Создание экспериментальной установки «Пушка Гаусса» в домашних условиях, своими руками (2025)

Управлениеобразования МО «Баргузинского района»

МБОУ «Баргузинская средняяобщеобразовательная школа»

671610, РБ, с.Баргузин,ул. Калинина , д.51 «А»,тел. 41540,факс(30331)41540,

https://barguzin.buryatschool.ru/

Исследовательскаяработа по физике на тему:

Созданиеэкспериментальной установки «Пушка Гаусса» в домашних условиях, своими руками

Работу выполнили: Ожигов Сергей,

Беспрозванных Марк, Пилюгин Игорь

ученики 9 «а» класса.

Научныйруководитель: Эрдыниева Д,И.,

учитель физики

С.Баргузин,2023 г.

Оглавление:

1. Введение

А) Актуальность темы

Б) Цель работы , задачи ,положительные иотрицательные стороны.

2.Основная часть:

А. Определение.

Б Принцип действия и из чего состоит

3. Практическая часть (создание пушкисвоими руками)

4.Применение

4.Заключение

5. Список используемой литературы

6, Приложение

1.Введение.

Актуальность темы:

На протяжении всего периода человеческого развитияразвивалось и оружие. И вот уже на смену простейшим кремниевым ружьям пришлиавтоматические винтовки. Возможно, в будущем и они будут заменены новым видоморужия, например, электромагнитным. Чтобы жить в мире и избегать различныхвоенных 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 цельюнужно двигаться вперед и развивать вооружение. За развитием технологий ввоенной технике, как известно, следует развитие технологий, используемыхнаселением и в быту.

Одни из самых распространенных видов орудий – этопушки и ружья, использующие энергию, выделяемую при сжигании пороха. Но будущееза электромагнитным оружием, в котором тело приобретает кинетическую энергию засчет энергии электромагнитного поля. Преимуществ этого оружия достаточно.

Рассмотрим положительные стороны использованияэлектромагнитного 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

В этой работе мы рассмотрим возможность создания ипрактического применения электромагнитных ускорителей.

Цельработы:

Создать рабочуюмодель полноразмерной пушки Гаусса и изучить ее свойства.

Задачиработы:

1.Изучить устройство пушки Гаусса и построить ее опытную модель

2. Рассчитать параметрыэксперимента

3.Исследовать вопроспрактического применения устройства, работающих по принципу пушки Гаусса

4.РассчитатьКоэффициент полезного действия

Гипотеза: Создатьрабочую модель пушки Гаусса — модели электромагнитного оружия возможно?

Историясоздания

Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coilgun, Gauss cannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс.Пушка названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основыматематической теории электромагнетизма.

Исследования устройства,работающих по принципу пушки Гаусса в настоящее время ведутся учеными разныхстран в различных областях: военной, космической, электротехнике и др.

Пушка Гаусса (как и рельсотрон) –перспективное электромагнитное оружие. В феврале 2008 года ВМС США поставили наэсминец в качестве корабельного оружия рельсотрон, (а он – близкий«родственник» пушки Гаусса) разгоняющий снаряд до 2520 м/с (9000 км/час). Лабораторныеустановки для исследования высокоскоростного удара отправляют в цель частицымассой менее 1 г со скоростью до 15 км/с. Для сравнения, у АК-108 начальнаяскорость пули, 910 м/с (а у него этот показатель самый высокий из всегосемейства автоматов Калашникова).

Практического применения пушекГаусса и рельсотронов пока не существует. Однако в будущем оно может появиться.

Во-первых, как оружие. ВВеликобритании разрабатывают электрический танк, оборудованный рельсовойпушкой. Если найдут новые материалы и источники энергии, распространение могутполучить так же пушки Гаусса. Чем же электромагнитное оружие лучшеогнестрельного? Дело в том, что скорость снаряда, вылетающего из стволаогнестрельного орудия, теоретически ограничена тепловой скоростью молекулсгорающего пороха – около 2 км/с. Даже если все молекулы разом забудут оброуновском движении и организованно бросятся толкать снаряд, он не полетитбыстрее. На практике результаты в 1,2–1,5 км/с для традиционных видоввооружений уже считаются выдающимися.

