Презентация к исследовательской работе "Пушка Гаусса". Исследование принципа работы пушки Гаусса, электромагнитного ускорителя масс, работающая на явлении электромагнитной индукции.

Просмотр содержимого документа
«Аннотация»

Аннотация.

Устройство - «Пушка Гаусса» относится к электромагнитному ускорителю масс, которая работает на явлении электромагнитной индукции.

Цель работы: исследование принципа работы электромагнитного ускорителя масс на основе пушки Гаусса и возможности его применения в электротехнике.

Задачи:

1. Изучить устройство пушки Гаусса и построить ее опытную модель
2. Рассмотреть параметры эксперимента
3. Исследовать вопрос практического применения устройства, работающих по принципу пушки Гаусса

Методы исследования: эксперимент и моделирование.

Экспериментальная установка состоит из блока зарядки и колебательного контура .

Зарядное устройство питается от сети переменного тока 220В, частотой 50Гц и состоит из четырех полупроводниковых диодов. Колебательный контур включает: конденсатора ёмкостью 800мкф и 330В, катушки индуктивности1,34 мГн.

Производился горизонтальный выстрел из опытного образца массой m =2,45г, при этом дальность полета составило в среднем s =17м, при высоте полета h =1,20м.

По исходным экспериментальным данным: массы двух снарядов, напряжения, емкости конденсатора, дальности и высоты полета, мной были вычислены энергия запасаемая конденсатором, время полета, скорость, кинетическая энергия движения снаряда, кпд установки.

Выводы: мне удалось собрать действующую установку ускорителя с кпд = 3,2% - 4,6%. Модель была мной исследована на дальность полета снаряда. Я установил зависимость дальности полета от скорости вылета снаряда, рассчитал кпд установки. Для повышения кпд необходимо

А. увеличить скорость вылета снаряда, т. к., чем быстрее движется снаряд, тем меньше

потерь при его разгоне. Этого можно достичь за счет

1. уменьшения массы снаряда. Мои экспериментальные исследования показали, что снаряд массой 2,45г имеет дальность полета 11м, а скорость вылета – 22,45 м/с; снаряд – 1,02г – 20,5м и 41,83м/с;

увеличения мощности магнитного поля за счет увеличения индуктивности катушки. Для этого я увеличил количество витков, что соответственно при постоянном диаметре провода, увеличился диаметр самой катушки;

ограничения времени действие магнитного поля на снаряд. Для этого соленоид нужно взять коротким.

В. Чем короче и толще будут соединительные провода, тем больше КПД будет иметь Гаусс.

С. Очень перспективно делать многоступенчатый магнитный ускоритель – каждая последующая ступень будет обладать более высоким КПД, чем предыдущая благодаря увеличению скорости снаряда. Но при малом времени нахождения снаряда в зоне эффективного действия ускоряющего магнитного поля требуется как можно быстрее установить в соленоиде ток нужной величины, а потом его отключить, дабы избежать бесполезных трат энергии. Всему этому препятствует индуктивность катушки и требования к параметрам коммутационных устройств. Разрешить эту проблему можно множеством разных способов – использовать последующие обмотки увеличивающейся длины при постоянном количестве витков – индуктивность будет ниже, а время пролета через них снаряда не намного больше, чем у предыдущей ступени. Чтобы сделать эффективный многоступенчатый магнитный ускоритель масс, не особо критичный к его настройке, требуется обеспечить несколько важных условий:

использовать один общий источник питания обмоток;

использовать ключи, обеспечивающее строго заданное по времени включение тока на обмотку;

использовать синхронное с движением снаряда включение и выключение

обмоток - ток в обмотке должен включатся, когда снаряд попадает в зону

эффективного действия ускоряющего магнитного поля, и должен отключатся,

когда снаряд выходит из этой зоны;

на различных ступенях использовать различные обмотки.

Просмотр содержимого презентации
«Пушка Гаусса»

Пушка Гаусса

(англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) - одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс.

Пушка названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.

