Устройство и работа многоствольного самострела

Мое решение выбрать эту тему для статьи, связано с двумя моментами из жизни.

В первый раз ко мне пришла идея, сделать собственный самострел, когда я смотрел в сети: видео американских и японских подростков, которые делали подобные самострелы из конструкторов «LEGO» и «KNEX», и из дерева. Было настолько увлекательно смотреть на то, как работают созданные ими модели, и как они их совершенствуют, делая их красивей и удобней, что я решил построить свою собственную модель многоствольного самострела.

Во второй раз, когда я уже создал первый самострел из конструктора «LEGO». Внеся свои технические решения в его обустройство и работу, я увидел ещё более удачную конструкцию этого оружия. В одном выпуске моего любимого научно-технического журнала «Популярная Механика» присутствовала модель самострела с интересными и удачными конструкторскими решениями. Она была сделана из дерева, включала в себя большее число стволов и была удобной в игровом применении. Эти решения, в дополнение, к найденным мной решениям (в первом варианте самострела, выстроенном из «LEGO») Я решил воплотить в новой конструкции игрового оружия, выполненной из дерева

История развития оружия, ведущая к созданию самострелов

Первое упоминание о стрелковом и метательном оружии у наших предков славян появилось из древних текстов византийских авторов в V-VII веках н. э. Часто упоминается их наступательное вооружение: пара дротиков и лук (о луке говориться гораздо реже, так как не у каждого он был). В бою эти оружия были не очень эффективными из-за их несовершенства, особенно дротики по причине того, что от них легко уклониться.

Позже, к моменту образования Киевской Руси в VII-VIII вв. появились метательные сулицы, наконечники стрел, реже копья (как простые, так и метательные). Во второй половине IX века, как нам говорят историки, активизировался путь «из варяг в греки», который привел к усилению скандинавского влияния на славян, в том числе влияние, связанное с изменением комплексов вооружений, делая их более разнообразными. Появились точные записи о возникновении копий, боевого топора, лука и стрел (как основных оружий), кистеня (как метательного на половину оружия) и дротиков - сулиц (как дополнительных оружий).

Со времён первых Рюриковичей, до первой половины XII века, больших изменений в военном деле среди стрелковых и метательных оружий не было, менялись только способы изготовления луков и копий. Но первое упоминание о самостреле появилось в 1159 г. Арбалет или самострел как его называли, состоял из деревянного ложа, на котором делался продольный желоб, куда вкладывалась стрела. В то время самострел успевал выстреливать всего 1-2 заряда в минуту, тогда как лук в хороших руках мог выстрелить 20-30 зарядов за то же время, поэтому конструкцию самострела постоянно совершенствовали.

Особенность самострелов заключалась в том, что у них присутствовал спусковой механизм, который позволял им стрелять в любой момент, не тратя на перезарядку время. Специальное спусковое устройство круглой формы, так называемый «орех», изготовлялся из кости или рога, крепился на поперечной оси и имел прорезь для тетивы, а также фигурный вырез, в который входил конец спускового рычага. В некоторых арбалетах использовался механизм из шестерён и рычага – «коловорот», он позволял легче натягивать тетиву и применялся в основном на тяжёлых станковых системах, стрелявших зачастую цельноковаными стрелами.

Работа и предназначение

Работает мой аппарат просто, все, что нужно сделать это: намотать капроновый шнур в канавках между зубчиками барабана, а на самих зубчиках закрепить задние концы резинки на протяжении каждой из направляющих барабана. Когда нажмёшь на кнопку, подключающую аккумуляторные батареи к моторчику, он начинает работать и, связанный с ним деревянный штырь-скалка будет вращаться, сматывая на себя шнур, который в свою очередь будет снимать задние концы растянутых резинок с зубчиков. Поскольку противоположные концы резинок находятся в передних канавках направляющих, а сами резинки в растянутом состоянии, постольку они будут под действием упругих сил сжиматься и слетать с направляющих барабана. Правда занятие с натягиванием резинок требует много терпения и внимания, а особенно времени из-за относительного несовершенства конструкции барабана. Но в результате, после того как все резинки натянуты, мы получаем неплохое оружие для развлечения (равно, как и оружие для игры в пэйнтбол). Потому игра – это основное предназначение моего самострела.

