Как сделать магнитную пушку своими руками

Магнитная Пушка. Очень простое, но эффективное устройство. Мы уже публиковали видео, иллюстрирующее принцип действия и конструкцию установки. Видео магнитной пушки в действии вы можете увидеть здесь.

Вы можете легко сделать магнитную пушку сами. Все, что вам понадобится — это несколько магнитов и стальных шариков.

Энергия

Это кажется каким-то обманом, не так ли? Если заменить магниты и магнитное взаимодействие пружинами, будем ли мы наблюдать что-то подобное? Нет. Тогда в чем причина? Почему дальний шар перемещается быстрее, чем первоначально перемещенный шар? С точки зрения энергетики, кинетическая энергия не сохраняется. Тем не менее, полная энергия должна сохраняться.

С точки зрения работы энергии, можно предположить, что шары и магниты являются закрытой (изолированной) системой. Это означает, что нет проделанной работы и уравнение энергии можно записать в виде:

Так как конечная скорость шара больше, чем первоначальная, изменение кинетической энергии имеет положительное значение. Это означает, что изменение магнитной потенциальной энергии должно быть отрицательно. Только что же такое магнитная потенциальная энергия? Это можно сформулировать следующим образом: одному шару по одну сторону от магнита и 3 шарам по другую, потребуется меньше работы по созданию импульса, чем 4 по одну сторону. Это наиболее удачная формулировка без  сложных терминов.

Импульс

Хотя кинетическая энергия не сохраняется, импульс должен быть сохранен. Почему? Это связано с силами и временем. Вот схема одного и того же шара до столкновения.

Так как силы характеризуют взаимодействия между объектами, сила первоначально движущегося шара должна быть той же величины, что и сила, которую движущийся мяч оказывает на остальной материал. Кроме того, раз эти силы действуют друг на друга, они должны быть одинаковыми. Уравнение импульса (для перемещения шара):

Те же силы (магнитуда) и то же время означает, что другие шарики будут иметь такие же изменения импульса (величины). Это закон сохранения импульса. Он является следствием взаимодействия сил в закрытой системе.

Проверка в реальных условиях

Теперь мы пойдем в лабораторию и посмотрим, действительно ли импульс сохраняется. Конечно, есть одна маленькая вещь. Существует сила трения шаров о направляющую, которая достаточно мала. Еще меньше сила трения на магнитах. Но мы в любом случае можем попробовать.

Используя программу видеоанализатор Tracker, получаем следующую диаграмму движения первого движущегося шара.

Обратите внимание, что первый шар получил небольшой толчок, после чего он получил горизонтальную скорость около 0,034 м / с. Но прежде, чем он столкнулся, замедлился. Минимальная горизонтальная скорость 0,025 м / с, не достигнув ее, шар столкнулся с магнитом со скоростью около 0,29 м / с. Замедление шара обусловлено силой трения. Для импульса, будем считать, что скорость движения щара, прежде чем он начал взаимодействовать была равна 0,025 м / с. А если шарик имеет массу 67 грамм, то полный начальный х-импульс равен 0,00168 кг * м / с.
Что же происходит после взаимодействия? Далее рассматриваем два движущихся объекта: запущенный шар и другие шары с магнитами. Вот движение запущенного шара.

X-скорость -1,895 м / с, придавшая ему Х-импульс равный 127 кг * м / с. Движение магнита немного сложнее. Почему? Потому что есть сила трения. Вот движение откатившихся элементов.

Похоже, что он имеет постоянное ускорение - которое имеет смысл. Если есть постоянная сила трения, не было бы постоянного ускорения. Тем не менее, пренебрегая трением, рассматриваем «начальную» X-скорость. Здесь, ”начальная” означает X-скорость сразу после столкновения. Таким образом, квадратичная зависимость выражает позицию тела, как функцию времени. Х-скорость, как функция времени является производной (по времени) функции положения. Это означает, что у меня есть следующие выражения координаты и скорости.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Вышеуказанные зависимости, получены с помощью соответствующих параметров из Tracker. Это означает, что они используют те же буквы, что и программа. Tracker дает эти параметры (а, b, с). Чтобы найти начальную скорость, нужно просто знать b, в момент времени. Глядя на график, похоже, что столкновение произошло в момент времени T = 2,052 секунды. Используя этот момент, можно получить X-скорость 0,39 м/с. Магнит имеет массу 73,3 грамма. Это дает импульс магнитов и покоящихся шаров равный 0,107 кг * м/с.

Автор: Rhett Allain

Войти