Un model funcțional al unui tun Gauss pentru școală. Proiectul pistolului Gauss

Modă și stil 25.08.2019

Modă și stil

Pistolul Gauss. Activitatea de cercetare științifică a elevilor clasei 9 „A” Kurichin Oleg și Kozlov Konstantin.

Pistolul Gauss este cel mai comun nume pentru un dispozitiv al cărui principiu de funcționare se bazează pe utilizarea unui electromagnet puternic pentru a accelera obiectele. De obicei, un electromagnet constă dintr-un miez feromagnetic pe care este înfășurat un fir (denumit în continuare înfășurare). Când curentul trece prin înfășurare, se generează un câmp magnetic.

Dar dacă, în momentul în care proiectilul trece prin mijlocul solenoidului, curentul din el este oprit, câmpul magnetic va dispărea, iar proiectilul va zbura din celălalt capăt al țevii. Când sursa de alimentare este oprită, în bobină se formează un curent de auto-inducție, care are direcția opusă curentului și, prin urmare, schimbă polaritatea bobinei.

Aceasta înseamnă că atunci când sursa de alimentare este oprită brusc, un proiectil care trece de centrul bobinei va fi respins și accelerat în continuare. În caz contrar, dacă proiectilul nu a ajuns în centru, acesta va încetini. Pentru cel mai mare efect, pulsul de curent din solenoid trebuie să fie pe termen scurt și puternic.

De regulă, pentru a obține un astfel de impuls se folosesc condensatoare electrice cu tensiune mare de funcționare. Parametrii înfășurării, proiectilului și condensatorilor trebuie să fie coordonați în așa fel încât atunci când sunt trase, în momentul în care proiectilul se apropie de mijlocul înfășurării, curentul din acesta din urmă ar fi scăzut deja la o valoare minimă (adică, încărcarea condensatoarelor ar fi fost deja consumată complet). În acest caz, eficiența unui pistol Gauss cu o singură treaptă va fi maximă.

Unitățile cu o singură bobină nu sunt în general foarte eficiente. Pentru a obține o viteză foarte mare de zbor a proiectilului, este necesar să se monteze un sistem în care bobinele se vor porni una câte una, atrăgând proiectilul în sine și se vor opri automat când ajunge la mijlocul bobinei. Figura prezintă o versiune a unei astfel de instalații cu mai multe bobine.

Pistolul Gauss ca armă are avantaje pe care alte tipuri nu le au arme mici. Aceasta este absența mânecilor și alegerea nelimitată viteza initialași energia muniției, precum și rata de tragere a pistolului, posibilitatea unei împușcături silențioase (dacă viteza proiectilului nu depășește viteza sunetului), inclusiv fără schimbarea țevii și a muniției, relativ scăzută recul (egal cu impulsul proiectilului ejectat, nu există un impuls suplimentar de la gaze pulbere sau piesele mobile), teoretic, fiabilitate și rezistență la uzură mai mari, precum și capacitatea de a lucra în orice condiții, inclusiv spațiul cosmic.

Desigur, armata este interesată de astfel de evoluții. În 2008, americanii au asamblat pistolul EMRG. Iată puțin despre asta: 02. 2008 a fost testat cel mai puternic pistol electromagnetic din lume. Marina SUA a testat cele mai puternice din lume pistol electromagnetic EMRG. Este luat în considerare tunul EMRG, conceput pentru nave de suprafață armă promițătoare a doua jumătate a secolului XXI. În primul rând, pentru că acest dispozitiv, fără ajutorul unei încărcături cu pulbere, conferă proiectilului o viteză de 9 mii km/h, adică de câteva ori viteza sunetului. Proiectilul câștigă o astfel de viteză datorită zborului său prin câmpul electromagnetic puternic creat de pistol. Puterea distructivă a unui astfel de proiectil este, de asemenea, foarte mare. În timpul testelor, din cauza energiei cinetice mari, proiectilul a distrus complet vechiul buncăr de beton. Aceasta înseamnă că, în viitor, explozivii pot fi abandonați pentru a distruge astfel de obiecte. De asemenea, un proiectil cu accelerație electromagnetică este capabil să acopere o distanță mai mare decât proiectilele convenționale - până la 500 km. Ei bine, principalul avantaj al unui pistol electromagnetic este că proiectilele sale nu sunt explozive, ceea ce înseamnă că sunt mai sigure. În plus, nu lasă în urmă cartușe cu pulbere sau încărcătură chimică.

Cu toate acestea, nu numai armata americană asambla tunurile Gauss. Nu cu mult timp în urmă, Alan Parek și-a construit propriul setup. I-a luat 40 de ore și 100 de euro să-l creeze. Pistolul cântărește 5 kg, este proiectat pentru 14 focuri și are un mod de tragere semi-automat. Iată o fotografie a acestei instalări.

Cu toate acestea, în ciuda simplității aparente a pistolului Gauss și a avantajelor sale, utilizarea lui ca armă este plină de dificultăți serioase. Prima dificultate este eficiența scăzută a instalației. Doar 1-7% din încărcarea condensatorului intră în energie cinetică proiectil. În parte, acest dezavantaj poate fi compensat prin utilizarea unui sistem de accelerare a proiectilului în mai multe etape, dar, în orice caz, eficiența ajunge rareori chiar și la 27%. Prin urmare, tunul Gauss este inferior în ceea ce privește puterea de tragere chiar și pistoale cu aer comprimat. A doua dificultate este consumul mare de energie (datorită eficienței scăzute) și timpul destul de lung de reîncărcare a condensatoarelor, ceea ce face necesară transportul unei surse de alimentare (de obicei o baterie puternică) împreună cu pistolul Gauss. Eficiența poate fi crescută semnificativ prin utilizarea solenoizilor supraconductori, dar acest lucru va necesita un sistem de răcire puternic, care va reduce semnificativ mobilitatea pistolului Gauss. A treia dificultate decurge din primele două. Acest greutate mareși dimensiunile instalației, cu randamentul său scăzut.

