неизменным.
Это можно сделать, прикрутив стержень с резьбой к пластиковой коробке и добавив вес, чтобы центр баланса находился рядом с центром коробки.
Тщательно отметьте, где находится центр масс, и проверьте устройство, балансируя его на карандаше.
Во-вторых, измерения должны быть сняты правильно, при этом нить и линейка должны оставаться неподвижными.
Это можно сделать, убедившись, что оборудование, используемое в эксперименте, стабильно и безопасно.
В-третьих, снаряд должен быть выпущен по прямой линии и каждый раз ловиться одинаково.
Один из способов сделать это — сделать так, чтобы пена ловила снаряд таким образом, чтобы он работал каждый раз.
Использование передового оборудования
Использование современного оборудования также может помочь сократить количество ошибок.
Например, использование более точного считывателя углов может помочь сделать измерения более точными.
Кроме того, повторение экспериментов несколько раз и запись данных после каждого испытания могут помочь выявить любые несоответствия или выбросы в данных.
В заключение, уменьшение ошибок в лабораторном эксперименте с баллистическим маятником включает в себя выполнение таких шагов, как создание точного маятникового устройства, точное измерение расстояний, последовательное выполнение прямых выстрелов с использованием соответствующих механизмов захвата, использование современного оборудования, где это возможно, и многократное повторение экспериментов.
Уменьшив количество мест, где могут быть ошибки, можно сделать эксперимент более точным, что приведет к более надежным результатам.
Демонстрация столкновений: баллистический маятник
Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с разговорным языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.
Cлучаи использования
| Используется в: | Описание: |
|---|---|
| Измерение скорости снаряда: | Основное использование баллистического маятника - измерение скорости снаряда. Измеряя, насколько перемещается подвешенный груз после попадания в него снаряда, инженеры и ученые могут выяснить, с какой скоростью двигался снаряд, когда он столкнулся с грузом. |
| Калибровка пули: | Баллистические маятники используются для обеспечения точности и согласованности пуль. Устройство может определять кинетическую энергию, импульс и скорость пули, которые затем можно использовать для корректировки конструкции и изготовления пули. |
| Расследование баллистических происшествий: | Криминалисты могут использовать баллистические маятники для расследования баллистических происшествий. Глядя на траекторию и скорость снаряда, они могут получить важную информацию, которая может помочь в раскрытии преступлений или несчастных случаев. |
| Материалы для испытаний: | Баллистические маятники используются для проверки прочности и эффективности таких вещей, как броня и защитное снаряжение. Cтреляя снарядами по материалу и измеряя отклонение маятника, инженеры и ученые могут оценить эффективность материала в остановке или замедлении снаряда. |
| Исследования по баллистике: | Исследователи используют баллистические маятники, чтобы выяснить, как снаряды ведут себя в различных ситуациях. Ученые могут выяснить, как на траекторию и скорость снаряда влияют такие факторы, как сопротивление воздуха, гравитация и угол падения. |
Заключение
Подходя к концу нашего путешествия по миру баллистического маятника, мы не можем не восхищаться творчеством людей, которые его создали.
Баллистический маятник был важной частью областей баллистики и криминалистики с тех пор, как он был впервые создан.
Но баллистический маятник также является хорошим примером того, как наука и инженерия встречаются в точке, где теории и принципы применяются в реальном мире.
Он показывает, насколько важны научные открытия и новые идеи и как они формируют и изменяют мир, в котором мы живем.
Итак, поскольку мы продолжаем расширять границы научных исследований, давайте не будем забывать, откуда мы пришли, а также устройства и идеи, которые сделали возможными современные инновации.
Cсылки и ссылки
Университетская физика с современной физикой
Поделись…