Ванюшин Семён,

ученик 9 класса МОУ «СОШ №56» г. Чебоксары

Фотографии Discovery Channel

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

Название детали

В 1-ой пушке

Количество слоёв

во 2-ой пушке

Длина соленоида

Кол-во витков

Материал

Диаметр, форма

Длина

Обтекаемая, цилиндрическая

Масса

Исходные данные

Дальность полёта, s

Высота полёта, h

Ёмкость конденсатора, C

Напряжение сети, U

Экспериментальные данные

Энергия, запасаемая в конденсаторе, Е

Время разряда конденсатора, Т раз

Время работы катушки индуктивности, Т

Индуктивность соленоида, L

Время полёта, t

Скорость вылета снаряда,𝑣

Кинетическая энергия снаряда, E

Преимущества:

Недостатки:

отсутствие гильз

большой расход энергии

неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса.

низкий КПД установки (пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию)

возможность бесшумного выстрела без смены ствола и боеприпаса.

большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности

относительно малая отдача.

большая надежность и износостойкость.

возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

• На данный момент пушку Гаусса используют только в качестве игрушки или проводят с ней различные испытания. Так, в феврале 2008 года ВМС США поставили на эсминец в качестве корабельного оружия рельсотрон, разгоняющий снаряд до 2520 м/с Лабораторные установки для исследования высокоскоростного удара отправляют в цель частицы массой менее 1 г со скоростью до 15 км/с.

Принцип работы.

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

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОБЛАСТНАЯ АКАДЕМИЯ (НАЯНОВОЙ)»

Всероссийский конкурс исследовательских работ

«Познание-2015»

(Секция физика)

Научно-исследовательская работа

по теме: «« из ГОТОВЛЕНИЕ ПУШКИ ГАУССА В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИК »

направлению: физика

Выполнил:

Ф. И.О. Егоршин Антон

Мурзин Артем

СГОАН, 9 «А2» класс

учебное заведение, класс

Научный руководитель:

Ф. И.О. Завершинская И. А .

к. п.н., преподаватель физики

зав. кафедры физики СГОАН

(уч. степень, должность)

Самара 2015

1. Введение…………………………………………………….......…3

2. Краткая биография…………………………………………..……5

3. Формулы, для расчета характеристик модели Пушки Гаусса...6

4. Практическая часть…………………………………….…..…….8

5. Определение КПД модели…………………………………..….10

6. Дополнительные исследования…………….…………….….…11

7. Заключение……………………………………………….……...13

8. Список литературы……………………………………………...14

Введение

В данной работе мы исследуем пушку Гаусса, которою многие могли видеть в некоторых компьютерных играх. Электромагнитная пушка Гаусса известна всем любителям компьютерных игр и фантастики. Назвали ее в честь немецкого физика Карла Гаусса, исследовавшего принципы электромагнетизма. Но так ли уж далеко смертельное фантастическое оружие от реальности?

Из курса школьной физики мы узнали, что электрический ток, проходя по проводникам, создает вокруг них магнитное поле. Чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током, иначе говоря, катушки индуктивности (соленоид). Если катушку с током подвесить на тонких проводниках, то она установится в то же положение, в котором находится стрелка компаса. Значит, катушка индуктивности имеет два полюса - северный и южный.

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол из диэлектрика. В один из концов ствола вставляется снаряд, сделанный из ферромагнетика. При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд может притягиваться в обратном направлении и тормозиться.

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индуктивность магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.

Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия . Это отсутствие гильз, неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса , возможность бесшумного выстрела, в том числе без смены ствола и боеприпас. Относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей). Теоретически, большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства. Также возможно применение пушек Гаусса для запуска легких спутников на орбиту.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностям:

Низкий КПД – около 10 %. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 30%. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию. Вторая трудность – большой расход энергии и достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания. Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения , что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.

Высокое время перезаряда между выстрелами, то есть низкая скорострельность. Боязнь влаги, ведь намокнув, она поразит током самого стрелка.

Но главная проблема это мощные источники питания пушки, которые на данный момент являются громоздкими, что влияет на мобильность.

Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса для орудий с малой поражающей способностью (автоматы, пулеметы и т. д.) не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового вооружения. Перспективы появляются при использовании ее как крупно-калиберного орудия военно-морского. Так например, в 2016 году ВМС США приступят к испытаниям на воде рельсотрона. Рельсотрон, или рельсовая пушка - орудие, в котором снаряд выбрасывается не с помощью взрывчатого вещества, а с помощью очень мощного импульса тока. Снаряд располагается между двумя параллельными электродами - рельсами. Снаряд приобретает ускорение за счёт силы Лоренца, которая возникает при замыкании цепи. С помощью рельсотрона можно разогнать снаряд до гораздо больших скоростей, чем с помощью порохового заряда.

Однако, принцип электромагнитного ускорения масс можно с успехом использовать на практике, например, при создании строительных инструментов - актуальное и современное направление прикладной физики . Электромагнитные устройства, преобразующие энергию поля в энергию движения тела, в силу разных причин ещё не нашли широкого применения на практике, поэтому имеет смысл говорить о новизне нашей работы.

Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала.

Цель работы : изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.

Основные задачи :

1. Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.

2. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.

3. Создать действующую модель.

4. Определить КПД модели

Практическая часть работы :

Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях дома.

Гипотеза : возможно ли создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в условиях дома?

Кратко о самом Гауссе.

(1777-1855) - немецкий математик, астроном, геодезист и физик.

Для творчества Гаусса характерна органическая связь между теоретической и прикладной математикой, широта проблематики. Труды Гаусса оказали большое влияние на развитие алгебры (доказательство основной теоремы алгебры), теории чисел (квадратичные вычеты), дифференциальной геометрии (внутренняя геометрия поверхностей), математической физики (принцип Гаусса), теории электричества и магнетизма, геодезии (разработка метода наименьших квадратов) и многих разделов астрономии .

Карл Гаусс родился 30 апреля 1777, Брауншвейг, ныне Германия. Скончался 23 февраля 1855, Геттинген, Ганноверское королевство, ныне Германия). Еще при жизни он был удостоен почетного титула «принц математиков». Он был единственным сыном бедных родителей. Школьные учителя были так поражены его математическими и лингвистическими способностями, что обратились к герцогу Брауншвейгскому с просьбой о поддержке, и герцог дал деньги на продолжение обучения в школе и в Геттингенском университете (в 1795-98). Степень доктора Гаусс получил в 1799 в университете Хельмштедта.

Открытия в области физики

В 1830-1840 годы Гаусс много внимания уделяет проблемам физики. В 1833 в тесном сотрудничестве с Вильгельмом Вебером Гаусс строит первый в Германии электромагнитный телеграф. В 1839 выходит сочинение Гаусса «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», в которой излагает. основные положения теории потенциала и доказывает знаменитую теорему Гаусса-Остроградского. Работа «Диоптрические исследования» (1840) Гаусса посвящена теории построения изображений в сложных оптических системах.

Формулы, связанные с принципом действия пушки.

Кинетическая энергия снаряда

https://pandia.ru/text/80/101/images/image003_56.gif" alt="~m" width="17"> - масса снаряда
- его скорость

Энергия, запасаемая в конденсаторе

https://pandia.ru/text/80/101/images/image006_39.gif" alt="~U" width="14" height="14 src="> - напряжение конденсатора

https://pandia.ru/text/80/101/images/image008_36.gif" alt="~T = {\pi\sqrt{LC} \over 2}" width="100" height="45 src=">

https://pandia.ru/text/80/101/images/image007_39.gif" alt="~C" width="14" height="14 src="> - ёмкость

Время работы катушки индуктивности

Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0.

https://pandia.ru/text/80/101/images/image009_33.gif" alt="~L" width="13" height="14 src="> - индуктивность

https://pandia.ru/text/80/101/images/image011_23.gif" alt="индуктивность многослойной катушки, формула" width="201" height="68 src=">

Индуктивность рассчитаем с учетом наличия внутри катушки гвоздя. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьмем примерно 100-500. Для изготовления пушки мы изготовили самостоятельно катушку индуктивности с количеством витков 350 (7 слоев по 50 витков, каждый), получили катушку индуктивностью 13,48 мкГн.

Сопротивление проводов рассчитаем по стандартной формуле .

Чем меньше сопротивление, тем лучше. На первый взгляд кажется, что провод большого диаметра лучше, однако это вызывает увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину.

Из анализа литературы мы пришли к выводу, что для пушки Гаусса, изготавливаемую в домашних условиях медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым.

Мощность активных потерь находится по формуле [Вт] Где: I – ток в амперах, R – активное сопротивление проводов в омах.

В этой работе мы не предполагали измерение силы тока и расчет потерь, это вопросы будущей работы, где мы планируем определить ток и энергию катушки..jpg" width="552" height="449">.gif" width="12" height="23"> ; https://pandia.ru/text/80/101/images/image021_8.jpg" width="599 height=906" height="906">

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД МОДЕЛИ.

Для определения КПД мы провели следующий опыт: стреляли снарядом известной массы в яблоко, известной массы. Яблоко было подвешено на нити длиной 1 м. мы определяли расстояние, на которое отклонится яблоко. По данному отклонению определяем высоту подъема, воспользовавшись теоремой Пифагора.

Результаты опытов по расчёту КПД

Таблица№1

Основные расчеты основаны на законах сохранения:

По закону сохранения энергии определим скорость снаряда, вместе с яблоком:

https://pandia.ru/text/80/101/images/image024_15.gif" width="65" height="27 src=">

https://pandia.ru/text/80/101/images/image026_16.gif" width="129" height="24">

https://pandia.ru/text/80/101/images/image029_14.gif" width="373" height="69 src=">

0 " style="border-collapse:collapse">

Из таблицы видно, что сила выстрела зависит от типа снаряда и от его массы, так как сверло весит столько же, сколько и 4 иглы вместе, но оно толще, цельнее, поэтому его кинетическая энергия больше.

Степени пробития снарядами разных тел:

Тип мишени: тетрадный лист.

Тут все понятно, лист пробивается идеально.

Тип мишени: тетрадь в 18 листов .

Сверло мы брать не стали, так как оно тупое, но отдача существенная.

В данном случае снарядам хватило энергии, чтобы пробить тетрадь, но не хватило ее, чтобы преодолеть силу трения и вылететь с другой стороны. Здесь многое зависит от пробивной способности снаряда, то есть формы, и от его шероховатости.

Заключение.

Целью нашей работы являлось изучение устройства электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.

Цель мы достигли : изготовили экспериментальную действующую модель электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), упростив схемы, имеющиеся в интернете, и адаптировав модель к сети переменного тока стандартных характеристик.

Определили КПД полученной модели. КПД оказался равным примерно 1%. КПД имеет малое значение, что подтверждает все, что мы узнали из литературы.

Проведя исследование, мы сделали для себя следующие выводы:

1. Собрать работающий прототип электромагнитного ускорителя масс в домашних условиях вполне реально.

2. Использование электромагнитного ускорения масс имеет большие перспективы в будущем.

3. Электромагнитное оружие может стать станет достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному орудию, Особенно это будет возможным при создании компактных источников энергии.

Список литературы:

1. Википедия http://ru. wikipedia. org

2. Основные виды ЭМО (2010) http://www. gauss2k. narod. ru/index. htm

3. Новое электромагнитное оружие 2010

http://vpk. name/news/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. html

4. Все о Пушке Гаусса
http://catarmorgauss. ucoz. ru/forum/6-38-1

5. www. popmech. ru

6. gauss2k. narod. ru

7. www. physics. ru

8. www. sfiz. ru

12. Физика: учебник для 10 класса с углубленным изучением физики/ , и др.; под ред. , . – М.: Просвещение, 2009.

13. Физика: учебник для 11 класса с углубленным изучением физики/ , и др.; под ред. , . – М.: Просвещение, 2010.

Гаврилкин Тимофей Сергеевич

В настоящее время существует множество видов электромагнитных ускорителей масс. Наиболее известные – «Рельсотрон» и «Пушка Гаусса».

Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Электромагнитные ускорители масс. Пушка Гаусса Выполнил ученик 10 «М» класса МБОУ Лицей №185 Гаврилкин Тимофей Руководитель: Тимченко Ирина Александровна учитель физики МБОУ Лицей № 185

Цель работы: Научиться использовать электромагнитные силы; экспериментально показать их существование, собрав простейший ускоритель масс - пушку Гаусса.

Задачи: 1) Рассмотреть устройство по чертежам и макетам; 2) Изучить строение и принцип действия электромагнитного ускорителя масс; 3) Создать действующую модель

Актуальность работы Принцип электромагнитного ускорения масс можно использовать на практике в различных областях

Пример электромагнитного ускорителя масс

Карл Фридрих Гаусс (30.04.1777 – 23.02.1855)

Принцип работы пушки

Пример многоступенчатой пушки

Катушка индуктивности

Схема пушки Гаусса

Внешний вид модели

Эксперимент Ц ель: рассчитать приблизительную скорость вылета пуль разного типа. Оборудование: пушка Гаусса; 2 пули массами 1г и 3г, изготовленные из иглы и гвоздя; 2 тела – губка массой 3г и скотч массой 60г; линейка; цифровая видеокамера

Ход работы: Установить тело на расстоянии 3-5 см от конца ствола; Совместить отметку 0 на линейке с гранью тела; Выстрелить снарядом в тело; Зафиксировать выстрел и движение видеокамерой; Измерить расстояние, пройденное телом; Проделать опыт с каждым снарядом и телом; При помощи компьютера и видеокамеры определить время движения; Занести результаты в таблицу.

Таблица измерений и результатов выстрел масса пули кг масса тела кг время с расстояние м скорость общая м/с скорость пули м/с 1 0,001 губка 0,003 0,01 0,006 1,2 4,8 2 0,001 скотч 0,06 0,03 0,002 0,13 8,13 3 0,003 губка 0,003 0,04 0,22 11 22 4 0,003 скотч 0,06 0,07 0,04 1,14 24

КПД установки КПД= (А п / А з)*100 % КПД пушки составляет 5%

Спасибо за внимание!

Предварительный просмотр:

Департамент образования

мэрии города Новосибирска

муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Новосибирска «Лицей №185»

Октябрьский район

Электромагнитные ускорители масс. Пушка Гаусса.

Работу выполнил

Ученик 10 М класса

Гаврилкин Тимофей Сергеевич

Руководитель

Тимченко Ирина Александровна,

Учитель физики

Высшей квалификационной категории

Новосибирск, 2016

Введение

2.1. Теоретическая часть. Электромагнитный ускоритель масс.

2.2. Практическая часть. Создание функционирующей модели ускорителя масс в домашних условиях.

Заключение

Литература

Введение

В настоящее время существует множество видов электромагнитных ускорителей масс. Наиболее известные – «Рельсотрон» и «Пушка Гаусса».

Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.

Первая трудность - низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27%.

Вторая трудность - большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею). Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.

Для своей работы я выбрал пушку Гаусса, потому что простая схема сборки установки и доступность её элементов.

Цель моей работы: научиться использовать электромагнитные силы; экспериментально показать их существование, собрав простейший ускоритель масс - пушку Гаусса.

Задачи, которые я поставил перед собой:

1. Рассмотреть устройство пушки Гаусса по чертежам и макетам.

2. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.

3. Создать действующую модель.

Актуальность работы заключается в том, что принцип электромагнитного ускорения масс можно использовать на практике, например, при создании строительных инструментов. Электромагнитное ускорение является перспективным направлением в развитии науки.

Сейчас такие ускорители существуют в основном как новейшие виды вооружения (хотя практически не применяются) и как установки, используемые учеными для практического испытания различных материалов, таких как прочные сплавы для изготовления космических аппаратов, элементов танковой брони и атомной энергетики.

Теоретическая часть

Пушка названа по имени немецкого ученого Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Его именем названа система единиц – Гауссова система единиц. Однако сам Гаусс имеет малое отношение непосредственно к ускорителю.

Идеи подобных ускорителей масс были представлены Ю.В.Кондратюком для выведения с поверхности Земли различных космических контейнеров и аппаратов. В основном такие ускорители рассматривались как «Оружие будущего» или «Сверхмощные виды транспорта». Однако работающих прототипов еще не существует, либо их разработки держатся в особом секрете.