De asemenea, am asamblat o instalație similară folosind un tub de sticlă de aproximativ 1 m lungime, un inductor cu 100 de spire și 3 condensatoare, fiecare cu o capacitate de 58 de microni. F (toate acestea au fost găsite în clasa de fizică).

Am colectat diverse opțiuni de montare și am încercat să stabilim ce formă de proiectil ar fi cea mai potrivită pentru fotografiere. L de proiectil 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm L de împușcătură 1. 5 m 3. 14 m 3. 2 m m D de proiectil 1 cm 0,5 cm 1 mm L de împușcătură 1. 87 m 2. 87 m 3. 21 m 2 , 5 m Tabelul 2. Lungimea proiectilului se modifică (grosimea este constantă). 0,5 mm Tabel 3. Grosimea proiectilului se modifică (lungime L = 3 cm, cea mai bună din experiența anterioară).

Al doilea obiectiv a fost să aflăm ce număr de spire în bobina de instalare și ce capacitate a condensatorului ar permite proiectilului să zboare cel mai bine. 174 100000 C 58 116 μm condensat μm μm μ. F F ra F F L shot 0,9 m 1,7 m 3,1 m 0,6 m N ture 0,2 m 100 buc L shot 3. 07 m 200 buc 300 buc 400 buc 2. 84 m 2. 7 m 2. 56 m

Nai cele mai bune caracteristici proiectil și instalare în precedenta Puteți observa că cele mai bune caracteristici din tabele au fost evidențiate cu roșu. sunt în „mijloc”, între cele mai mari și cele mai U 40 la 80 la 160 la 220 la valori mici. conden Este destul de ușor de explicat. satator Timpul pentru descărcarea completă a condensatorului este egal cu un sfert din perioadă. În consecință, având o capacitate mare, condensatorul L 1 m 1. 7 m 3. 3 m 3. 21 m va dura mult până se descarcă. Ca rezultat, vom obține o rază scurtă de acțiune a proiectilului. De asemenea, o instalație care are o tensiune scăzută a condensatorului, ca urmare, are o capacitate mare, care, așa cum sa menționat mai sus, afectează raza de zbor a proiectilului. .

După cum se poate observa din tabel, lungimea butoiului nu joacă aici un rol special. L de proiectil 1,7 cm 0,5 m 1 m L de împușcătură 3,01 m 2,98 m 3,08 m Totuși, unul dintre obiectivele cercetării noastre a fost atins - am aflat ce caracteristici ale bobinei și proiectilului îi vor permite acestuia din urmă să zboare cel mai departe. După cum am menționat deja, aceasta este o capacitate a condensatorului de 174 de microni. F, lungimea cilindrului 1 m și 100 de spire în bobină. Am considerat că tensiunea condensatoarelor este de 220 V. Cuia folosită ca proiectil are aproximativ 1 mm diametru și 3 cm lungime.

După toate cercetările, ne-am dat seama de următoarele: a fost dovedită posibilitatea existenței unui pistol Gauss, ceea ce înseamnă că scopul cercetării a fost atins.

Prezentare la munca de cercetare„Pistol Gauss”. Studiul principiului de funcționare al unui pistol Gauss, un accelerator de masă electromagnetic, care funcționează pe fenomenul inducției electromagnetice.

Vizualizați conținutul documentului
"Adnotare"

Adnotare.

Dispozitivul - „Gauss Gun” se referă la un accelerator de masă electromagnetic, care funcționează pe fenomenul inducției electromagnetice.

Scopul lucrării: studiul principiului de funcționare al unui accelerator de masă electromagnetic bazat pe un pistol Gauss și posibilitatea aplicării acestuia în inginerie electrică.

Sarcini:

1. Studiați structura pistolului Gauss și construiți modelul său prototip
2. Luați în considerare parametrii experimentului
3. Cercetați problema aplicare practică dispozitive care funcționează pe principiul unui pistol Gauss

Metode de cercetare: experiment și modelare.

Configurația experimentală constă de la unitatea de încărcare și circuitul oscilator.

Încărcătorul este alimentat de la o rețea de 220 V AC, frecvență de 50 Hz și este format din patru diode semiconductoare. Circuitul oscilator include: un condensator cu o capacitate de 800 μF și 330 V, un inductor de 1,34 mH.

Un foc orizontal a fost tras din prototip cu masa m = 2,45 g, în timp ce raza de zbor a fost în medie s = 17 m, cu o altitudine de zbor h = 1,20 m.

Pe baza datelor experimentale inițiale: masele a două proiectile, tensiunea, capacitatea condensatorului, raza de zbor și altitudinea, am calculat energia stocată de condensator, timpul de zbor, viteza, energia cinetică a mișcării proiectilului și eficiența instalării.

Original date

Raza de zbor, s
Altitudinea zborului, h
Capacitatea condensatorului, C
Tensiune de rețea, U
Experimental date
Energia stocată în condensator, E c =
Timpul de descărcare a condensatorului, T ori =

Inductanța solenoidului, L =
Timp de zbor, or =	0,4 9 s
Viteză plecarea proiectilului, 𝑣 =
Energia cinetică proiectilă, E =
Eficiența armei

Concluzii: Am reusit sa montez o instalatie de acceleratie functionala cu randament = 3,2% - 4,6%. Modelul a fost examinat de mine pentru raza de acțiune a proiectilului. Am stabilit dependența intervalului de zbor de viteza de plecare a proiectilului și am calculat eficiența instalației. Pentru a crește eficiența este necesar

A. crește viteza de plecare a proiectilului, deoarece cu cât proiectilul se mișcă mai repede, cu atât mai puțin

pierderi în timpul accelerării sale. Acest lucru poate fi realizat prin

1. reducerea masei proiectilului. Studiile mele experimentale au arătat că un proiectil cu o greutate de 2,45 g are o rază de zbor de 11 m și o viteză de ieșire de 22,45 m/s; proiectil - 1,02g - 20,5m și 41,83m/s;

puterea crescândă câmp magnetic prin creșterea inductanței bobinei. Pentru a face acest lucru, am crescut numărul de spire, care, în consecință, cu un diametru constant al firului, a crescut diametrul bobinei în sine;

limite de timp ale acțiunii unui câmp magnetic asupra unui proiectil. Pentru a face acest lucru, solenoidul trebuie luat scurt.

