Пушка гаусса и рельсотрон. Простая гаусс пушка Пушка гаусса расчет элементов

Введение

Конструкция большинства пушек следующая: высоковольтный инвертор, конденсатор, катушка, ключ (тиристор, разрядник и т.п), диод параллельно катушке. Авторы описывают работу установки с электрической точки зрения так:

1. Конденсатор заряжается до высокого напряжения.
2. Включается ключ.
3. Конденсатор разряжается через катушку.
4. Из-за индуктивности ток продолжает течь, но уже через диод. Если бы диода не было, система работала бы как колебательный контур: этот ток зарядил бы конденсатор напряжением противоположной полярности, и эти колебания туда-сюда происходили бы до иссякания энергии в системе.
5. Непотраченная на ускорение снаряда энергия рассеивается на сопротивлении катушки и диода.

При этом система рассчитывается так, чтобы к моменту подлёта снаряда к середине катушки конденсатор полностью разрядился.

Физика ускорения снаряда

Идеальный Гаусс-ган

Ф 2 /(2L) + m(dx/dt) 2 /2 = E 1 = const,
Ф = const.

Если при этом индуктивность катушки без сердечника равна L 1 , а с сердечником L 2 , то Ф=L 1 I 1 , и когда сердечник достигнет середины катушки, то ток в ней будет: I 2 =(L 1 /L 2)*I 1 , остаточная энергия катушки E 2 = E 1 *(L1/L2), а кинетическая энергия сердечника: m(dx/dt) 2 /2 = E 1 *(1 - L 1 /L 2). Итак, вывод первый: Чем больше L 2 /L 1 , т.е. чем сильнее сердечник меняет индуктивность, тем большая часть энергии уйдёт на полезное дело.

Как же быть? Да «всего-то» надо убрать из катушки магнитный поток в подходящий момент, т.е.: как только сердечник долетит до середины, надо сразу выключить ток . Проблема здесь в том, что ток в катушке остановить так просто нельзя -- он запасает энергию, которую надо куда-то откачать. Если просто разомкнуть цепь -- этот запас весь выделится на ключе, создав мгновенный всплеск напряжения. Оставлять катушку замкнутой тоже нельзя -- снаряд снова затормозит, вернув энергию в катушку. Кстати, ещё один несущественный эффект заключается в том, что у снаряда есть остаточная намагниченность, поэтому, даже если весь ток в катушке иссяк, но она не разомкнута, намагниченный снаряд при движении может снова раскачать ток.

Один из способов остановить ток в катушке -- закачать его в конденсатор . Потом его можно даже использовать для второй ступени. Если основной накопительный конденсатор полярный, то нужен второй конденсатор. Из расчетов легко показать, что ёмкость этого конденсатора может быть в L 2 /L 1 раз меньше при том же расчетном напряжении. Хотя здесь есть засада: если пушка сработает без снаряда, то конденсатор может перезарядиться и выйти из строя. С другой стороны, конденсатор большой ёмкости может заряжаться слишком медленно. Как будет показано ниже, для идеального гаусс гана ёмкость конденсаторов должна быть как можно меньше , что можно компенсировать повышением напряжения, сохранив ту же энергоемность. Но вообще, как будет показано ниже, для реальных гаусс-ганов ситуация не совсем такая.

Итак, получилась схема (для простоты конденсатор неполярный):

1. Заряжаем конденсатор
2. Подключаем конденсатор к катушке и очень быстро накачиваем в неё ток, пока снаряд ещё в покое.
3. Разрядив ёмкость, тут же замыкаем катушку накоротко.
4. Ждём, пока снаряд долетит до середины.
5. Размыкаем закоротку, чтобы закачать остаток эрегии в конденсатор (полярность заряда будет уже противоположной). Это тоже надо сделать быстро, пока снаряд не затормозился.
6. Как только ток прекратится, отключаем конденсатор.

Проблемы создания идеального гаусс-гана

T r =0.35*L 1 /R -- время, за которое половина энергии катушки рассеется на её сопротивлении.

T + =1.57*(L 1 C 1) -- время, за которое разрядится конденсатор

T - =1.57*(L 2 C 2) -- время, за которое излишек энергии катушки уйдёт в конденсатор.

За T m обозначим характерное время, за которое ускоряется сердечник.

Тогда, для эффективной работы необходимы условия:

T r >> T m
T + << T m
T - << T m

Значок >> означает «намного больше».

