Là kỹ sư, chúng tôi thường được yêu cầu chế tạo những cỗ máy phải hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như đi trong không khí hoặc khoan vào bề mặt trái đất.
Trong những tình huống như vậy, việc biết quỹ đạo đạn đạo hoạt động như thế nào là rất quan trọng đối với sự thành công của nhiệm vụ.
Ý tưởng chính đằng sau vũ khí hiện đại, tàu vũ trụ và thậm chí cả thiết bị thể thao là quỹ đạo đạn đạo, là đường đi của đạn chỉ bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn và sức cản của không khí.
Từ viên đạn bắn ra từ súng cho đến tên lửa phóng từ tàu, các vật thể này đều di chuyển theo quy luật của quỹ đạo đạn đạo.
Bằng cách biết điều gì làm cho viên đạn đi đến đâu, các kỹ sư có thể tạo ra các hệ thống tốt hơn về hiệu suất, độ chính xác và an toàn.
Trong bài viết này, tôi sẽ xem quỹ đạo đạn đạo phức tạp như thế nào, nó được sử dụng như thế nào trong kỹ thuật, những gì nó không thể làm và cách kiểm tra nó.
Vì vậy, cho dù bạn là một kỹ sư đầy tham vọng hay một chuyên gia dày dạn kinh nghiệm, hãy thắt dây an toàn và sẵn sàng lao vào thế giới hấp dẫn của quỹ đạo đạn đạo.
Hiểu quỹ đạo đạn đạo
Định nghĩa chính thức:
Quỹ đạo mà một vật thể đi theo chỉ được xác định bởi lực hấp dẫn và lực cản của môi trường mà nó đi qua.
Quỹ đạo đạn đạo là đường đi của một vật thể được ném, phóng, rơi, phục vụ hoặc bắn, nhưng không tự di chuyển khi nó đi trong không khí.
Nó hoàn toàn được thiết lập bởi tốc độ ban đầu, tác dụng của trọng lực và tác dụng của lực cản không khí.
Trong cơ học cổ điển, đường đi của một vật thể được xác định bởi vị trí của nó và tốc độ di chuyển của nó tại một thời điểm nhất định.
Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng tọa độ chính tắc và cơ học Hamilton.
Quỹ đạo đạn đạo khác với các loại quỹ đạo khác vì chúng không có bất kỳ lực đẩy chủ động nào.
Nhưng trọng lực và sức cản của không khí cũng có thể ảnh hưởng đến các loại quỹ đạo khác, chẳng hạn như đường đi của dù hoặc tàu lượn.
Hiểu chuyển động của các vật thể trong quỹ đạo đạn đạo
Khi một vật thể bị tác động bởi lực hấp dẫn, chuyển động của nó hoàn toàn được xác định bởi tốc độ và góc độ mà nó được phóng.
Trong các trò chơi điện tử có kẻ thù di chuyển xung quanh, các thuật toán được sử dụng để tìm ra vị trí đạn sẽ đi khi chúng bắn trúng mục tiêu đang di chuyển.
Để đảm bảo vật thể đi đúng nơi nó cần đến, góc phóng và tốc độ phải được tính toán cẩn thận.
Các ứng dụng của quỹ đạo đạn đạo
Các trò chơi điện tử thường sử dụng quỹ đạo đạn đạo để tìm ra cách phóng một viên đạn ở góc phù hợp để bắn trúng mục tiêu.
Quỹ đạo đạn đạo cũng có những ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như quân sự và kỹ thuật, nơi chúng có thể được sử dụng để dự đoán đường đi của đạn như đạn và tên lửa, đồng thời cải thiện độ chính xác và tầm bắn của chúng.
Từ súng thần công đến tên lửa: Thế giới hấp dẫn của quỹ đạo đạn đạo
Vẫn còn khó hiểu? Hãy để tôi thay đổi quan điểm một chút:
Nếu bạn cần bắn một quả đại bác từ một con tàu cướp biển, hãy nhớ nhắm mục tiêu cao, tính đến trọng lực và cầu nguyện rằng quả bóng không rơi xuống biển.
Xét cho cùng, đường đi của viên đạn đại bác đó chỉ được xác định bởi trọng lực và sức cản của không khí, và bạn sẽ không muốn bắn trượt mục tiêu của mình và kết thúc ở Tủ khóa của Davy Jones.