B. Cu cât firele de legătură sunt mai scurte și mai groase, cu atât Gauss va fi mai eficient.

C. Este foarte promițătoare realizarea unui accelerator magnetic cu mai multe trepte - fiecare treaptă ulterioară va avea o eficiență mai mare decât cea anterioară datorită creșterii vitezei proiectilului. Dar când proiectilul rămâne în zonă pentru o perioadă scurtă de timp actiune eficienta accelerarea câmpului magnetic, este necesar să se stabilească un curent cu valoarea necesară în solenoid cât mai repede posibil și apoi să îl oprească pentru a evita risipa de energie. Toate acestea sunt împiedicate de inductanța bobinei și de cerințele pentru parametrii dispozitivelor de comutare. Această problemă poate fi rezolvată în multe moduri diferite - utilizați înfășurări ulterioare de lungime crescătoare cu un număr constant de spire - inductanța va fi mai mică, iar timpul de zbor al proiectilului prin ele nu va fi mult mai lung decât cel din etapa anterioară . Pentru a realiza un accelerator de masă magnetic eficient în mai multe etape, care nu este deosebit de critic pentru setările sale, este necesar să se furnizeze mai multe conditii importante:

utilizați o singură sursă de energie comună pentru înfășurări;

utilizați chei care asigură pornirea strict temporizată a curentului la înfășurare;

utilizați pornirea și oprirea sincronă cu mișcarea proiectilului

înfășurări - curentul din înfășurare trebuie să pornească atunci când proiectilul intră în zonă

acțiunea eficientă a câmpului magnetic de accelerare și trebuie să se oprească,

când proiectilul părăsește această zonă;

Utilizați diferite înfășurări în diferite etape.

Vizualizați conținutul prezentării
"Pistolul Gauss"

Pistolul Gauss

(Engleză: Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) - unul dintre tipurile de accelerator de masă electromagnetic.

Pistolul poartă numele omului de știință german Carl Gauss, care a pus bazele teorie matematică electromagnetism.

Vanyushin Semyon,

Elev în clasa a IX-a la Instituția Municipală de Învățământ „Școala Gimnazială Nr. 56”, Ceboksary

Fotografii Discovery Channel

http://www.coilgun.info/discovery/photos.htm

Numele piesei

În prima armă

Numărul de straturi

în al 2-lea pistol

Lungimea solenoidului

Numărul de ture

Material

Diametru, formă

Lungime

Raționalizat, cilindric

Greutate

Datele inițiale

Raza de zbor, s

Altitudinea de zbor, h

Capacitatea condensatorului, C

Tensiune de rețea, U

Date experimentale

Energia stocată în condensator, E

Timp de descărcare a condensatorului, timpi T

Timpul de funcționare al inductorului, T

Inductanța solenoidului, L

Timp de zbor, or

Viteza de plecare a proiectilului,𝑣

Energia cinetică proiectilă, E

Avantaje:

Defecte:

lipsa cartuşelor

consum mare de energie

alegere nelimitată a vitezei inițiale și a energiei muniției.

eficiență scăzută a instalației (pistolul Gauss este inferior ca forță de împușcare chiar și armelor pneumatice)

posibilitatea unei lovituri silențioase fără schimbarea țevii și a muniției.

greutatea și dimensiunile mari ale instalației, cu randamentul său scăzut

randament relativ scăzut.

fiabilitate mai mare și rezistență la uzură.

capacitatea de a lucra în orice condiții, inclusiv spațiul cosmic.

Pe în acest moment Pistolul Gauss este folosit doar ca o jucărie sau se efectuează diverse teste cu acesta. Astfel, în februarie 2008, Marina SUA a instalat un pistol cu șină pe un distrugător ca armă a navei, accelerând un proiectil la 2520 m/s. Instalațiile de laborator pentru studiul impactului de mare viteză trimit particule cu greutatea mai mică de 1 g la o țintă la viteze de . până la 15 km/s.

Principiul de funcționare.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Coilgun_animation.gif

Textul lucrării este postat fără imagini și formule.
Versiune completă munca este disponibilă în fila „Fișiere de lucru” în format PDF

1.Introducere.

Pistolul electromagnetic Gauss este cunoscut tuturor amatorilor jocuri pe calculatorși ficțiune. A fost numit după fizicianul german Carl Gauss, care a studiat principiile electromagnetismului. Dar este chiar atât de departe fatalul? armă fantastică din realitate?

De la cursul de fizică din școală am învățat că curentul electric care trece prin conductori creează un câmp magnetic în jurul lor. Cu cât curentul este mai mare, cu atât câmpul magnetic este mai puternic. De cel mai mare interes practic este câmpul magnetic al unei bobine purtătoare de curent, cu alte cuvinte, un inductor (solenoid). Dacă o bobină cu curent este suspendată pe conductori subțiri, aceasta va fi instalată în aceeași poziție cu acul busolei. Aceasta înseamnă că inductorul are doi poli - nord și sud.

Pistolul Gauss este format dintr-un solenoid, în interiorul căruia se află un țevi dielectric. Un proiectil dintr-un material feromagnetic este introdus într-un capăt al țevii. Când un curent electric curge în solenoid, apare un câmp magnetic, care accelerează proiectilul, „trăgându-l” în solenoid. În acest caz, la capetele proiectilului se formează poli, simetrici față de polii bobinei, datorită cărora, după trecerea de centrul solenoidului, proiectilul poate fi atras în sens opus și decelerat.

