ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ Проектно – исследовательская работа «Пушка Гаусса»

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ИЗДЕЛИЯ

Наименование изделия:   «Пушка Гаусса»

Решил своими руками сделать изделие и испытать его, чтобы в дальнейшем использовать  как наглядное действующий экспонат

Министерства образования Республики Башкортостан

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

 «Средняя общеобразовательная школа №19» г.Салавата

ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

Проектно – исследовательская работа

 «Пушка Гаусса»

Проект выполнил: ученик 9 «А» класса МБОУ «СОШ№ 19» Шилкин Данил Руководитель: учитель технологии  МБОУ «СОШ№19» Зайнагабдинова Эльвира Рустямовна

г. Салават 2018г.

Содержание

Аннотация

Введение

Глава 1.Исследовательская часть

1.1. Краткая биография

1.2.Кратко о самом Гауссе

Глава 2 Выполнение проекта.

2.1.Идея создания проекта, альтернативные варианты проектной

деятельности

2.2. Выбор материала для выполнения изделия

2.3. Организация рабочего места и выбор инструментов

2.4. процесс выполнения работы

2.5.Сборка схемы пушки Гаусса

2.6.Расчет скорости снаряда

2.7.Расчет себестоимости

2.8. Реклама изделия

Заключение

Список литературы

Приложение

Аннотация

Довольно часто в литературе научно – фантастического жанра упоминается пушка Гаусса. Она выступает в роли высокоточного смертоносного оружия.

Примером такого литературного произведения являются книги из серии «S.T.A.L.K..E.R.», написанные по серии игр S.T.A.L.K..E.R., где Гаусс – пушка была одним из мощнейших видов оружия, не считая РПГ – 7.  Но первым в  научной фантастике пушку Гаусса воплотил в реальность Гарри Гаррисон в своей книге «Месть Стальной крысы».  Цитата из книги: «Каждый имел при себе гауссовку -  многоцелевое и смертоносное оружие. Его мощные батареи накапливали впечатляющий заряд. Когда нажимали на спуск, в стволе генерировалось сильное магнитное поле, разгоняющее снаряд до скорости, не уступающей скорости снаряда любого другого оружия с реактивными патронами. Но гаусовка  имела то превосходство, что обладала более высокой скорострельностью, была абсолютной бесшумной и стреляла любыми снарядами, от отравленных иголок до разрывных пуль».

В данной работе мы собираем пушку Гаусса, которою многие могли видеть в некоторых компьютерных играх и монтируем в мобильный трейлер. Который тоже изготовим из доступного материала. Электромагнитная пушка Гаусса известна всем любителям компьютерных игр и фантастики. Назвали её в честь немецкого физика Карла Гаусса, исследовавшего принципы электромагнетизма. Но так ли уж далеко смертельное фантастическое оружие от реальности?

Введение

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 проводах, то она установится в тоже 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 (рис.1).рис.1

Для наибольшего эффекта импульса тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должен 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.

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.

Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, а также скорострельности орудия, возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, 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.

Мой интерес к реконструкции пушки Гаусса вызван простотой сборки и доступностью материалов, простота в использовании с одной стороны и большая энергозатратность с другой, что и определило основную проблему исследования. Недостаточно изучен спектр применения электромагнитного ускорителя в повседневной жизни. Создать модель ускорителя масс, на основе анализа экспериментальных данных выяснить, где можно использовать пушку Гаусса, в каких сферах жизнедеятельности человека. Почему я выбрал эту тему? Я заинтересовался устройством пушки и решил создать модель такой пушки Гаусса, т.е. любительскую установку. Её можно использовать как игрушку. Но, создавая модель, я стал задумываться, где же ещё можно применять пушку Гаусса и как сконструировать более мощную пушку, что же для этого нужно?! Как можно увеличить бегущее электромагнитное поле?

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

Цель работы: изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (Пушки Гаусса), а так же принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и мобильный объект для его перемещения.

