TÁMADJUNK FIZIKÁVAL ATTACK WITH PHYSICS

Hasonló dokumentumok
Szakmai fizika Gázos feladatok

FIZIKA II. 2. ZÁRTHELYI DOLGOZAT A MŰSZAKI INFORMATIKA SZAK

Newton törvények, lendület, sűrűség

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Osztályozó, javító vizsga 9. évfolyam gimnázium. Írásbeli vizsgarész ELSŐ RÉSZ

3. Gyakorlat Áramlástani feladatok és megoldásuk

Mivel foglalkozik a hőtan?

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből november 28. Hővezetés, hőterjedés sugárzással. Ideális gázok állapotegyenlete

Fizika. Tanmenet. 7. osztály. 1. félév: 1 óra 2. félév: 2 óra. A OFI javaslata alapján összeállította az NT számú tankönyvhöz:: Látta: ...

DINAMIKA ALAPJAI. Tömeg és az erő

A nagyobb tömegű Peti 1,5 m-re ült a forgástengelytől. Összesen: 9p

Termodinamika (Hőtan)

Gáztörvények tesztek

Gáztörvények tesztek. 2. Azonos fajtájú ideális gáz különböző mennyiségei töltenek ki két hőszigetelt tartályt. Az egyik

A 2010/2011. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának. feladatai fizikából. I. kategória

Folyadékok és gázok áramlása

(2006. október) Megoldás:

Feladatlap X. osztály

Folyadékok és gázok áramlása

TestLine - Fizika 7. évfolyam folyadékok, gázok nyomása Minta feladatsor

TestLine - Fizika 7. évfolyam folyadékok, gázok nyomása Minta feladatsor

1.1 Hasonlítsa össze a valós ill. ideális folyadékokat legfontosabb sajátosságaik alapján!

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

2011/2012 tavaszi félév 2. óra. Tananyag:

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória. J 0,063 kg kg + m 3

Hőtan 2. feladatok és megoldások

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Mérnöki alapok 8. előadás

TestLine - 7. Fizika Témazáró Erő, munka, forgatónyomaték Minta feladatsor

TestLine - 7. Fizika Témazáró Erő, munka, forgatónyomaték Minta feladatsor

Az úszás biomechanikája

Hatvani István fizikaverseny Döntő. 1. kategória

Kérdések Fizika112. Mozgás leírása gyorsuló koordinátarendszerben, folyadékok mechanikája, hullámok, termodinamika, elektrosztatika

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

37. Mikola Sándor Országos Tehetségkutató Fizikaverseny II. forduló március óra A verseny hivatalos támogatói

FIZIKA ZÁRÓVIZSGA 2015

Tömegmérés stopperrel és mérőszalaggal

Szilárd testek rugalmassága

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Hőtan I. főtétele tesztek

1. feladat Alkalmazzuk a mólhő meghatározását egy gázra. Izoterm és adiabatikus átalakulásokra a következőt kapjuk:

3. Az alábbi adatsor egy rugó hosszát ábrázolja a rá ható húzóerő függvényében:

1. Feladatok munkavégzés és konzervatív erőterek tárgyköréből. Munkatétel

Légköri termodinamika

PONTSZÁM:S50p / p = 0. Név:. NEPTUN kód: ÜLŐHELY sorszám

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

TANMENET Fizika 7. évfolyam

Bor Pál Fizikaverseny, középdöntő 2016/2017. tanév, 8. osztály

Öveges korcsoport Jedlik Ányos Fizikaverseny 2. (regionális) forduló 8. o március 01.

Mechanika - Versenyfeladatok

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

Fizika. Tanmenet. 7. osztály. ÉVES ÓRASZÁM: 1. félév: 1 óra 2. félév: 2 óra. A OFI javaslata alapján összeállította az NT számú tankönyvhöz::

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

Newton törvények, erők

Értékelés Összesen: 100 pont 100% = 100 pont A VIZSGAFELADAT MEGOLDÁSÁRA JAVASOLT %-OS EREDMÉNY: EBBEN A VIZSGARÉSZBEN A VIZSGAFELADAT ARÁNYA 40%.

