ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОБЛАСТНАЯ АКАДЕМИЯ (НАЯНОВОЙ)»

Всероссийский конкурс исследовательских работ

«Познание-2015»

(Секция физика)

Научно-исследовательская работа

по теме: «« из ГОТОВЛЕНИЕ ПУШКИ ГАУССА В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИК »

направлению: физика

Выполнил:

Ф. И.О. Егоршин Антон

Мурзин Артем

СГОАН, 9 «А2» класс

учебное заведение, класс

Научный руководитель:

Ф. И.О. Завершинская И. А .

к. п.н., преподаватель физики

зав. кафедры физики СГОАН

(уч. степень, должность)

Самара 2015

1. Введение…………………………………………………….......…3

2. Краткая биография…………………………………………..……5

3. Формулы, для расчета характеристик модели Пушки Гаусса...6

4. Практическая часть…………………………………….…..…….8

5. Определение КПД модели…………………………………..….10

6. Дополнительные исследования…………….…………….….…11

7. Заключение……………………………………………….……...13

8. Список литературы……………………………………………...14

Введение

В данной работе мы исследуем пушку Гаусса, которою многие могли видеть в некоторых компьютерных играх. 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 индуктивность 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 трудностям:

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 крупно-калиберного 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.

Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала.

Цель работы : изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.

Основные задачи :

1. Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.

2. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.

3. Создать действующую модель.

4. Определить КПД модели

Практическая часть работы :

Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях дома.

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

Кратко о самом Гауссе.

(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 23 февраля 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.

Формулы, связанные с принципом действия пушки.

Кинетическая энергия снаряда

http://pandia.ru/text/80/101/images/image003_56.gif" alt="~m" width="17"> - масса снаряда
- его скорость

Энергия, запасаемая в конденсаторе

http://pandia.ru/text/80/101/images/image006_39.gif" alt="~U" width="14" height="14 src="> - напряжение конденсатора

http://pandia.ru/text/80/101/images/image008_36.gif" alt="~T = {\pi\sqrt{LC} \over 2}" width="100" height="45 src=">

http://pandia.ru/text/80/101/images/image007_39.gif" alt="~C" width="14" height="14 src="> - ёмкость

Время работы катушки индуктивности

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

http://pandia.ru/text/80/101/images/image009_33.gif" alt="~L" width="13" height="14 src="> - индуктивность

http://pandia.ru/text/80/101/images/image011_23.gif" alt="индуктивность многослойной катушки, формула" width="201" height="68 src=">

Индуктивность рассчитаем с учетом наличия внутри катушки гвоздя. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьмем примерно 100-500. Для изготовления пушки мы изготовили самостоятельно катушку индуктивности с количеством витков 350 (7 слоев по 50 витков, каждый), получили катушку индуктивностью 13,48 мкГн.

Сопротивление проводов рассчитаем по стандартной формуле .

Чем меньше сопротивление, тем лучше. На первый взгляд кажется, что провод большого диаметра лучше, однако это вызывает увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину.

Из анализа литературы мы пришли к выводу, что для пушки Гаусса, изготавливаемую в домашних условиях медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым.

Мощность активных потерь находится по формуле [Вт] Где: I – ток в амперах, R – активное сопротивление проводов в омах.

В этой работе мы не предполагали измерение силы тока и расчет потерь, это вопросы будущей работы, где мы планируем определить ток и энергию катушки..jpg" width="552" height="449">.gif" width="12" height="23"> ; http://pandia.ru/text/80/101/images/image021_8.jpg" width="599 height=906" height="906">

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД МОДЕЛИ.

Для определения КПД мы провели следующий опыт: стреляли снарядом известной массы в яблоко, известной массы. Яблоко было подвешено на нити длиной 1 м. мы определяли расстояние, на которое отклонится яблоко. По данному отклонению определяем высоту подъема, воспользовавшись теоремой Пифагора.