Основные задачи:

-рассмотреть устройство по чертежам и макетам;

-изучить устройство и принцип действия ЭМУМ;

-создать действующую модель;

-создать мобильный объект для перемещения модели

Предмет исследования – явление электромагнитной индукции.

Объект исследования – модель Пушка Гаусса.

Методы исследования:

1. Анализ научной литературы.

2. Материальное моделирование, конструирование.

3. Экспериментальные методы исследования

4. Анализ, обобщение, дедукция, индукция.

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

Практическая значимость: Данный прибор можно использовать для демонстрации на уроках физики, технологии и ОБЖ,  что будет способствовать лучшему усвоению учащимися данных физических явлений.

Глава 1. Исследовательская часть

1.1.Краткая биография

Пушка Гаусса (англ. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.

1.2.Кратко о самом Гауссе.

Иога́нн Карл Фри́дрихГа́усс (нем. Johann Carl Friedrich Gauß; 30 апреля 1777, Брауншвейг — 23февраля 1855, Гёттинген) 

немецкий математик, механик, физик, астроном и геодезист. Считается одним из величайших математиков всех времён, «королём математиков». Лауреат медали Копли (1838), иностранный член Шведской (1821) и Российской(1824) Академий наук, английского Королевского общества.

 В детстве его учителя  называли  вундеркиндом, мальчик отличался большими способностями в учебе, его успехи превосходили  сверстников  в изучении точных наук. В математике достижения Гаусса оказались невероятно ценными. Он запомнился в истории как величайший математик, двигатель прогресса и развития науки. Знаменитая теорема алгебры, термин  «гауссова кривизна», основы дифференциальной геометрии вошли в основу фундаментальных математических законов. «Исследования относительно кривых поверхностей» были оценены при жизни ученого и стали классикой в математике. «Теория биквадратичных вычетов» и открытие комплексных чисел также стали научным достоянием Гаусса.

Отличился Карл Фридрих Гаусс и в области физики. Его интересовала электромагнитная индукция, магнитные поля и электричество. Даже единица измерения в физике названа в его честь, магнитная индукция стала измеряться в гауссах. Вместе со своим коллегой Вильгельмом Вебером, он изобрел электрический телеграф. Это изобретение было первым в своем роде и было представлено публике в 1837 году.

Он прожил долгую жизнь, за которую получил призвание и внес огромный вклад в развитие науки. Умер ученый в 1855 году.

Глава 2. Выполнение проекта

2.1. Идея создания проекта, альтернативные варианты проектной

деятельности.

Мой выбор таков: Решил сам своими руками  собрать мобильную модель Пушки Гаусса и применять как наглядное пособие и показывать принцип работы на уроках технологии, физики и ОБЖ.

2.2.Выбор материала для выполнения изделия

При изготовлении мобильного изделия я столкнулся с определенными трудностями. Чтобы изготовить сам автомобиль в выборе материала не было затруднений. Я использовал кусочки фанеры, которые нашлись в мастерской школы. А для того чтобы собрать схему Пушки столкнулся с трудностями  в подборе необходимых элементов и деталей для его сборки. Поиски начались с магазинов и в сетях интернета. Оказалось, что многие детали стоят очень дорого. Я стал искать альтернативный вариант их замены менее затратным для себя. Оказывается многие детали  легко найти. Это старые теле-радио приборы.

2.3.Организация рабочего места и выбор инструментов

Свое изделие я сделал на уроках технологии и в свободное время от уроков. При выполнении изделия использовал следующие инструменты и приспособления: эл.лобзик, фрезы, наждачная бумага, эл.дрель,сверла, эл.паяльник, круглогубцы, нож. Во время работы строго соблюдать технику безопасности. По окончании работы, каждый инструмент убирается на свое место.

2.4.Процесс выполнения работы

Для изготовления такого изделия необходимо учесть ход работы:

Пушка Гаусса

 

  2.5.Сборка схемы Пушки Гаусса

Простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов даже при школьных знаниях физики.

Внимание!

