Старт в науке. Пушка гаусса – оружие или игрушка? Тогда скорость снаряда определяется формулой

Пушка Гаусса. Научно - исследовательская работа учеников 9 «А» класса Куричина Олега и Козлова Константина.

Пушка Гаусса – это наиболее распространённое название устройства, принцип работы которого основан на использовании мощного электромагнита для ускорения предметов. Обычно электромагнит состоит из ферромагнитного сердечника, на который намотана проволока (далее - обмотка). При прохождении тока по обмотке возникает магнитное поле.

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. Снаряд при этом получает на концах полюса заряд, симметричный зарядам полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, т. е. тормозится.

Но если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола. При выключении источника питания в катушке образуется ток самоиндукции, который имеет обратное направление тока, и поэтому меняет полярность катушки.

А это значит, что при резком выключении источника питания снаряд, пролетевший центр катушки, будет отталкиваться и получать ускорение дальше. В ином случае, если снаряд не достиг центра, он будет тормозиться. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным.

Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения (то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован). В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным.

Установки, имеющие только одну катушку, как правило не очень эффективны. Для того, чтобы добиться действительно большой скорости полёта снаряда, требуется собрать систему, в которой катушки будут поочерёдно включаться, втягивая в себя снаряд, и автоматически выключаться, когда тот дойдёт до середины катушки. На рисунке представлен вариант подобной установки с несколькими катушками.

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, больша я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Естественно, такими разработками интересуются военные. В 2008 году американцы собрали пушку EMRG. Вот, немного о ней: 02. 2008 была испытана самая мощная в мире электромагнитная пушка. ВМС США провел на полигоне в штате Виржиния испытание самой мощной в мире электромагнитной пушки EMRG. Пушка EMRG, созданная для надводных кораблей, считается перспективным оружием второй половины ХХI века. В первую очередь потому, что это устройство без помощи порохового заряда придает снаряду скорость 9 тысяч км/час, что в несколько раз превышает скорость звука. Снаряд набирает такую скорость благодаря пролету через мощное электромагнитное поле, создаваемое пушкой. Разрушительная сила такого снаряда тоже весьма высока. В ходе испытаний за счет высокой кинетической энергии снаряд полностью разрушил старый бетонный бункер. А значит, в дальнейшем для уничтожения таких объектов можно отказаться от взрывчатки. Также снаряд с электромагнитным ускорением способен покрыть больший путь, чем обычные снаряды - до 500 км. Ну, а главное достоинство электромагнитной пушки - ее снаряды не взрывоопасны, а значит - более безопасны. Вдобавок к этому он не оставляет после себя гильз с пороховым или химическим зарядом.

Однако, не только американские военные собирают Гаусс -пушки. Не так давно Алан Пэрек собрал свою собственную установку. На её создание у него ушло 40 часов и 100 евро. Пушка весит 5 кг, рассчитана на 14 выстрелов и имеет полуавтоматический режим стрельбы. Вот фотография этой установки.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями. 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.

Мы также собрали подобную установку, используя стеклянную трубку, длиной около 1 м, катушку индуктивности на 100 витков и 3 конденсатора, каждый ёмкостью по 58 мк. Ф (всё это было найдено в кабинете физики).

Мы собрали различные варианты установки и попытались установить, какая форма снаряда будет наиболее подходящей для стрельбы. L снаряда 1 см 2 см 3 см 4 см L выстрела 1. 5 м 3. 14 м 3. 2 м м D снаряда 1 см 0, 5 см 1 мм L стрельбы 1, 87 м 2, 87 м 3, 21 м 2, 5 м Таблица 2. Изменяется длина снаряда (толщина постоянна). 0, 5 мм Таблица 3. Изменяется толщина снаряда (длина L=3 см, наилучшая из предыдущего опыта).