Результаты опытов по расчёту КПД

Таблица№1

Основные расчеты основаны на законах сохранения:

По закону сохранения энергии определим скорость снаряда, вместе с яблоком:

http://pandia.ru/text/80/101/images/image024_15.gif" width="65" height="27 src=">

http://pandia.ru/text/80/101/images/image026_16.gif" width="129" height="24">

http://pandia.ru/text/80/101/images/image029_14.gif" width="373" height="69 src=">

0 " style="border-collapse:collapse">

Из таблицы видно, что сила выстрела зависит от типа снаряда и от его массы, так как сверло весит столько же, сколько и 4 иглы вместе, но оно толще, цельнее, поэтому его кинетическая энергия больше.

Степени пробития снарядами разных тел:

Тип мишени: тетрадный лист.

Тут все понятно, лист пробивается идеально.

Тип мишени: тетрадь в 18 листов .

Сверло мы брать не стали, так как оно тупое, но отдача существенная.

В данном случае снарядам хватило энергии, чтобы пробить тетрадь, но не хватило ее, чтобы преодолеть силу трения и вылететь с другой стороны. Здесь многое зависит от пробивной способности снаряда, то есть формы, и от его шероховатости.

Заключение.

Целью нашей работы являлось изучение устройства электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.

Цель мы достигли : изготовили экспериментальную действующую модель электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), упростив схемы, имеющиеся в интернете, и адаптировав модель к сети переменного тока стандартных характеристик.

Определили КПД полученной модели. КПД оказался равным примерно 1%. КПД имеет малое значение, что подтверждает все, что мы узнали из литературы.

Проведя исследование, мы сделали для себя 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 станет достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному орудию, Особенно это будет возможным при создании компактных источников энергии.

Список литературы:

1. Википедия http://ru. wikipedia. org

2. Основные виды ЭМО (2010) http://www. gauss2k. narod. ru/index. htm

3. Новое электромагнитное оружие 2010

http://vpk. name/news/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. html

4. Все о Пушке Гаусса
http://catarmorgauss. ucoz. ru/forum/6-38-1

5. www. popmech. ru

6. gauss2k. narod. ru

7. www. physics. ru

8. www. sfiz. ru

12. Физика: учебник для 10 класса с углубленным изучением физики/ , и др.; под ред. , . – М.: Просвещение, 2009.

13. Физика: учебник для 11 класса с углубленным изучением физики/ , и др.; под ред. , . – М.: Просвещение, 2010.

Главный силовой элемент нашей пушки — катушка индуктивности

Рентген пушки Гаусса

Расположение контактов на зарядном контуре одноразового фотоаппарата Kodak

Обладать оружием, которое даже в компьютерных играх можно найти только в лаборатории сумасшедшего ученого или возле временного портала в будущее, — это круто. Наблюдать, как равнодушные к технике люди невольно фиксируют на устройстве взгляд, а заядлые геймеры спешно подбирают с пола челюсть, — ради этого стоит потратить денек на сборку пушки Гаусса.

Как водится, начать мы решили с простейшей конструкции — однокатушечной индукционной пушки. Эксперименты с многоступенчатым разгоном снаряда оставили опытным электронщикам, способным построить сложную систему коммутации на мощных тиристорах и точно настроить моменты последовательного включения катушек. Вместо этого мы сконцентрировались на возможности приготовления блюда из повсеместно доступных ингредиентов. Итак, чтобы построить пушку Гаусса, прежде всего придется пробежаться по магазинам. В радиомагазине нужно купить несколько конденсаторов с напряжением 350−400 В и общей емкостью 1000−2000 микрофарад, эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм, батарейные отсеки для «Кроны» и двух 1,5-вольтовых батареек типа С, тумблер и кнопку. В фототоварах возьмем пять одноразовых фотоаппаратов Kodak, в автозапчастях — простейшее четырехконтактное реле от «Жигулей», в «продуктах» — пачку соломинок для коктейлей, а в «игрушках» — пластмассовый пистолет, автомат, дробовик, ружье или любую другую пушку, которую вы захотите превратить в оружие будущего.