A nyomás. IV. fejezet Összefoglalás

Képlet levezetése :F=m a = m Δv/Δt = ΔI/Δt

Fizika feladatok - 2. gyakorlat

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

1999/június (14. szám) Jog és fegyver az állam tartópillérei (Justinianus)

. T É M A K Ö R Ö K É S K Í S É R L E T E K

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

V e r s e n y f e l h í v á s

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

Megjegyzések (észrevételek) a szabad energia és a szabad entalpia fogalmához

58. ročník Fyzikálnej olympiády v školskom roku 2016/2017 Okresné kolo kategórie F Texty úloh v maďarskom jazyku

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Folyadékok és gázok mechanikája

TABLETTÁK ÉS KAPSZULÁK SZÉTESÉSE

A szilárd testek alakja és térfogata észrevehetően csak nagy erő hatására változik meg. A testekben a részecskék egymáshoz közel vannak, kristályos

3. fizika előadás-dinamika. A tömeg nem azonos a súllyal!!! A súlytalanság állapotában is van tömegünk!

Porraloltó 6-12 kg.-os készülék

A kísérlet célkitűzései: A súrlódási erőtípusok és a közegellenállási erő kísérleti vizsgálata.

28. Nagy László Fizikaverseny Szalézi Szent Ferenc Gimnázium, Kazincbarcika február 28. március osztály

Név:...EHA kód: tavasz

DÖNTŐ április évfolyam

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

Rezgés tesztek. 8. Egy rugó által létrehozott harmonikus rezgés esetén melyik állítás nem igaz?

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

Tájékoztató. Értékelés Összesen: 60 pont

Szabadentalpia nyomásfüggése

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

Az energia bevezetése az iskolába. Készítette: Rimai Anasztázia

Gépészmérnöki alapszak Mérnöki fizika ZH NÉV: október 18. Neptun kód:...

Hagyományos és modern energiaforrások

Folyamatirányítás. Számítási gyakorlatok. Gyakorlaton megoldandó feladatok. Készítette: Dr. Farkas Tivadar

Termodinamika. Belső energia

Mekkora az égés utáni elegy térfogatszázalékos összetétele

Folyadékáramlás. Orvosi biofizika (szerk. Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

FIZIKA FELMÉRŐ tanulmányaikat kezdőknek

2.3 Newton törvények, mozgás lejtőn, pontrendszerek

Átírás:

TÁMADJUNK FIZIKÁVAL ATTACK WITH PHYSICS Biróné Kabály Enikő Debreceni Református Kollégium Gimnáziuma az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója ÖSSZEFOGLALÁS A fizika iránt kevésbé érdeklődő tanulók egy része érdeklődik a történelem, a haditechnika iránt. Az ebből a témakörből vett példák, szemléltetések motivációt jelenthetnek e tanulók számára is az eszközök mögött levő fizikai tartalmak megértéséhez. A tüzérség fejlődésének történetében, az ágyúzások során megoldandó problémák között találunk olyanokat, amelyek kapcsolatban vannak a középiskolai fizika tananyaggal is. A cikkben ezek közül említek néhányat. BEVEZETÉS Amikor tantárgyi integrációról beszélünk az oktatásban, általában csak a természettudományos tárgyak közötti kapcsolatok megmutatására gondolunk. Pedig a humán műveltségterületekhez tartozó tantárgyak is jó lehetőséget nyújtanak a globális világkép kialakítására, a kultúra egységének a bemutatására. Különösen fontos e tantárgyakkal való kapcsolatkeresés a fizika iránt kevésbé érdeklődő diákok tanítása során. Néhány, fegyverekkel kapcsolatos példa lehetővé teszi, hogy bemutassuk, hogy a fizikaórán tanultakat hogyan használják fel a haditechnikában. A fegyverek első megjelenése az őskorra tehető, amikor az ember a természetben talált tárgyakat elkezdte arra használni, hogy a nála erősebb állatokat elejtse. Kialakultak a különböző szúró- és vágófegyverek. Tágabb értelemben véve a lőfegyverek ősének a - már a Bibliában is említett parittyát tekinthetjük. Az ebből kirepülő kő nagyobb sebességű volt, mint a kézzel elhajított kő. A parittyát a fennmaradt források szerint a fizika tanárok körében is fennálló hiedelemmel ellentétben - nem vízszintes síkban forgatták a fejük fölött [1]. A függőleges síkú forgatás során a parittyában levő lövedék pályája (a kéz mozgása miatt) nem kör, a mozgás gyorsuló. Az ókori Görögországban és a Római Birodalomban a fegyverek, a birodalmak hódító hadjáratai miatt, sokat fejlődtek. Megjelentek az akkori idők legnagyobb teljesítményű fegyverei, a hajítógépek. A hajítógépek modelljeinek megépítése, a velük való kísérletezés [2] élményt nyújthat a diákok számára, míg például a trebuchet mozgásának pontos mechanikai leírása [, 4] a BSC képzésben résztvevők számára is kihívást jelenthet. A középkorban megjelent, lőport alkalmazó tűzfegyverek egyre inkább háttérbe szorították, majd felváltották a hajítógépeket. Tömeges elterjedésük a modernkori acélgyártás megindulása után vált lehetővé. Ezen fegyverekkel kapcsolatban szeretnék most néhány olyan ismeretet rendszerbe szedni, amelyek felhasználhatók a fizikaórákon. 414