Нашей второй целью было выяснить, какое количество витков в катушке установки и какая ёмкость конденсаторов позволят снаряду лететь лучше всего. 174 100000 C 58 116 мк конденсато мк мк мк. Ф Ф ра Ф Ф L выстрела 0. 9 м 1. 7 м 3. 1 м 0. 6 м N витков 0. 2 м 100 шт L выстрела 3. 07 м 200 шт 300 штя 400 шт 2. 84 м 2. 7 м 2. 56 м

Наилучшие характеристики снаряда и установки в предыдущих Можно заметить, что самые таблицах лучшие характеристики были выделены красным цветом. находятся в «середине» , между самыми большими и самыми U 40 в 80 в 160 в 220 в маленькими значениями. конден Это довольно легко объяснить. сатора Время полной разрядки конденсатора равно одной четверти периода. Следовательно, имея большую ёмкость, конденсатор будет L 1 м 1. 7 м 3. 3 м 3. 21 м долго разряжаться. Как следствие, мы получим малую выстре дальность полёта снаряда. ла Также, установка, имеющая малое напряжение конденсатора как следствие имеет большую ёмкость, что, как было сказано выше, сказывается на дальности полёта снаряда. .

Как видно из таблицы, длина ствола особой роли тут не играет. L снаряда 1, 7 см 0, 5 м 1 м L выстрела 3, 01 м 2, 98 м 3, 08 м Всё-таки одна из целей нашего исследования была достигнута – мы выяснили, какие характеристики катушки и снаряда позволят последнему лететь дальше всего. Как уже говорилось, это ёмкость конденсаторов в 174 мк. Ф, длина ствола в 1 м и 100 витков в катушке. Напряжение конденсаторов мы взяли 220 в. Гвоздь, используемый в качестве снаряда, около 1 мм в диаметре и 3 см в длину.

После всех исследований мы поняли следующее: Возможность существования пушки гаусса доказана, а значит цель исследований достигнута.

Аттестационная работаСлушателя курсов повышения квалификации по
программе:
«Проектная и исследовательская деятельность как
способ формирования метапредметных результатов
обучения в условиях реализации ФГОС»
Руденко Надежда Харисовна
Фамилия,
Фамилия, имя,
имя, отчество
отчество
МБОУ гимназия 10 ЛИК г.Невинномысск
Образовательное
Образовательное учреждение,
учреждение, район
район
На тему:
Проект по физике »Гаус пушка»
1

Методическая разработка проекта по физике

Проектная деятельность, направленная на выявление и
создание новых объектов явлений окружающего мира,
отличных по своим характеристикам и свойствам от
известных.
МБОУ гимназия 10 ЛИК является школой для детей и
подростков, имеющих высокие интеллектуальные
способности. С начальных классов учащиеся активно
создают проекты и в 7 классе выбирают проекты по физике
,как в урочной, так и во внеклассной работе. Ежегодное
проведение творческой недели в декабре и
интеллектуальные марафоны помогают созданию
разнообразных и интересных проектов. Учащиеся активно
участвуют ежегодно в интер-проекте «Удивительный мир
физики»,где создаются творческие и проекты. Каждый год
учащиеся защищают свои проекты на городских и краевых
научно-практических конференциях школьников.
2

Пример компонентов образовательной среды МБОУ гимназии 10 ЛИК

Интеллектуальный марафон
Творческая неделя
Исследовательский урок
Учебно- исследовательская
специализация
Выполнение индивидуальных проектов
Научно-практическая конференция
3

Цели проекта»Гаус-Пушка»
Разобраться в физической картине работы пушки;
Проанализировать информацию о подобных работах,
Выбрать и приготовить необходимые материалы;.
Задачи:
.Создание установки пушки Гаусса.
Экспериментальным путем определить зависимость скорости
снаряда от массы
Экспериментальным путем определить глубину пробивание
пластилина в зависимости скорости и массы снаряда
Гипотеза: возможно ли создание простейшей функционирующей
модели пушки Гаусса в условиях школы?
5

Схема Гаусс пушки

Электроемкость конденсатора = 1000 мкФ, напряжение 450 В, лампа 40 ватт,
катушка,2 полупроводника 1N4007,VS1,источник питания-1,5 В.
Используя данную схему была собрана пушка Гаусса

Принцип действия

Пушка Гаусса состоит из катушки, внутри которой находится ствол. В один из
концов ствола вставляется снаряд. При протекании электрического тока в
катушке возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая»
его внутрь катушки.
Одним из основных элементом пушки Гаусса это электрический
конденсатор. Зная энергию конденсаторов можно найти
ориентировочную кинетическую энергию снаряда – или попросту
мощность будущего магнитного ускорителя..
Для наибольшего эффекта импульс тока в катушке должен быть
кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса
используются электролитические конденсаторы с высоким напряжением.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть
согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета
снаряда к катушке индукция магнитного поля в катушке была максимальна,
но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до
максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью
падает до 0. T=П√LC
L - индуктивность, C - ёмкость

ЗАКОНЫ ФИЗИКИ И ФОРМУЛЫ
Кинетическая энергия снаряда
m - масса снаряда; v - его скорость
Энергия, запасаемая в конденсаторе
U - напряжение конденсатора
C- ёмкость конденсатора
По закону сохранения энергии энергия
запасённая в конденсаторе превращается в
кинетическую энергию снаряда.

Тогда скорость снаряда определяется формулой:

V=0,07 U √C /m
(с учетом максимального КПД=7%)
Мы решили не менять напряжение и электроемкость,
менять массы снарядов и исследовать изменение
скорости снаряда.
Для этого мы решили пробивать снарядами пластилин.
АТР = FТР×S
АТР- работа силы трения
FТР- сила трения

S= mv2/2 FТР

Создание

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

ПРОЦЕСС НАШЕЙ РАБОТЫ
Наша пушка Гаусса
А вот и сами испытания
Друзья всегда помогут

Эксперимент-1:

Как скорость снаряда зависит от массы
Проведя опыты с разными массами снарядами 2г и 6 г
с учетом КПД- 7 % получили скорости 2,25 и 1,3 м/с
V=0,07 U√C /m
Электроемкость
конденсатора
мкФ
Напряжение
Вольт
Масса снаряда
грамм
Скорости
снарядов
М/с
1000
1000
450
450
2
6
2,25
1,3
Вывод: с увеличением массы снаряда его скорость
уменьшилась.

Эксперимент 2 . Пробивание снарядами разной массы пластилина

АТР = FТР×S
АТР- работа силы трения
FТР- сила трения
S-толщина пробивания пластилина
S= mv2/2 FТР
Пробивали пластилин пулями 2г и 6г измерили глубину
пробивания. Она изменилась с 1 см до 0,5 см

Применение

В мирных целях
В военных целях
В качестве любительской установки

НЕДОСТАТКИ
Большие размеры установки
Большой расход энергии

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. Однако, установка, подобная пушке
Гаусса, может использоваться в космическом
пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости
многие недостатки подобных установок компенсируются.
В частности, в военных программах СССР и США
рассматривалась возможность использования установок,
подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для
поражения других космических аппаратов, или объектов
на земной поверхности.

ГАУСС ПУШКА В ЛИТЕРАТУРЕ И ВИДЕО ИГРАХ
Довольно часто в литературе научно-фантастического
жанра упоминается пушка Гаусса. 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. Но первым в научной фантастике пушку
Гаусса воплотил в реальность Гарри Гаррисон в своей
книге «Месть Стальной Крысы».

Сейчас почти все школьники (и я в том числе)увлекаемся видеоиграми и
там активно используется Гаусс пушка.
В видеоиграх Halo 2 , Crimsonland, Warzone 2100 , S.T.A.L.K.E.R, Crysis, B Ogame пушка
Гаусса - мощное оборонительное сооружение.
В игре Crimsonland присутствует винтовка Гаусса, которая стреляет бесшумно.
В
игре S.T.A.L.K.E.R. гаусс-пушка имеет огромную мощность и медленно перезаряжается.
В Crysis винтовка
Гаусса
максимальный урон.
представляет
собой снайперское
оружие,
наносящее

Выводы учащегося: Я познакомился первооткрывателями электромагнитного воздействия; Научился проводить физические исследования; Разобра

Выводы учащегося:
Я познакомился первооткрывателями электромагнитного
воздействия;
Научился проводить физические исследования;
Разобрался в принцип работы пушки Гаусса и создавал её макет
в домашних условиях;
Провел эксперименты: зависимость скорости снаряда от его
массы, глубины пробивания пластилина в зависимости от
кинетической энергии снарядов;
Были некоторые сложности при создании макета, но в целом для
меня работа была очень увлекательной и интересной;
Я убедился, что создать Гаусс пушку своими руками может даже
ученик 7класса.
После выполнения работы я задумался о том, что время
затраченное на видеоигры лучше потратить на изучение физики и
создание моделей своими руками.