Строение пушки Гаусса.

1. Основные элементы:

• Мощный и достаточно энергоемкий накопитель электрического потенциала, способный в кратчайшее время его разрядить (конденсатор).
• Катушка (цилиндрическая обмотка), служащая непосредственно ускорителем.

2. Принцип действия.

В цилиндрической обмотке (соленоиде) при протекании через неё электрического тока возникает магнитное поле. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида снаряд из ферромагнетика, который от этого начинает разгоняться. Если в момент, когда снаряд окажется в середине обмотки, ток в этой обмотке отключить, то втягивающее магнитное поле исчезнет и снаряд, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки.

Чем сильнее магнитное поле и чем быстрее оно отключается – тем быстрее вылетает снаряд. Но одноступенчатые системы (т.е. состоящие из одной катушки) обладают достаточно низким КПД. Это объясняется рядом факторов:

• Инерционность самого соленоида, самоиндукция которого вначале препятствует втягиванию снаряда, а затем после выключения тока, тормозит его движение.
• Инерционностью снаряда, обладающего значительной массой.
• Силой трения, которая вначале, при разгоне снаряда весьма велика.

Для достижения ощутимых результатов требуется делать обмотки соленоидов с чрезвычайно большой удельной мощностью, что весьма нежелательно, ибо приводит в лучшем случае к перегреву, а в худшем к их перегоранию.

Разработка и создание многоступенчатых систем поможет решить все эти проблемы. Благодаря постепенному, а не импульсному ускорению снаряда удельную мощность обмоток можно снизить и, следовательно, уменьшить их нагрев и продлить срок службы.

В многоступенчатых системах достигается более высокий КПД, что связано с постепенным снижением трения и с более высоким коэффициентом передачи энергии на последующих ступенях. Это означает, что чем больше начальная скорость снаряда, тем большее количество энергии он может взять от соленоида. Иными словами, если в первой ступени снаряду передается 1 – 3 % энергии магнитного поля, то в последней практически вся энергия поля переходит в кинетическую энергию ускоряемого снаряда.

КПД простейших многоступенчатых систем больше, чем одноступенчатых и может достигать 50 %. Но и это не предел! Многоступенчатые системы позволяют добиться более полного использования энергии импульсных источников тока, что даёт возможность в перспективе увеличить КПД системы до 90% и более.

Практическая часть

Для сборки пушки я изготовил самостоятельно катушку индуктивности с количеством витков 350 (5 слоев по 70 витков каждый). Использовал конденсатор емкостью 1000 мкФ, тиристор Т-122-25-10, и батарейку 3В. Для зарядки конденсатора дополнительно собрал цепь, питающуюся от сети, состоящую из лампы накаливания 60 Вт и выпрямительного диода.

Собрал модель по следующей схеме:

Технические характеристики пушки.

1. Снаряды: гвоздь 3г, игла 1г.

2. Катушка индуктивности: 350 витков, 7 слоев по 50 в каждом;

3. Ёмкость конденсатора: 1000 мкФ.

Внешний вид модели представлен на фотографиях:

Эксперимент

Оборудование и материалы:

Пушка Гаусса; 2 пули массами 1г и 3г, изготовленные из иглы и гвоздя;

2 тела – губка массой 3г и скотч массой 60г; линейка; цифровая видеокамера.

Ход работы:

1. Установить тело на расстоянии 3-5 см от конца ствола.

2. Совместить отметку 0 на линейке с гранью тела.

3. Выстрелить снарядом в тело.

4. Зафиксировать выстрел и движение видеокамерой.

5. Измерить расстояние, пройденное телом.

6. Проделать опыт с каждым снарядом и телом.

7. При помощи компьютера и видеокамеры определить время движения.

8. Занести результаты в таблицу.

9. Вычислить КПД установки.

Схема опыта:

Пушка Гаусса Пуля, m п Тело, m т

Вычисления:

1. Согласно формуле S=t(V+V об )/ 2 можно вычислить скорость тела.