Структура самострела

Структура самострела делится на различные по функции блоки и элементы. Блок – это название части самострела, которая выполняет ту или иную функцию, и входит в состав его конструкции. В самостреле есть два основных блока: зарядно-моторный блок (электрический блок) и блок барабанный (механический блок), скрепленные в единую конструкцию на каркасе, который в свою очередь можно считать третьим блоком. Сами блоки структурно состоят из элементов. Электрический блок или зарядно-моторный состоит из трех элементов: источник электропитания, мотор-скалка и соединительные провода с кнопкой включателем. Барабанный блок состоит также из трех элементов: направляющих с канавками и зубчиками, резинок, крепящихся на них, и ободков, которые скрепляют направляющие в единую цилиндрическую конструкцию. Каркас дополняется капроновым шнуром, который связывает вращающуюся скалку с барабаном, наматываясь во впадинки барабана между его зубчиками. Электрический блок (зарядно-моторный) и механический блок (барабанный) зависят друг от друга и находятся между собой в отношениях корреляции (совместного действия и расположения), субординации (подчинением действия и расположения), оппозицией (противостоянием по функции и расположению). Между элементами блоков имеются также не только все вышеперечисленные типы отношений, а также еще и отношения тождества: например, все направляющие тождественны друг другу по структуре и по функции – они растягивают на себе резинки; все провода тождественны друг другу они проводят электрические заряды для питания мотора.

Зависимость по функции – это зависимость одного блока от другого из-за действия, которое выполняет другой.

В конструкции самострела можно выделить особый блок, он называется – блок каркаса (каркас – это скрепляющая все детали на себе основа самострела). Он выполняет несущую роль, а потому он подчиняет по структуре и действию себе все остальные блоки и элементы этих блоков, без него они просто не могут держаться в пространстве и функционировать во времени.

Таким образом, есть три основных блока:

1) Электрический блок (зарядно-моторный блок)

2) Механический блок (барабанный блок)

3) Блок каркаса и соединительного капронового шнура. Этот блок связывает два первых блока единое функциональное целое.

Все эти блоки можно сгруппировать по главным разделам школьной физики: механика, электродинамика, тепловая или молекулярная физика, квантовая механика:

Квантовая механика, физика атома Электродинамика

В конструкции самострела не принимаем во внимание Электрический блок

(зарядно-моторный)

Физика тепла, молекулярная физика Механика

В конструкции самострела не принимаем во внимание Механический блок

(барабанный)

Таким образом, мы строим конструкцию самострела на основе законов механики и электродинамики.

Но самый интересный это блок каркаса, который соединяет механику и электричество так, что когда какая-то из деталей ломается, то приходиться переделывать всю конструкцию заново. Возможно, мы здесь не учитываем термодинамику (тепловые эффекты) и квантовую механику (эффекты, связанные с движением микрочастиц (электронов) и эффектов связанных с неустойчивостью предметов в гравитационном поле).

Чтобы создать совершенное игровое оружие надо принимать во внимание эффекты квантовой механики и статистической термодинамики.

Функционирование самострела

В этом разделе я расскажу, какая функция у каждого блока, и какая есть зависимость в смысле функционирования между блоками в самостреле. Вот термины, которые будут употребляться в дальнейшем.

Элементы механического блока.

Барабан – это цилиндр из деревянных направляющих, которые представлены деревянными стволами с нарезанными на них выемками и зубчиками. На этих стволах за их вырезанные зубчики-выемки, зацепляются резинки.

Резинки – сделаны в виде колец толщиной в 3 мм из очень упругого материала, их можно купить в любом книжном магазине.

Элементы электрического блока.

Скалка – недлинная деревянная палка цилиндрической формы. Скалка штырем жестко соединена с мотором.

Аккумуляторная батарея – перезаряжаемые источники электроэнергии, состоящие из набора литиевых батареек, которые после зарядки лучше хранить в холодном месте, чтоб они не так быстро разряжались.

Провода электропроводящие, они соединяют кнопку, замыкающую электрическую сеть с мотором, который крепко соединен специальным штырем со скалкой.

Элементы каркасного блока.

Сам каркас с рукоятью, расположенной сзади, и ножками, расположенными в передней части каркаса. А также шнур – или капроновая веревка, которая намотана на штыре-скалке.

Чтобы объяснить функционирование деревянного самострела приведем схему-таблицу.

Электрический блок (или блок зарядно-моторный)

Каркас Капроновый шнур

Механический блок (или блок барабана с резинками)

Как функционируют отдельные блоки самострела и самострел в целом.

1) В электрический блок входят аккумуляторные батареи, которые подают электрическую энергию через включатель и соединительные провода в мотор. Изменение напряжения на аккумуляторах позволяет увеличить или уменьшить скорость вращения барабана. Эту задачу в данной работе мы не будем рассматривать, и не будем решать численно на основе закона сохранения и превращения электрической энергии в механическую. Хотя для учителей физики эта задача была бы весьма интересной, так как здесь надо было бы учитывать массивность всего барабана и его вращающий момент инерции, поэтому мы ее фиксируем только качественно. Это провода, которые передают энергию из аккумуляторных батарей в мотор через кнопку-включатель. Электрические провода паяются паяльником с кнопкой-включателем, аккумуляторной батареей и мотором. Электрический мотор с интегрированной (вмонтированной) в него скалкой выполняет одновременно два действия: принимает электроэнергию из аккумулятора, осуществляет вращение скалки, а скалка держит на себе шнур, который из-за вращения мотора на нее наматывается. Все это вправляется в каркас с помощью болтов и другой фурнитуры.

2) Механический блок – вращающийся барабан, выполненный из отдельных деревянных деталей (направляющих и их ободков). Он использует энергию движущихся электрических зарядов, которую поставляет ему электрический блок за счет протекающих в его аккумуляторах химических реакций, именно зарядный блок дает ту необходимую электрическую энергию, которая переходя в механическую энергию вращения барабана, снимает шнуром с его зубчиков на направляющих стволах, нанизанные на них резинки. Резинки затем слетают с направляющих барабана.

3) Блок каркаса – деревянная основа автоматического самострела, на которую крепятся все сопутствующие детали, блоки и элементы самострела. Этот блок самая важная часть нашего игрового оружия, её функция – сохранять все блоки и их элементы в одном расположении относительно друг друга и в едином их функционировании. То есть в преобразовании электрической энергии в механическую энергию вращения барабана, с направляющих которого слетают резинки. Дополнительные деревянные детали, которые скрепляют все имеющиеся блоки, относительно каркаса самострела. Их функционирование должно мягкость совмещать с жесткостью. Чтобы все крепилось надежно к каркасу и в то же время свободно от него работало. Некоторые детали прикреплены к каркасу для удобства в использовании нашего стрелково-игрового оружия. Капроновый шнур выполняет функцию соединения зарядно-моторного блока с вращающимся барабанным блоком, и служит частью спускового механизма, который снимает натянутые резинки с направляющих стволов барабана. Он так же относиться к каркасному блоку.

Ещё одна важная часть самострельного оружия – спусковой механизм. Спусковой механизм относится к функционированию самострела в целом. Он важный, потому что от него зависит: рабочее состояние орудия, способ стрельбы, и расположение других частей в оружии относительно этого механизма. Несмотря на то, что данный механизм часть оружия, он выполняет главную функцию, он в едином действии объединяет все блоки или части самострела, поэтому его можно отнести ко всем блокам сразу.

Изначальное строение самострела и внесённые изменения

В этом разделе я расскажу, что было в самостреле изначально, и какие инновации я внёс сам для улучшения работы и изменения внешнего вида и внутреннего содержания самострела.

В целом самострел можно разделить на три части:

1) Носовая

2) Средняя

3) Тыльная (задняя)

В оружии из журнала, которое является аналогом моего самострела, эти три части, эти формы являются не совсем изящными, и я привел их в более гармоничное соотношение друг с другом. Это уже предмет не науки, а искусства (резанья по дереву и искусства паяния), создающего гармонию, то есть красивые соотношения между частями. По принципу: большая часть самострела относиться к меньшей части так, как целое относиться к большему. Поэтому в моей конструкции появилась более изящная тыльная сторона и носовая форма каркаса. Я по-другому для большего удобства вырезал из деревянной заготовки рукоять самострела и держащую деталь мотка капронового шнура, более удобно приспособил мотор, а также более рационально встроил зарядный блок, который заменил перезаряжаемыми конденсаторами.

Я внёс свои оптимальные с точки зрения искусства и науки изменения, из-за чего изменились и характеристики самого игрового оружия. Тыльная и носовая часть самострела содержат больше углов, что дает определенные преимущества при переходе от дальнего боя к ближнему бою, рукоять вырезана из трёх частей и содержит мало изгибов, а потому ее более удобно держать. В кнопке спуска прибавился тумблер.

В практическом конструировании моя личная инновация заключается в том, что верхняя носовая часть самострела отрезана. Это даёт новое свойство самострелу – способность более быстро перезаряжаться по сравнению с тем самострелом, который является прототипом сконструированного мной. Важная инновация, внесенная мной в спусковой механизм, так же связана с возможностью быстро перезарядиться. А этой способностью обладает очень малое число самострелов, тем более многоствольных. Также в моем самостреле я приспособил сошки, которые позволяют поставить его на ровную поверхность, сделать его более устойчивым, не опасаясь того, что вес игрового оружия перевернёт его во время стрельбы на бок.

Применение законов физики к расчету скорости движения резинки слетающей с вращающегося барабана самострела

Для начала определим коэффициент жесткости резинки k , опираясь на закон Гука для линейных растяжений по формуле:

Будем подвешивать к резинке грузы разной массы m и по разности между конечной длиной резинки и ее начальной длинной, которые мы измеряем линейкой, будем определять Δl для каждого подвешиваемого груза. Затем подсчитаем k по формуле (1).

Для наших резинок получается, что k= 30. Вообще, резинки часто бывают некачественными, их материал тянется, и в них могут возникать неупругие деформации, тогда коэффициент жесткости k будет зависеть от Δl и вести его расчет по закону Гука будет не корректным. Сами деформации из линейных могут превращаться в нелинейные особенно при больших значениях Δl

Далее из закона сохранения энергии (2) получим уравнение движения для расчета скорости ν резинки (3), слетающей с направляющих, расположенных на вращающемся барабане:

(2) , тогда для расчета скорости получим:

Смысл уравнения (2) состоит в том, что энергия упруго растянутой резинки, после того как она слетает с направляющей, она переходит в ее кинетическую энергию движения. Где масса резинки

Таким образом, для минимально возможного растяжения резинки на 7 см=0,07м получим следующее значение скорости:

Значение массы резинки 0,0005 кг находим с помощью измерений на школьных весах.

Это, конечно, без учета того, что резинка со стороны набегающего на нее воздушного потока испытывает трение. К тому же мы не принимаем во внимание и то, что она летит не как одно целое, а меняя свою общую форму. Из-за чего масса в ее отдельных частях распределяется в пространстве вероятностным образом.

Для максимально возможного растяжения резинки на 20 см=0,2 м получим следующее значение скорости:

Из всех расчетов, приведенных в данной задаче можно сделать следующий вывод. Для того чтобы получить максимально возможную скорость полета резинки необходимо:

1)направляющие самострела конструировать таким образом, чтобы их рабочая длина была максимальной, чтобы добиться максимального растяжения

2)брать резинки с максимально большим коэффициентом жесткости

Что касается массы резинки, то тут анализ того, как масса резинки влияет на ее скорость гораздо сложнее. Из уравнения (3) для расчета скорости видно, что чем меньше масса резинки, тем выше ее скорость. Но поскольку мы ведем стрельбу не в вакууме, а в воздухе, то из-за сил трения ускорение торможения более легкой резинки будет более интенсивным и, в конечном счете, ее скорость упадет на большую величину при условии, что силы трения во всем диапазоне скоростей будут неизменны. Этот вывод следует из второго закона Ньютона (4):

Поскольку скорость вращения барабана не велика по сравнению со скоростью прямолинейного движения резинки, то эти скорости можно считать независимыми друг от друга, если же эти скорости будут сопоставимы друг с другом, то движение резинки будет спиралевидным и тогда самострел приобретет черты нарезного оружия.