Заряженные конденсаторы большой ёмкости могут быть очень опасны! Будьте аккуратны!

Для сборки схемы пушки, мы изготовили самостоятельно катушку индуктивности с количеством витков138(4 слоя по 35 витков, каждый).Один конденсатор суммарной ёмкостью 1500мкФ. Диоды 3 шт.кд 213в 8502, резисторы 4шт(20Ом, 20Ом, 5Ом, 5 Ом). Силовой высокчастотный тиристор Т 161-160, Гальванический элемент питания – 4 шт.- 1.5V. Ключ – кнопка, автомат С25 230/400В. Собрали модель по следующей схеме:

 

Ниже представлены технические характеристики пушки:

Снаряды: маленький гвоздь;

Катушка индуктивности: 138 витков, 4 слоя по 34 в каждой;

1.     Средняя скорость вылета снаряда массой 1 гр: 20м/с;

2.     Суммарная ёмкость конденсаторов: 1500мкФ

На фотографии представлена собранная электрическая схема модели.

2.6.Рассчёт скорости снаряда

После сборки данной схемы мы провели испытания и рассчитали скорость пули по представленной ниже формуле.

Формула для измерения скорости пули с помощью баллистического маятника.

V-Скорость снаряда (м/с)

m - масса снаряда (кг)

M- масса маятника (кг)

X-отклонение маятника (м)

L-длина подвеса (м)  

g - скорость свободного падения-9,81 м/

Мы провели измерения, «Зависимости скорости снаряда» и внесли результаты в таблицы.

Таблица №1. «Зависимость скорости снаряда от ёмкости конденсатора»

Масса снаряда ,г	Ёмкость конденсатора, мКф	Скорость снаряда, м/с
1	1500	20,76
1	2500	17,65

Таблица №2. «Зависимость скорости снаряда от его массы»

Масса снаряда ,г	Ёмкость конденсатора, мКф	Скорость снаряда, м/с
1	1500	20,76
0,2	1500	35

Таблица № 3. «Зависимость скорости снаряда от длины ствола»

Масса снаряда, г	Ёмкость конденсатора, мКф	Длина ствола, см	Скорость снаряда, м/с
0,2	1500	21	35
0,2	1500	40	35

Результат расчётов показал:

1-                    Скорость снаряда зависит от его массы и ёмкости конденсаторов.

2-                    При увеличении ёмкости конденсатора, уменьшилась скорость снаряда. Это происходит, потому что при прохождении снаряда через центр соленоида, он начинает втягиваться внутрь ,и при увеличении ёмкости, увеличивается и магнитное поле, втягивающее снаряд внутрь соленоида.

Вывод: Проведя эти измерения, мы выяснили, что скорость снаряда зависит от его массы и ёмкости конденсаторов.

У данной модели ЭМУМ есть свои трудности:

Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1 -7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает даже 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию.

Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею). Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.

Третья трудность следует из первых двух. Это большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности и долгой перезарядки.

2.7. Расчёт себестоимости

Чтобы посчитать стоимость модели необходимо сумировать все затраты на производство и элементы необходимые для пушки Гаусса. А они состоят из нескольких компонентов:

1.Стоимость саморезов9 шт*30=2р.40коп.

2.Стоимость клея ПВА 300гр. приобретен по цене155руб., использовано на изделие 10гр. Стоимость затрат 5 руб.

3.Морилка приобретена по цене 145руб. Израсходовано на изделие 0,05л, затарты 25руб.

4. Стоимость электроэнергии .На изготовление колес и фар потрачено 1 час. 600ВТ = 0,6кВТ*6=3руб.60коп.

5.Резисторы – 20руб*4=80.

6Диоды 3*137=411руб

7.Кнопка – 50руб.

8. Гальванический элемент питания- 20руб*4=80руб

9.Конденсатор – 1500руб

10Тиристор – 3000руб

11.Провода -20руб.

12. Накладная розетка 70 руб.

13. Лампочка -17 руб.