Pentru cel mai mare efect, pulsul de curent din solenoid trebuie să fie pe termen scurt și puternic. De regulă, condensatoarele electrice sunt utilizate pentru a obține un astfel de impuls. Parametrii înfășurării, proiectilului și condensatorilor trebuie să fie coordonați în așa fel încât atunci când se trage un foc, în momentul în care proiectilul se apropie de solenoid, inducția câmpului magnetic în solenoid este maximă, dar odată cu apropierea ulterioară a proiectilului, scade brusc.

Tunul Gauss ca armă are avantaje pe care alte tipuri de arme de calibru mic nu le au. Aceasta este absența cartușelor, alegerea nelimitată a vitezei inițiale și a energiei muniției, posibilitatea unei împușcături silențioase, inclusiv fără schimbarea țevii și a muniției. Recul relativ scăzut (egal cu impulsul proiectilului aruncat, nu există un impuls suplimentar de la gazele pulbere sau piesele mobile). Teoretic, o mai mare fiabilitate și rezistență la uzură, precum și capacitatea de a lucra în orice condiții, inclusiv în spațiul cosmic. De asemenea, este posibil să folosiți tunuri Gauss pentru a lansa sateliți ușori pe orbită.

Cu toate acestea, în ciuda aparentei sale simplități, folosirea acesteia ca armă este plină de dificultăți serioase:

Eficiență scăzută - aproximativ 10%. Acest dezavantaj poate fi compensat parțial prin utilizarea unui sistem de accelerare a proiectilului în mai multe etape, dar, în orice caz, eficiența ajunge rareori la 30%. Prin urmare, pistolul Gauss este inferior chiar și armelor pneumatice în ceea ce privește forța de împușcare. A doua dificultate este consumul mare de energie și timpul de reîncărcare cumulativ destul de lung al condensatorilor, ceea ce face necesară transportul unei surse de alimentare împreună cu pistolul Gauss. Eficiența poate fi crescută semnificativ prin utilizarea solenoizilor supraconductori, dar acest lucru va necesita un sistem de răcire puternic, care va reduce semnificativ mobilitatea pistolului Gauss.

Timp mare de reîncărcare între focuri, adică cadență scăzută de tragere. Frica de umezeală, pentru că dacă se udă, îl va șoca chiar pe trăgător.

Dar problema principala Acestea sunt surse puternice de putere pentru arme, care sunt în prezent voluminoase, ceea ce afectează mobilitatea

Astfel, astăzi tunul Gauss pentru arme cu letalitate scăzută (mitraliere, mitraliere etc.) nu are prea multe promițături ca armă, deoarece este semnificativ inferior altor tipuri. arme mici. Perspectivele apar atunci când se folosește ca armă navală de calibru mare. De exemplu, în 2016, Marina SUA va începe să testeze un pistol pe apă. Un gun rail, sau rail gun, este o armă în care un proiectil este aruncat nu cu ajutorul unui exploziv, ci cu ajutorul unui impuls de curent foarte puternic. Proiectilul este situat între doi electrozi paraleli - șine. Proiectilul capătă accelerație datorită forței Lorentz, care apare atunci când circuitul este închis. Folosind un pistol cu șină, puteți accelera un proiectil la viteze mult mai mari decât folosind o încărcare cu pulbere.

Cu toate acestea, principiul accelerației electromagnetice a maselor poate fi utilizat cu succes în practică, de exemplu, la crearea instrumentelor de construcție - relevante și moderne direcția fizicii aplicate. Dispozitivele electromagnetice care convertesc energia câmpului în energie de mișcare a corpului nu au fost încă găsite din diverse motive. aplicare largăîn practică, deci are sens să vorbim despre noutate munca noastră.

1.1 Relevanța proiectului: acest proiect este interdisciplinar și acoperă o cantitate mare de material, în urma studiului căruia a apărut ideea de a crea noi înșine un model de lucru al unui pistol Gauss.

1.2 Scopul lucrării: studiază structura unui accelerator de masă electromagnetic (tun Gauss), precum și principiile de funcționare și aplicare a acestuia. Asamblați un model de lucru al tunului Gauss și determinați viteza proiectilului și impulsul acestuia.

Sarcinile principale:

1. Examinați dispozitivul conform desenelor și schemelor.

2. Studiați structura și principiul de funcționare al unui accelerator electromagnetic de masă.

3. Creați un model de lucru.

4. Determinați viteza proiectilului și impulsul acestuia.

Parte practică a lucrării:

Crearea unui model funcțional de accelerator de masă la domiciliu.

1.3 Ipoteza: Este posibil să creați acasă cel mai simplu model de funcționare al unui pistol Gauss?

2. Pe scurt despre Gauss însuși.

Carl Friedrich Gauss (1777-1855) a fost un matematician, astronom, geodeză și fizician german. Lucrarea lui Gauss se caracterizează printr-o legătură organică între matematica teoretică și aplicată și o gamă largă de probleme. Lucrările lui Gauss aveau mare influență cu privire la dezvoltarea algebrei (dovada teoremei fundamentale a algebrei), teoria numerelor (reziduuri pătratice), geometria diferențială (geometria internă a suprafețelor), fizica matematică (principiul Gauss), teoria electricității și magnetismului, geodezia (dezvoltarea celui mai mic metoda pătratelor) și multe ramuri ale astronomiei.

Carl Gauss s-a născut la 30 aprilie 1777, în Brunswick, în prezent Germania. A murit la 23 februarie 1855, Göttingen, Regatul Hanovra, acum Germania. În timpul vieții, i s-a acordat titlul onorific „Prinț al matematicienilor”. El a fost singurul fiu parintii saraci. Profesorii au fost atât de impresionați de abilitățile sale matematice și lingvistice încât au apelat la Ducele de Brunswick cu o cerere de sprijin, iar ducele a dat bani pentru a-și continua studiile la școală și la Universitatea din Göttingen (în 1795-98). Gauss și-a luat doctoratul în 1799 de la Universitatea din Helmstedt.

Descoperiri în fizică

În anii 1830-1840, Gauss a acordat multă atenție problemelor fizicii. În 1833, în strânsă colaborare cu Wilhelm Weber, Gauss a construit primul telegraf electromagnetic din Germania. În 1839, Gauss a publicat eseul „The General Theory of Attractive and Repulsive Forces Acting inverse Proportional to the Square of the Distance”, în care își propune. principalele prevederi ale teoriei potenţialului şi demonstrează celebra teoremă Gauss-Ostrogradsky. Lucrarea „Dioptric Research” (1840) de Gauss este dedicată teoriei construcției imaginii în sisteme optice complexe.

3. Formule legate de principiul de funcționare al pistolului.

Energia cinetică proiectilă

unde: este masa proiectilului, este viteza acestuia

Energia stocată într-un condensator

unde: este tensiunea condensatorului, este capacitatea condensatorului

Timpul de descărcare a condensatorului

Acesta este timpul în care condensatorul este complet descărcat:

Timp de funcționare a inductorului

Acesta este timpul în care EMF al inductorului crește la valoarea sa maximă (descărcarea completă a condensatorului) și scade complet la 0.

unde: — inductanță, — capacitate

Unul dintre elementele principale ale unui pistol Gauss este un condensator electric. Condensatorii sunt polari și nepolari - aproape toți condensatorii mari utilizați în acceleratoarele magnetice sunt electrolitici și sunt polari. Adică, conexiunea corectă este foarte importantă - aplicăm o sarcină pozitivă la terminalul „+” și o sarcină negativă la „-”. Corpul de aluminiu al condensatorului electrolitic, apropo, este și terminalul „-”. Cunoscând capacitatea condensatorului și tensiunea maximă a acestuia, puteți găsi energia pe care o poate acumula acest condensator

4. Partea practică

Bobina noastră de inductanță C are 30 de spire (3 straturi a câte 10 spire fiecare). Două condensatoare cu o capacitate totală de 450 µF. Modelul a fost asamblat după următoarea schemă: vezi Anexa 1.

Am determinat viteza de zbor a unui proiectil care zboară din „țeava” modelului nostru folosind un pendul balistic. Experiența se bazează pe legile conservării impulsului și energiei Deoarece viteza unui glonț atinge o valoare semnificativă, măsurarea directă a vitezei, adică determinarea timpului necesar unui glonț pentru a parcurge o distanță cunoscută de noi. echipamente speciale. Am măsurat indirect viteza glonțului, folosind impactul inelastic - un impact care face ca corpurile care se ciocnesc să se unească și să continue să se miște ca una singură. Un proiectil zburător suferă un impact neelastic cu un corp liber de masă mai mare. După impact, corpul începe să se miște cu o viteză care este de atâtea ori mai mică decât viteza glonțului cu cât masa glonțului este mai mică decât masa corpului.

Un impact inelastic se caracterizează prin faptul că energia potențială de deformare elastică nu apare energia cinetică a corpurilor este convertită complet sau parțial în energie internă. După impact, corpurile care se ciocnesc fie se mișcă cu aceleași viteze, fie sunt în repaus. Într-o coliziune complet inelastică, legea conservării impulsului este îndeplinită:

unde este viteza corpurilor după interacțiune.

Legea conservării impulsului (cantitatea de mișcare) se aplică dacă corpurile care interacționează formează un sistem mecanic izolat, adică un sistem care nu este afectat de forțele externe sau forțele externe care acționează asupra fiecăruia dintre corpuri se echilibrează între ele, sau proiecțiile de forțele externe într-o anumită direcție sunt egale cu zero.

În timpul unui impact neelastic, energia cinetică nu este conservată, deoarece o parte din energia cinetică a proiectilului este convertită în energia internă a corpurilor care se ciocnesc, dar legea conservării energiei mecanice totale este îndeplinită și se poate scrie:

unde este creșterea energiei interne a corpurilor care interacționează.

4.1 Metodologia cercetării.

Pendulul balistic pe care l-am folosit este bloc de lemn cu un strat de plastilină. Ţintă M suspendat pe două fire lungi, practic inextensibile. Pe țintă este montat un indicator laser, al cărui fascicul, atunci când pendulul este deviat (după lovirea proiectilului), se deplasează de-a lungul scării orizontale (Fig. 1).

La o anumită distanță de pendul se află un pistol Gauss. După impact, un proiectil de masă m rămâne blocat în țintă M. Sistemul proiectil-țintă este izolat pe direcția orizontală. De la lungime l firele sunt mult mai mari decât dimensiunile liniare ale țintei, atunci sistemul proiectil-țintă poate fi considerat ca un pendul matematic. După ce proiectilul lovește, centrul de masă al sistemului „proiectil-țintă” se ridică la o înălțime h.

Pe baza legii conservării impulsului în proiecție pe axa x (vezi Fig. 1), avem:

Unde este viteza proiectilului, este viteza proiectilului și a pendulului.

Neglijând frecarea în suspensia pendulului și forța de rezistență a aerului, pe baza legii conservării energiei, putem scrie:

unde este înălțimea de ridicare a sistemului după impact.

Valoarea lui h poate fi determinată din măsurători ale abaterii pendulului de la poziția de echilibru după ce glonțul lovește ținta (Fig. 2):

unde a este unghiul de abatere al pendulului de la poziția de echilibru.

Pentru unghiuri mici de deviere:

unde este deplasarea orizontală a pendulului.