A KALIBER FOGALMA A tűzfegyverek használatának elterjedése szükségessé tette a csövek illetve a k szabványosítását. Azoknak a knak az átmérői voltak szabványosak, amelyek tömegének egész számú többszöröse kitett egy angol fontot. A kaliber megmutatta, hány darab, a cső átmérőjével azonos méretű ólomt tudtak önteni egy angol font (45,6 g) súlyú ólomból. A sörétes puskáknál mind a mai napig megtartották ezt a rendszert. A többi fegyvertípusnál a kaliber ma már a lövedék átmérőjét adja meg, többnyire milliméterben vagy tizedestört hüvelykben (egy hüvelyk 25,4 mm). Ha tehát azt halljuk vagy olvassuk, hogy egy pisztoly ".45-ös", ez azt jelenti, hogy a cső és így a kirepülő lövedék is 0,45 hüvelyk, azaz kb. 11,48 milliméter átmérőjű. Európában inkább a milliméterben történő számítás terjedt el, míg Amerikában és az angolszász országokban a hüvelyk. Ez a fogalom alkalmas lehet arra, hogy a sűrűség, térfogat, tömeg összefüggésére vonatkozóan számítási feladatot végeztessünk, akár már egy általános iskolai csoportban is. Nézzünk egy ilyen feladatot! Mekkora egy 20-as kaliberű vadászpuska csövének belső átmérője? 20 as kaliber 20 db g ólom 11,44 cm 1 1 m font 45,6 g 22,68 g 20 20 m 22,68 g 4r V 2cm r 0,78cm g 11,44 cm A sugara 7,8 mm; átmérője 15,6 mm. A fegyver csövének belső átmérője is ennyi. EGY KIS HŐTAN A tűzfegyverek a lövedék kilövéséhez szükséges energiát valamilyen hőfejlődéssel járó kémiai folyamat (égés, vagy robbanás) révén nyerik. Az ekkor keletkező magas hőmérsékletű, nagy térfogatú gáz a lövedékre erőt fejt ki. Milyen anyagot alkalmazzunk a folyamathoz? A lövedék annál nagyobb sebességre tud gyorsulni, minél nagyobb az égés során felszabaduló energia. 1 kg kőszén, feketelőpor illetve nitroglicerin elégetése során keletkezett hő rendre 0MJ, 2,8MJ és 6,2MJ. Miért nem szenet teszünk a fegyverekbe? Az égéshez oxigénre van szükség. A fegyverekben az égési folyamat zárt térben történik, gondoskodnunk kell az oxigén-utánpótlásról. Ezért volt nagy jelentőségű a lőpor feltalálása, amely a szükséges oxigént az égés során maga állítja elő. A nitroglicerinre is jellemző ugyanez. Miért nem használhatjuk mégsem ezt a puskánkban? Az égésnek/robbanásnak további fontos jellemzői vannak, például a robbanás után keletkező hőmérséklet, a robbanás sebessége, valamint az, hogy 1 kg anyag elégetésekor milyen térfogatú gáz keletkezik. A feketelőpor égési sebessége 400-500 m/s, a keletkező gázok térfogata 10 liter, az égési hőmérséklet 280 C [7]. Ugyanezek a nitroglicerin esetén: 8000m/s, 715 liter, 4250 C. Végezzünk egy egyszerű modell-számítást, hogy 1 kg 20 C-os lőport elégetve egy könnyen mozgó dugattyúval ellátott hengerben mekkora térfogatú gázok keletkeznének? 1 kg 20 C-os lőpor elégetésekor keletkezne 10 liter 20 C-os gáz, de a hőmérséklet 280 C-ra emelkedik. Állandó nyomáson Gay-Lussac törvénye alapján a gáz ezen a hőmérsékleten 2828 liter térfogatú lenne. Ha ugyanezt nitroglicerinre nézzük, akkor a keletkezett gáz térfogata 1107 liter. A folyamat nagyon rövid idő alatt következik be. Ez az idő nem elég ahhoz, hogy táguló gáz a dugattyú, vagy a lövedék tehetetlenségét legyőzze. A pillanatszerűen hatalmasra növekvő nyomás szétfeszítené a fegyvert, robbanás következne be. 1 font 415