14 Эл.автомат 185руб

15Изоляционная лента 17 руб.

16. патрон 100руб.

Всего затрат составляет 5482 руб.40 коп.

Если учесть, что материал был подобран из отходов школьной мастерской, то затраты составили всего 284руб.

Из расчетов видно: такой прибор не требует больших материальных затрат. Себестоимость этого прибора – 284рублей.

2.8. Реклама изделия

Технология – предмет особый,

 И в жизни вам поможет он.

Он мастерить научит каждого

И даст советов миллион.

А тот, кто полностью изучит

Основы этого предмета.

В награду знания получит

И много жизненных советов.

Заключение

Перспективы в будущем  есть?

ЭМУМ видит не только перспективы в виде оружия, но и полезное сооружение в космосе:

В результате работы над проектом, мы пришли к выводу, что данное  устройство рациональнее было бы использовать на других планетах (например, Марс) и спутниках (например, Луна) при построении или установке различных сооружений или станций, установка необходимого  исследовательского оборудования в условиях отсутствия атмосферы и в полном вакууме (например, сваи им забивать, или мощные гвозди). Т.к. на данных космических объектах достаточно низкая температура, то решается вопрос с охлаждением.

Но не только на других планетах ее можно использовать, а ещё ЭМУМ поможет запускать спутники или другие космические объекты, не загрязняя экологию нашей планеты.

Помимо Пушки гаусса есть и еще 2 вида ЭМУМ:

1-Рельсотрон

2-Дискомёт Томпсона

Рельсотрон

В нем проводящий снаряд движется между двух рельс - электродов (откуда и получил свое название - рельсотрон), по которым подается ток. Источник тока подключается к рельсам у их основания, поэтому ток течет как бы в догонку снаряду и магнитное поле, создаваемое вокруг проводников с током, полностью сосредоточенно за проводящим снарядом.

Дискомёт Томпсона

В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.

В будущем планирую собрать более мощный  многоступенчатый ускоритель, улучшив характеристики и добавив возможность заряжать его от аккумулятора.  Так же более подробно изучить строение и принцип работы «Рельсотрона», после чего попытаться собрать и его.

Список литературы

1.  Физика: учебник для 10 класса с углубленным изучением физики/ А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, А. Н. Малинин и др.; под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. – М.: Просвещение, 2009.

2.  Физика: учебник для 11 класса с углубленным изучением физики/ А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, А. Н. Малинин и др.; под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. – М.: Просвещение, 2010.

3. С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений (базовый и углубленный уровень). – М.: Мнемозина, 2010.

4.  С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. Физика. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений (базовый и углубленный уровень). – М.: Мнемозина, 2009.

5.  Основные виды ЭМО. -электронный ресурс: http://www. gauss2k. narod. ru/index. Htm

6. Технология. 8 класс. Учебник. ФГОС 2016. Симоненко В.Д., Электов А.А., Гончаров Б.А. – М .: Вентана-Граф, 2016 г.

7. Технология. Индустриальные технологии : 7 класс : учебник для учащихся общеобразовательных организаций / А.Т. Тищенко, В.Д. Симоненко Вентана-Граф 2016

8. Пушка Гаусса.- электронный ресурс: http://ru. wikipedia. org

ПРИЛОЖЕНИЕ

Технологическая карта

На изготовление мобильного прибора

«Пушка Гаусса»