Înlocuind ultima formulă pentru proiectarea legii conservării impulsului pe axă, găsim:

4.2 Rezultatele măsurătorilor.

Am determinat masa m a proiectilului cântărind pe cântare mecanice de laborator:

m = 3 g = 0,003 kg.

Masa M a țintei cu un strat de plastilină și un indicator laser este dată în descrierea configurației laboratorului.

M = 297 g = 0,297 kg.

Lungimile firelor de suspensie trebuie să fie aceleași, iar axa de rotație trebuie să fie strict orizontală.

În această parte am măsurat lungimea firelor folosind o riglă.

l = 147 cm = 1,47 m.

După ce se trage un tun Gauss încărcat cu un proiectil, se determină vizual faptul că glonțul lovește centrul pendulului.

Pentru a efectua calcule suplimentare, notăm pe scară poziția n 0 a indicatorului luminos în starea de echilibru a țintei și poziția n a indicatorului luminos la deviația maximă a pendulului și găsim deplasarea S = (n - n 0) al pendulului.

Măsurătorile au fost efectuate de 5 ori. În acest caz, focuri repetate au fost efectuate numai la o țintă staționară. Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate mai jos:

S av = = 14 mm = 0,014 m,

iar viteza ʋ 0 a proiectilului a fost calculată folosind formula.

U 0 = =12,96 km/h

Determinarea erorilor de măsurare. Determinarea se face folosind formula: , unde l₀ este valoarea medie a lungimilor, Δ l este valoarea medie a erorii. Am determinat deja valoarea medie a lungimii în etapele anterioare, așa că trebuie doar să determinăm valoarea medie a erorii. O vom determina folosind formula: Δ l = Acum putem atribui valoarea lungimii cu o eroare: Găsirea impulsului proiectilului. Impulsul se determină folosind formula: , unde este viteza proiectilului. Înlocuiți valorile:

5. Concluzie.

Scopul lucrării noastre a fost de a studia structura unui accelerator de masă electromagnetic (tun Gauss), precum și principiile funcționării și aplicării acestuia, precum și producerea unui model de lucru al pistolului Gauss și determinarea vitezei proiectilului. . Rezultatele pe care le-am prezentat arată că am produs un model experimental de lucru al unui accelerator de masă electromagnetic (pistol Gauss). În același timp, am simplificat circuitele disponibile pe Internet și modelul a fost adaptat pentru a funcționa într-o rețea industrială standard de curent alternativ. Munca noastră ne permite să tragem următoarele concluzii:

1. Este foarte posibil să asamblați acasă un prototip funcțional al unui accelerator de masă electromagnetic.

2. Utilizarea accelerației electromagnetice de masă are perspective mari în viitor.

3. Armele electromagnetice pot deveni un înlocuitor demn arme de foc de calibru mare Acest lucru va fi posibil în special atunci când se creează surse de energie compacte.

6. Resurse informaţionale:

Wikipedia http://ru.wikipedia.org

Nou armă electromagnetică 2010 http://vpk. nume/știri/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. html

Acest articol este o prezentare abstractă a lucrării principale. Text complet munca stiintifica, aplicații, ilustrații și alte materiale suplimentare sunt disponibile pe site-ul II Concurență internațională cercetarea si lucrări creative studenții „Start in Science” la linkul: https://www.school-science.ru/2017/11/26807.

Interesul meu pentru reconstrucția pistolului Gauss este cauzat de ușurința de asamblare și disponibilitatea materialelor, ușurința de utilizare pe de o parte și consumul mare de energie pe de altă parte, ceea ce a determinat principala problemă a cercetării. Spectrul de aplicare al unui accelerator electromagnetic în viata de zi cu zi. Creați un model de accelerator de masă, pe baza analizei datelor experimentale, aflați unde poate fi folosit un pistol Gauss, în ce domenii ale vieții umane.

Aceste contradicții au actualizat și au determinat alegerea temei de cercetare: „Pistolul Gauss - o armă sau o jucărie?”

De ce am ales acest subiect? Am devenit interesat de designul pistolului și am decis să creez un model al unui astfel de pistol Gauss, adică. instalatie amator. Poate fi folosit ca o jucărie. Dar, în timpul creării modelului, am început să mă gândesc unde mai poate fi folosit pistolul Gauss și cum să proiectez un pistol mai puternic, de ce este nevoie pentru asta?! Cum puteți crește câmpul electromagnetic de călătorie?

Scopul lucrării: Crearea și explorarea diferitelor opțiuni de proiectare pentru pistolul Gauss la modificarea parametrilor fizici ai pieselor pistolului.

Obiectivele cercetării:

1. Creați un model de lucru al unui pistol Gauss pentru a demonstra fenomenul inducției electromagnetice în lecțiile de fizică.

2. Investigați eficiența pistolului Gauss din capacitatea condensatorului și inductanța solenoidului.

3. Pe baza rezultatelor cercetării, propuneți noi domenii de aplicare a pistolului în domeniul suportului vieții umane.

Subiectul studiului este fenomenul de inducție electromagnetică.

Obiectul de studiu este modelul Gaussian Gun.

Metode de cercetare:

1. Analiza literaturii științifice.

2. Modelare materiale, proiectare.

3. Metode experimentale de cercetare

4. Analiză, generalizare, deducție, inducție.

Semnificație practică: Acest dispozitiv poate fi utilizat pentru demonstrații în lecțiile de fizică, ceea ce va contribui la o mai bună înțelegere de către elevi a acestor fenomene fizice.

Pistolul Gauss (ing. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) este unul dintre tipurile de accelerator de masă electromagnetic.

Numit după omul de știință german Carl Gauss, care a pus bazele teoriei matematice a electromagnetismului. Trebuie avut în vedere faptul că această metodă de accelerare a masei este utilizată în principal în instalațiile de amatori, deoarece nu este suficient de eficientă pentru implementarea practică. Principiul său de funcționare (crearea unui câmp magnetic de călătorie) este similar cu un dispozitiv cunoscut sub numele de motor liniar.

