PL248591B1 - Wahadło balistyczne - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest wahadło balistyczne, mające zastosowanie w laboratoriach naukowych, zwłaszcza fizycznych oraz do celów edukacyjnych.

Z podręcznika Szczepana Szczeniowskiego, zatytułowanego „Fizyka doświadczalna, część I, mechanika i akustyka”, wydanego przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1972 r. jest znane wahadło balistyczne, zawierające prostopadłościenną skrzynię o dużej masie napełnioną piaskiem, której górna ściana jest przymocowana na środku do dolnego końca pionowego pręta, prostopadłego do tej ściany. Przez górny koniec tego pręta przechodzi prostopadła do niego oś przymocowana do stałej, poziomej powierzchni, przy czym pręt może obracać się wokół tej osi. Działanie znanego wahadła polega na tym, że początkowo skrzynia z piaskiem jest nieruchoma i pręt zwisa pionowo w położeniu równowagi. Wtedy do bocznej ściany skrzyni w kierunku prostopadłym do osi wahadła zostaje oddany strzał. Pocisk po trafieniu w tę ścianę grzęźnie w pisaku i zatrzymuje się. Skutkiem tego skrzynia wraz z prętem zostaje odchylona o pewien kąt od pionu i następnie wykonuje drgania wokół położenia równowagi. Znając maksymalny kąt odchylenia pręta oraz masy wahadła i pocisku można obliczyć prędkość, z którą pocisk trafił skrzynię.

Podobnie zbudowane i tak samo działające wahadło balistyczne jest znane ze strony internetowej autorstwa Davida Tran, zatytułowanej „Adventures in Physic” i dostępnej pod adresem https://u.osu.edu/tran.446/2014/10/19/physics-and-history-the-ballistic-pendulum/. Różnica w budowie polega na tym, że na dolnym końcu pręta jest zamocowany prostopadłościenny blok z wnęką, w którą wpada pocisk i wypełniają po zderzeniu. Ponadto z tej samej strony internetowej jest znane wahadło balistyczne, składające się z dwóch stojących obok siebie masywnych, betonowych wsporników, rozszerzających się ku dołowi, na których leży u góry pozioma belka i na tej belce jest zawieszona wahliwie masywna rura z otworem, skierowana równolegle do wsporników. Zawieszenie zostało wykonane za pomocą czterech prętów, przymocowanych po dwa z każdej strony rury i zbiegających się w kierunku belki, tak, że pręty tworzą kształt odwróconych liter V. Do otworu tej rury wpada pocisk wystrzeliwany z wózka umieszczonego na szynach naprzeciw otworu. Działanie tego wahadła balistycznego jest analogiczne, jak wahadła opisanego wcześniej.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że wahadło balistyczne zawiera sztywny, skierowany pionowo pręt o przekroju poprzecznym kołowym, którego górny koniec jest osadzony na wcisk prostopadle w ścianie tulejki, skierowanej poziomo i ta tulejka może się obracać wokół przechodzącego przez nią poziomego pręta o przekroju kołowym, mającego końce wystające z tulejki. Na jeden koniec pozi omego pręta jest nasunięty pierścień, zabezpieczony przed zsunięciem kołkiem, wciśniętym w otwór, przechodzący wzdłuż średnicy pierścienia i poziomego pręta. Drugi koniec poziomego pręta jest osadzony na wcisk w prostopadłej do niego poziomej belce o przekroju poprzecznym prostokątnym, przy czym na końcach tej belki są otwory, w których są osadzone na wcisk górne końce dwóch pionowych słupków o przekroju poprzecznym kołowym, zaś dolne końce tych słupków są osadzone na wcisk w otworach poziomej podstawy w kształcie prostokątnej płyty. Na dolnym końcu pręta skierowanego pionowo jest osadzona na wcisk masywna płyta w kształcie prostokąta, umieszczona w płaszczyźnie pionowej, wykonana korzystnie ze stali i na tej płycie znajduje się naczynie, złożone z przezroczystej rury o powierzchni beczkowej, osi podłużnej skierowanej poziomo, szczelnie zamkniętej na końcach korkami oraz całkowicie wypełnionej przezroczystą cieczą. W tej cieczy są nieprzezroczyste kulki o tej samej średnicy, ale jedna z tych kulek ma gęstość większą od gęstości cieczy i jest zatopiona w najniższym miejscu dolnej części rury, natomiast druga z tych kulek ma gęstość mniejszą, od gęstości cieczy i pływa w najwyższym miejscu górnej części rury. Rura jest przymocowana do płyty dwoma opaskami, wykon anymi z pasków blachy, obejmującymi rurę na jej końcach, przechodzącymi przez otwory w płycie i wystające z tych otworów końce opasek są zagięte z tyłu płyty. Przezroczysta rura jest wykonana korzystnie z polimetakrylanu metylu, zaś korki są wykonane korzystnie z silikonu, natomiast przezroczystą cieczą jest korzystnie woda destylowana. Jedna z kulek, o gęstości większej, niż gęstość cieczy, jest wykonana korzystnie z miedzi, zaś druga kulka, o gęstości mniejszej, niż gęstość cieczy, jest wykonana korzystnie z korka z dębu korkowego.

