Научно-исследовательская работа. Тема работы «Пушка Гаусса оружие или игрушка? Старт в науке Намотка катушки для Пушки Гаусса

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1.Введение.

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 индукция 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 трудностями:

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 крупнокалиберного 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.

1.1Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала, изучив который возникла идея создать самим действующую модель пушки Гаусса.

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

Основные задачи :

1. Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.

2. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.

3. Создать действующую модель.

4. Определить скорость полета снаряда и его импульс.

Практическая часть работы :

Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях дома.

1.3Гипотеза : возможно ли создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в условиях дома?

2. Кратко о самом Гауссе.

Карл Фридрих Гаусс (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 23февраля 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

3. Формулы, связанные с принципом действия пушки.

Кинетическая энергия снаряда

где: — масса снаряда, — его скорость

Энергия, запасаемая в конденсаторе

где: — напряжение конденсатора, — ёмкость конденсатора

Время разряда конденсаторов

Это время, за которое конденсатор полностью разряжается:

Время работы катушки индуктивности

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

где: — индуктивность, — ёмкость

Одним из основных элементом пушки Гаусса это электрический конденсатор. Конденсаторы бывают полярные и неполярные - практически все конденсаторы большой емкости, используемые в магнитных ускорителях, электролитические и являются полярными. Т. е. очень важно правильное его подключение - положительный заряд подаем к выводу “+”, а отрицательный к “-”. Алюминиевый корпус электролитического конденсатора, кстати, так же является выводом “-”. Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение можно найти энергию, которую может накапливать этот конденсатор

4. Практическая часть

Наша катушка индуктивностью С имеет 30 витков (3 слоя по 10 витков, каждый). Два конденсатора суммарной емкостью 450 мкФ. Собрали модель по следующей схеме: см. Приложение 1.

Определение скорости полета снаряда, вылетающего из «ствола» нашей модели, мы осуществили опытным путём с помощью баллистического маятника. В основе опыта лежат законы сохранения импульса и энергии.Поскольку скорость полёта пули достигает значительной величины, прямое измерение скорости, то есть определение времени, за которое пуля проходит известное нам расстояние, требует наличия специальной аппаратуры. Мы измеряли скорость пули косвенным методом, используя неупругое соударение - соударение, в результате которого столкнувшиеся тела соединяются вместе и продолжают движение как одно целое. Летящий снаряд испытывает неупругий удар со свободным телом большей массы. После удара тело начинает двигаться со скоростью во столько же раз меньше скорости пули, во сколько масса пули меньше массы тела.

Неупругий удар характеризуется тем, что потенциальная энергия упругой деформации не возникает, кинетическая энергия тел полностью или частично превращается во внутреннюю энергию. После удара столкнувшиеся тела либо движутся с одинаковыми скоростями, либо покоятся. При абсолютно неупругом ударе выполняется закон сохранения импульса:

где - скорость тел после взаимодействия.

Закон сохранения импульса (количества движения) применяется, если взаимодействующие тела образуют изолированную механическую систему, то есть такую систему, на которую не действуют внешние силы, либо внешние силы, действующие на каждое из тел, уравновешивают друг друга, либо проекции внешних сил на некоторое направление равны нулю.

При неупругом ударе кинетическая энергии не сохраняется, поскольку часть кинетической энергии снаряда преобразуется во внутреннюю соударяющихся тел но закон сохранения полной механической энергии выполняется и можно записать:

где - приращение внутренней энергии взаимодействующих тел.

4.1 Методика исследования.

Баллистический маятник, который использовался нами, представляет собой деревянный брусок со слоем пластилина. Мишень М подвешена на двух длинных практически нерастяжимых нитях. На мишени укреплена лазерная указка, луч которой при отклонении маятника (после удара снаряда) перемещается вдоль горизонтальной шкалы (рис. 1).

На некотором расстоянии от маятника располагается пушка Гаусса. После удара снаряд массой m застревает в мишени M . Система «снаряд-мишень» изолирована по горизонтальному направлению. Так как длина l нитей много больше линейных размеров мишени, то система «снаряд-мишень» может рассматриваться как математический маятник. После попадания снаряда центр массы системы «снаряд-мишень» поднимается на высоту h .

На основании закона сохранения импульса в проекции на ось x (см. рис. 1) имеем:

Где - скорость снаряда, - скорость снаряда и маятника.

Пренебрегая трением в подвес маятника и силой сопротивления воздуха, на основе закона сохранения энергии можно записать:

где - высота подъёма системы после удара.

Величина h может быть определена из измерений отклонения маятника от положения равновесия после попадания пули в мишень (рис. 2):

где a - угол отклонения маятника от положения равновесия.

Для малых углов отклонения:

где - горизонтальное смещение маятника.

Подставляя последнюю формулу к проекции закона сохранения импульса на ось, находим:

4.2 Результаты измерения.

Массу m снаряда мы определили с помощью взвешивания на механических лабораторных весах:

m = 3 г. = 0, 003 кг.

Масса M мишени со слоем пластилина и лазерной указкой приведены в описании лабораторной установки.

M = 297 г. = 0, 297 кг.

Длины нитей подвеса должны быть одинаковы, а ось вращения строго горизонтальна.

В этой части мы измерили с помощью линейки длины нитей.

l = 147 см = 1,47 м.

После выстрела заряженной снарядом пушки Гаусса факт попадания пули в центр маятника определяется визуально.

Для проведения дальнейших вычислений отмечаем на шкале положения n 0 светового указателя в состоянии равновесия мишени и положения n светового указателя при максимальном отклонении маятника и находим смещение S = (n - n 0) маятника.

Измерения проводились 5 раз. При этом повторные выстрелы осуществлялись только по неподвижной мишени. Результаты измерений приведены ниже:

S ср = = 14 мм = 0, 014 м,

и вычислена скорость ʋ 0 снаряда по формуле.

U 0 = =12,96 км/ч

Определение погрешностей измерений. Определение производится по формуле: , где l₀ - среднее значение длин, Δ l - среднее значение погрешности. Мы уже определили среднее значение длин в предыдущих этапах, поэтому нам остаётся определить среднее значение погрешности. Определять мы его будем по формуле:Δ l = Теперь можем приписать значение длины с погрешностью:Нахождение импульса снаряда. Определение импульса производится по формуле: , где - скорость снаряда.Подставляем значения:

5.Заключение.

Целью нашей работы являлось изучение устройства электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение, а также изготовление действующей модели Пушки Гаусса и определение скорости полета снаряда. Изложенные нами результаты показывают, что нами была изготовлена экспериментальная действующая модель электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса). При этом нами были упрощены схемы, имеющиеся в интернете и модель была адаптирована к работе в стандартной промышленной сети переменного тока. Проведённая нами работа позволяет сделать 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 достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному орудию, Особенно это будет возможным при создании компактных источников энергии.

6. Информационные ресурсы :

Википедия http://ru.wikipedia.org

Новое электромагнитное оружие 2010 http://vpk. name/news/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. html

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов № 1
Тема: Создание экспериментальной установки «Пушка Гаусса»
Выполнил: Ворошилин Антон
Колтунов Василий
Руководитель: Буздалина И. Н.
Воронеж
2017 г.
Оглавление
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Принцип работы.
1.2 История создания.
2. Практическая часть
2.1 Параметры установки
2.2 Вычисление скорости
2.3 Характеристики катушки
Вывод

Введение
Актуальность работы
На протяжении всего периода своего существования человек стремился создавать все более совершенные инструменты. Первые из них помогали человеку более эффективно осуществлять хозяйственную деятельность, другие – осуществляли защиту результатов этой хозяйственной деятельности от посягательств соседей.
В этой работе мы рассмотрим возможность создания и практического применения электромагнитных ускорителей.
Копьё, лук, булава, но вот первые пушки, пистолеты, ружья. На протяжении всего периода человеческого развития развивалось и оружие. И вот уже на смену простейшим кремниевым ружьям пришли автоматические винтовки. Возможно, в будущем и они будут заменены новым видом оружия, например, электромагнитным. Чтобы жить в мире и избегать различных военных конфликтов, сильное государство должно защищать интересы своих граждан, а для этого в своём арсенале оно должно иметь мощное средство обороны, способное защитить от нападения из любой точки нашей планеты. С этой целью нужно двигаться вперед и развивать вооружение. За развитием технологий в военной технике, как известно, следует развитие технологий, используемых населением и в быту.
Одни из самых распространенных видов орудий – это пушки и ружья, использующие энергию, выделяемую при сжигании пороха. Но будущее за электромагнитным оружием, в котором тело приобретает кинетическую энергию за счет энергии электромагнитного поля. Преимуществ этого оружия достаточно.
Рассмотрим положительные стороны использования электромагнитного ускорителя в качестве оружия:
- отсутствие звука при выстреле,
- потенциально большая скорость,
- большая точность,
- большее поражающее действие,
Отрицательные стороны:
- низкий КПД на данный момент;
- большое потребление энергии, громоздкость.
Технологию создания электромагнитной пушки можно использовать для развития транспорта, в частности, для запуска спутников на орбиту. Более совершенные аккумуляторы могут дать толчок развитию экологически чистых способов получения электроэнергии (например, солнечной).
Можно предположить, что развитие этого перспективного вида оружия подтолкнёт человечество не столько к разрушению, сколько к созиданию.

Цель работы:
Создать рабочую модель полноразмерной пушки Гаусса и изучить ее свойства.
Задачи работы:
Изучить целесообразность использования данного вида оружия в реальных условиях.
Измерить КПД установки
Исследовать зависимость массы снаряда и его поражающих свойств.
Гипотеза: Создать рабочую модель пушки Гаусса - модели электромагнитного оружия возможно.

Теоретическая часть.
Принцип работы
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 (рис. 1), которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.

Рис. 1 - правило «правой руки»
История создания.
Электромагнитные пушки разделяют на следующие виды:
Рельсотрон – электромагнитный ускоритель масс, разгоняющий токопроводящий снаряд вдоль двух металлических направляющих с помощью силы Лоренца.
Пушка Гаусса названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации.
Первый работающий образец электромагнитной пушки был разработан норвежским ученым Кристианом Биркелендом в 1904 году и представлял собой примитивное устройство, чьи характеристики были отнюдь не блестящи. В конце Второй Мировой немецкие ученые выдвинули идею о создании электромагнитной пушки для борьбы с самолетами противника. Ни одна из этих пушек так и не была построена. Как выяснили американские ученые, энергии, необходимой для работы каждой такой пушки, было бы достаточно для освещения половины Чикаго. В 1950 году австралийский физик Марк Олифан запустил создание пушки мощность 500 МДж, которая была готова в 1962 году и использовалась для научных экспериментов.
В середине 2000-х американские военные начали разработку боевого экземпляра электромагнитной пушки для своего флота. Они планируют оснастить большое количество кораблей таким типом орудий к 2020 году (рис. 2).
151765112395
рис. 2 - корабль USS Zumwalt, на который планируется установка электромагнитного вооружения

8255207645
(рис. 3 - Карл Гаусс)
Карл Гаусс (1777 - 1855) - немецкий ученый, чьи заслуги перед мировой наукой сложно переоценить. На протяжении своей жизни он был известен как механик, астроном, математик, геодезист, физик. Карл Гаусс заложил основы теории об электромагнитном взаимодействии. Действие рассматриваемого ускорителя масс основано на электромагнитном взаимодействии, поэтому он был назван в честь человека, заложившего основы понимания данного явления.

2.1 Параметры установки
Формулы для вычисления основных параметров установки
Кинетическая энергия снаряда
E=mv22m - масса снаряда
v- его скорость
Энергия, запасаемая в конденсаторе
E=CU22U- напряжение конденсатора
C - ёмкость конденсатора
Время разряда конденсаторов
Это время, за которое конденсатор полностью разряжается:
T=2πLCL - индуктивность
317533401000C - ёмкость
рис. 4 - схема установки
2.2 Вычисление скорости
Скорость полета снаряда вычислили опытным путем. На расстоянии 1 м от установки установили преграду, а затем произвели выстрел. В это время на диктофон записывался звук от момента выстрела до момента попадания снаряда в преграду. После чего загрузили аудиофайл в программу для редактирования звука и по данным диаграммы (рис. 5) вычислили время полета снаряда до цели. Считали, что звук распространяется мгновенно и без отражения в виду маленького расстояния от установки до преграды и маленького размера помещения, где производилось измерение.

Рис. 5 - изображение, полученное на компьютере
Рассчитаем параметры катушки, генерирующей магнитное поле. Система конденсатор-обмотка является колебательным контуром.
Найдем его период колебаний. Время первого полупериода колебаний равно времени, которое гвоздь летит от начала обмотки до её середины, а так как гвоздь изначально покоился, то примерно это время равно длине обмотки деленной на скорость полета снаряда.
Получили, что время полета снаряда t = 0,054 с
Вычислим скорость полета снаряда:
v= St= 18,5 м/сВычислим КПД установки:
η= mv2CU2∙100%=1,13 % . Полезная энергия равна 1,8 Дж.
КПД собранной установки является приемлемым для любительской установки.
2.3 Характеристики катушки
right4445
Кол-во витков: ~ 280
Радиус: 2R = 12; w = 8 мм
Длина обмотки: l - 41 мм
Рассчитаем индуктивность катушки:
L=μ0∙N2R22π(6R+9l+10w)μ0 - относительная магнитная проницаемость стального гвоздя, примерно равная 100.
L = 14.4 мкГн

Рис. 6 - готовая установка

Вывод
В ходе выполнения работы были успешно достигнуты все цели, поставленные нами изначально.
Мы убедились, что, обладая знаниями физики, полученными в школе, можно создать действующие электромагнитное оружие.
Была экспериментально установлена скорость полета снаряда при помощи метода, изобретенного самостоятельно.
Был измерен КПД экспериментальной установки. Он равняется 1,13%. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что в реальных условиях данный вид оружия не будет иметь успешного применения в виду низкого КПД. Эффективное практическое применение будет возможно лишь тогда, когда будут изобретены материалы, позволяющие рассеивать энергию эффективнее, чем медь.

Пушка Гаусса. Научно - исследовательская работа учеников 9 «А» класса Куричина Олега и Козлова Константина.

Пушка Гаусса – это наиболее распространённое название устройства, принцип работы которого основан на использовании мощного электромагнита для ускорения предметов. Обычно электромагнит состоит из ферромагнитного сердечника, на который намотана проволока (далее - обмотка). При прохождении тока по обмотке возникает магнитное поле.

Но если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола. При выключении источника питания в катушке образуется ток самоиндукции, который имеет обратное направление тока, и поэтому меняет полярность катушки.

А это значит, что при резком выключении источника питания снаряд, пролетевший центр катушки, будет отталкиваться и получать ускорение дальше. В ином случае, если снаряд не достиг центра, он будет тормозиться. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным.

Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения (то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован). В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным.

Установки, имеющие только одну катушку, как правило не очень эффективны. Для того, чтобы добиться действительно большой скорости полёта снаряда, требуется собрать систему, в которой катушки будут поочерёдно включаться, втягивая в себя снаряд, и автоматически выключаться, когда тот дойдёт до середины катушки. На рисунке представлен вариант подобной установки с несколькими катушками.

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, а также скорострельности орудия, возможность бесшумного выстрела (если скорость 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, больша я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Естественно, такими разработками интересуются военные. В 2008 году американцы собрали пушку EMRG. Вот, немного о ней: 02. 2008 была испытана самая мощная в мире электромагнитная пушка. ВМС США провел на полигоне в штате Виржиния испытание самой мощной в мире электромагнитной пушки EMRG. Пушка EMRG, созданная для надводных кораблей, считается перспективным оружием второй половины ХХI века. В первую очередь потому, что это устройство без помощи порохового заряда придает снаряду скорость 9 тысяч км/час, что в несколько раз превышает скорость звука. Снаряд набирает такую скорость благодаря пролету через мощное электромагнитное поле, создаваемое пушкой. Разрушительная сила такого снаряда тоже весьма высока. В ходе испытаний за счет высокой кинетической энергии снаряд полностью разрушил старый бетонный бункер. А значит, в дальнейшем для уничтожения таких объектов можно отказаться от взрывчатки. Также снаряд с электромагнитным ускорением способен покрыть больший путь, чем обычные снаряды - до 500 км. Ну, а главное достоинство электромагнитной пушки - ее снаряды не взрывоопасны, а значит - более безопасны. Вдобавок к этому он не оставляет после себя гильз с пороховым или химическим зарядом.

Однако, не только американские военные собирают Гаусс -пушки. Не так давно Алан Пэрек собрал свою собственную установку. На её создание у него ушло 40 часов и 100 евро. Пушка весит 5 кг, рассчитана на 14 выстрелов и имеет полуавтоматический режим стрельбы. Вот фотография этой установки.

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 даже 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию. Вторая трудность - большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время 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. Третья трудность следует из первых двух. Это большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности.

Мы также собрали подобную установку, используя стеклянную трубку, длиной около 1 м, катушку индуктивности на 100 витков и 3 конденсатора, каждый ёмкостью по 58 мк. Ф (всё это было найдено в кабинете физики).

Мы собрали различные варианты установки и попытались установить, какая форма снаряда будет наиболее подходящей для стрельбы. L снаряда 1 см 2 см 3 см 4 см L выстрела 1. 5 м 3. 14 м 3. 2 м м D снаряда 1 см 0, 5 см 1 мм L стрельбы 1, 87 м 2, 87 м 3, 21 м 2, 5 м Таблица 2. Изменяется длина снаряда (толщина постоянна). 0, 5 мм Таблица 3. Изменяется толщина снаряда (длина L=3 см, наилучшая из предыдущего опыта).

Нашей второй целью было выяснить, какое количество витков в катушке установки и какая ёмкость конденсаторов позволят снаряду лететь лучше всего. 174 100000 C 58 116 мк конденсато мк мк мк. Ф Ф ра Ф Ф L выстрела 0. 9 м 1. 7 м 3. 1 м 0. 6 м N витков 0. 2 м 100 шт L выстрела 3. 07 м 200 шт 300 штя 400 шт 2. 84 м 2. 7 м 2. 56 м

Наилучшие характеристики снаряда и установки в предыдущих Можно заметить, что самые таблицах лучшие характеристики были выделены красным цветом. находятся в «середине» , между самыми большими и самыми U 40 в 80 в 160 в 220 в маленькими значениями. конден Это довольно легко объяснить. сатора Время полной разрядки конденсатора равно одной четверти периода. Следовательно, имея большую ёмкость, конденсатор будет L 1 м 1. 7 м 3. 3 м 3. 21 м долго разряжаться. Как следствие, мы получим малую выстре дальность полёта снаряда. ла Также, установка, имеющая малое напряжение конденсатора как следствие имеет большую ёмкость, что, как было сказано выше, сказывается на дальности полёта снаряда. .

Как видно из таблицы, длина ствола особой роли тут не играет. L снаряда 1, 7 см 0, 5 м 1 м L выстрела 3, 01 м 2, 98 м 3, 08 м Всё-таки одна из целей нашего исследования была достигнута – мы выяснили, какие характеристики катушки и снаряда позволят последнему лететь дальше всего. Как уже говорилось, это ёмкость конденсаторов в 174 мк. Ф, длина ствола в 1 м и 100 витков в катушке. Напряжение конденсаторов мы взяли 220 в. Гвоздь, используемый в качестве снаряда, около 1 мм в диаметре и 3 см в длину.

После всех исследований мы поняли следующее: Возможность существования пушки гаусса доказана, а значит цель исследований достигнута.

13,395 Просмотры

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:

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

Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте II Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/2017/11/26807.

Мой интерес к реконструкции пушки Гаусса вызван простотой сборки и доступностью материалов, простота в использовании с одной стороны и большая энергозатратность с другой, что и определило основную проблему исследования. Недостаточно изучен спектр применения электромагнитного ускорителя в повседневной жизни. Создать модель ускорителя масс, на основе анализа экспериментальных данных выяснить, где можно использовать пушку Гаусса, в каких сферах жизнедеятельности человека.

Данные противоречия актуализировали и обусловили выбор темы исследования: «Пушка Гаусса-оружие или игрушка?».

Почему я выбрал эту тему? Я заинтересовался устройством пушки и решил создать модель такой пушки Гаусса, т.е. любительскую установку. Её можно использовать как игрушку. Но, создавая модель, я стал задумываться, где же ещё можно применять пушку Гаусса и как сконструировать более мощную пушку, что же для этого нужно?! Как можно увеличить бегущее электромагнитное поле?

Цель работы: Создать и исследовать различные варианты конструкций пушки Гаусса при изменении физических параметров частей пушки.

Задачи исследования:

1. Создать действующую модель пушки Гаусса для демонстрации на уроках физики явления электромагнитной индукции.

2. Исследовать эффективность работы пушки Гаусса от ёмкости конденсатора и индуктивности соленоида.

3. На основе результатов исследования предложить новые области применения пушки в сфере жизнеобеспечения человека.

Предмет исследования - явление электромагнитной индукции.

Объект исследования - модель Пушка Гаусса.

Методы исследования:

1. Анализ научной литературы.

2. Материальное моделирование, конструирование.

3. Экспериментальные методы исследования

4. Анализ, обобщение, дедукция, индукция.

Практическая значимость: Данный прибор можно использовать для демонстрации на уроках физики, что будет способствовать лучшему усвоению учащимися данных физических явлений.

Пушка Гаусса (англ. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) - одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс.

Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.

Принцип действия пушки Гаусса

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, 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, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.

Создание и отладка работы Пушки Гаусса

Простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов даже при школьных знаниях физики.

Начнем сборку пушки с соленоида (катушка индуктивности без сердечника). Стволом катушки является кусок пластиковой соломинки длиной 40 см. Аккуратно наматываем на нее медный провод, виток к витку,- от качества сборки будет зависеть дальность стрельбы нашего орудия. Всего надо намотать 9 слоев. На практике я установил, что лучше два слоя обмотки возбуждения намотать проводником в полихлорвиниловой изоляции, которая в этом случае не должна быть слишком толстой (диаметром не более 1,5 мм). Затем можно все разобрать, снять шайбы и надеть катушку на стержень от фломастера, который будет служить стволом. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: она действует как электромагнит. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. Далее выполняем сборку электрической цепи, закрепляем ее элементы на неподвижной подставке. Можно пушке придать форму пистолета, поместив детали цепи в корпус пластиковой детской игрушки. Но я поместил цепь в корпус картонной коробки.

В соответствии с описанной технологией я создал две действующие модели. Я проводил параллельный эксперимент, соответственно изменяя систему конденсаторов (во второй модели несколько конденсаторов, в первой - один), количество витков соленоида, различные типы соединения участков цепи.

При исследовании пушки, я пришёл к выводу, что материалы для сборки установки доступны; в мире очень много литературы, которая помогает понять принципы работы пушки и различные способы ее сборки. Но при применении пушки возникает проблема ее использования, что в современном мире пушка может быть использована только в военных и космических интересах, т.к. очень сложно просчитать поведение катушки при применении моделей в других отраслях жизнедеятельности человека.

Я выяснил, что теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту. Основное применение - любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность).

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.

Первая и основная 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 %. В основном в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей для размыкания катушки (правило Ленца).

Вторая трудность - большой расход энергии (из-за низкого КПД).

Третья трудность (следует из первых двух) - большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.

Четвёртая трудность - достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи конденсаторы.

Пятая трудность - с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.

В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено - дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.

Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. Теоретически, перспективы, конечно, возможны, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200-300К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности.

Испытания гаусс-пушки дали цифру в 27 % КПД. То есть, по мнению специалистов выстрел из гаусса проигрывает даже китайской пневматике. Перезарядка медленная - про скорострельность не может быть и речи. И самая большая проблема - нет мощных, мобильных источников энергии. И пока эти источники не будут найдены - про вооружения гаусс-пушками можно забыть.

Библиографическая ссылка

Бекетов К.С. ПУШКА ГАУССА – ОРУЖИЕ ИЛИ ИГРУШКА? // Международный школьный научный вестник. – 2016. – № 3. – С. 45-47;
URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=74 (дата обращения: 24.08.2019).