Nói một cách nghiêm túc, ý tưởng về quỹ đạo đạn đạo phức tạp hơn nhiều so với việc bắn một khẩu đại bác từ tàu cướp biển, và các kỹ sư cũng như nhà khoa học cần biết nó hoạt động như thế nào.
Vì vậy, hãy ra khơi và đi sâu vào thế giới hấp dẫn của quỹ đạo đạn đạo, nơi mà ngay cả những điều bình thường nhất cũng có thể trở thành huyền thoại.
Được rồi, đó chỉ là một trò đùa trông giống như một quảng cáo trên TV.
Bây giờ chúng ta hãy quay lại phần giải thích.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo đạn đạo
Để hiểu cách một vật thể đạn đạo di chuyển, bạn cần xem xét một số yếu tố ảnh hưởng đến đường đi của nó.
Theo nghĩa rộng, những điều này có thể được chia thành hai nhóm: yếu tố bên ngoài và yếu tố bên trong.
Yếu tố bên ngoài
- Trọng lực.
Trọng lực là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hướng đi của quả bóng.
Nó cung cấp cho một vật một gia tốc thẳng đứng là -9,8 m/s2, có nghĩa là tốc độ thẳng đứng của nó thay đổi -9,8 m/s mỗi giây.
Nếu không có ngoại lực tác dụng lên vật thì vận tốc ngang không đổi.
Đường bay của các vật được ném gần Trái đất và ít lực cản của không khí là một đường parabol.
- Lực cản hoặc sức cản của không khí.
Sức cản của không khí, còn được gọi là lực cản, phụ thuộc vào tốc độ, khối lượng và diện tích bề mặt.
Càng nhiều lực cản làm chậm viên đạn có cùng khối lượng và diện tích bề mặt thì nó di chuyển càng nhanh.
Khi xác định đường đạn sẽ di chuyển như thế nào, cần phải tính đến lực cản của không khí.
Khi lực cản không khí mạnh, việc xác định đường bay sẽ khó khăn hơn.
Hệ số đạn đạo (BC) được sử dụng trên các bảng quỹ đạo để tìm ra tốc độ của viên đạn ở khoảng cách xa và lực cản của nó.
- Gió.
Tốc độ và hướng gió có thể có ảnh hưởng lớn đến đường đi của một vật thể đang chuyển động.
Trong khi bay, gió có thể làm cho đường đạn đi chệch hướng, khiến bạn khó biết được nó sẽ hạ cánh ở đâu.
Các yếu tố nội bộ
- Vận tốc lúc đầu.
Tốc độ mà viên đạn được phóng ra là vận tốc ban đầu.
Đạn có thể đi càng xa thì lúc bắt đầu nó di chuyển càng nhanh.
- Góc phóng.
Góc phóng là góc giữa phương ngang và hướng mà đạn được gửi đi.
Khi không có nhiều lực cản không khí, phạm vi của đạn trên mặt đất bằng phẳng phụ thuộc vào góc mà nó được phóng.
- Hình dạng và chuyển động quay của đối tượng.
Khi sức cản của không khí là quan trọng, hình dạng và chuyển động quay của một vật thể sẽ ảnh hưởng đến đường bay của nó.
Hệ số đạn đạo (BC) cho thấy một vật thể có thể bay tốt như thế nào trong không khí.
Nó phụ thuộc vào những thứ như nó nặng bao nhiêu và nó lớn như thế nào.
Áp suất và nhiệt độ của không khí.
Đường đi của một vật thể đạn đạo có thể bị ảnh hưởng bởi áp suất và nhiệt độ không khí.
Khi mật độ không khí thay đổi, lực cản sẽ làm chậm một vật thể, làm thay đổi đường đi của nó.
Tính quỹ đạo đạn đạo
Tùy thuộc vào mức độ khó của bài toán, bạn có thể sử dụng các phương trình toán học khác nhau để tìm ra đường đi chính xác của viên đạn.
Phương trình vi phân thông thường (ODE) thường được sử dụng để tìm ra cách một viên đạn di chuyển khi tính đến lực cản của trọng lực và không khí.
Nhưng bạn cũng có thể sử dụng các phương pháp tích hợp số để tìm ra đường đạn sẽ đi.
Phương trình gia tốc không đổi
Với các phương trình gia tốc không đổi, bạn có thể tìm ra vị trí của đạn, tốc độ di chuyển của nó và tốc độ di chuyển của nó tại bất kỳ thời điểm nào.