Во-вторых, для запуска тел наорбиту планет и в открытый космос. Это не фантастика. Хочу заметить, что длятого, чтобы тело смогло улететь с Луны, ей нужна скорость 2400м/с. Такимобразом, даже американским образцом рельсотрона февраля 2008 года можнозапускать на орбиту Луны спутники или даже посылать на Землю грузовые баржи изстали.

В-третьих, как перфоратор, напримерпри забивке гвоздей. Пушка Гаусса способна передавать снаряду огромныескорости. Когда силы обычного перфоратора будет не хватать, пушка Гаусса придётна помощь со своими сверхскоростями.

.

2.Основнаячасть.

ПушкаГаусса состоит изсоленоида,внутри которого находится ствол (как правило, издиэлектрика). Водин из концов ствола вставляется снаряд, сделанный изферромагнетика.При протекании электрического тока в соленоиде возникаетэлектромагнитное поле,которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снарядапри этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-зачего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратномнаправлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качествеснаряда используют постоянный магнит, так как с возникающей при этом ЭДСиндукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использованииферромагнетиков,но выражен он не так ярко благодаря тому, что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).

Длянаибольшего эффектаимпульстокав соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получениятакого импульса используютсяэлектролитическиеконденсаторыбольшой ёмкости и с высокимрабочимнапряжением.

Параметрыускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы такимобразом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукциямагнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближенииснаряда резко падала. Стоит заметить, что возможны разныеалгоритмыработыускоряющих катушек.

Вних образуется «бегущая волна», т.е. катушки включаются одна за другой, по меревхода в них снаряда:

Параметры Пушки Гаусса:

Кинетическаяэнергия снаряда: E=mV²

2

—масса снаряда

—его скорость

Энергия, запасаемая вконденсаторе: E=CU²/2

—напряжение конденсатора

—ёмкость конденсатора

Времяразряда конденсаторов

Этовремя за которое конденсатор полностью разряжается:

—индуктивность

—ёмкость

Времяработы катушки индуктивности

Этовремя, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимальногозначения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равноверхнему полупериоду синусоиды.

—индуктивность

—ёмкость

Стоитзаметить, что в представленном виде две последние формулы не могут применятьсядля расчетов пушки Гаусса, хотя бы по той причине, что по мере движения снарядавнутри катушки, её индуктивность все время изменяется.

Расчёты и формул

Производился горизонтальный выстрелиз опытного образца массой m=1.68г, при этом дальность полета составило всреднем s=11м, при высоте полета h=1,20м.

Потери энергии вызваны трением снарядав нутрии ствола, нагреванием проводов и электромагнитным излучением.

Такие же расчеты я сделал и длявторого снаряда, уменьшив его массу. Для сравнения полученных результатов,приведу таблицу

Исходные данные

Таким образом, по экспериментальнымданным видно, что КПД установки зависит от массы снаряда.

Характеристикакатушки

Меднаяпроволока N=200 витков,S =0.8 мм^2, ,L=1.34мГн

С=330мкФ

U=220В

Преимуществаи недостатки

Пушка Гаусса в качестве оружияобладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия.Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергиибоеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточнообтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола ибоеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нетдополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей),теоретически, больша́я надёжность и, в теории, износостойкость, а такжевозможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

Однако, несмотря на кажущуюсяпростоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено ссерьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.

Первая и основная трудность —низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическуюэнергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованиеммногоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает27 %. В основном в любительских установках энергия, запасённая в видемагнитного поля, никак не используется, а является причиной использованиямощных ключей (часто применяют IGBT модули) для размыкания катушки (правилоЛенца).

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

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

Четвёртая трудность — достаточнодлительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместес пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторнуюбатарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличитьэффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако этопотребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, исерьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемыебатареи-конденсаторы.

Пятая трудность — с увеличениемскорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядомсоленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не толькозаблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, нои увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычноэтот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельныхсистем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.

В условиях водной среды применениепушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено — дистанционной индукциитока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованиемагрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитногоэкранирования.

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

Заключение

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

Цельмы достигли:изготовили экспериментальную действующую модель электромагнитного ускорителямасс (пушки Гаусса), упростив схемы, имеющиеся в интернете, и адаптировавмодель к сети переменного тока стандартных характеристик.

ОпределилиКПД полученной модели. КПД оказался равным примерно 1%. КПД имеет малоезначение, что подтверждает все, что мы узнали из литературы.

Проведяисследование, мы сделали для себя следующие выводы:

1.Собрать работающий прототип электромагнитного ускорителя масс в домашнихусловиях вполне реально.

2.Использование электромагнитного ускорения масс имеет большие перспективы вбудущем.

3.Электромагнитное оружие может стать станет достойной заменой крупнокалиберномуогнестрельному орудию, Особенно это будет возможным при создании компактныхисточников энергии.

Передовые страны мира уже обратилисвои оценивающие взоры на электромагнитные ускорители. Даже во время мировогофинансового кризиса они выделяют значительные деньги на их разработку, а эточто ни будь, да значит. Лабораторные установки для исследования высокоскоростногоудара отправляют в цель частицы массой менее 1г со скоростью до 15 км/с. Длясравнения, у АК-108 начальная скорость пули, 910 м/с (а у него этот показательсамый высокий из всего семейства автоматов Калашникова). Электромагнитноеоружие лучше огнестрельного тем, что скорость снаряда, вылетающего из стволаогнестрельного орудия, теоретически ограничена тепловой скоростью молекулсгорающего пороха – около 2 км/с. Даже если все молекулы разом забудут оброуновском движении и организованно бросятся толкать снаряд, он не полетитбыстрее. На практике результаты в 1,2–1,5км/с для традиционных видов вооруженийуже считаются выдающимися. Еще в 1976г в бывшем Советском Союзе удалосьразогнать металлическое ядро массой 1,3г электромагнитным полем до скорости4,9км/ч (http://sovserv.ru/vbb/printthread.php)

Перспективы применения. Несмотря насвою простоту пушка Гаусса, обладает неимоверно большим простором дляконструкторских решений и инженерных изысканий - так что это направлениедовольно интересное и перспективное. Пока электромагнитное оружие не имеетпрактического применения, оно используется либо в исследовательских целях дляиспытаний, либо как игрушка. Однако в будущем рельсотроны, пушки Гаусса идругие электромагнитные ускорители могут помочь, например, в освоении космоса.

Используемая литература:

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

2. habr.com›ru/company/ruvds/blog/583914/

3. https://yandex.by/video/preview/117867588162404141

Приложение1

1.Модельработающей пушки Гаусса.

Приложение2

Схемаэлектрической цепи пушки

Приложение3

Рецензияна научно-исследовательскую работу по физике

Тема:«Создание экспериментальной установки «Пушка Гаусса» в домашних условиях,своими руками», которую выполнили группа обучающихся 9 класса Ожигов Сергей,Беспрозванных Марк,

ПилюгинИгорь, Гармаев Дамдин

Даннаяработа направлена на создании пушки своими руками. Научно-исследовательскаяработа имеет четкую структуру и состоит из введения, основной части,заключения, списка литературы и приложения.

Работанаписана грамотным научным языком. Оформление работы в целом соответствуетпредъявленным требованиям.

Вовведении ребятами объяснили актуальность работы и выдвигает гипотезу овозможности создании рабочей модели «Пушки Гаусса» — модели электромагнитногооружия. Четко сформулировала цель, заострили внимание на постановке конкретныхзадач. Введение выглядит достаточно содержательным и емким. В результатечеткого изложения цели работы в изложении основной частинаучно-исследовательской работы присутствует логичность, четкость,последовательность. Наличие ссылок показывает детальную работу с научной литературой.В своей теоретической части работы рассматривают принцип действия «ПушкиГаусса», положительные и отрицательные свойства и где возможно применить данноеизобретение. Группа ребят провели объемную исследовательскую работу повыявлению необходимых деталей электрической схемы, сборке данного эксперимента,вычислении индуктивности катушки, массу пуль, скорости, кинетической энергии,энергии разрядки конденсатора, КПД «Пушки Гаусса". Проанализироваларезультаты исследований, составили таблицу и кратко сформулировали основныевыводы.

Списоклитературы включает разнообразные источники оформленные в соответствии стребованиями.

Вцелом работа заслуживает отличной оценки.

Рекомендации:продолжить работу в изучении физики. Интересоваться, изобретать, создавать.Работу можно рекомендовать к участию в научно-практической конференции.

Дата 29.01.2023 Рецензент: