Gauss tüfeği-Manyetik doğrusal hızlandırıcı-
Manyetik Doğrusal Hızlandırıcı
“Gauss tüfeği” çelik bir bilyeyi manyetik zincirleme reaksiyonla belirli bir hedefe yüksek hızda göndemeye yarayan çok basit bir oyuncaktır. Bu oyuncağı yapmak ve çalışma mantığını kavramak çok kolay olup, oynaması ve izlemesi de bir o kadar zevklidir.
Hareketli animasyon için yukarıdaki resmin üzerine tıklayın.
Yukarıdaki fotoğraf gauss tüfeğini çalışırken gösteren altı karelik bir gif animasyonudur. Her kare saniyenin 30’da birini gösterir. İlk karede bir çelik top tahta bir cetvele bantlanmış bir mıknatısa doğru yuvarlanmaya başlar. İkinci karede ikinci bir topun iki mıknatıs arasında hızlandığını görüyoruz. Üçüncü kareyle birlikte hızlandırıcı topu o kadar çok hızlandırıyor ki topun cihazın sol tarafından fırlayıp hedefe çarptığını görüyoruz. Sadece tek topla başlayan zincir, başka bir topun cihazı çok yüksek hızda terk etmesiyle son buluyor.
Malzemeler:
Gauss tüfeğini yapmak için gerekli olan malzemeler kolaylıkla temin edilebilecek türden. İhtiyacımız olan üzerinde çelik bir bilyenin kolaylıkla hareket edebileceği çukurluğa sahip tahta bir cetvel. Biraz bant. Dört adet mıknatıs. Her tür mıknatıs olabilir ancak mıknatıslar ne kadar güçlü olursa tüfeğimizde o kadar güçlü olur. Son olarak dokuz adet çelik bilye.
Yapılışı:
Öncelikle ilk mıknatısı yapıştırmakla başlıyoruz. Mıknatısları yerleştirme konusunda özgürsünüz, deneme yanılma yöntemiyle en uygun aralığı kendiniz bulabilirsiniz ama ben 30cm’lik cetvelimde 5’er cm’lik aralıklarla yerleştirmeyi uygun gördüm. Bu nedenle ilk mıknatısı 5 cm uzaklığa yerleştiriyorum.
Diğer mıknatısları da 5’cmlik aralıklarla cetvele yapıştırmaya devam edin. Dört mıknatısı da yapıştırdıktan sonra artık tüfeğimizi bilyelerle doldurma vakti gelmiştir.
Her bir mıknatısın yanına iki çelik bilye yerleştirin. Gauss tüfeğini ateşlemek için en soldaki mıknatısa kalan son çelik bilyeyi yaklaştırın. Mıknatısa yeterince yaklaştırınca çekim kuvvetinin etkisiyle mıknatısa doğru harekete geçecektir.
Gauss tüfeği ateşlendiğinde hareket göremeyeceğimiz kadar hızlı olacak ve sondaki bilye sağ taraftan çok hızlı bir şekilde fırlayacaktır. 30 cm’lik versiyonumuz kimseyi incitmeyecek şekilde tasarlanmıştır. Yani elinizi koyarsanız canınızı acıtmaz. İnternette gauss tabancasıyla ilgili araştırma yaparken çok ilginç tasarımlar karşıma çıktı. İşte insan zekası, yaratıcılığı dedim ve siteye eklemeden edemedim. Aşşağıda çok güzel bir tasarımın videosu var izlemenizi tavsiye ederim.
Nasıl Oluyor?
Birinci bilyeyi bıraktığınız zaman bilye ilk mıknatısa doğru çekiliyor. Bilye kaydadeğer bir kuvvetle ve bizim “1 birim” olarak adlandıracağımız bir kinetik enerjiyle ilk mıknatısa çarpıyor.
Bilyedeki kinetik enerji mıknatısa, mıknatıstan diğer bilyeye ve diğer bilyeden onunla temas eden öbür bilyeye aktarılıyor. Bu kinetik enerji aktarımını bilardo toplarındakine benzetebiliriz. (Bir bilardo topu diğerine çarptığı zaman durur, diğeri hızlanmaya başlar)
Şimdi üçüncü bilye 1 birimlik bir kinetik enerjiyle harekete başlıyor. Ancak ikinci mıknatısa yaklaştıkça onun çekim gücünden etkilenip hızlanıyor. İkinci mıknatısa çarptığı zaman nerdeyse ilk hızının iki katı büyüklüğündeki hıza erişmiş oluyor.
Üçüncü bilye mıknatısa çarptığı zaman beşinci bilye 2 birimlik bir kinetik enerjiyle harekete geçiyor. O da üçüncü mıknatısa 3 birimlik bir kinetik enerjiyle çarpıyor. Böylece yedinci bilye son mıknatısa doğru 3 birimlik bir kinetik enerjiyle harekete geçiyor ve çarpma anında 4 birimlik kinetik enerjiye ulaşıyor.
Bu 4 birimlik kinetik enerjide son bilyeye aktarılarak son bilyenin 4 birimlik kinetik enerjiyle hedefe fırlamasını sağlıyor.
Mekanizmaya daha bilimsel bir bakış açısı
Cihazın kurulumu tamamlanıp atışa hazır hale getirildiğinde mıknatıslara temas halinde bulunan dört bilye görüyoruz. Bilyelerin bu durumuna fizikçiler “ground state (temel hal)” adını verirler. Bilyeleri mıknatıslardan uzaklaştırmak için enerji gereklidir.
Ancak bu bilyelerle temas halinde bulunan diğer bilyeler temel halde değillerdir. Bunları hareket ettirmek mıknatıslarla temas halinde olanlara göre daha kolaydır.
Eğer mıknatısla temas halinde bulunan bilyelerden birini mıknatıstan biraz uzaklaştırırsak bilyeye enerji kazandırmış oluruz. Bilye mıknatısa doğru kayda değer bir kuvvetle çekilir. Kazandırdığımız enerjisi bilyeyi serbest bırakarak geri alırız.
Gauss tüfeği ateşlendiği zaman ise durum farklıdır. Artık herbir bilye bir mıknatısla temas halindedir. Her mıknatısın iki yüzünde de bir bilye temas halindedir. Her bilye temel halindedir ve mıknatısın çekim alanından uzakta olmasından dolayı sahip oldukları enerji son bilyeye aktarılmıştır. Son bilyede bu enerjiyle hedefe doğru hızlı bi şekilde hareket eder.
Hız ve kinetik enerji
Bir maddenin kinetik enerjisi kütlesinin ve hızının karesinin çarpımının yarısı olarak tanımlanır. Böylece her mıknatıs bir bilyeyi kendine doğru çektiğinde bilyeye doğrusal olarak kinetik enerji kazandırır.
Ancak hız doğrusal olarak artmaz. Eğer 4 mıknatısımız olursa kinetik enerji 4’tür ancak hız kinetik enerjinin kareköküyle artar. Yani daha fazla mıknatıs ekleyerek hızı her seferinde çok az bir miktarda arttırmış oluruz. Ama sonuç olarak bilyenin yuvarlanacağı mesafe ve hedefi vurduğunda vereceği zarar kinetik enerjinin ve kaç adet mıknatıs kullandığımızın bir fonksiyonudur.
Gerçekten ilginç bir proje.