Áp dụng định luật chuyển động của Newton dẫn đến các phương trình này, có thể được viết là:
x = x0 + v0x * t
y = y0 + v0y * t - 0,5 * g * t^2
vx = v0x
vy = v0y - g * t
trong đó x và y là vị trí nằm ngang và thẳng đứng của vật phóng, x0 và y0 là vị trí ban đầu, v0x và v0y là vận tốc ban đầu theo hướng x và y, g là gia tốc do trọng trường gây ra và t là thời gian mà đã đạt.
Công thức lực kéo
Với công thức lực kéo, bạn có thể tìm ra lực cản mà đạn đang trải qua.
Nó tính đến lực cản, trong đó (C) là hệ số cản của viên đạn, () là mật độ không khí, (A) là diện tích bề mặt của viên đạn, (t) là thời gian bay của viên đạn và (m) là khối lượng của viên đạn.
hệ số đạn đạo
Hệ số đạn đạo là một yếu tố quan trọng khác trong việc tìm ra đường đi của quả bóng (BC).
Hệ số này là một cách để đo mức độ di chuyển của đạn trong không khí và nó phụ thuộc vào những yếu tố như trọng lượng, hình dạng và đường kính của nó.
BC có thể được sử dụng để tìm ra đường đi của viên đạn và tốc độ cuối cùng mà không cần phải làm phép toán phức tạp.
Ảnh hưởng của trọng lực
Nếu lực hấp dẫn là như nhau ở mọi nơi và không có lực nào khác tác động lên một vật thể đang chuyển động trong không gian, thì đường đi của nó sẽ là hình parabol hoặc hình elip, tùy thuộc vào khoảng cách mà nó đi được trước khi va vào một vật gì đó hoặc bị lực hấp dẫn kéo lại.
Nhưng vì lực hấp dẫn thay đổi tùy thuộc vào khoảng cách của bạn với các vật thể lớn như hành tinh và ngôi sao, và vì có các lực khác tác động như gió mặt trời và áp suất bức xạ, nên có thể có các quỹ đạo hyperbol trong các tình huống du hành vũ trụ như sao chổi đi gần Mặt trời hoặc nhiệm vụ du hành liên hành tinh.
Chọn quỹ đạo đạn đạo
Quỹ đạo đạn đạo tối ưu được chọn cho một tên lửa đạn đạo sao cho tầm bắn và độ chính xác của nó ở mức tốt nhất.
Từ một điểm trên bề mặt Trái đất đến một điểm khác, quỹ đạo tối đa hóa tổng tải trọng (trọng lượng ném) với lực đẩy có sẵn của tên lửa được tính toán.
Bằng cách giảm trọng lượng tải, có thể chọn các quỹ đạo khác nhau, có thể tăng phạm vi danh nghĩa hoặc giảm tổng thời gian bay.
Những thứ ảnh hưởng đến đường đi của viên đạn:
Đường đi của tên lửa đạn đạo bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tầm bắn, tốc độ và độ chính xác của nó.
Khối lượng, tốc độ ban đầu, góc phóng, lực cản không khí và trọng lực là một số trong những yếu tố này.
Ví dụ, trọng lượng ném của tên lửa dựa trên khối lượng và tốc độ ban đầu của nó, có thể thay đổi đường đi của nó.
Góc phóng tên lửa là một yếu tố quan trọng khác để xác định đường đi của nó.
Để có được khoảng cách và độ chính xác cao nhất, bạn cần chọn góc phóng tốt nhất.
Hệ thống hướng dẫn và chính xác:
Hướng và độ chính xác của tên lửa đạn đạo phụ thuộc vào hệ thống dẫn đường của nó.
Các lực tác động có thể khiến tên lửa đi chệch khỏi đường bay đã định, vì vậy nó cần một hệ thống dẫn đường hoạt động nhanh, chính xác để đưa nó trở lại quỹ đạo.
Tên lửa dẫn đường có thể thay đổi hướng theo nhiều cách khác nhau.
Một cách là thông qua các hệ thống dẫn đường quán tính, sử dụng gia tốc kế để đo lường sự thay đổi về tốc độ và hướng và tìm ra vị trí của tên lửa so với nơi nó bắt đầu.
Các hệ thống khác điều khiển hướng của tên lửa bằng cách sử dụng các bề mặt khí động học như vây đuôi hoặc phản lực.