Principiul de funcționare al unui pistol Gauss

Pistolul Gauss constă dintr-un solenoid, în interiorul căruia se află un țevi (de obicei din dielectric). Un proiectil (făcut dintr-un material feromagnetic) este introdus într-un capăt al țevii. Când un curent electric curge în solenoid, apare un câmp magnetic, care accelerează proiectilul, „trăgându-l” în solenoid. În acest caz, la capetele proiectilului se formează poli, orientați în funcție de polii bobinei, datorită cărora, după trecerea de centrul solenoidului, proiectilul este atras în sens opus, adică este încetinit. jos. În circuitele de amatori, un magnet permanent este uneori folosit ca proiectil, deoarece este mai ușor să combati EMF indusă care apare. Același efect apare la folosirea feromagneților, dar nu este atât de pronunțat datorită faptului că proiectilul este ușor remagnetizat (forță coercitivă).

Pentru cel mai mare efect, pulsul de curent din solenoid trebuie să fie pe termen scurt și puternic. De regulă, condensatoare electrolitice cu o tensiune mare de funcționare sunt utilizate pentru a obține un astfel de impuls.

Parametrii bobinelor de accelerare, proiectilului și condensatorilor trebuie să fie coordonați în așa fel încât atunci când se trage un foc, în momentul în care proiectilul se apropie de solenoid, inducția câmpului magnetic în solenoid să fie maximă, dar cu apropierea ulterioară a proiectilului scade brusc. Este de remarcat faptul că sunt posibili diferiți algoritmi pentru funcționarea bobinelor de accelerare.

Crearea și depanarea tunului Gauss

Cele mai simple modele pot fi asamblate din materiale vechi chiar și cu cunoștințe școlare fizică.

Să începem asamblarea pistolului cu un solenoid (un inductor fără miez). Teava bobinei este o bucată de paie de plastic lungă de 40 cm. Înfășurăm cu atenție un fir de cupru în jurul ei, întoarcem - raza de tragere a pistolului nostru va depinde de calitatea ansamblului. În total, trebuie să înfășurați 9 straturi. În practică, am constatat că este mai bine să înfășurați două straturi ale înfășurării de excitație cu un conductor în izolație cu clorură de polivinil, care în acest caz nu ar trebui să fie prea gros (nu mai mult de 1,5 mm în diametru). Apoi puteți dezasambla totul, scoateți șaibe și puneți tamburul pe tija stiloului, care va servi drept butoi. Bobina finită poate fi testată cu ușurință prin conectarea acesteia la o baterie de 9 volți: acționează ca un electromagnet. Parametrii înfășurării, proiectilului și condensatorilor trebuie să fie coordonați în așa fel încât atunci când sunt trase, în momentul în care proiectilul se apropie de mijlocul înfășurării, curentul din acesta din urmă ar fi scăzut deja la o valoare minimă, adică încărcarea condensatoarelor ar fi fost deja consumată complet. În acest caz, eficiența unui pistol Gauss cu o singură treaptă va fi maximă. Apoi, asamblam circuitul electric și fixăm elementele acestuia pe un suport fix. Puteți da tunului forma unui pistol, plasând părțile lanțului în corpul unei jucării de plastic pentru copii. Dar am pus lanțul în corpul unei cutii de carton.

În conformitate cu tehnologia descrisă, am creat două modele de lucru. Am efectuat un experiment paralel, schimbând în consecință sistemul de condensatori (în al doilea model există mai mulți condensatori, în primul - unul), numărul de spire ale solenoidului, diverse tipuri conexiuni ale secțiunilor de lanț.

La cercetarea pistolului, am ajuns la concluzia că materialele pentru asamblarea instalației sunt disponibile; există o mulțime de literatură în lume care ajută la înțelegerea principiilor de funcționare a armei și diverse moduri ansamblurile sale. Dar atunci când folosiți o armă, apare problema folosirii acesteia, adică lumea modernă pistolul poate fi folosit doar în scopuri militare și spațiale, deoarece Este foarte dificil de calculat comportamentul bobinei atunci când se folosesc modele în alte sectoare ale activității umane.

Am aflat că teoretic este posibil să folosim tunuri Gauss pentru a lansa sateliți ușori pe orbită. Aplicația principală este instalațiile de amatori, demonstrarea proprietăților feromagneților. De asemenea, este folosit destul de activ ca jucărie pentru copii sau ca instalație de casă care dezvoltă creativitatea tehnică (simplitate și siguranță relativă).

Cu toate acestea, în ciuda simplității aparente a tunului Gauss, folosirea lui ca armă este plină de dificultăți serioase, dintre care principala este consumul ridicat de energie.

Prima și principala dificultate este eficiența scăzută a instalației. Doar 1-7% din sarcina condensatorului este convertită în energia cinetică a proiectilului. Acest dezavantaj poate fi compensat parțial prin utilizarea unui sistem de accelerare a proiectilului în mai multe etape, dar, în orice caz, eficiența ajunge rareori la 27%. Practic, în instalațiile de amatori, energia stocată sub formă de câmp magnetic nu este folosită în niciun fel, ci este motivul folosirii unor întrerupătoare puternice pentru deschiderea bobinei (regula lui Lenz).

A doua dificultate este consumul mare de energie (datorită eficienței scăzute).

A treia dificultate (urmează din primele două) este greutatea și dimensiunile mari ale instalației cu randamentul său scăzut.

A patra dificultate este timpul de reîncărcare cumulativ destul de lung al condensatorilor, ceea ce face necesară transportul unei surse de alimentare (de obicei o baterie puternică) împreună cu pistolul Gauss, precum și costul ridicat al acestora. Teoretic este posibilă creșterea eficienței prin utilizarea solenoizilor supraconductori, dar acest lucru va necesita un sistem de răcire puternic, care aduce probleme suplimentare și afectează grav domeniul de aplicare al instalației. Sau folosiți condensatori înlocuibili cu baterii.

A cincea dificultate este că, odată cu creșterea vitezei proiectilului, timpul de acțiune a câmpului magnetic în timpul trecerii solenoidului de către proiectil este redus semnificativ, ceea ce duce la necesitatea nu numai de a porni fiecare bobină ulterioară a sistemul în mai multe etape în avans, dar și pentru a crește puterea câmpului său proporțional cu reducerea acestui timp. De obicei, acest dezavantaj este imediat trecut cu vederea, deoarece majoritatea sistemelor de casă au fie un număr mic de bobine, fie o viteză insuficientă a glonțului.

In conditii mediu acvatic utilizarea unui pistol fără carcasă de protecție este, de asemenea, serios limitată - inducția de curent la distanță este suficientă pentru ca soluția de sare să se disocieze pe carcasă cu formarea de medii agresive (solvent), ceea ce necesită ecranare magnetică suplimentară.

Astfel, astăzi tunul Gauss nu are perspective ca armă, deoarece este semnificativ inferior altor tipuri de arme de calibru mic care funcționează pe principii diferite. Teoretic, perspectivele sunt, desigur, posibile dacă se creează surse compacte și puternice de curent electric și supraconductori de înaltă temperatură (200-300K). Cu toate acestea, o instalație similară cu un pistol Gauss poate fi utilizată în spațiul cosmic, deoarece în condiții de vid și imponderabilitate multe dintre dezavantajele unor astfel de instalații sunt egalate. În special, programele militare ale URSS și SUA au luat în considerare posibilitatea utilizării unor instalații asemănătoare unui tun Gauss pe sateliții în orbită pentru a distruge alte nave spațiale (cu proiectile cu un număr mare de părți mici dăunătoare) sau obiecte de pe suprafața pământului.

Testele pistolului Gauss au dat o eficiență de 27%. Adică, potrivit experților, o lovitură de gauss este inferioară chiar și pneumatică chineză. Reîncărcarea este lentă - cadența de foc este exclusă. Și cel mai mult mare problema- nu există surse de energie puternice, mobile. Și până când aceste surse vor fi găsite, putem uita de armamentul cu pistoale gauss.

Link bibliografic

Beketov K.S. CANON GAUSS – ARMA SAU JUCĂRIE? // Școală internațională buletin științific. – 2016. – Nr 3. – P. 45-47;
URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=74 (data accesării: 24/08/2019).

Proiect

Pistolul Gauss.

Accelerator electromagnetic de masă (EMUM)

Completat de elevii clasei a IX-a

Școala Gimnazială GBOU 717, Districtul Administrativ de Nord, Moscova

Portul de agrement Polyakova

Litvinenko Ruslan

Lider de proiect, profesor de fizică:

Dmitrieva Olga Alexandrovna

MOSCOVA, 2012

INTRODUCERE……………………………………………………..3

CAPITOLUL I PRINCIPIUL DE OPERARE (GENERAL)…………………………5

FORMULE NECESARE PENTRU CALCUL…………..7

ALGORITM ȘI DESCRIEREA ANSAMBLUI MODELULUI………………….8

SCHEMA DE UTILIZARE…………………………………………11

PRINCIPIUL MODELULUI CREAT……………….…...…11

CAPITOLUL II APLICAREA ACESTUI DISPOZITIV……………....13

2.1 ÎN SPAȚIUL ȘI ÎN SCOPURI PACIFICE………………………………….14

2.2 ÎN SCOP MILITARE…………………………………………………………………….15

2.3 PROPUNEREA NOASTRA…………………………………………………………………..16

CONCLUZIE……………………………………………………………………..18

LITERATURA……………………………………………...………….21

APLICARE

INTRODUCERE

Principiul dispozitivului a fost dezvoltat de Carl Gauss, un fizician, astronom și matematician german.

Proiectul este dedicat unei invenții numită Gauss Gun (Gauss Gun sau Coil Gun, așa cum este numită în stil occidental), numită după remarcabilul matematician, astronom și fizician german.
XIX, care a formulat principiile de bază ale funcționării armelor bazate pe accelerația electromagnetică a maselor, Gauss Gun.
Mulți oameni au auzit despre tunul Gauss din cărți de science fiction sau din jocurile pe calculator, deoarece tunul Gauss este foarte popular în science fiction, unde acționează ca un instrument personal.
de înaltă precizie arme letale, precum și arme staționare de înaltă precizie și de mare viteză.

Printre jocuri, tunul Gauss a apărut în Fallout 2, Fallout Tactics, Half-life (există o armă experimentală numită tunul Tau), iar în StarCraft, infanteriștii sunt înarmați. pușcă automată Gauss C-14 „Tepeș”. De asemenea, în seria de jocuri Quake a apărut o armă asemănătoare cu un tun Gauss, dar în mintea multora, această armă rămâne pur și simplu o invenție a scriitorilor de science fiction, care în cel mai bun caz are prototipuri de dimensiuni mari în realitate.

Scopul lucrării: studiază structura unui accelerator de masă electromagnetic (tun Gauss), precum și principiile de funcționare și aplicare a acestuia. Construiește un model funcțional al tunului Gauss.

Sarcinile principale:

Examinați dispozitivul folosind desene și machete.

Studiați structura și principiul de funcționare al unui accelerator electromagnetic de masă.

Creați un model de lucru.

Aplicarea acestui model.

Parte practică a lucrării:

Crearea unui model de funcționare a unui accelerator de masă într-un cadru școlar. Prezentarea pe calculator a proiectului în format Power Point.

Ipoteză: Este posibil să se creeze cel mai simplu model de funcționare al unui tun Gauss într-un cadru școlar?

Relevanța proiectului: Acest proiect este interdisciplinar și acoperă o cantitate mare de material.