Так как начальная скорость тела V =0, то данная формула преобразуется в формулу, имеющую вид V об =2S/t

2. По закону сохранения импульса: m п* v п + m т * v т =(m п + m т )v об

Отсюда V п =(v об * m об )/m п , где m об = m п + m т

Таблица измерений и результатов:

Вывод: заметная разница в скоростях одного снаряда объясняется присутствием силы трения (скольжения для губки, и силы трения качения – для скотча), погрешностью в вычислениях, неточностью измерений и иными факторами сопротивления. Скорость пули зависит от её размера, массы и материала.

Расчёт КПД установки

КПД=(А п / А з ) * 100%

Полезная работа установки – разгон пули. Можно вычислить кинетическую энергию пули, приобретаемую в результате работы пушки по формуле: А п =Е к =(mv 2 )/2

В качестве затраченной работы можно использовать запасаемую конденсатором энергию, которая тратится на работу пушки:

А з = Е=(С * U 2 )/2

С – ёмкость конденсатора 1000 мКФ

U – напряжение 250 В

КПД= (0,003 * 22 2 )/(0,001 * 250 2 ) * 100%

КПД = 5%

Вывод: КПД ускорителя тем выше, чем лучше согласованы параметры соленоида с параметрами конденсатора и параметрами пули, т.е. при выстреле к моменту подлета пули к середине обмотки ток в катушке уже близко к нулю и магнитное поле отсутствует, не препятствуя снаряду вылетать из соленоида. Однако на практике получить такое удается редко – малейшее отклонение от теоретического идеала резко снижает КПД. Остальная энергия конденсатора теряется на активном сопротивлении проводов.

Заключение

Мой первый образец пушки Гаусса - простейший одноступенчатый ускоритель, служащий, скорее наглядной моделью для понимания принципа работы настоящего ускорителя.

В будущем планирую собрать более мощный многоступенчатый ускоритель, улучшив характеристики и добавив возможность заряжать его от аккумулятора. Так же более подробно изучить строение и принцип работы «Рельсотрона», после чего попытаться собрать и его.

Список литературы

1. Физика: учебник для 10 класса с углубленным изучением физики/ А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, А. Н. Малинин и др.; под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. – М.: Просвещение, 2009.

2. Физика: учебник для 11 класса с углубленным изучением физики/ А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, А. Н. Малинин и др.; под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. – М.: Просвещение, 2010.

3. С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. Физика. 10 класс : учебник для общеобразовательных учреждений (базовый и углубленный уровень). – М.: Мнемозина, 2010.

4. С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. Физика. 11 класс : учебник для общеобразовательных учреждений (базовый и углубленный уровень). – М.: Мнемозина, 2009.

5. Основные виды ЭМО. -электронный ресурс: http://www. gauss2k. narod. ru/index. Htm

6. Пушка Гаусса.- электронный ресурс: http://ru. wikipedia. org

Довольна мощная модель знаменитой Гаусс пушки, которую можно сделать своими руками из подручных средств. Данная самодельная Гаусс пушки изготавливается очень просто, имеет лёгкую конструкцию, всё используемые детали найдутся у каждого любителя самоделок и радиолюбителя. С помощью программы расчёта катушки, можно получить максимальную мощность.

Итак, для изготовления Пушка Гаусса нам потребуется:

1. Кусок фанеры.
2. Листовой пластик.
3. Пластиковая трубка для дула ∅5 мм.
4. Медный провод для катушки ∅0,8 мм.
5. Электролитические конденсаторы большой ёмкости
6. Пусковая кнопка
7. Тиристор 70TPS12
8. Батарейки 4X1.5V
9. Лампа накала и патрон для неё 40W
10. Диод 1N4007

Сборка корпуса для схемы Гаусс пушки

Форма корпуса может быть любой, не обязательно придерживаться представленной схеме. Что бы придать корпусу эстетический вид, можно его покрасить краской из баллончика.

Установка деталей в корпус для Пушки Гаусса

Для начала крепим конденсаторы, в данном случае они были закреплены на пластиковые стяжки, но можно придумать и другое крепление.

Затем устанавливаем патрон для лампы накала на внешней стороне корпуса. Не забываем подсоединить к нему два провода для питания.