На практике наиболее важным является именно первое ограничение. Наибольшее значение имеет величина L/R . Индуктивность катушки в начале процесса должна быть достаточно большой для того, чтобы ток в ней не затух раньше времени. Например, если мы хотим, чтобы половина энергии рассеялась не ранее 1/10 секунды, то отношение L/R должно составлять не менее 300 мкГн/мОм. В катушках любительских гаусс-ганов, как правило, характерное время рассеяния энергии составляет порядка миллисекунды, что никуда не годится. Путь решения проблемы: увеличивать число витков -- индуктивность с числом витков растёт быстрее сопротивления. Гнаться за низким сопротивлением посредством утолщения проводов при этом не обязательно -- вместо этого можно повысить рабочее напряжение. Но всё равно, увеличение T r неизбежно связано с увеличением габаритов и массы катушки, и существенно повысить эту величину едва ли возможно. Можно пожертвовать отношением L 2 /L 1 , увеличив L 1 . Для этого любители окружают катушку магнитопроводящим материалом с высокой магнитной проницаемостью, в том числе и используя сердечник в виде толстой трубы (т.е. с каналом для снаряда посередине). Это полезно, если повышается L 2 или градиент ∂L/∂x становится более крутым. Но есть и способ проще. L 1 можно повысить, включив последовательно с ускоряющей катушкой нормальную низкоомную индуктивность -- например, низкоомный дроссель с кольцевым сердечником с большой магнитной проницаемостью. Последняя будет аккумулятором энергии. Главное преимущество индуктивности как аккумулятора энергии -- быстрое нарастание тока в нагрузке. Третий способ увеличения индуктивности -- поиск оптимальной точки старта. Ведь по мере входа сердечника индуктивность тоже возрастает, без всякого дросселя. При L 2 /L 1 =2, например, у нас ещё есть возможность закачать в снаряд 50% энергии, а это для гаусса очень неплохо. Более того, величина L 2 /L 1 имеет меньшую важность, если использовать многоступенчатую схему с рекуперацией энергии. Ведь тогда не страшно, что не вся энергия ушла на ускорение -- излишек будет перекачен в следующую катушку. Кстати, в этом случае уже и не так важно закачать катушку током как можно быстрее. Для одноступенчатой схемы тоже может быть полезно знать положение, когда сила максимальна. Это примерно тот момент, когда сердечник только-только зашёл в катушку. Положение это, кстати, можно найти на ощупь -- подав ток, плавно вдвигать сердечник и следить за усилием. Можно, держа подключенную катушку с сердечником внутри на весу, постепенно уменьшать ток, пока сердечник не вывалится. Положение, при котором он вывалится, и будет искомым. Есть ещё способ вычислить силу через зависимость индуктивности от положения, взяв производную.

Второе и третье условия показывают, что ёмкость конденсаторов должна быть достаточно низкой, чтобы успеть быстро разрядиться/зарядиться . Гнаться за большими микрофарадами опять же не надо, лучше увеличить напряжение. Но, на самом деле, эти условия имеют важность только для одноступенчатого гаусса, или когда нет рекуперации энергии.

Использовать ключи, рассчитанные и на большое напряжение, и на большой ток одновременно тоже не обязательно . Может оказаться полезной такая штука, как трансформатор.

Режим работы T r << T +

Для этого режима характерны другие величины:

T С =0.35*RC -- время, за которое рассеется половина энергии
T L =T r *Ln -- время, за которое ток вырастет до максимального.

Как видно, пригодилась величина T r =0.35*L/R, которая сама по себе уже не интересна.

Казалось бы, при работе в таком режиме защитный диод не нужен. Но не всё так просто. Дело в том, что со временем ситуация может измениться. Во-первых, по мере втягивания сердечника индуктивность катушки возрастает, и при больших L 2 /L 1 режим работы контура может снова стать колебательным. Если же замкнуть контур, что и делает диод, то ток рассеется за характерное время T r . Однако, засада в том, что когда сердечник полетит ещё дальше, он начнёт вырабатывать в катушке напряжение обратной полярности, а активное сопротивление катушки уменьшится до R s =R-(∂L/∂x)*(dx/dt). При этом ток рассеиваться будет уже медленнее. Но если R s < 0, то ток не только не будет рассеиваться, но будет, наоборот, возрастать.