Мотаем на ус

Главный силовой элемент нашей пушки — катушка индуктивности. С ее изготовления стоит начать сборку орудия. Возьмите отрезок соломинки длиной 30 мм и две большие шайбы (пластмассовые или картонные), соберите из них бобину с помощью винта и гайки. Начните наматывать на нее эмалированный провод аккуратно, виток к витку (при большом диаметре провода это довольно просто). Будьте внимательны, не допускайте резких перегибов провода, не повредите изоляцию. Закончив первый слой, залейте его суперклеем и начинайте наматывать следующий. Поступайте так с каждым слоем. Всего нужно намотать 12 слоев. Затем можно разобрать бобину, снять шайбы и надеть катушку на длинную соломинку, которая послужит стволом. Один конец соломинки следует заглушить. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: если она удержит на весу канцелярскую скрепку, значит, вы добились успеха. Можно вставить в катушку соломинку и испытать ее в роли соленоида: она должна активно втягивать в себя отрезок скрепки, а при импульсном подключении даже выбрасывать ее из ствола на 20−30 см.

Препарируем ценности

Для формирования мощного электрического импульса как нельзя лучше подходит батарея конденсаторов (в этом мнении мы солидарны с создателями самых мощных лабораторных рельсотронов). Конденсаторы хороши не только большой энергоемкостью, но и способностью отдать всю энергию в течение очень короткого времени, до того как снаряд достигнет центра катушки. Однако конденсаторы необходимо как-то заряжать. К счастью, нужное нам зарядное устройство есть в любом фотоаппарате: конденсатор используется там для формирования высоковольтного импульса для поджигающего электрода вспышки. Лучше всего нам подходят одноразовые фотоаппараты, потому что конденсатор и «зарядка» — это единственные электрические компоненты, которые в них есть, а значит, достать зарядный контур из них проще простого.

Разборка одноразового фотоаппарата — это этап, на котором стоит начать проявлять осторожность. Вскрывая корпус, старайтесь не касаться элементов электрической цепи: конденсатор может сохранять заряд в течение долгого времени. Получив доступ к конденсатору, первым делом замкните его выводы отверткой с ручкой из диэлектрика. Только после этого можно касаться платы, не опасаясь получить удар током. Удалите с зарядного контура скобы для батарейки, отпаяйте конденсатор, припаяйте перемычку к контактам кнопки зарядки — она нам больше не понадобится. Подготовьте таким образом минимум пять зарядных плат. Обратите внимание на расположение проводящих дорожек на плате: к одним и тем же элементам схемы можно подключиться в разных местах.

Расставляем приоритеты

Подбор емкости конденсаторов — это вопрос компромисса между энергией выстрела и временем зарядки орудия. Мы остановились на четырех конденсаторах по 470 микрофарад (400 В), соединенных параллельно. Перед каждым выстрелом мы в течение примерно минуты ждем сигнала светодиодов на зарядных контурах, сообщающих, что напряжение в конденсаторах достигло положенных 330 В. Ускорить процесс заряда можно, подключая к зарядным контурам по несколько 3-вольтовых батарейных отсеков параллельно. Однако стоит иметь в виду, что мощные батареи типа «С» обладают избыточной силой тока для слабеньких фотоаппаратных схем. Чтобы транзисторы на платах не сгорели, на каждую 3-вольтовую сборку должно приходиться 3−5 зарядных контуров, подключенных параллельно. На нашем орудии к «зарядкам» подключен только один батарейный отсек. Все остальные служат в качестве запасных магазинов.

Определяем зоны безопасности

Мы никому не посоветуем держать под пальцем кнопку, разряжающую батарею 400-вольтовых конденсаторов. Для управления спуском лучше установить реле. Его управляющий контур подключается к 9-вольтовой батарейке через кнопку спуска, а управляемый включается в цепь между катушкой и конденсаторами. Правильно собрать пушку поможет принципиальная схема. При сборке высоковольтного контура пользуйтесь проводом сечением не менее миллиметра, для зарядного и управляющего контуров подойдут любые тонкие провода. Проводя эксперименты со схемой, помните: конденсаторы могут иметь остаточный заряд. Прежде чем прикасаться к ним, разряжайте их коротким замыканием.

Подводим итог

Процесс стрельбы выглядит так: включаем тумблер питания; дожидаемся яркого свечения светодиодов; опускаем в ствол снаряд так, чтобы он оказался слегка позади катушки; выключаем питание, чтобы при выстреле батарейки не отбирали энергию на себя; прицеливаемся и нажимаем на кнопку спуска. Результат во многом зависит от массы снаряда. Нам с помощью короткого гвоздя с откусанной шляпкой удалось прострелить банку с энергетическим напитком, которая взорвалась и залила фонтаном полредакции. Затем очищенная от липкой газировки пушка запустила гвоздь в стену с расстояния в полсотни метров. А сердца поклонников фантастики и компьютерных игр наше орудие поражает без всяких снарядов.

Здравствуйте, дорогие друзья! Сегодня я хочу рассказать о том, как сделать электромагнитную пушку Гаусса. Она является разновидностью электромагнитного оружия, её также называют «Электромагнитный ускоритель масс Гаусса». Изобрел эту пушку немецкий ученый Карл Гаусс. Но к сожалению этот метод ускорения масс используется в основном в любительских самодельных установках потому, что не является достаточно эффективным для практического применения в качестве оружия.

Как работает пушка Гаусса?

Гаусс пушка состоит из катушки соленоида, через него проходит пластиковая трубочка, в которую с одной стороны вставляется металлический снаряд. Чтобы произвести выстрел, к соленоиду подключается заряженный конденсатор большой емкости и высоким рабочим напряжением. В соленоиде возникает электромагнитное поле, которое в момент протекания импульса разрядного тока от конденсатора втягивает снаряд в соленоид и разгоняет его. Конструкция пушки настолько проста, что её может собрать любой начинающий радиолюбитель из подручных материалов.

Но следует помнить, что изготовление оружия в некоторых странах запрещено и преследуется по закону! Следует учесть тот факт, что это всего лишь действующая модель пушки Гаусса с дульной энергией около 1,5 Дж и применяется только для развлекательной стрельбы по лампочкам, баночкам и картонным коробкам. Из этого следует вывод: -Делайте смело и ничего не бойтесь! Как говорил космонавт Юрий Гагарин: -Поехали!!!

Из материалов вам понадобиться:

• Пластиковая трубочка соответствующая диаметру пули. Но к сожалению, я трубку не нашел и поэтому, сделал ствол из бумаги, намотал её на карандаш и намазал клеем.
• Диод любой на 1,5 А
• Лампочка 40 Ватт 220 В, можно 60 Ватт 220 В
• Кнопка с контактами на замыкание при нажатии 1,5 А
• Автоматический выключатель не менее 40 А
• Медный провод в лаковой изоляции диаметром 0,5-0,7 мм
• Конденсатор электролитический 1000 Мкф 450 В, можно использовать сборку из конденсаторов. Чем больше емкость, тем лучше стреляет. Рабочее напряжение у используемых конденсаторов не менее 250 В.

Особое внимание следует уделить изготовлению катушки соленоида, от правильности изготовления зависит мощность выстрела и дальность полета пули. Обмотка соленоида наматывается проводом в лаковой изоляции диаметром 0,5-0,7 мм и содержит 200 витков. Провод мотаем виток к витку, каждый слой заливаем нитролаком и оборачиваем бумагой.

Обмотку своей пушки я намотал в пять слоев проводом 0,5 мм, в каждом слое у меня получилось по 40 витков, а в сумме 200 витков. Сопротивление катушки замерил мультиметром получилось 8 ом.

Пули для Гаусс пушки я изготовил из обычного строительного гвоздя диаметром 6 мм и длиною 200 мм.