Các loại đầu đạn khác nhau là:
Tầm bắn, tốc độ và độ chính xác của tên lửa đạn đạo cũng có thể bị ảnh hưởng bởi loại đầu đạn mà nó mang.
Có nhiều loại đầu đạn khác nhau, chẳng hạn như hóa học, sinh học và hạt nhân.
Mỗi loại có những phẩm chất khác nhau làm thay đổi cách tên lửa di chuyển và nơi nó bắn trúng.
Xếp tên lửa đạn đạo theo nhóm:
Khoảng cách tối đa mà một tên lửa đạn đạo có thể di chuyển quyết định khoảng cách mà nó có thể di chuyển.
Tên lửa tầm ngắn có thể di chuyển dưới 1.000 km (khoảng 620 dặm), tên lửa tầm trung có thể di chuyển từ 1.000 đến 3.000 km (khoảng 620 đến 1.860 dặm) và tên lửa tầm trung có thể di chuyển từ 3.000 đến 5.500 km (khoảng 1.860 -3.410 dặm).
Tóm lại, để chọn quỹ đạo đạn đạo tốt nhất, phạm vi và tốc độ bị ảnh hưởng bởi những thứ như tính toán trọng lượng ném dựa trên quỹ đạo tối ưu hoặc suy giảm.
Khoảng cách tối đa mà một tên lửa đạn đạo có thể di chuyển được sử dụng để xác định phạm vi của nó.
Độ chính xác phụ thuộc vào một hệ thống hướng dẫn chính xác có thể tính đến các lực có thể khiến phương tiện đi chệch khỏi lộ trình đã định.
Đường đi và tác động của tên lửa cũng có thể bị ảnh hưởng bởi loại đầu đạn mà nó có.
Các ứng dụng của quỹ đạo đạn đạo
Ứng dụng trong quân sự
Trong các ứng dụng quân sự, quỹ đạo đạn đạo rất quan trọng vì nó giúp lập kế hoạch và tăng tốc độ đạn để đạt được kết quả mong muốn.
Nó được sử dụng để tìm ra góc mà viên đạn sẽ bay để đạt được tốc độ hoặc khoảng cách cao nhất.
Nó được sử dụng để tính xem hỏa lực của pháo binh sẽ đi được bao xa và độ chính xác của nó.
Nó cũng được sử dụng để tính toán mức độ sát thương của đạn cối và đầu đạn tên lửa.
Ứng dụng trong Kỹ thuật
Khi thiết kế tên lửa và tên lửa để thám hiểm không gian, quỹ đạo đạn đạo là một yếu tố rất quan trọng.
Các kỹ sư sử dụng các quy tắc của quỹ đạo đạn đạo để tìm ra nơi một tên lửa hoặc tên lửa sẽ đi và đảm bảo rằng nó sẽ đến nơi mà nó phải đến.
Họ cũng sử dụng nó để cải tiến thiết kế tên lửa hoặc rocket nhằm đảm bảo nó có tốc độ và tầm bắn cần thiết để thực hiện công việc của mình.
Ứng dụng trong thể thao
Trong thể thao, quỹ đạo đường đạn cũng rất quan trọng.
Trong hầu hết các môn thể thao, một viên đạn, thường là một quả bóng, di chuyển trong không khí.
Các nhà phân tích sử dụng các khái niệm vật lý như động học và chuyển động của đường đạn để tìm ra góc tốt nhất cho đường bay của quả bóng nhằm tối đa hóa tốc độ hoặc khoảng cách.
Ví dụ, trong môn bóng chày, các nhà phân tích sử dụng kiến thức về động học và chuyển động của đường đạn để nghiên cứu những người ném bóng và tìm ra cách tốt nhất để họ ném.
Các nhà phân tích bóng rổ sử dụng các quy tắc này để tìm ra góc tốt nhất cho cú đánh giúp người chơi có cơ hội ghi bàn cao nhất.
Hạn chế và xác nhận quỹ đạo đạn đạo
Có nhiều cách để kiểm tra xem quỹ đạo đạn đạo có chính xác hay không, chẳng hạn như:
kiểm tra phạm vi
Kiểm tra phạm vi là một phương pháp.
Trong phương pháp này, đạn được bắn vào một mục tiêu đã biết và khoảng cách từ mục tiêu dự định được đo.
Phương pháp này có thể được sử dụng để kiểm tra mức độ chính xác của quỹ đạo đạn đạo trong các điều kiện khác nhau, như gió, nhiệt độ và độ cao.
Ra đa Doppler
Radar Doppler là một phương pháp khác có thể được sử dụng để theo dõi đường bay của viên đạn và so sánh quỹ đạo đo được với quỹ đạo dự đoán.
Phương pháp này có thể được sử dụng để tìm ra tốc độ, gia tốc và vị trí của đạn tại các điểm khác nhau trên đường đi của nó.
Máy ảnh tốc độ cao
Máy ảnh tốc độ cao có thể ghi lại đường đi của viên đạn và tìm ra nơi nó sẽ đến.
Phương pháp này phù hợp để nghiên cứu chi tiết đường bay của một viên đạn, chẳng hạn như tìm hiểu mức độ quay, lực cản và sức gió ảnh hưởng đến nó.
thử nghiệm đường hầm gió
Bằng cách sử dụng một đường hầm gió, chuyến bay của quả đạn có thể được mô phỏng trong một môi trường được kiểm soát và đường đi của nó có thể được nghiên cứu trong các điều kiện gió khác nhau.
Phương pháp này có thể được sử dụng để kiểm tra xem các lực khí động học ảnh hưởng như thế nào đến đường đạn bay.
Trình mô phỏng
Cuối cùng, một mô phỏng máy tính có thể được sử dụng để dự đoán và xác nhận quỹ đạo đạn đạo là chính xác.
Phương pháp này bao gồm việc sử dụng phần mềm máy tính để mô phỏng đường bay của quả đạn và so sánh quỹ đạo mô phỏng với quỹ đạo dự đoán.
Phương pháp này rất hữu ích để kiểm tra mức độ chính xác của mô hình dự đoán quỹ đạo đạn đạo trong các điều kiện phóng và các yếu tố môi trường khác nhau.
Tóm lại, có thể kiểm tra độ chính xác của quỹ đạo đạn đạo bằng một số phương pháp, chẳng hạn như kiểm tra phạm vi, radar Doppler, camera tốc độ cao, kiểm tra đường hầm gió và mô phỏng máy tính.
Phương pháp được sử dụng sẽ phụ thuộc vào mục tiêu của bài kiểm tra và các tài nguyên có sẵn.
Phần trước của văn bản nói về việc xác nhận quỹ đạo đạn đạo trong bối cảnh nhìn vào dấu súng và công cụ không liên quan gì đến câu hỏi.
Projectile Motion - Quỹ đạo đạn đạo
Mẹo: Bật nút phụ đề nếu bạn cần. Chọn “dịch tự động” trong nút cài đặt, nếu bạn không quen với ngôn ngữ nói. Bạn có thể cần nhấp vào ngôn ngữ của video trước khi ngôn ngữ yêu thích của bạn có sẵn để dịch.
Phần kết luận
Khi chúng ta đi đến cuối chuyến đi xuyên qua thế giới quỹ đạo đạn đạo, một điều trở nên rõ ràng: các định luật vật lý ở khắp mọi nơi.
Họ giải thích cả những điều phổ biến nhất và kỳ lạ nhất xảy ra trong vũ trụ của chúng ta.
Các quy luật tự nhiên đều giống nhau cho dù một tên lửa được phóng vào không gian hay một viên đạn được bắn ra từ một khẩu súng.
Với tư cách là kỹ sư, nhiệm vụ của chúng ta là sử dụng những quy luật này để thiết kế những cỗ máy giúp cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn và vượt qua giới hạn của những gì có thể.
Nhưng khi chúng ta nghĩ về mức độ phức tạp của quỹ đạo đạn đạo, chúng ta cũng phải nghĩ về ý nghĩa của công việc của chúng ta về mặt đạo đức.
Chúng ta phải sử dụng kiến thức và kỹ năng của mình một cách có trách nhiệm và suy nghĩ xem những gì chúng ta tạo ra sẽ ảnh hưởng đến con người và môi trường như thế nào.
Cuối cùng, nghiên cứu quỹ đạo đạn đạo không chỉ là tìm ra cách mọi thứ di chuyển trong không gian; đó cũng là việc sử dụng kiến thức đó để thúc đẩy các mục tiêu của nhân loại.
Hãy tiếp tục tìm kiếm những bí ẩn của vũ trụ với ý thức về mục đích, sự khiêm tốn và sự tò mò.
Liên kết và tài liệu tham khảo
Quỹ đạo đạn đạo phân tích với lực kéo tuyến tính xấp xỉ:
Chia sẻ…