Итак, во-первых, замыкать катушку не нужно, если T С << T m , всё равно толку не будет, да и диод тогда не нужен. Во-вторых, если R s < 0, то катушку надо разрядить . Разряжать катушку через диод в этом случае неразумно. Если ток в катушке I 2 при этом небольшой, то можно замкнуть катушку на демпфирующий резистор R d >> R, тогда напряжение на катушке не подскочит выше I 2 *R d . Если же ток ещё значительный, то придётся использовать демпфирующий конденсатор, как было описано выше.

И самое главное. Активное сопротивление при ускорении снаряда пропорционально ∂L/∂x. Это означает, что именно на окрестность точки, где ∂L/∂x максимально (там же где максимальна сила при постоянном токе), должна быть нацелена основная энергия импульса тока . При малых T C , снаряд выгодно запускать именно с этой точки.

Вот, собственно и всё, что хотел донести. Есть еще соображения по поводу более оптимальной конструкции катушек, но их еще надо проверить расчетами.

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:

1. Кусок фанеры.
2. Листовой пластик.
3. Пластиковая трубка для дула ∅5 мм.
4. Медный провод для катушки ∅0,8 мм.
5. Электролитические конденсаторы большой ёмкости
6. Пусковая кнопка
7. Тиристор 70TPS12
8. Батарейки 4X1.5V
9. Лампа накала и патрон для неё 40W
10. 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.

Как-то на просторах интернета я нашел статью про Гаусс пушку и задумался над тем, что неплохо было бы заиметь себе одну (или даже две). В процессе поиска наткнулся я на сайт gauss2k и по простейшей схеме собрал супер-крутую-мега-гаусс-пушку.

Вот она:

И немного пострелял:

И взяла меня тут грусть-печаль сильная о том, что не супер-крутая пушка у меня, а так – пукалка, каких много. Сел я и начал думать, как же мне кпд повысить. Долго думал. Год. Прочитал весь гаусс2к и пол евойного форума. Придумал.

Оказывается, есть программа, написанная учеными заморскими, да нашими умельцами под гаусс пушечку допиленная, и зовется она не иначе как FEMM .

Скачал я с форума .lua скрипт да программу заморскую 4.2 версии и приготовился удариться в расчеты научные. Но не тут-то было, не захотела программа заморская запускать скрипт русский, ибо скрипт под 4.0 версию сделан был. И открыл я инструкцию (у них мануалом она зовется) на языке буржуинском и воскурил ее полностью. Открылась мне истина великая о том, что в скрипт, окаянный, нужно вначале добавить строку хитрую.

Вот она: setcompatibilitymode(1) -- включаем режим совместимости с версией femm 4.2
И засел я за расчеты долгие, загудела машина моя счетная, и получил описание я ученое:

Описание

Емкость конденсатора, микроФарад= 680
Напряжение на конденсаторе, Вольт = 200
Сопротивление общее, Ом = 1.800147899376892
Внешнее сопротивление, Ом = 0.5558823529411765
Сопротивление катушки, Oм = 1.244265546435716
Количество витков в катушке = 502.1193771626296
Диаметр обмоточного провода катушки, милиметр = 0.64
Длина провода в катушке, метр = 22.87309092387464
Длина катушки, милиметр = 26
Внешний диаметр катушки, милиметр = 24
Индуктивность катушки с пулей в начальном положении, микроГенри= 1044.92294174225
Внешний диаметр ствола, милиметр = 5
Масса пули, грамм = 2.450442269800038
Длина пули, милиметр = 25
Диаметр пули, милиметр = 4
Расстояние, на которое в начальный момент вдвинута пуля в катушку, милиметр = 0
Материал из которго сделана пуля = № 154 Экпериментально подобранный материал (простое железо)
Время процесса (микросек)= 4800
Приращение времени, микросек=100
Энергия пули Дж = 0.2765589667129519
Энергия конденсатора Дж = 13.6
КПД гауса(%)= 2.033521814065823
Начальная скорость пули, м/с = 0
Скорость пули на выходе из катушки, м/с= 15.02403657199634
Максимальная скорость, которая была достигнута, м/с = 15.55034094445013

Взял трубку от антенны (одна из секций D = 5mm) и сделал в ней пропил (болгаркой), ибо трубка это замкнутый виток в котором будут наводиться токи окаянные, вихревыми зовущиеся, и будут эту самую трубку нагревать, снижая КПД, который и так невысок.

Вот что получилось: прорезь ~ 30 мм

Начал мотать катушку. Для этого вырезал из фольгированного стеклотекстолита 2 квадрата (30х30 мм) да с отверстием в центре (D = 5мм) и дорожки на нем вытравил хитрые, чтобы к трубке припаять (она то хоть и блестит как железка, но на самом деле латунная).

Со всем этим добром сел мотать катушку:

Намотал. И по все той же схеме собрал сей хитрый девайс.

Вот как это выглядит:

Тиристор и микрик были из старых запасов, а вот конденсатор я достал из компьютерного БП (там их два). Из того же БП впоследствии использовались еще диодный мост и дроссель переделанный в повышающий трансформатор, ибо от розетки заряжаться опасно, да и нет ее в чистом поле, а потому нужен преобразователь построением которого я и занялся. Для этого взял ранее собранный генератор на NE555:

И подключил его к дросселю:

у которого было 2 обмотки по 54 витка 0,8 проводом. Питал я все это от АКБ на 6 вольт. И вот ведь колдунство какое – вместо 6 вольт на выходе (обмотки то одинаковые), я получил целых 74 вольта. Выкурив еще пачку мануалов по трансформаторам я узнал:

- Как известно, ток во вторичной обмотке тем больше, чем быстрее изменяется ток в первичной обмотке, т.е. пропорционален производной от напряжения в первичной обмотке. Если производная от синусоиды тоже является синусоидой с такой же амплитудой (в трансформаторе величина напряжения умножается на коэффициент трансформации N), то с прямоугольными импульсами дело обстоит иначе. На переднем и заднем фронте трапециевидного импульса скорость изменения напряжения очень высока и производная в этом месте тоже имеет большое значение, отсюда и возникает высокое напряжение.

Gauss2k.narod.ru “Портативное устройство для зарядки конденсаторов.” Автор ADF

Немного подумав, я пришел к выводу: раз выходное напряжение у меня 74 вольта, а надо 200 то – 200/74 = в 2,7 раза нужно увеличить количество витков. Итого 54*2,7 = 146 витков. Перемотал одну из обмоток более тонким проводом (0,45). Количество витков увеличил до 200 (про запас). Поигрался с частотой преобразователя и получил вожделенные 200 вольт (по факту 215).

Вот как это выглядит:

Некрасиво, но это временный вариант потом будет переделываться.

Собрав все это добро, я немного пострелял:

Постреляв, решил измерить, что за ТТХ у моей пушки. Начал с измерения скорости.

Посидев вечерком с бумагой и ручкой, вывел формулу, которая позволяет по траектории полета вычислить скорость:

С помощью сей хитрой формулы я получил:

Расстояние до цели, x = 2,14 м
отклонение по вертикали, y (среднее арифметическое 10 выстрелов) = 0,072 м
Итого:

Я сначала не поверил, но впоследствии собранные пробивные датчики, подключенные к звуковой карте, показали скорость 17,31 м/с

Мерить массу гвоздика я поленился (да и нечем) поэтому взял массу, которую насчитал мне ФЕММ (2,45 грамма). Нашел КПД.

Энергия запасаемая в конденсаторе = (680 * 10^-6 * 200^2)/2 = 13,6 Дж
Энергия пули = (2,45 * 10^-3 * 17,3^2)/2 = 0,367 Дж
КПД = 0,367/13,6*100% = 2,7%

Вот в принципе и все что связано с одноступенчатым ускорителем. Вот как он выглядит:

Проект был начат в 2011 году.Это был проект подразумевающий полностью автономную автоматическую систему для развлекательных целей, с энергией снаряда порядка 6-7Дж, что сравнимо с пневматикой. Планировалось 3 автоматических ступеней с запуском от оптических датчиков, плюс мощный инжектор-ударник засылающий снаряд из магазина в ствол.

Компоновка планировалась такой:

Тоесть класический Булл-пап, что позволило вынести тяжелые аккумуляторы в приклад и тем самым сместить центр тяжести ближе к ручке.

Схема выглядит так:

Блок управления в последствии был разделен на блок управления силовым блоком и блок общего управления. Блок конденсаторов и блок коммутации были обьеденены в один. Так-же были разработаны резервные системы. Из них были собраны блок управления силовым блоком, силовой блок, преобразователь, распределитель напряжений, часть блока индикации.

Представляет собой 3 компаратора с оптическими датчиками.

Каждый датчик имеет свой компаратор. Это сделано для повышения надежности, так при выходе из строя одной микросхемы откажет только одна ступень, а не 2. При перекрытии снарядом луча датчика сопротивление фототранзистора меняется и срабатывает компаратор. При классической тиристорной коммутации управляющие выводы тиристоров можно подключать напрямую к выходам компараторов.

Датчики необходимо устанавливать так:

А устройство выглядит так:

Силовой блок имеет следующую простую схему:

Конденсаторы C1-C4 имеют напряжение 450В и емкость 560мкФ. Диоды VD1-VD5 применены типа HER307/ В качестве коммутации применены силовые тиристоры VT1-VT4 типа 70TPS12.

Собранный блок подключенный к блоку управления на фото ниже:

Преобразователь был применен низковольтный, подробнее о нем можно узнать

Блок распределения напряжений реализован банальным конденсаторным фильтром с силовым выключателем питания и индикатором, оповещающим процесс заряда аккумуляторов. Блок имеет 2 выхода- первый силовой, второй на все остальное. Так-же он имеет выводы для подключения зарядного устройства.

На фото блок распределения крайний справа сверху:

В нижнем левом углу резервный преобразователь, он был собран по самой простой схеме на NE555 и IRL3705 и имеет мощность около 40Вт. Предполагалось использовать его с отдельным небольшим аккумулятором, включая резервную систему при отказе основной или разряде основного аккумулятора.

Используя резервный преобразователь были произведены предварительные проверки катушек и проверялась возможность использования свинцовых аккумуляторов. На видео одноступенчатая модель стреляет в сосновую доску. Пуля со специальным наконечником повышенной пробивной способности входит в дерево на 5мм.

В пределах проекта так-же разрабатывалась универсальная ступень, как главный блок для следующих проектов.

Эта схема представляет собой блок для электромагнитного ускорителя, на основе которого можно собрать многоступенчатый ускоритель с числом ступеней до 20. Ступень имеет классическую тиристорную коммутацию и оптический датчик. Энергия накачиваемая в конденсаторы- 100Дж. Кпд около 2х процентов.

Использован 70Вт преобразователь с задающим генератором на микросхеме NE555 и силовым полевым транзистором IRL3705. Между транзистором и выходом микросхемы предусмотрен повторитель на комплементарной паре транзисторов, необходимый для снижения нагрузки на микросхему. Компаратор оптического датчика собран на микросхеме LM358, он управляет тиристором, подключая конденсаторы к обмотке при прохождении снарядом датчика. Параллельно трансформатору и ускоряющей катушки применены хорошие снабберные цепи.

Методы повышения КПД

Так-же рассматривались методы повышения КПД, такие как магнитопровод, охлаждение катушек и рекуперация энергии. О последней расскажу подробнее.

ГауссГан имеет очень малый КПД, люди работающие в этой области давно разыскивают способы повышения КПД. Одним из таких способов является рекуперация. Суть ее состоит в том чтобы вернуть не используемую энергию в катушке обратно в конденсаторы. Таким образом энергия индуцируемого обратного импульса не уходит в никуда и не цепляет снаряд остаточным магнитным полем, а закачивается обратно в конденсаторы. Этим способом можно вернуть до 30 процентов энергии, что в свою очередь повысит КПД на 3-4 процента и уменьшит время перезарядки, увеличив скорострельность в автоматических системах. И так- схема на примере трехступенчатого ускорителя.

Для гальванической развязки в цепи управления тиристоров использованы трансформаторы T1-T3. Рассмотрим работу одной ступени. Подаем напряжение заряда конденсаторов, через VD1 конденсатор С1 заряжается до номинального напряжения, пушка готова к выстрелу. При подаче импульса на вход IN1, он трансформируется трансформатором Т1, и попадает на управляющие выводы VT1 и VT2. VT1 и VT2 открываются и соединяют катушку L1 с конденсатором C1. На графике ниже изображены процессы во время выстрела.

Больше всего нас интересует часть начиная с 0.40мсек, когда напряжение становится отрицательным. Именно это напряжение при помощи рекуперации можно поймать и вернуть в конденсаторы. Когда напряжение становится отрицательным, оно проходя через VD4 и VD7 закачивается в накопитель следующей ступени. Этот процесс так-же срезает часть магнитного импульса, что позволяет избавится от тормозящего остаточного эффекта. Остальные ступени работают подобно первой.

Статус проекта

Проект и мои разработки в этом направлении в общем были приостановлены. Вероятно в скором будущем я продолжу свои работы в этой области, но ничего не обещаю.

Список радиоэлементов

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

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