Как стрелять из Гаусс пушки?

Включаем вилку в розетку и нажимаем кнопку «Заряд», как только лампочка потухнет, значит конденсатор полностью зарядился.

Нажимаем кнопку «Огонь». Происходит выстрел, пуля с большой скоростью вылетает из ствола.

Хочу напомнить о технике безопасности:

• • Не направляйте пушку в сторону домашних животных и людей
  • Не заглядывайте в ствол
  • Не стреляйте в металлические предметы во избежание рекошета
  • Не трогайте контакты заряженного конденсатора, во избежание поражения электрическим током

А сейчас о самом главном… Баллистические испытания пушки Гаусса.

Испытания пушки проводил с расстояния в 15 сантиметров до цели. Максимальная дальность полета пули около 2 метров. Стреляет абсолютно бесшумно, слышен лишь удар пули о картонную коробку.

В заключение хочу сказать, что действующая модель пушки Гаусса идеально подходит для демонстрации возможностей соленоида и электромагнитной индукции, возникающей в нем при отдаче конденсатором накопленной энергии. А так же для развлекательной стрельбы по коробкам, баночкам и лампочкам.

Хотите удивить своих друзей? Соберите пушку Гаусса своими руками!

И обязательно посмотрите видеоролик, в котором вы увидите, как стреляет Гаусс пушка.
До встречи в новых статьях!

Очень много людей занимаются конструированием электромагнитных пушек, начиная от военных, занимающимися многомиллиондолларовыми разработками и заканчивая неимоверным количеством маньякофанатов - радиолюбителей.

В то время, как военные помешаны на сбивании снарядами из магнитных ускорителей баллистических ракет, любители, как правило, доводят свою систему до состояния действующего экспериментального прототипа, на чем и бросают. Но ведь изначально идея гауссовки подразумевала именно создание оружия, а не просто настольно – лабораторного образца, демонстрирующего интересный способ применения электромагнетизма!

Данная статья предназначена для тех, кому мало сделать гауссовку лишь для того, чтобы убедится, что железные предметы действительно вылетают из катушки, а хочется продолжить свой путь в “гауссостроении”. Ведь сделать магнитный ускоритель масс и оружие на его основе – совершенно разные вещи!

Оружие, помимо определённой мощности выстрела, которую тоже необходимо обеспечить, подразумевает так же определённую компоновку элементов системы, простоту эксплуатации, надежность и заданные тактико-технические характеристики (ТТХ).

Наиболее остро в конструировании магнитных ускорителей масс, как всегда, стоит проблема получения большой кинетической энергии снаряда – точнее – повышение КПД гауссовки. С этого и начнем.

Как правило, магнитные ускорители масс имеют КПД не боле 1% - т.е. лишь 1 сотая часть энергии конденсаторов переходит в кинетическую энергию снаряда. Поэтому достаточной для оружия энергией обладают лишь большие стационарные пушки, общей массой от 50 и более килограмм, которые, естественно, совершенно непригодны для использования в качестве ручного оружия. Создатели таких тяжеловесных систем любят снимать на видео процесс пробивания многосантиметровых досок, разнесения в пыль кирпичей, а потом с гордостью показывать это всем кому не попадя, пытаясь показать какое мощное оружие гаусс ган. Но стоит вспомнить о массе пушки, как все восхищение от мощности моментально отпадает! Гауссовка массой 50 кг метает железный гвоздь с кинетической энергией не более 100Дж, в то время, как наш “родной” Пистолет Макарова имеет энергию пули 300Дж, а весит вместе с полным магазином 850 грамм! И это при том при всем, что патроны ПМ-а безнадежно устарели и считаются слабыми, а современные пистолетные патроны придают пуле энергию аж в 450-500Дж!... А что уж там говорить о снайперских винтовках!... Снайперская винтовка СВД с расстояния в 100 метров пробивает на вылет до 36 сосновых досок, толщиной 2,5 см каждая, а полный вес винтовки едва достигает 4 кг.

