Проектная работа "Пушка Гаусса-оружие или игрушка"

МБОУ «СОШ с.Святославка»

Номинация «Вне рамок урока»

Учебный проект

                                                                 по физике

                                    «Пушка Гаусса –

       оружие или игрушка?»        

        Выполнил ученик 8 класса

                                                                              Бекетов Константин

                                     Руководитель проектной работы:  Мезин М.Н.

                                                                            2016г                        

                                       Обоснование темы проекта.

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?

Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — 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.

Иллюстрация принципа стрельбы

.

Принцип действия

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, 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, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит, так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому, что снаряд легко перемагничивается.

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

Параметры ускоряющих катушек, 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. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.

Кинетическая энергия снаряда

 — масса снаряда
 — его скорость

Энергия, запасаемая в конденсаторе

 — напряжение конденсатора

 — ёмкость конденсатора

Время разряда конденсаторов

Это время за которое конденсатор полностью разряжается:

 — индуктивность
 — ёмкость

Время работы катушки индуктивности

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

 — индуктивность
 — ёмкость

Стоит заметить, что в представленном виде две последние формулы не могут применяться для расчетов пушки Гаусса, хотя бы по той причине, что по мере движения снаряда внутри катушки, её индуктивность все время изменяется.

Применение

Я выяснил,чтотеоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту. Основное применение — любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность).

Создание

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

Существует множество сайтов, в которых подробно описано, как собрать пушку Гаусса. Но стоит помнить, что создание оружия в некоторых странах может преследоваться по закону. Поэтому, перед тем как создавать пушку Гаусса, стоит задуматься, как вы будете применять её.

Преимущества и недостатки

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, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого 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, больша́я надежность и теоретически износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.

Первая и основная 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 27 %. В основном в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют IGBT модули) для размыкания катушки (правило Ленца).

Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД).

Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.

Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи конденсаторы.

Пятая трудность — с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.

В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.

Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. Теоретически, перспективы, конечно, возможны, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности.

Как сделать пушку Гаусса своими руками?

 Сегодня я хочу рассказать, как сделать настоящую гаусс пушку, своими руками. Девайс часто мелькает в компьютерных игрушках и скорее всего вам знаком. Для начала пару слов о том, как работает гаусс, идея проста, заряженный конденсатор подключается к некой катушке, которая работает как электромагнит, она втягивает железную пулю, а конденсатор полностью разрежается в момент, когда пуля находиться посередине катушки и продолжает лететь по инерции. Я изготовил  очень простую гаусс пушку, которая будет служить скорее макетом для лучшего понимания принципа работы. Для начал она будет питаться от сети 220В.

Итак,  самое главное, что необходимо для начала работы - это конденсатор емкостью минимум 100мкф и на напряжение более 400В, взять его можно на радиорынках, либо достать из почти любой современной  техники, в которой есть импульсный блок питания, можно набрать нужный наминал, соединяя конденсаторы последовательно или параллельно.

Ещё понадобится медный намоточный провод диаметром 0.5-1.2мм, достать его можно из различных трансформаторов или просто купить на радиорынке,  нужно не много, метров 15 хватит, Диод 1n4007 в радиомагазинах или тех же импульсных блоках питания.

Лампа накаливания ватт на 40. Трубка, которая будет служить стволом, желательно что бы внутренний диаметр был порядка 4-5мм,  лучше использовать пластиковую или металлическую. И гвозди, из них будут сделаны пули, можно выточить пулю из 6мм шпильки. Ещё  можно обзавестись тиристором типа 40TPS12 или похожим по параметрам , и резистором на 100Ом для повышения кпд и безопасности.

Перед сборкой хочу сказать, что  девайс питается на прямую от сети, поэтому нужно быть предельно аккуратным.

                                        Внимание!

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

Теперь приступим непосредственно к сборке, основная деталь гаусса это катушка, для наилучших параметров её рассчитать,  (видео:  «http://youtu.be/tLdUsXEjICM» статья:  http://how-todo.ru/gauss-femm/ ) , в принципе вполне можно обойтись без расчёта, достаточно прикинуть размер пули и сделать такой же длины обмотку в  4-6 слоёв. Теперь нужно собрать небольшую схему, она будет заряжать конденсатор до 310 Вольт.

Проверяем схему несколько раз, вставляем вилку в  розетку, если всё верно лампочка сначала ярко загорится, а потом медленно потухнет, это будет означать, что конденсатор зарядился. Вытаскиваем вилку из розетки, ложем пульку чуть позади катушки и замыкаем катушку на конденсатор, произойдёт громкий хлопок и вспышка, а пулька вылетит.

Главный недостаток такой схемы -это то, что необходимо разряжать конденсатор в ручную и контактировать с опасным напряжением. Можно улучшить схему, поставив вместо кнопки тиристор, это позволит бесшумно стрелять и отдалиться от опасного напряжения.

                          Использованные ресурсы:

1. Интернет-ресурсы: статья:  http://how-todo.ru/gauss-femm/
2. Видео:  «http://youtu.be/tLdUsXEjICM»