Теория метода и описание прибора

Метод измерения скорости полета снаряда основан на законе сохранения момента импульса относительно некоторой оси.

Пусть снаряд массой m, движущийся со скоростью V, попадает в неподвижное уравновешенное твердое тело на расстоянии l от оси вращения и застревает в нем. Применение закона сохранения момента импульса относительно оси вращения дает следующее соотношение

(5.3)

Рис. 5.2

До столкновения с телом моментом импульса обладал лишь снаряд после столкновения , где момент инерции тела вместе со снарядом. По закону сохранения момента импульса L0 = L. Зная m, l, J, w, можно определить скорость снаряда:

. (5.4)

Сразу после соударения снаряда крутильный маятник обладает только кинетической энергией

. (5.5)

По достижении максимального отклонения из положения равновесия маятник останавливается, его кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругой деформации закрученной проволоки

, (5.6)

где f – модуль кручения проволоки; J – момент инерции маятника вместе со снарядом; наибольшее значение угловой скорости маятника; a₀ – наибольший угол отклонения маятника из положения равновесия.

Приравнивая выражения (5.5) и (5.6) (по закону сохранения энергии), находим

. (5.7)

Тогда выражение (5.4) для скорости снаряда примет вид

. (5.8)

С другой стороны, движение маятника после попадания в него снаряда описывается основным законом динамки вращательного движения:

, (5.9)

где M_упр = – fa – момент сил упругости закрученной проволоки.

Так как угловое ускорение – вторая производная от угла поворота a по времени, то мы приходим к дифференциальному уравнению колебательного движения маятника:

или . (5.10)

Это дифференциальное уравнение свободных незатухающих гармонических колебаний. Решением этого уравнения является функция

. (5.11)

Выражение (5.11) будет удовлетворять уравнению (5.10) (в чем можно убедиться непосредственной подстановкой) лишь в том случае, когда

. (5.12)

Подставляя в (5.8) выражение для момента инерции из (5.12), получим

. (5.13)

Специальная методика измерения скорости V позволяет исключить модуль кручения f из формулы (5.13).

Пусть снаряд был выпущен из стреляющего устройства, когда перемещаемые грузы находились на расстоянии R₁ от оси вращения. В этом положении момент инерции маятника

,

следовательно, период колебаний составит

. (5.14)

После перемещения грузов до расстояния период изменится:

, (5.15)

где J₀ – момент инерции маятника без грузов; M – масса одного груза.

Из соотношений (5.14) и (5.15) можно получить следующее выражение для f:

. (5.16)

Подставляя выражение (5.16) в формулу (5.13) для с учетом того, что T = T₁, получим

. (5.17)

В формуле (5.17) величины M, m, l – задаются, а величины T₁, T₂, R₁, R₂, a₀ измеряются.

Рис. 5.3

В настоящей работе для измерения скорости снаряда используется баллистический крутильный маятник ФРМ-09 (рис. 5.3). Он состоит из основания (1), оснащенного регулируемыми ножками (2), которые позволяют устанавливать основание горизонтально. В основании закреплена стойка (3), на которой закреплены верхний (4), нижний (5) и средний (6) кронштейны. К среднему кронштейну прикреплено стреляющее устройство (7), а также прозрачный экран с нанесенной на него угловой шкалой (8) и фотоэлектрический датчик (9). Кронштейны (4) и (5) имеют зажимы, служащие для крепления стальной проволоки (13), на которой подвешен маятник, состоящий из двух мисочек, наполненных пластилином (10), двух перемещаемых грузов (11), двух стержней (12) и водилки (14).