Затем внутри корпуса размещаем батарейный отсек и фиксируем его, к примеру саморезами по дереву или другим способом.

Намотка катушки для Пушки Гаусса

Для расчета катушки Гаусса можно использовать программу FEMM, скачать программу FEMM можно по этой ссылке https://code.google.com/archive/p/femm-coilgun

Пользоваться программой очень легко, в шаблоне нужно ввести необходимые параметры, загрузить их в программу и на выходе получаем все характеристики катушки и будущей пушки в целом, вплоть до скорости снаряда.

Итак приступим к намотке! Для начала нужно взять приготовленную трубку и намотать на неё бумагу, используя клей ПВА так, что бы внешний диаметр трубки был равен 6 мм.

Затем просверливаем отверстия по центру отрезков и насаживаем из на трубку. С помощью горячего клея фиксируем их. Расстояние между стенками должно быть 25 мм.

Насаживаем катушку на ствол и приступаем к следующему этапу…

Схема Гаусс Пушки. Сборка

Собираем схему внутри корпуса навесным монтажом.

Затем устанавливаем кнопку на корпус, сверлим два отверстия и продеваем туда провода для катушки.

Для упрощения использования, можно сделать для пушки подставку. В данном случае она была изготовлена из деревянного бруска. В данном варианте лафета были оставлены зазоры по краям ствола, это нужно для того что бы регулировать катушку, перемещая катушку, можно добиться наибольшей мощности.

Снаряды для пушки изготавливаются из металлического гвоздя. Отрезки делаются длиной 24 мм и диаметром 4 мм. Заготовки снарядов нужно заточить.

П р о е к т

Пушка Гаусса.

Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУМ)

Выполненный, учениками 9г класса

ГБОУ СОШ 717, САО, города Москвы

Полякова Марина

Литвиненко Руслан

Руководитель проекта, учитель физики:

Дмитриева Ольга Александровна

МОСКВА, 2012

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………..3

ГЛАВАI ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ (ОБЩИЙ)…………………………5

НЕОХОДИМЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА……………………..7

АЛГОРИТМ И ОПИСАНИЕ СБОРКИ МОДЕЛИ………………….8

СХЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ…………………………………………11

ПРИНЦИП СОЗДАННОЙ МОДЕЛИ……………………….…...…11

ГЛАВАII ПРИМЕНЕНИЕ ДАННОГО УСТРОЙСТВА……………....13

2.1 В КОСМОСЕ И МИРНЫХ ЦЕЛЯХ………………………………….14

2.2 В ВОЕННЫХ ЦЕЛЯХ………………………………………………….15

2.3 НАШЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ.……………………………………………..16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..18

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………...…………….21

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Принцип устройства был разработан Карлом Гауссом, немецким физиком, астрономом и математиком.

Проект посвящен изобретению под названием Пушка Гаусса (Гаусс Ган или Коил Ган, как его называют на западный манер), по фамилии выдающегося немецкого математика, астронома и физика
XIX века, сформулировавшего основные принципы работы оружия, основанного на электромагнитном ускорении масс, гаусс гана.
Многие слышали о пушке Гаусса из фантастических книг или компьютерных игр, так как Пушка Гаусса весьма популярна в научной фантастике, где выступает в качестве персонального
высокоточного смертоносного оружия, а также стационарного высокоточного и высокоскорострельного оружия.

Среди игр пушка Гаусса появлялась в Fallout 2, Fallout Tactics, Half-life (есть экпериментальное оружие, именуемое Тау-пушкой), в StarCraft пехотинцы вооружены автоматической винтовкой Гаусса C-14 «Impaler». Также оружие похожее на пушку Гаусса появлялось в серии игр Quake, но в сознании многих эта пушка остается просто выдумкой фантастов, которая в лучшем случае имеет высокогабаритные прототипы в реальности.

Цель работы : изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса.

Основные задачи :

Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.

Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.

Создать действующую модель.

Применение данной модели.

Практическая часть работы :

Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях школы. Компьютерная презентация проекта в формате Power Point .

Гипотеза : возможно ли создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в условиях школы?

Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала.