Здесь я опишу пушку, которая может забивать шары для пинг-понга достаточно быстро, чтобы проходить сквозь фанеру и алюминиевые банки. Эта «вакуумная пушка» была продемонстрирована на уроках физики в колледжах, поскольку она включает в себя множество основных физических понятий, таких как законы движения Ньютона, давление воздуха и динамика частиц. В Интернете есть несколько отличных видеороликов с демонстрациями этих классов в колледже, но детали конструкции немного отрывочны. Некоторые источники утверждают, что скорость мяча для пинг-понга намного превышает скорость звука (340 м / с или 760 миль в час), но другие проводят математический анализ, который указывает на предельную скорость около 280 м / с (625 миль в час). Я сделал баллистический маятник и провел множество тестов по измерению скорости, моя средняя скорость составила 378 м / с (845 миль в час). Итак, я собираюсь заявить о сверхзвуковой скорости и признать, что есть некоторые разногласия. Итак, вот предупреждение: на такой скорости даже мяч для пинг-понга очень опасен. Речь идет о снаряде, летящем со скоростью пули винтовки. Если вы решили создать это устройство, вы должны относиться к нему с уважением и применять соответствующие меры безопасности. К ним относятся: Настройте его так, чтобы никто не мог быть ни впереди, ни за пушкой. Надевайте защитные очки и средства защиты глаз. Не ставьте никакие части тела перед пушкой или за ней. Кроме того, пушка может и будет стрелять в неожиданное время, особенно если вы экспериментируете вначале.
Шаг 1. Как это работает
«Пушка» представляет собой трубу из ПВХ длиной 6 футов 1 1/2 дюйма. На ближнем конце помещается шарик для пинг-понга, и оба конца закрываются тонкой пластиковой или алюминиевой фольгой. Затем воздух удаляется из трубы. с вакуумным насосом. Когда уплотнение на ближнем конце разрывается, воздух при атмосферном давлении устремляется в трубу и выталкивает шар через уплотнение на дальнем конце. Ключевой принцип заключается в том, что шар движется через вакуум в трубе, поэтому сопротивление воздуха отсутствует. При полном атмосферном давлении с одной стороны мяча и отсутствии сопротивления с другой, мяч первоначально ускоряется примерно со скоростью 5000 г. На фотографии показана установка.
Шаг 2: Детали и инструменты
Единственный крупный билет - это вакуумный насос. Тот, который я купил, стоил около 100 долларов. Чем выше вакуум, тем лучше результаты. В идеале это должен быть двухступенчатый насос. Многие вакуумные насосы доступны на EBay; они обычно используются в холодильной торговле. Также: Защитные очки Защита органов слуха Шесть футов трубы из ПВХ диаметром 1 1/2 дюйма, график 40 (важно) Муфта для трубы из ПВХ диаметром 1 1/2 дюйма Тонкий пластик и алюминиевая фольга. Вакуумные трубки и фитинги, я использовал размер 1/4 дюйма. Вакуумметр (необязательно). Мячи для пинг-понга, их много. Убедитесь, что они стандартного диаметра 40 мм (1,57 дюйма). Здесь есть шары для пинг-понга диаметром 38 мм; они почти не будут работать. Базовые инструменты магазина, ничего особенного.
Шаг 3: сделайте печати
Эта часть сложна; уплотнения должны быть полностью герметичными, но при разрезании они должны разрываться, а не протекать медленно. Они пойдут на ура, когда будут правы. Есть несколько способов. Чтобы сделать пломбы, я перечислю то, что лучше всего сработало для меня. Лучше всего положить фольгу между двумя квадратами из фанеры или МДФ толщиной 1/4 дюйма. Я вырезал 2-дюймовое отверстие в центре квадратов. Затем зажать пружинными зажимами. Я использую эту печать на ближнем конце. На дальнем конце я натягиваю фольгу на трубу 1 1/2 дюйма, затем плотно прижимаю к ней муфту из ПВХ 1 1/2 дюйма. Морщины плохие, они могут вызвать небольшую утечку вакуума или преждевременный разрыв. Когда вакуумный насос работает и уплотнения установлены, можно ожидать преждевременных разрывов в любое время с любого конца! Я использовал пластиковую пленку «Basket Wrap», доступную в магазинах тканей, для уплотнения дальнего конца, а теперь использую алюминиевую фольгу для квадратных уплотнений, показанных ниже. Вы можете использовать пластиковую пленку, как на фотографии, но я обнаружил, что алюминий работает лучше всего и обеспечивает максимальную скорость. Лучше всего подходят плоские квадратные уплотнения. При включенном вакуумном насосе просто прижмите уплотнения к концу трубы, а все остальное сделает вакуум.
Шаг 4: подготовьте пушку
Установите шланговый фитинг возле одного конца трубы (ближний конец). Я использовал латунный фитинг с зазубриной для шланга 1/8 "NPT x 1/4". Он должен быть герметичным. Отшлифуйте концы трубы ровно и гладко. Подсоедините трубку 1/4 дюйма между вакуумным насосом и фитингом на трубе. В зависимости от типа насоса может потребоваться клапан; мой насос поставлялся с запорным клапаном.
Шаг 5: выстрелить из пушки
1. Поместите мяч для пинг-понга на «ближнем» конце, прямо перед уплотнением. 2. Установите уплотнение на «дальнем» конце (см. Фото в шаге 3). 3. Установите мишень, например, алюминиевые консервные банки. 4. Наденьте защитные очки и средства защиты органов слуха. 5. Включите вакуумный насос. 6. Удерживайте квадратное уплотнение до отверстия ближнего конца трубы. Пылесос схватит его и плотно прижмет. На двух фотографиях показаны два типа уплотнений «ближнего конца» на месте, удерживаемых вакуумом. Сейчас я использую алюминиевую фольгу. 7. Подождите, пока не будет достигнут максимальный вакуум, затем проткните уплотнение ближнего конца. Будет громкий хлопок. На основном фото показана стрельба, когда мяч легко прошел через алюминиевую банку. При максимальном вакууме около 30 дюймов ртутного столба мяч так же легко пройдет через две банки. На других фотографиях показано ближайшее уплотнение при полном вакууме. Помните - эти уплотнения могут неожиданно лопнуть во время этого этапа.
Шаг 6: Тестирование скорости
Поскольку ранее я делал необдуманные заявления о стрельбе по шарикам для пинг-понга на сверхзвуковой скорости, мне нужно описать, как эти скорости измерялись. Я сделал «баллистический маятник»; устройство, которое когда-то использовалось для измерения начальной скорости винтовочных пуль, но теперь в основном используется на уроках физики для демонстрации принципов сохранения количества движения и энергии. Снаряд попадает в блок и остается внутри блока. Затем блок + снаряд раскачивается за счет импульса снаряда. Измеряется увеличение высоты блока по вертикали, и при умножении на массу блока + снаряда получается потенциальное увеличение энергии. Использование следующего уравнения дает скорость снаряда: Скорость = (m + M) / m (√2gh) Где: m = масса снаряда в килограммах (масса шарика для пинг-понга = 2,7 г = 0,0027 кг) M + m = масса снаряда + блок, в килограммах (1,32 кг) g = ускорение свободного падения, 9,81 h = увеличение высоты по вертикали, метры, за вычетом увеличения высоты по результатам испытаний только в воздухе. (2,5 см = 0,025 м)
Цифры в скобках - это средние значения из моих тестов.
Расчет с использованием приведенных выше значений дает скорость шарика для настольного тенниса 342 м / с. Скорость звука на уровне моря 343 м / с. Были проведены исследования (https://physics.csuchico.edu/~eayars/publications/AJP00961.pdf), которые показывают, что теоретическая скорость не может превышать скорость звука.
«Баллистический маятник - это устройство для измерения импульса [снаряда], по которому можно рассчитать скорость и кинетическую энергию. Баллистические маятники в значительной степени устарели из-за современных хронографов, которые позволяют напрямую измерять скорость снаряда. Хотя баллистический маятник считается устаревшим, он продолжал использоваться в течение значительного периода времени и привел к большим успехам в науке о баллистике. Баллистический маятник до сих пор используется в классах физики из-за его простоты и полезности для демонстрации свойств импульса и энергии ». (Из Википедии). На фотографиях ниже показан баллистический маятник, который я сделал (вместе с моими отвертками и зубилами). Линии на панели на заднем плане предназначены для измерения высоты в сантиметрах. Лазерный указатель показывает высоту блока. На фотографиях первая показывает высоту до выстрела, вторая показывает максимальную высоту, достигнутую после выстрела. Видеокамера записывает действие. На последней фотографии показан мяч для пинг-понга, застрявший в блоке. Помимо импульса от шара, блоку передается импульс от воздуха, выходящего из пушки. Я провел тестовые прогоны, используя только воздух, и вычел эту среднюю высоту (0,03 см) из тестов с мячами для пинг-понга.