2486

Определение скорости пули при помощи баллистического маятника

Лабораторная работа

Физика

Цель работы. Определить скорость пули и потери механической энергии при неупругом взаимодействии пули и ловушки, используя закон сохранения момента импульса, закон сохранения и превращения энергии.

Русский

2013-01-06

235.68 KB

137 чел.

                                           Лабораторная работа № 130

Определение скорости пули при помощи баллистического маятника

Цель работы. Определить скорость пули и потери механической энергии при неупругом взаимодействии «пули» и «ловушки», используя закон сохранения момента импульса, закон сохранения и превращения энергии.

Приборы и принадлежности: 1. Установка лабораторная.

                                                     2. Набор пуль.

1. Теоретическое введение.

        В данной работе для определения скорости полета пули используется баллистический маятник. Баллистический маятник (Рис. 1) представляет собой физический маятник, состоящий из «ловушки» массой , закрепленной на нижнем конце стержня массой . Верхний конец стержня насажен на вал, закрепленный в подшипнике, так что вся система может свободно вращаться вокруг горизонтальной оси Z , проходящей через центр вала. После выстрела из пружинного пистолета пуля массой попадает в неподвижную ловушку и остается в ней. В результате абсолютно неупругого удара пули об ловушку маятник отклоняется от положения равновесия. Законы сохранения момента импульса и энергии позволяют найти скорость пули по величине угла отклонения маятника от положения равновесия. На рис. 1 изображена система "пуля - маятник" в трех важных состояниях:

Состояние 1 - пуля вылетела из пистолета, но еще не долетела до ловушки. Ловушка неподвижна.

Состояние 2 - пуля попала в ловушку, которая  вместе с пулей начала отклоняться от положения равновесия. 

Состояние 3 - маятник отклонился на максимальный угол , и ловушка с пулей сместилась вдоль измерительной шкалы на расстояние S, которое измеряем в работе. При этом центр инерции ловушки с пулей поднимается на высоту Н относительно положения равновесия.

Рис. 1

Условно движение системы тел маятника можно представить двумя процессами.

В процессе 1 движущаяся пуля взаимодействует с ловушкой, и система переходит из состояния 1 в состояние 2. В этом процессе механическая энергия не сохраняется из-за ее частичного преобразования во внутреннюю энергию. При этом, однако, сохраняется момент импульса системы относительно оси вращения Z:

                                                                        ,                                                         (1)

где LZ1 – проекция момент импульса системы на ось  Z  до взаимодействия:   

                                     ,                    (2)

LZ2 - проекция момент импульса системы на ось Z  после взаимодействия:

                                         (3)

В соотношении (3) -полный момент инерции системы относительно оси Z, , , - соответственно моменты инерции пули, ловушки и стержня маятника относительно оси Z. 

После абсолютно неупругого захвата пули в ловушку маятник начинает вращаться вокруг оси  Z  с  угловой скоростью . Из выражений (2) и (3) следует, что начальная угловая скорость системы определяется соотношением

                                                                                  (4)

Полная механическая энергия системы (равная энергии пружины или кинетической энергии пули) в процессе 1 не сохраняется, так как при движении пули в ловушке происходят многократные  неупругие соударения пули со стенкой. В результате большая часть механической энергии системы теряется на совершение работы неконсервативных сил, возникающих при деформациях пули и стенок ловушки. Величина потери энергии равна работе неконсервативных сил и равна разности первоначальной энергии системы и начальной энергии вращения маятника

                            (5)

В процессе 2 (переход из второго состояния в третье) работу совершает лишь консервативная сила тяжести, поэтому к процессу 2 можно применить закон сохранения полной механической энергии:

,      (6)

где     

                                                                                 (7)

- кинетическая энергия вращательного движения системы в состоянии 2,

              (8)

- потенциальная энергия системы в состоянии 3.

Из Рис. 1 следует, что изменение высоты центра масс С ловушки с пулей при переходе из состояния 2 в состояние 3 равно:

                     .    (9)

    При этом изменение высоты центра масс стержня в 2 раза меньше:

    .                            (10)

Здесь - перемещение центра ловушки из равновесного положения в  его положение при максимальном  отклонении, определяемое по шкале линейки 7.

Из соотношений (6)-(10) найдем скорость пули

                         (11)

2. Описание схемы установки.

Схема лабораторной установки представлена на Рис.2. На платформе 10 размещены пружинный пистолет 1, стойка 5 на которой закреплён вал с подшипником 4. На вал подшипника насажен верхний конец стержня 3 маятника, на нижнем конце которого закреплена ловушка 2.

Рис. 2

Стержень ствола пистолета 1 находится на одном уровне с входным отверстием ловушки 2.  Расстояние s, пройденное ловушкой, измеряется с помощью металлической линейки 7, которая фиксирует подвесную пластинку 6  ловушки 2 с помощью зубчатой поверхности линейки. Для сжатия пружины 8 необходимо пулю - полый металлический цилиндр надеть на стержень ствола пистолета, сжать пружину пулей, закрепив ее специальным фиксатором 9. Выстрел производится нажатием на фиксатор 9 вниз, в результате чего пуля влетит в ловушку. Маятник с пулей отклонится на угол и останется в этом положении за счёт подвесной планки 6, зафиксированной зубцами линейки 7.

                          3. Выполнение работы.  

Из таблицы (на платформе 10) занести в протокол расстояние от оси вращения до центра инерции ловушки l, массы пуль и , а также массы ловушки и стержня маятника

1. Привести установку в исходное положение, для чего: установить стержень маятника так, чтобы он висел параллельно стойки 5; определить соответствующее положение планки 6 по  шкале линейки 7. Ловушку отцентрировать так, чтобы ось стержня ствола проходила через центр отверстия ловушки (т.е. так, чтобы пуля после выстрела попала в ловушку). Пули должны находиться на платформе 10. Значение занести в табл. 1.

2. Надеть пулю массой  на стержень ствола  пистолета и сжать пружину пулей влево и закрепить её фиксатором 9 за третий виток пружины от ее конца. При последующих повторных измерениях производить фиксацию пружины за тот же виток.

3. Нажать на фиксатор пружины вниз и произвести выстрел из пистолета по маятнику. Пуля влетит в ловушку и отклонит маятник от исходного положения. Планка 6 зафиксирует крайнее положение   отклоненного маятника по шкале линейки 7. Найти  разницу между начальным и конечным положением планки 6 по шкале линейки 7: . Результаты занести в таблицу 1.

4. Вынуть пулю из ловушки, отклонив маятник вправо. Возвратить систему в исходное положение.

5. Опыт повторить два раза по пп. . Результаты занести в таблицу 1.

6. Заменить пулю массой на пулю массой и провести три раза выполнение пунктов . Результаты измерений занести в табл. 1.

4. Обработка результатов наблюдений.

1. Для каждого значения перемещения, найденного  в двух сериях опытов с разными значениями массы пули и  , рассчитать по формуле (11) значения скорости пули до удара и по формуле (5) работы А неконсервативных сил при ударе пули и ловушки. Результаты занести в таблицу 1.

2.  Для каждой  массы пули рассчитать средние значения скорости пули  и работы . Результаты занести в таблицу 1.

3. Вычислить относительные погрешности измерений и A как для косвенных измерений, приравняв их приближенно относительной погрешности определения длины перемещения . (для нахождения случайной ошибки   определить стандартной процедурой среднеквадратичную ошибку и умножить ее на соответствующий числу измерений коэффициент Стьюдента). Результаты занести в таблицу 1.

4. Записать окончательные результаты для двух значений массы пули в виде:

                   

                  

5. Сравнить результаты определения скорости и работы для двух значений массы пули и проанализировать их на основе формул (5), (11).

Данные измерений и вычислений занести в табл. 1

                                                                                                                   Таблица 1

№ п/п

, кг

, м

м

м

, м

, м

, м/c

, м/c

,

Дж

,

Дж

=

=

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Вывести расчетные формулы для и А.
  2.  Как определить относительную погрешность измерений
  3.  Почему при расчете относительной погрешности учитывалась только ошибка измерения длины перемещения?
  4.  Поясните преобразование одного вида энергии в другой после выстрела.
  5.  Какие силы называются неконсервативным и что они вызывают?
  6.  Почему при захвате пули в ловушку не сохраняется механическая энергия системы, но сохраняется ее момент импульса?
  7.  При каком ударе (упругом или неупругом) маятник отклонится на больший угол и почему?
  8.  Почему при проведении повторных наблюдений натяжение пружины устанавливается всегда одинаковым?

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65519. ДІАГНОСТИЧНА ЗНАЧИМІСТЬ НОВОГО МЕТОДУ ДОВГОХВИЛЬОВОЇ ОФТАЛЬМОГРАФІЇ У ХВОРИХ З ВІКОВОЮ МАКУЛЯРНОЮ ДЕГЕНЕРАЦІЄЮ 226 KB
  Патологія макулярної ділянки очного дна займає одне з перших місць в світі як причина слабкого зору та сліпоти і на теперішній час вважається найбільш складною для діагностики та лікування. Одним із найбільш розповсюджених та найтяжчих захворювань органа зору серед патології очного дна...
65520. Особливості використання сучасних сортів ячменю ярого в селекції на пивоварну якість та продуктивність 222.5 KB
  Актуальність теми полягає в необхідності встановлення ефективності селекції ячменю ярого на пивоварну якість і урожайність на основі використання в схрещуванні сучасних сортів виділених за цінними ознаками продуктивності...
65521. Підвищення точності зміцнювальної накатки зубців за рахунок розробки принципово нової геометрії накатного інструмента 191 KB
  Підвищення продуктивності та якості виготовлення циліндричних зубчастих коліс із одночасним зниженням їх собівартості є однією з найбільш актуальних задач технологів та інструментальників усього світу.
65522. Диференціальний розчинонасос із вертикальним проточним плунжером 1.09 MB
  У будівельній промисловості при спорудженні будівель як промислового так і цивільного призначення до чверті загальної трудомісткості становлять роботи пов’язані з використанням будівельних розчинів: штукатурні роботи улаштування наливних підлог замонолічування стиків будівельних елементів тощо.
65523. ЕКОЛОГІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ЗАХИСТУ ЧОРНОЇ СМОРОДИНИ ВІД ЛУСКОКРИЛИХ ШКІДНИКІВ В ЦЕНТРАЛЬНОМУ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ 222 KB
  В агроекологічних умовах Центрального Лісостепу в останні роки значної шкоди агроценозу смородини чорної завдає комплекс лускокрилих фітофагів зокрема смородинова склівка листовійки аґрусова вогнівка та смородинова брунькова міль.
65524. Підвищення показників якості базової станції технології WiMax 418 KB
  Для цього випадку в рамках даної дисертаційної роботи запропоновано варіант збільшення зони покриття базової станції WiMаx за допомогою багатопролітної радіорелейної лінії. Тема роботи присвячена дослідженню можливості застосування як засобу збільшення зони покриття базової станції WiMаx...
65525. ПРОДУКТИВНІСТЬ ЛЬОНУ-ДОВГУНЦЯ ЗАЛЕЖНО ВІД ЗАСТОСУВАННЯ КОМПЛЕКСНОГО ДОБРИВА ТА РЕГУЛЯТОРА РОСТУ В УМОВАХ ПОЛІССЯ 298 KB
  З появою нових комплексних добрив з певним співвідношенням макро- та мікроелементів, а також універсальних регуляторів росту біологічного походження нового покоління з’явилися резерви покращення забезпечення льону-довгунця необхідними...
65526. РОЗРОБКА АПАРАТУРИ, СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ І КОНТРОЛЮ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ВИРОЩУВАННЯ ЗЛИТКІВ КРЕМНІЮ ДЛЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ 700.34 KB
  Сьогодні значна частина монокристалів кремнію для напівпровідникового виробництва вирощується методом Чохральського. До недоліків вирощування кристалів кремнію для сонячної енергетики методом Чохральського слід віднести підвищений вміст...