Особую роль в формировании
познавательных УУД играет работа ребят над
проектами, подготовка к выступлению на
ежегодной конференции. В основе этого
метода лежит развитие познавательных
навыков учащихся, умений самостоятельно
конструировать свои знания, умений
ориентироваться в информационном
пространстве, развитие критического и
творческого мышления.
22

Метод проектов всегда ориентирован на
самостоятельную деятельность учащихся индивидуальную, парную, групповую,
которую учащиеся выполняют в течение
определенного отрезка времени. Этот вид
работы органично сочетается с групповой
деятельностью. Метод проектов всегда
предполагает решение какой-то проблемы,
которое предусматривает, с одной стороны,
использование в совокупности
разнообразных методов, средств обучения,
а с другой, предполагает необходимость
интегрирования знаний, умений применять
знания из различных областей науки,
техники, технологии, творческих областей.
23

Реализация метода проектов и
исследовательского метода на практике
ведет к изменению позиции учителя. Из
носителя готовых знаний он превращается в
организатора познавательной,
исследовательской деятельности своих
учеников. Изменяется и психологический
климат в классе, так как учителю приходится
переориентировать свою учебновоспитательную работу и работу учащихся
на разнообразные виды самостоятельной
деятельности учащихся, на приоритет
деятельности исследовательского,
поискового, творческого характера.
24

Каждый урок, проект, каждое внеклассное
занятие сегодня должны стать новой
ступенью познания. Доброжелательность,
умение увидеть в каждом личность,
способную к творчеству и самовыражению,
сопереживание и сердечность, а также
профессионализм и высокие требования к
себе и своему труду – вот те качества, какими
должен сегодня обладать учитель. Выбирая
профессию учителя, мы обрекаем себя на
постоянное обучение. Выбрать из нового
главное и приемлемое для себя, научиться и
научить пользоваться новыми
технологиями, но не растерять самое
главное и лучшее, что было в старой школе.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов № 1
Тема: Создание экспериментальной установки «Пушка Гаусса»
Выполнил: Ворошилин Антон
Колтунов Василий
Руководитель: Буздалина И. Н.
Воронеж
2017 г.
Оглавление
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Принцип работы.
1.2 История создания.
2. Практическая часть
2.1 Параметры установки
2.2 Вычисление скорости
2.3 Характеристики катушки
Вывод

Введение
Актуальность работы
На протяжении всего периода своего существования человек стремился создавать все более совершенные инструменты. Первые из них помогали человеку более эффективно осуществлять хозяйственную деятельность, другие – осуществляли защиту результатов этой хозяйственной деятельности от посягательств соседей.
В этой работе мы рассмотрим возможность создания и практического применения электромагнитных ускорителей.
Копьё, лук, булава, но вот первые пушки, пистолеты, ружья. На протяжении всего периода человеческого развития развивалось и оружие. И вот уже на смену простейшим кремниевым ружьям пришли автоматические винтовки. Возможно, в будущем и они будут заменены новым видом оружия, например, электромагнитным. Чтобы жить в мире и избегать различных военных конфликтов, сильное государство должно защищать интересы своих граждан, а для этого в своём арсенале оно должно иметь мощное средство обороны, способное защитить от нападения из любой точки нашей планеты. С этой целью нужно двигаться вперед и развивать вооружение. За развитием технологий в военной технике, как известно, следует развитие технологий, используемых населением и в быту.
Одни из самых распространенных видов орудий – это пушки и ружья, использующие энергию, выделяемую при сжигании пороха. Но будущее за электромагнитным оружием, в котором тело приобретает кинетическую энергию за счет энергии электромагнитного поля. Преимуществ этого оружия достаточно.
Рассмотрим положительные стороны использования электромагнитного ускорителя в качестве оружия:
- отсутствие звука при выстреле,
- потенциально большая скорость,
- большая точность,
- большее поражающее действие,
Отрицательные стороны:
- низкий КПД на данный момент;
- большое потребление энергии, громоздкость.
Технологию создания электромагнитной пушки можно использовать для развития транспорта, в частности, для запуска спутников на орбиту. Более совершенные аккумуляторы могут дать толчок развитию экологически чистых способов получения электроэнергии (например, солнечной).
Можно предположить, что развитие этого перспективного вида оружия подтолкнёт человечество не столько к разрушению, сколько к созиданию.

Цель работы:
Создать рабочую модель полноразмерной пушки Гаусса и изучить ее свойства.
Задачи работы:
Изучить целесообразность использования данного вида оружия в реальных условиях.
Измерить КПД установки
Исследовать зависимость массы снаряда и его поражающих свойств.
Гипотеза: Создать рабочую модель пушки Гаусса - модели электромагнитного оружия возможно.

Теоретическая часть.
Принцип работы
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 (рис. 1), 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. 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.

Рис. 1 - правило «правой руки»
История создания.
Электромагнитные пушки разделяют на следующие виды:
Рельсотрон – электромагнитный ускоритель масс, разгоняющий токопроводящий снаряд вдоль двух металлических направляющих с помощью силы Лоренца.
Пушка Гаусса 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.
Первый работающий образец электромагнитной пушки был разработан норвежским ученым Кристианом Биркелендом в 1904 году и представлял собой примитивное устройство, чьи характеристики были отнюдь не блестящи. В конце Второй Мировой немецкие ученые выдвинули идею о создании электромагнитной пушки для борьбы с самолетами противника. Ни одна из этих пушек так и не была построена. Как выяснили американские ученые, энергии, необходимой для работы каждой такой пушки, было бы достаточно для освещения половины Чикаго. В 1950 году австралийский физик Марк Олифан запустил создание пушки мощность 500 МДж, которая была готова в 1962 году и использовалась для научных экспериментов.
В середине 2000-х американские военные начали разработку боевого экземпляра электромагнитной пушки для своего флота. Они планируют оснастить большое количество кораблей таким типом орудий к 2020 году (рис. 2).
151765112395
рис. 2 - корабль USS Zumwalt, на который планируется установка электромагнитного вооружения

8255207645
(рис. 3 - Карл Гаусс)
Карл Гаусс (1777 - 1855) - немецкий ученый, чьи заслуги перед мировой наукой сложно переоценить. На протяжении своей жизни он был известен как механик, астроном, математик, геодезист, физик. Карл Гаусс заложил основы теории об электромагнитном взаимодействии. Действие рассматриваемого ускорителя масс основано на электромагнитном взаимодействии, поэтому он был назван в честь человека, заложившего основы понимания данного явления.

2.1 Параметры установки
Формулы для вычисления основных параметров установки
Кинетическая энергия снаряда
E=mv22m - масса снаряда
v- его скорость
Энергия, запасаемая в конденсаторе
E=CU22U- напряжение конденсатора
C - ёмкость конденсатора
Время разряда конденсаторов
Это время, за которое конденсатор полностью разряжается:
T=2πLCL - индуктивность
317533401000C - ёмкость
рис. 4 - схема установки
2.2 Вычисление скорости
Скорость полета снаряда вычислили опытным путем. На расстоянии 1 м от установки установили преграду, а затем произвели выстрел. В это время на диктофон записывался звук от момента выстрела до момента попадания снаряда в преграду. После чего загрузили аудиофайл в программу для редактирования звука и по данным диаграммы (рис. 5) вычислили время полета снаряда до цели. Считали, что звук распространяется мгновенно и без отражения в виду маленького расстояния от установки до преграды и маленького размера помещения, где производилось измерение.

Рис. 5 - изображение, полученное на компьютере
Рассчитаем параметры катушки, генерирующей магнитное поле. Система конденсатор-обмотка является колебательным контуром.
Найдем его период колебаний. Время первого полупериода колебаний равно времени, которое гвоздь летит от начала обмотки до её середины, а так как гвоздь изначально покоился, то примерно это время равно длине обмотки деленной на скорость полета снаряда.
Получили, что время полета снаряда t = 0,054 с
Вычислим скорость полета снаряда:
v= St= 18,5 м/сВычислим КПД установки:
η= mv2CU2∙100%=1,13 % . Полезная энергия равна 1,8 Дж.
КПД собранной установки является приемлемым для любительской установки.
2.3 Характеристики катушки
right4445
Кол-во витков: ~ 280
Радиус: 2R = 12; w = 8 мм
Длина обмотки: l - 41 мм
Рассчитаем индуктивность катушки:
L=μ0∙N2R22π(6R+9l+10w)μ0 - относительная магнитная проницаемость стального гвоздя, примерно равная 100.
L = 14.4 мкГн

Рис. 6 - готовая установка

Вывод
В ходе выполнения работы были успешно достигнуты все цели, поставленные нами изначально.
Мы убедились, что, обладая знаниями физики, полученными в школе, можно создать действующие электромагнитное оружие.
Была экспериментально установлена скорость полета снаряда при помощи метода, изобретенного самостоятельно.
Был измерен КПД экспериментальной установки. Он равняется 1,13%. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что в реальных условиях данный вид оружия не будет иметь успешного применения в виду низкого КПД. Эффективное практическое применение будет возможно лишь тогда, когда будут изобретены материалы, позволяющие рассеивать энергию эффективнее, чем медь.

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

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
	Блок управления силовой частью
	Операционный усилитель	LM358	3	В блокнот
	Линейный регулятор		1	В блокнот
	Фототранзистор	SFH309	3	В блокнот
	Светодиод	SFH409	3	В блокнот
	Конденсатор	100 мкФ	2	В блокнот
	Резистор	470 Ом	3	В блокнот
	Резистор	2.2 кОм	3	В блокнот
	Резистор	3.5 кОм	3	В блокнот
	Резистор	10 кОм	3	В блокнот
	Силовой блок
VT1-VT4	Тиристор	70TPS12	4	В блокнот
VD1-VD5	Выпрямительный диод	HER307	5	В блокнот
C1-C4	Конденсатор	560 мкФ 450 В	4	В блокнот
L1-L4	Катушка индуктивности		4	В блокнот

		LM555	1	В блокнот
	Линейный регулятор	L78S15CV	1	В блокнот
	Компаратор	LM393	2	В блокнот
	Биполярный транзистор	MPSA42	1	В блокнот
	Биполярный транзистор	MPSA92	1	В блокнот
	MOSFET-транзистор	IRL2505	1	В блокнот
	Стабилитрон	BZX55C5V1	1	В блокнот
	Выпрямительный диод	HER207	2	В блокнот
	Выпрямительный диод	HER307	3	В блокнот
	Диод Шоттки	1N5817	1	В блокнот
	Светодиод		2	В блокнот
		470 мкФ	2	В блокнот
	Электролитический конденсатор	2200 мкФ	1	В блокнот
	Электролитический конденсатор	220 мкФ	2	В блокнот
	Конденсатор	10 мкФ 450 В	2	В блокнот
	Конденсатор	1 мкФ 630 В	1	В блокнот
	Конденсатор	10 нФ	2	В блокнот
	Конденсатор	100 нФ	1	В блокнот
	Резистор	10 МОм	1	В блокнот
	Резистор	300 кОм	1	В блокнот
	Резистор	15 кОм	1	В блокнот
	Резистор	6.8 кОм	1	В блокнот
	Резистор	2.4 кОм	1	В блокнот
	Резистор	1 кОм	3	В блокнот
	Резистор	100 Ом	1	В блокнот
	Резистор	30 Ом	2	В блокнот
	Резистор	20 Ом	1	В блокнот
	Резистор	5 Ом	2	В блокнот
T1	Трансформатор		1	В блокнот
	Блок распределения напряжений
VD1, VD2	Диод		2	В блокнот
	Светодиод		1	В блокнот
C1-C4	Конденсатор		4	В блокнот
R1	Резистор	10 Ом	1	В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1	В блокнот
	Выключатель		1	В блокнот
	Батарея		1	В блокнот

	Программируемый таймер и осциллятор	LM555	1	В блокнот
	Операционный усилитель	LM358	1	В блокнот
	Линейный регулятор	LM7812	1	В блокнот
	Биполярный транзистор	BC547	1	В блокнот
	Биполярный транзистор	BC307	1	В блокнот
	MOSFET-транзистор	AUIRL3705N	1	В блокнот
	Фототранзистор	SFH309	1	В блокнот
	Тиристор	25 А	1	В блокнот
	Выпрямительный диод	HER207	3	В блокнот
	Диод	20 А	1	В блокнот
	Диод	50 А	1	В блокнот
	Светодиод	SFH409	1

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

И тут я сел реализовывать сие колдунство в реальность.

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: