Przeskocz do treści

Delta mi!

Loading

Domowe Eksperymenty Fizyczne

Gauss, cel, pal!

Stanisław Bednarek

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: sierpień 2013
  • Publikacja elektroniczna: 31-07-2013
  • Autor: Stanisław Bednarek
    Afiliacja: Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Łódzki
obrazek

Elektromagnetyczne działo Gaussa

Elektromagnetyczne działo Gaussa

Klasyczne działa miotające pociski siłą wywieraną przez gazy wytwarzane podczas detonacji chemicznych materiałów wybuchowych znane są co najmniej od kilkuset lat. Tymczasem do rozpędzania pocisków można także użyć oddziaływań elektromagnetycznych -- taką broń nazywamy działem Gaussa...

Na pierwszy ogień naszych doświadczeń pójdzie elektromagnetyczne działo Gaussa. Żeby je zbudować, z dolnej części korytka kablowego odcinamy brzeszczotem piłki do metalu odcinek o długości około 15 cm i umieszczamy go w otworze cewki położonej na stole. Końcówki cewki łączymy przewodami poprzez otwarty wyłącznik z baterią, a w korytku kablowym, tuż przed otworem cewki, kładziemy kulę łożyskową. Zamykamy na chwilę wyłącznik i obserwujemy, że kulka potoczyła się do wnętrza cewki i wyleciała z drugiej strony ze znaczną prędkością. W ten sposób oddaliśmy pierwszy strzał z działa Gaussa.

Kulka uzyskała energię kinetyczną w wyniku przemiany energii prądu elektrycznego, przepływającego przez cewkę, która z kolei zmieniła się na energię pola magnetycznego wciągającego kulkę do wnętrza cewki. Sprawność takiego działa jest jednak niewielka. Aby ją oszacować, powinniśmy zmierzyć natężenie prądu math napięcie baterii math  i czas zamknięcia wyłącznika math – następnie obliczamy energię prądu ze wzoru math  Energię kinetyczną kulki obliczamy ze wzoru math gdzie math  jest masą kulki, math  zasięgiem rzutu poziomego, a  math wysokością, z której wystrzeliwujemy kulkę. Sprawność działa to stosunek math

obrazek

Rys. 1 Budowa elektromagnetycznego działa Gaussa: (a) przekrój podłużny, (b) widok z przodu;
1 – uzwojenie,
2 – szpulka izolacyjna (karkas),
3 – korytko kablowe,
4 – kulka,
math– impuls napięcia.

Rys. 1 Budowa elektromagnetycznego działa Gaussa: (a) przekrój podłużny, (b) widok z przodu;
1 – uzwojenie,
2 – szpulka izolacyjna (karkas),
3 – korytko kablowe,
4 – kulka,
math– impuls napięcia.

obrazek

Rys. 2 Magnetyczne działo Gaussa widziane z boku:
(a) przed wystrzałem, (b) po wystrzale;
1 – magnes walcowy,
2 – korytko kablowe,
3 – kulki pośrednie,
4 – kulka nalatująca,
5 – kulka wystrzeliwana,
N, S – bieguny magnesów,
math – prędkości kulki nalatującej i wystrzelonej.

Rys. 2 Magnetyczne działo Gaussa widziane z boku:
(a) przed wystrzałem, (b) po wystrzale;
1 – magnes walcowy,
2 – korytko kablowe,
3 – kulki pośrednie,
4 – kulka nalatująca,
5 – kulka wystrzeliwana,
N, S – bieguny magnesów,
math – prędkości kulki nalatującej i wystrzelonej.

Znacznie większą prędkość nadaje kulkom magnetyczne działo Gaussa, które jeszcze łatwiej zbudować. Odcinamy kawałek dolnej części korytka kablowego o długości około 40 cm i w nim umieszczamy kilka walcowych magnesów neodymowych w odstępach około math cm. Magnesy przyklejamy przez owinięcie ich i korytka kilka razy taśmą klejącą. Wszystkie magnesy powinny mieć tak samo zorientowane bieguny magnetyczne, np. wszystkie bieguny S w prawo. Tak przygotowane korytko kładziemy poziomo i między magnesami umieszczamy po dwie kulki łożyskowe jak na rysunku 2(a). Żeby oddać strzał, umieszczamy jeszcze jedną kulkę w korytku przed pierwszym magnesem i lekko ją popychamy w stronę tego magnesu, nadając pewną prędkość math Stwierdzimy wtedy, że kulka dotykająca ostatniego magnesu wyleci z korytka z prędkością math Zmieni się przy tym rozmieszczenie pozostałych kulek – popchnięta kulka (nalatująca) zostanie przyciągnięta do pierwszego magnesu, natomiast kulki między magnesami rozdzielą się i każda z nich będzie przylegała do innego magnesu (Rys. 2(b)).

Aby oddać następny strzał, należy działo „naładować” przez przywrócenie rozmieszczenia kulek z rysunku 2(a). Ponieważ kulka wystrzelona ma znacznie większą energię kinetyczną niż kulka nalatująca, to zasadne jest pytanie, dlaczego ta wersja działa nie łamie zasady zachowania energii. Wzrost energii kinetycznej wystrzelonej kulki pochodzi z przemiany różnicy energii potencjalnej oddziaływania magnetycznego układu magnesów i kulek w konfiguracjach pokazanych na rysunkach 2(b) i 2(a). W czasie ładowania działa wykonujemy pewną pracę, pokonując siły oddziaływania magnetycznego. Właśnie ta praca zostaje zgromadzona w postaci energii potencjalnej układu. Magnetyczne działo Gaussa stanowi nie tylko atrakcyjną zabawkę, ale nadaje się również do badań ilościowych.

Rozpędzając kulkę nalatującą na równi pochyłej i mierząc zasięg kulki wystrzelonej z działa w celu wyznaczenia jej prędkości początkowej, możemy określić stosunek prędkości kulki nalatującej i wystrzeliwanej, a także zbadać go w zależności od takich czynników jak: ilość magnesów, odległość między nimi, wysokość równi, czy ilość kulek między magnesami. Znaczny wzrost prędkości kulki wystrzeliwanej można uzyskać, umieszczając za ostatnim magnesem dwie kulki.

Na koniec ważna uwaga. Ulepszone działa Gaussa mogą wyrządzić szkody – pistolety ze strzałkami magnetycznymi są używane jako tajna broń przez służby specjalne, m.in. ze względu na ciche działanie. Polskie prawo (ustawa o broni i amunicji) nie obejmuje stosownymi ograniczeniami urządzeń miotających pociski za pomocą pola elektromagnetycznego. Jak zawsze, należy jednak zachować ostrożność i zdrowy rozsądek.

Notice: Undefined index: story_alias_uuid in /home/misc/deltami/public_html/ui/inc/site_php_include/index.inc on line 23 Notice: Undefined index: story_alias_uri in /home/misc/deltami/public_html/ui/inc/site_php_include/index.inc on line 24