Główną zaletą rozwiązania jest nowa funkcjonalność, polegająca na badaniu zmian, jakie drgania wahadła balistycznego powodują w ruchu ciał zanurzonych w cieczy, z których jedno pływa, a drugie tonie. Dodatkowymi zaletami rozwiązania są bezpośrednia widoczność zachodzących efektów, niezawodność działania i prosta konstrukcja.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok wahadła z przodu, fig. 2 stanowi jego widok z boku, natomiast fig. 3 pokazuje wygląd tego wahadła z góry.

Wahadło balistyczne zawiera sztywny, skierowany pionowo pręt 1 o przekroju poprzecznym kołowym, którego górny koniec jest osadzony na wcisk prostopadle w ścianie tulejki 2, skierowanej poziomo i tulejka 2 może się obracać wokół przechodzącego przez nią poziomego pręta 3 o przekroju kołowym, mającego końce wystające z tulejki 2. Na jeden koniec pręta 3 jest nasunięty pierścień 4, zabezpieczony przed zsunięciem kołkiem 5, wciśniętym w otwór, przechodzący wzdłuż średnicy pierścienia 5 i pręta 3. Drugi koniec pręta 3 jest osadzony na wcisk w prostopadłej do niego poziomej belce 6 o przekroju poprzecznym prostokątnym, przy czym na końcach tej belki są otwory, w których są osadzone na wcisk górne końce pionowych słupków 7, 8 o przekroju poprzecznym kołowym, zaś dolne końce tych słupków są osadzone na wcisk w otworach poziomej podstawy 9 w kształcie prostokątnej płyty. Na dolnym końcu pręta 1 jest osadzona na wcisk masywna płyta 10 w kształcie prostokąta, umieszczona w płaszczyźnie pionowej, wykonana ze stali. Na płycie 10 znajduje się naczynie, złożone z przezroczystej rury 11 o powierzchni beczkowej, osi podłużnej skierowanej poziomo, szczelnie zamkniętej na końcach korkami 12, 13 oraz całkowicie wypełnionej przezroczystą cieczą 14. W tej cieczy 14 są nieprzezroczyste kulki 15, 16 o tej samej średnicy, ale kulka 15 ma gęstość większą od gęstości cieczy 14 i jest zatopiona w najniższym miejscu dolnej części rury 11, natomiast kulka 16 ma gęstość mniejszą, od gęstości cieczy 14 i pływa w najwyższym miejscu górnej części rury 11. Rura 11 jest przymocowana do płyty 10 dwoma opaskami 17, 18, wykonanymi z pasków blachy, obejmującymi rurę 11 na jej końcach, przechodzącymi przez otwory w płycie 10 i wystające z tych otworów końce opasek są zagięte z tyłu płyty 10. Przezroczysta rura 11 jest wykonana z polimetakrylanu metylu, zaś korki 12, 13 są wykonane z silikonu, natomiast przezroczystą cieczą 14 jest woda destylowana. Kulka 15 jest wykonana z miedzi, zaś kulka 16 jest wykonana z korka z dębu korkowego.

Zasada działania wahadła balistycznego polega na tym, że gdy początkowo znajduje się ono w spoczynku i pręt 1 zajmuje pozycję pionową, wtedy odchyla się wahadło od pionu przez pociągnięcie ręcznie płyty 10 w bok o odcinek mniejszy, niż płowa długości rury 11 i puszcza swobodnie. Wahadło rozpoczyna wtedy drgania tłumione, które dzięki dużej masie płyty 10, wykonanej korzystnie z stali utrzymują się przez dłuższy czas. W tym czasie kulka 15, zatopiona w cieczy 14 w najniższym punkcie rury 11, początkowo pozostaje w spoczynku, a następnie powoli zostaje wprawiona w ruch drgający, ale porusza się z wyraźnym opóźnieniem fazowym względem ruchu rury 11. Z kolei kulka 16, pływająca w najwyższym punkcie rury 11, prawie od samego początku zostaje wprawiona w ruch drgający i jej opóźnienie fazowe względem rury 11 jest równe zero albo nieznaczne. Po ustaniu wahań rury 11, ustają również ruchy kulek 15, 16. Wtedy wahadło zatrzymuje się w położeniu równowagi i można je wprawić w ruch w poprzednio opisany sposób. Wykonanie rury 11 z materiału przezroczystego, korzystnie polimetakrylanu metylu oraz zastosowanie przezroczystej cieczy 14, korzystnie wody i nieprzezroczystych kulek 15, 16, zapewnia bezpośrednią obserwację zachowania obu kulek. Z kolei wykonanie kulki 15 korzystnie z miedzi i wykonanie kulki 16 korzystnie z korka, zapewnia dużą różnicę wartości sił wyporu i sił bezwładności, co w końcowym efekcie pozwala osiągnąć dużą różnicę różnicy w mchach kulek i ich dobrą widoczność.

Claims (5)

1. Wahadło balistyczne, zawierające sztywny, skierowany pionowo pręt o przekroju poprzecznym kołowym, znamienne tym, że górny koniec pręta (1) jest osadzony na wcisk prostopadle w ścianie tulejki (2), skierowanej poziomo i tulejka (2) może się obracać wokół przechodzącego przez nią poziomego pręta (3) o przekroju kołowym, mającego końce wystające z tulejki (2), a na jeden koniec pręta (3) jest nasunięty pierścień (4), zabezpieczony przed zsunięciem kołkiem (5), wciśniętym w otwór, przechodzący wzdłuż średnicy pierścienia (5) i pręta (3), natomiast drugi koniec pręta (3) jest osadzony na wcisk w prostopadłej do niego poziomej belce (6) o przekroju poprzecznym prostokątnym, przy czym na końcach tej belki (6) są otwory, w których osadzono na wcisk górne końce pionowych słupków (7, 8) o przekroju poprzecznym kołowym, zaś dolne końce tych słupków (7, 8) są osadzone na wcisk w otworach poziomej podstawy (9) w kształcie prostokątnej płyty, a poza tym na dolnym końcu pręta (1) jest osadzona na wcisk masywna płyta (10) w kształcie prostokąta, umieszczona w płaszczyźnie pionowej, wykonana korzystnie ze stali i na płycie (10) znajduje się naczynie, złożone z przezroczystej rury (11) o powierzchni beczkowej, osi podłużnej skierowanej poziomo, szczelnie zamkniętej na końcach korkami (12, 13) oraz całkowicie wypełnionej przezroczystą cieczą (14), a w tej cieczy (14) są nieprzezroczyste kulki (15, 16) o tej samej średnicy, ale kulka (15) ma gęstość większą od gęstości cieczy (14) i jest zatopiona w najniższym miejscu dolnej części rury (11), natomiast kulka (16) ma gęstość mniejszą, od gęstości cieczy (14) i pływa w najwyższym miejscu górnej części rury (11), a ponadto rura (11) jest przymocowana do płyty (10) dwoma opaskami (17, 18), wykonanymi z pasków blachy, obejmującymi rurę (11) na jej końcach, przechodzącymi przez otwory w płycie (10) i wystające z tych otworów końce opasek są zagięte z tyłu płyty (10).

2. Wahadło według zastrz. 1, znamienne tym, że rura (11) jest wykonana z polimetakrylanu metylu.

3. Wahadło według zastrz. 1, znamienne tym, że korki (12, 13) są wykonane z silikonu.

4. Wahadło według zastrz. 1, znamienne tym, że przezroczystą cieczą (14) jest woda destylowana.

5. Wahadło według zastrz. 1, znamienne tym, że kulka (15) jest wykonana z miedzi, zaś kulka (16) jest wykonana z korka z dębu korkowego.