№ п/п	Де таль	Последовательность выполнение работы	Графическое изображение	Инструменты и приспособления
1	2	3	4	5
Сборка схемы Пушки Гаусса
1	1	Собрать катушку индуктивности		медная проволока, пластиковая трубочка
	2	собрать по схеме Пушку Гаусса		эл.паяльник, круглогубцы, изоляционная лента,нож
Изготовление и сборка автомобиля
2	1	Выбрать заготовку учетом припусков на обработку. В данном случае листы фанеры		Верстак, карандаш, заготовка, лобзик.
	2	Выполнить эскиз модели автомобиля		верстак, карандаш.
	3	Подобрать заготовку фанеры по размерам деталей, выполнить разметку, выпилить		линейка карандаш, лобзик
	4	Подобрать для кабины брусок, выполнить разметку. При необходимости прострогать и прошлифовать		Угольник, карандаш, рубанок, ножовка, наждачная бумага
	5	Подобрать для колёс материал, выполнить разметку, выпилить и профрезировать	Ø60	Линейка, карандаш, циркуль лобзик, фреза Ø60мм
	6	Разметить и просверлить отверстие на колёсах для оси.	Ø8	Сверлильный станок, сверло Ø8мм
	7	Выпилить декоративные планки, разметить под отверстия  и просверлить.		лобзик. сверлильный станок, сверло Ø8мм
	8	Прошлифовать все детали		брусок с наждачной бумагой.
	9	Выполнить сборку автомобиля и склеить их плоскости. отметить на оси места для крепления колёс и просверлить отверстия для шкантов		Клей ПВА, шканты, струбцина, карандаш, линейка, сверло Ø8мм
	10	Выполнить окончательную сборку автомобиля соединяя детали на шканты. Выполнить отделку.		Клей ПВА, струбцина, киянка, кисточка, морилка цвет «Клён»
Изготовление и сборка трейлера
3	1	Подобрать заготовку фанеры по размерам основания, боковых стенок бортов и выполнить разметку. Выпилить все детали по размеченным линиям.		линейка, карандаш, лобзик
	2	Разметить на деталях выход для элементов пускового управления пушки Гаусса и выпилить по размеченным линиям.		линейка, карандаш, лобзик
	3	Прошлифовать все детали и выполнить сборку установив в трейлер пушку Гаусса.		наждачная бумага, клей ПВА. саморезы, фигурная отвертка
	4.	Окончательная  сборка и отделка изделия.		Морилка, кисть, фигурная отвертка

Краткое описание документа:

Содержание Аннотация Введение Глава 1.Исследовательская часть 1.1. Краткая биография 1.2.Кратко о самом Гауссе Глава 2 Выполнение проекта. 2.1.Идея создания проекта, альтернативные варианты проектной деятельности 2.2. Выбор материала для выполнения изделия 2.3. Организация рабочего места и выбор инструментов 2.4. процесс выполнения работы 2.5.Сборка схемы пушки Гаусса 2.6.Расчет скорости снаряда 2.7.Расчет себестоимости 2.8. Реклама изделия Заключение Список литературы Приложение Аннотация Довольно часто в литературе научно – фантастического жанра упоминается пушка Гаусса. Она выступает в роли высокоточного смертоносного оружия. Примером такого литературного произведения являются книги из серии «S.T.A.L.K..E.R.», написанные по серии игр S.T.A.L.K..E.R., где Гаусс – пушка была одним из мощнейших видов оружия, не считая РПГ – 7.Но первым внаучной фантастике пушку Гаусса воплотил в реальность Гарри Гаррисон в своей книге «Месть Стальной крысы».Цитата из книги: «Каждый имел при себе гауссовку -многоцелевое и смертоносное оружие. Его мощные батареи накапливали впечатляющий заряд. Когда нажимали на спуск, в стволе генерировалось сильное магнитное поле, разгоняющее снаряд до скорости, не уступающей скорости снаряда любого другого оружия с реактивными патронами. Но гаусовкаимела то превосходство, что обладала более высокой скорострельностью, была абсолютной бесшумной и стреляла любыми снарядами, от отравленных иголок до разрывных пуль». В данной работе мы собираем пушку Гаусса, которою многие могли видеть в некоторых компьютерных играх и монтируем в мобильный трейлер. Который тоже изготовим из доступного материала. Электромагнитная пушка Гаусса известна всем любителям компьютерных игр и фантастики. Назвали её в честь немецкого физика Карла Гаусса, исследовавшего принципы электромагнетизма. Но так ли уж далеко смертельное фантастическое оружие от реальности?