Поэтому при проектировании ручной гауссовки не рассчитывайте на энергию пули как у огнестерла. Рассчитывать вы можете на мощность, аналогичную мощности российских пневматических винтовок – т.е. примерно от 4 до 7 джоулей. Правда не стоит особо расстраиваться – этого вполне достаточно для отстрела мелких птичек и битья бутылок с расстояния до 10-15 метров.

И так, как же получить эти 4-7 джоулей? Можно просто взять побольше конденсаторов, с общей энергоемкостью достаточной для придания гвоздю энергии в 4Дж при КПД 1% и на этом успокоится. Однако масса такой пушки будет достигать 4-5 Кг, что как-то не очень способствует созданию на основе этого ручного оружия.

Поэтому, естественно, было бы очень хорошо поработать над повышением КПД устройства. На одноступенчатой системе вполне реально получить КПД 4,5%, что значительно лучше. Как широко известно, КПД магнитного ускорителя тем выше, чем лучше согласованы параметры соленоида с параметрами конденсаторов и параметрами гвоздя. Т.е. при выстреле к моменту подлета гвоздя к середине обмотки ток в катушке уже близко к нулю и магнитное поле отсутствует, не препятствуя снаряду вылетать из соленоида. Однако на практике получить такое удается редко – малейшее отклонение от теоретического идеала резко снижает КПД.

Остальная энергия конденсаторов, как известно, теряется на активном сопротивлении проводов, а так как удельное сопротивления меди ограничено и постоянно, то уменьшить потери на активном сопротивлении практически нельзя, но все таки возможно за счет варьирования параметров катушки.

Как известно, мощность потерь растет пропорционально квадрату тока. Снаряд ускоряет магнитное поле, величина которого определяется током и индуктивностью катушки. Так как увеличивать ток очень нехорошо, но требуется мощное магнитное поле, да ещё и ограниченное по времени существования, то можно поступить следующим образом.

Длину соленоида можно увеличить, при этом возрастет количество витков и его индуктивность, но так как длина соленоида станет больше, время импульса тоже можно увеличить. При меньшем токе величина магнитного поля будет больше.

Если кому-то трудно представить общий вид ситуации в целом, попробую описать ситуацию на примере крайностей.

Наиболее высокий КПД имеет соленоид, намотанный тонким проводом во много витков, с большим диаметром и большой массой сердечника (или снаряда). Такую конструкцию имеют все электромагнитные ударники, использующиеся в скрепкозабивателях и прочих электроинструментах и обладают КПД

от 25 до 50%. Естественно, что для использования в магнитном ускорителе эта штука не подходит по той причине, что снаряд обладает большой массой и низкой скоростью полета, несмотря на существенную кинетическую энергию.

Другая крайность – обмотка малого диаметра из толстого провода в несколько витков и сердечник размером с обрезок иголки. КПД такой штуки чрезвычайно низок, зато иголка при выстреле приобретает огромную скорость. Именно в эту крайность и упираются магнитные ускорители масс!

Примечательно то, что в обоих случаях длина обмотки особой роли, как ни странно, не играет – решающую роль играет толщина проводов и количество витков, которые, в сущности, взаимосвязаны. Увеличивая диаметр провода с целью уменьшить его сопротивление, мы неизбежно сталкиваемся с увеличением диаметра обмотки, что нехорошо сказывается на плотности магнитного поля в её середине.

Из всего вышесказанного вытекает, что экспериментировать надо не только с параметрами обмотки и конденсаторов, но и с параметрами метаемого тела. Есть смысл делать диаметр снаряда больше, правда за счет этого так же возрастет его масса, что отрицательно скажется на его скорости полета. А ведь для стрелкового оружия важна не только мощность, но и настильность траектории.

Очень хорошо на КПД гауссовки может сказаться использование накладок из магнитопроводящего материала – это даст возможность при увеличении толщины провода и соответственно геометрических размеров катушки сохранить плотность магнитного потока внутри соленоида постоянной. Для этого очень

эффективно использовать ферритовые чашечки, которые продаются в любых радиотехнических магазинах.

И так, предположим, проблема КПД более менее решена и устройство развивает необходимую мощность. В таком случае следует переходить к созданию на основе магнитного ускорителя оружия. Во первых, разберемся на чем намотана обмотка твоего гаусса? Было бы очень хорошо в качестве ствола использовать гладкую фторопластовую или пластиковую трубу, а не металлическую с пропилом. При чем снаряд должен как можно более плотно прилегать к стенкам трубки, а длина свободного конца после обмотки должна быть больше длины снаряда – все это необходимо для получения высокой точности стрельбы. Что касается стабилизации направления ориентации гвоздя в полете – то тут сказывается интересное свойство гауссовки к стабилизации направления снаряда – дело в том, что в отличие от огнестрельного оружия при вылете из ствола на снаряд действует уже НЕ ускоряющая сила (в огнестреле это газы, вырывающиеся из ствола вслед за пулей), а тормозящая.

А так как тормозящая сила приложена к задней части снаряда, то вращение гвоздя в полете оказывается минимальным и на дальностях прицельной стрельбы им можно и вовсе пренебречь. Однако, если гвоздь будет уж очень плотно прилегать к стенкам ствола, то такого эффекта стабилизации наблюдаться не будет. Если вы уже экспериментировали с гауссовками и стреляли из них, то наверняка обращали внимание, что несмотря на отсутствие каких-либо устройств для стабилизации направления ориентации гвоздя в полете, последний, тем не менее, летит довольно ровно и не кувыркается, при чем соосность направления полета и продольной оси гвоздя столь велика, что даже при упругом ударе о препятствие гвоздь часто отскакивает с той же пространственной ориентацией, в которой прилетел – т .е. совершенно не кувыркаясь!

Так же при создании оружия необходимо изготовить источник питания для заряда конденсаторов, а источником первичного электропитания легко послужит небольшая батарея

Ni-Cd аккумуляторов из 4-6 банок. При малой массе и габаритах (не более 12х8х2 см) она сможет обеспечивать скорость зарядки конденсаторов на энергию до 150 Дж в течение 5-10 секунд, а их ёмкости хватит на несколько сотен выстрелов! И забудь про автомобильные аккумуляторы – они здесь совершенно неоправданны.

Сами конденсаторы необходимо оснастить индикаторным светодиодом для контроля их заряда. Нет смысла при эксплуатации пушки постоянно контролировать напряжение конденсаторов при помощи вольтметра, если известно максимальное напряжение преобразователя и время полного заряда конденсаторов.

Кроме того, было бы дуростью не использовать такое преимущество гауссовки, как бесшумность выстрела. Это предполагает обязательное использование для коммутации конденсаторов на катушку полупроводниковых ключей, так же необходима хорошая фиксация обмотки на амортизирующую основу. Кроме того, в качестве триггера (спускового крючка) можно использовать не микропереключатель, а сенсорную кнопку. А для достижения АБСОЛЮТНОЙ бесшумности снаряд необходимо покрыть либо слоем густого масла, либо каким-либо лаком так, чтобы в полете он не звенел, что особенно характерно для снарядов с большой длиной. В итоге ты получишь самое бесшумное в мире оружие, у которого нет даже звука от работы ударно-спускового механизма (наличествующего практически у всех современных огнестрелов) который, к слову говоря, в темное время суток слышно аж на 50 метров. Из гауссовки же можно будет выстрелить из кустов в 1 метре от человека и он ничего не заметит, кроме звука от попадания снаряда в препятствие. Правда, при высокой скорости полета снаряд будет создавать довольно слышимый свист, а при сверхзвуковой скорости и того хуже – грохот как у огнестрела. Грохот от баллистической волны, генерируемой сверхзвуковыми пулями, создает больше половины (!!!) того шума, который возникает при выстреле из огнестрельного оружия!