A régi tűzfegyverekben a kilövéshez ezért különféle összetételű feketelőport használtak; a modern tűzfegyverekben pedig füstmentes lőport, korditot, vagy más robbanóanyagot, hajtóanyagot alkalmaznak. A termodinamika törvényeiből tudjuk, hogy a lőpor elégésekor keletkezett hő nem fordítódik teljes egészében a lövedék mozgási energiájának növelésére. Egy Hawk lövedékkel végezett mérések szerint a lövedék mozgására 2%, a lövedék csőben való súrlódására %, a forró gázokra 4%, a cső felmelegedésére 0%, az el nem égett hajtóanyagokra 1% energia jut. [5] A Párizs-ágyú az első világháború híres óriáslövege. A 140 kg tömegű lövedékhez 40 kg lőport kellett használni. Becsüljük meg, milyen sebességgel lőtte ki az ágyút ez az ágyú! A 40 kg lőpor elégésekor keletkező 40 2,8MJ energiának a 2%-a (feltételezzük, hogy az ágyúnál is hasonlóak az arányok) alakul át a mozgási energiájává. Ebből a sebessége 715 m/s. A fennmaradt adatok szerint 840 m/s is volt a valóságban a lövedék sebessége. A fegyvercsőbe behelyezett tölténynek jól kell zárnia a cső hátsó nyílását, különben a nagynyomású égési gáz egy része hátrafelé áramlik ki. A hüvely, amikor begyújtáskor a gáznyomás növekedni kezd, könnyen tágul. A táguló hüvely a fegyvercső belső felületéhez szorul, és hátrafelé elzárja az utat a gázok előtt. Milyen anyagból kell készülnie a hüvelynek? Könnyen táguljon, ne lépjen reakcióba a keletkező gázokkal, olvadáspontja legyen elég magas. A történelem során erre a célra a rezet használták. A deltasárgaréz, amiből a legtöbb töltényhüvely készült, a réz és a cink mellett vasat is tartalmaz. Napjainkban már elterjedtek a műanyag töltényhüvelyek is. Érdekességként elemezhetjük a lövedék sebességének és a csőben levő nyomásnak alakulását is. Az 1. ábra a csőben elfoglalt helyének függvényében mutatja ezt. Vizsgáljuk meg ez alapján, hogyan történik a lövés! A lőpor meggyulladása után a nyomás elkezd nőni. A grafikon függőleges tengelyén látható, hogy egy adott kezdeti nyomás szükséges a lövedék elindulásához. A lövedék sebessége kezdetben 1. ábra A lövedék-sebesség és a csőben levő nyomás változása még kicsi, az égés nagyobb sebességű, a gázok keletkezése gyorsabb, így a nyomás a lövedék mögötti térrészben gyorsan nő, elér egy maximális értéket. Ezt követően a lövedék sebessége már jelentős, a lövedék mögötti tér nagysága a gázképződésnél nagyobb ütemben növekszik, a nyomás a csőben csökkenni kezd. A lőporégés megszűnése után a nagy mennyiségű, magas hőmérsékletű gáz még gyorsítja a lövedéket, de már kisebb a gyorsulás. A cső elhagyása után is éreztetik még hatásukat a kiáramló gázok. Amikor ezek hatása megszűnik, a lövedék mögötti nyomás a légköri nyomás értékére csökken, akkor a lövedék eléri a maximális sebességet. Ezután a mechanikában megismert mozgástörvényeknek megfelelően folytatja útját. A röppálya jellemzőinek vizsgálata szintén beépíthető a tananyagba a hajítások, illetve a közegellenállás tárgyalásánál. 416

A FEGYVEREK HÁTRASIKLÁSA A lendület-megmaradás törvényének tárgyalásakor szinte minden tankönyvben szerepel olyan számítási példa, ahol egy puska visszarúgásának sebességét kell kiszámítani. A puska és rendszer kezdetben nyugalomban van, az összlendület 0. Ennek a kilövés után is ennyinek kell maradni, így m v m puska v visszarúgá s. Ezt elsődleges visszarúgásnak/hátrasiklásnak nevezik. A lövész vállát azonban ennél jóval nagyobb erő éri. Amikor ugyanis a lövedék elhagyja a csövet, a csőből hirtelen nagy nyomású gázok áramlanak ki mögötte. Ez tovább növeli a puska hátrasiklásának mértékét, ez a másodlagos hátrasiklás. A fegyverek tervezésekor fontos feladat ennek a hátrasiklásnak a megakadályozása, csökkentése. Ennek elvei szintén olyan egyszerűek, hogy nyugodtan említhetők példaként a lendület-megmaradás kapcsán. Bizonyos fegyvereknél (páncéltörő kézifegyverek) a csőfar nincsen lezárva. Lövéskor a lövedék impulzusával a - nyitott csőfaron a lövedék mozgásával ellentétes irányban kiáramló - lőporgázok impulzusa tart egyensúlyt (2. ábra). 2. ábra Impulzus-megmaradás nyitott csőfarú fegyverek esetén Ha azonban a cső teljesen nyitott lenne, akkor a keletkezett gázok nem gyorsítanák a lövedéket, hanem kiáramlanának, ezért az égési tér és a fúvóka között található egy műanyaghab-fojtás (. ábra). A lőportöltet begyújtását követően a csőfart ez lezárja addig, amíg a lövedék megindításához szükséges körülbelül 100 bar nyomás ki nem alakul [8]. A nyomás eltöri a fojtást és a lőporgázok a fúvókán keresztül szabadon kiáramlanak.. ábra A műanyaghab-fojtás A hátrasiklás csökkentésének másik módszere a fegyverek csövének végén a csőszájfékek alkalmazása (4. ábra). A csövet elhagyó lövedék után a forró gázok nagy sebességgel áramlanak ki. Ha a gázsugár útjába lemezt helyezünk, akkor a gáz a lemezt a lövedék irányában előrenyomja, lassítva a fegyvercső hátrarúgását. A csőszájfékek a hátralökés energiáját 25-40%-kal csökkentik. 4. ábra A csőszájfék fotója és működésének vázlata 417

ÖSSZEGZÉS A haditechnika számtalan példát kínál, amelyeket felhasználhatunk a tanórákon. Sajnos a cikk terjedelme nem tette lehetővé valamennyinek az ismertetését, de talán kedvet csinált ahhoz, hogy magunk is utánanézzünk további példáknak vagy, hogy diákjainkat buzdítsuk erre. Miért is forog a puska? 5. ábra A forgatásának oka a diszkosz mozgásának megértése után könnyen magyarázható. [6] IRODALOMJEGYZÉK 1. Robert L. O Connell: A kard lelke, Gold Book Kft., Budapest, 2002., 6. 2. Backyard Ballistics Lesson Plans: Catapult Physics, William Gurstelle 200.. http://www.backyard-ballistics.com/pdfs/backyard_ballistics_plan_1.pdf 4. Siege Engine Dynamics, Mark Denny, European Journal of Physics, 26 (2005) 561-577. 5. Trebuchet Mechanics, Donald B. Siano, 28/0/01, 6. http://www.algobeautytreb.com/trebmath5.pdf 7. Thermodynamic Efficiency of the.00 Hawk Cartridge, by Alvin Byars, AEM Enterprises, Inc. http://www.zhat.com/efficiency%20of%20the%2000%20hawk.htm 8. Tasnádi Péter, Juhász András, Horváth Gábor: Fizika körülöttünk, Múzsák Kiadó, 1994. 28-44. 9. Öveges József: A fegyverek fizikája, Zrínyi Katonai Kiadó, Budapest, 1972. 10. http://fegyvermester.hu/fegyverismeret.html 418