Если в будущем конструкцию самострела усовершенствовать для стрельбы на большие расстояния, то скорость вращения барабана необходимо брать сопоставимой со скоростью движения резинки, чтобы сама резинка летела по спиралевидной траектории. Из-за чего точность стрельбы многократно увеличивается. Скорость вращения барабана можно рассчитать по формуле (5):

(5) где линейная скорость вращения барабана самострела V, радиус барабана R, а Т – период обращения барабана.

Завершение

В заключение к проекту расскажу о нескольких спусковых механизмах, которые я заприметил в исследуемом материале. Они схожи с механизмом в проекте, потому что у них одинаковые заряды.

Схемы спусковых механизмов:

1) Слалом – этот механизм прикреплен к доске и представляет собой извилистую трассу, по которой проходят резинки, затем слетают с конца трассы по прямой траектории. Но спусковой крючок в конструкции должен обязательно быть подпружинен.

2) Две гребёнки – данный механизм является практически прототипом пистолета только с резинками. На одну гребёнку насаживают резинки, а другая их стягивает ближе к концу, чтобы они слетели. Очень остроумно придумано то, что резинка, являясь метательным снарядом конструкции, одновременно является и его пружиной.

Степень достижения цели и решение задач

Я считаю, что этот проект доделан лишь до определенной степени. Как и любой творческий продукт, он скрывает в себе альтернативные способы применения и возможность улучшения общего состояния самострела, его свойств и действия. Степень достижения цели в создании подобного оружия можно оценить, показывая те недостатки, которые в нём есть, и, предлагая усовершенствования которые хотелось бы внести, но пока сложно выполнить из-за нехватки материальных средств и хороших конструкторских решений.

Начнём с выявления недостатков в оружии:

1) Барабану при плохом выпиливании стволов сложно держать резинки на зубчиках.

2) Аккумулятор требует длительной и частой перезарядки, к тому же имеет невысокое напряжение.

3) Зарядка хотя бы одного барабана требует много времени.

Что мне хотелось бы усовершенствовать и какие задачи решить в дальнейшем:

1) Добавить прицел.

2) Сделать дополнительные барабаны для смены обоймы.

3) Упростить спусковой механизм.

4) Улучшить качество обработки мелких деталей.

В целом я считаю, что работа выполнена, и задачи, поставленные в работе, решены, а потому цель достигнута в определенной мере. Решены следующие задачи:

1) Сконструирован и построен самострел из деталей конструктора «LEGO», а также из деталей, вырезанных мной из дерева. В деревянный самострел внесен ряд технических улучшений, по сравнению с тем прототипом, с которого он делался, в частности в его спусковой механизм.

2) В некоторых границах исследована история развития самострелов.

3) Исследована и изучена структура и функционирование, построенного мной деревянного самострела.

4) Решена задача по определению скорости движения резинок-снарядов, слетающих с направляющих деревянного самострела.

Практические советы

1) Для тех, кто хочет заниматься этим увлекательным хобби, советую заранее закупить весь материал и инструментарий такие как: а) Фанерные доски (я использовал доски с толщиной 1,2 см) б) Шлифовальную машинку, отвёртку с большим количеством насадок, лобзик (простой и электрический), надфили, маленький наточенный ножик, и т. д.

2) Необходимо организовать все действия, которые нужно выполнить в ходе работы.

3) Нужно обязательно чертить схемы для работы.

4) Привлечь к своему делу помощника.

5) Не забывать о правилах безопасности использовании некоторых инструментов.

Научная и социальная значимость работы

Как создатель развлекательного оружия я считаю, что научная и социальная значимость у оружия разная.

Научная значимость состоит в том, что учителя физики смогут подробнее на примере работающего самострела объяснить детям некоторые физические законы. Такие, как законы сохранения и превращения электрической энергии в механическую энергию. Упругой энергии в энергию кинетическую. А так же связанных с этими законами уравнений движения.

Социальная и моральная значимость моего проекта заключается в том, что это любое оружие надо применять только в мирных целях. В развлекательных целях или как интересное хобби. В этих целях можно было бы построить поля подобные пэйнтбольным и устраивать на них массовые игры, так как материал для одного простого зарядного самострела совсем недорогой. А в будущем в плане хобби можно: придумывать, испытывать, делиться с друзьями, а возможно и продавать свои спусковые механизмы с быстрой перезарядкой.