Баллистический способ измерения силы тяжести

баллистический метод измерения (силы) тяжести

19 баллистический метод измерения (силы) тяжести:

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации . academic.ru . 2015 .

Смотреть что такое «баллистический метод измерения (силы) тяжести» в других словарях:

ГОСТ Р 54363-2011: Полевые геофизические исследования. Термины и определения — Терминология ГОСТ Р 54363 2011: Полевые геофизические исследования. Термины и определения оригинал документа: абсолютное измерение (силы) тяжести (гравиразведка): Определения термина из разных документов: абсолютное измерение (силы) тяжести 92… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ Р 52334-2005: Гравиразведка. Термины и определения — Терминология ГОСТ Р 52334 2005: Гравиразведка. Термины и определения оригинал документа: ( гравиметрическая ) съемка Гравиметрическая съемка, проводимая на суше. Определения термина из разных документов: ( гравиметрическая ) съемка 95… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Магнитометр — (от греч. magnetis магнит и . метр) прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля… … Большая советская энциклопедия

Магнетометр — Магнитометр в использовании Магнитометр прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов). В зависимости от определяемой величины различают приборы для измерения: напряжённости поля… … Википедия

МАГНИТОМЕТР — прибор для измерения хар к магнитного поля и магн. св в физ. объектов. М. различают по назначению, принципу действия и условиям эксплуатации. При классификации по назначению выделяют две группы М. К первой, наиболее разветвлённой, относят приборы … Физическая энциклопедия

Магнитометр — перед погружением Магнитометр (от греч. magnetis магнит и… метр), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости … Википедия

МЫШЦЫ — МЫШЦЫ. I. Гистология. Общеморфодогически ткань сократительного вещества характеризуется наличием диференцировки в протоплазме ее элементов специфич. фибрилярной структуры; последние пространственно ориентированы в направлении их сокращения и… … Большая медицинская энциклопедия

Источник

Баллистический метод

В настоящее время измерения малых интервалов и времени падения тел достиг очень высокой точности, поэтому появилась возможность высокоточных абсолютных измерений силы тяжести способом падающего груза, или баллистическим способом.

В вертикальной вакуумной камере высотой примерно 50см в качестве падающего

груза используется стеклянная призма (рис. ). Путь падения призмы измеряют с

помощью лазерного интерферометра, а время падения – с помощью атомных часов. Пучок когерентного света от лазера полупрозрачным стеклом разделяется на два пучка. Пучки света проходят разные пути, а затем сводятся вместе. В результате будет наблюдаться интерференционная картина в виде чередования темных и светлы полос (интерференционных полос), ширина и число которых зависят от спектрального состава источника света и разности оптических путей световых пучков.

Число полос N связано с разность хода лучей и длиной волны света соотношением:

Время и путь свободно падающего тела связаны соотношением:

.

На практике пользуются более сложной формулой:

.

Это связано с тем, что в начале пути призма может получить небольшое дополнительное ускорение. Чтобы избавиться от неизвестной начальной скорости v₀ , измерения проводят дважды. Тогда из системы двух уравнений получим:

Точность абсолютных измерений баллистическим методом высока – порядка одного микрогалла (0.001 мГал) при времени одного измерения около 10 секунд. Для повышения точности выполняются многократные измерения, которые потом статистически обрабатываются.

Абсолютные измерения напряженности поля силы тяжести нужны для согласования эталонов принятых в системе единиц длины, массы, времени, расчета траектории движения космических аппаратов, определения фигур Земли т.д. За мировой исходный пункт абсолютного значения ускорения свободного падения принят пункт в Потсдамском геофизическом институте. Вначале абсолютное значение поля силы тяжести было определено при помощи оборотных маятников. Как потом показали последующие измерения, оно содержало погрешность около 14 мГал. В связи с этим абсолютное значение силы тяжести изменили на 14 мГал. Все формулы даются с поправкой -14 мГал.

Баллистический метод измерения

1- лазер; 2-падающая призма; 3-фото блок; 4-атомные часы; 5-делитель луча

Конструкция вертикального сейсмоприемника Голицина

Устройство гравиметра ГАК

Принцип астазирования в гравиметре ГАК

Источник

Методы измерения силы тяжести. Результаты современных абсолютных измерений силы тяжести. Относительные маятниковые измерения и их результаты

Современные методы измерения силы тяжести (ускорения силы тяжести) делятся на динамические и статические. Заметим, что, строго говоря, в гравиметрии измеряют ускорение силы тяжести. Однако при выводе формул и расчетах обычно принимают единичную массу груза, тогда сила тяжести по величине оказывается равной ее ускорению, и для краткости в гравиметрии принято говорить вместо ускорения силы тяжести просто сила тяжести.

В динамических методах наблюдают за движением тела в реальном гравитационном поле. В статическом методе наблюдают состояние равновесия тела под действием двух сил— силы тяжести и некоторой компенсирующей силы —в реальном гравитационном поле.

К динамическим методам относятся маятниковый и баллистический методы.

Маятниковый метод основан на формуле Гюйгенса, приводимой ранее,

, (1.1)

где Т – период колебаний, g – ускорение силы тяжести, l – приведенная длина (рис. 18),

О

•

m

Рис. 18 Иллюстрация к маятниковому методу измерения ускорения силы тяжести

Баллистический — на уравнении свободно падающего тела:

, (4.1)

где S – путь, пройденный свободно падающим телом,

начальная скорость,

t – время падения тела.

По видам измерения силы тяжести делятся на абсолютные и относительные.

При абсолютных измерениях силы тяжести мы получаем ее полное значение в точке наблюдения. Чтобы получить абсолютное значение ускорения силы тяжести, необходимо измерить две величины: длину и время.

При относительных измерениях силы тяжести мы получаем ее приращение между двумя точками. В этом случае достаточно измерить только одну величину (как правило, длину).

Абсолютные измерения ускорения силы тяжести можно выполнить только динамическими методами. С помощью баллистического метода можно получить абсолютные значения ускорения силы тяжести с точностью порядка 0,01 мГал, маятниковым методом — с точностью (0,1-0,3) мГал. Поэтому маятниковый метод в настоящее время, в основном, применяется для относительных измерений ускорения силы тяжести.

Баллистический метод – это основной метод абсолютных измерений ускорения силы тяжести. Исторически он известен раньше маятникового метода, однако, наибольшее развитие получил в ХХ веке после появления возможности измерения длины и времени с высокой точностью. В настоящее время эти величины определяются с относительной ошибкой порядка 10 -9 .

S1, t1

S0

Sn, tn

Рис. 19 Баллистический метод измерения ускорения силы тяжести

Баллистическая установка представляет собой некоторую вакуумную камеру, где свободно падает грузик, для которого с высокой точностью фиксируют S_o, S₁, S₂ …. и (рис.19). Затем составляются уравнения

, (4.2)

из решения которых по методу наименьших квадратов определяется ускорение силы тяжести.

Из современных баллистических установок следует отметить баллистическую установку в Севре (абсолютный гравиметр МБМВ). В 70-е годы там выполнялись абсолютные измерения силы тяжести под руководством профессора Сакума. Ускорения силы тяжести были получены с точностью 0,2 мГал. Эта баллистическая установка используется вплоть до настоящего времени. Сейчас ее чувствительность составляет 2 мкГал. В (1975-81) годах в Международной широтной обсерватории в Мидзусова (Япония) был сконструирован также стационарный абсолютный гравиметр, подобный гравиметру МБМВ (Севр). Цель создания подобных постоянных станций заключается в установлении и поддержке мировой гравиметрической системы на современном уровне, слежении за долговременными изменениями силы тяжести глобального характера, а также в метрологическом обеспечении абсолютных нестационарных гравиметров.

В СССР первая баллистическая установка была сконструирована в 1956 году. Ее точность в то время составляла 1,3 мГал. На уровне современных мировых требований точности баллистический гравиметр был сконструирован в России в (1970- 72) гг. в Институте автоматики и электрометрии Сибирского Отделения АН СССР (ИАЭ СО АН). В 1975 году этот гравиметр сделали транспортабельным. В (1976-79) гг. гравиметр ИАЭ использовался при выполнении измерений ускорений силы тяжести в мировой опорной гравиметрической сети. По внутренней сходимости точность этих измерений оценивалась величиной порядка (2—6) мкГал. Абсолютная точность измерений баллистическим гравиметром в то время составила 20 мкГал, в настоящее время она достигла уже 10 мкГал.

Транспортабельные баллистические гравиметры имеются также в США, Японии, Франции и Китае.

Источник

Динамические методы измерений силы тяжести

1. Маятниковый метод получил наиболее широкое распространение среди других динамических методов, применялся на практике в течение почти двух столетий и был доведен до высокой степени совершенства.

Маятником можно считать любое твердое тело, совершающее свободные колебания относительно горизонтальной оси. В теории метода рассматривают математический и физический маятники. Математический маятник представляет собой материальную точку с массой m, подвешенную на абсолютно нерастяжимой и невесомой нити длиной ℓ(рис. 2.10). Угол φ_о соответствует максимальному отклонению маятника от положения равновесия и называется амплитудой колебаний. Время, необходимое маятнику для прохождения от одного крайнего положения +φ_о до другого крайнего положения -φ_о, называется периодом колебаний Т маятника. Дифференциальное уравнение движения математического маятника имеет вид:

d 2 φ/dt 2 = — (g/ℓ) sin φ (2.36)

Рис. 2.10. Математический и физический маятники.

Решение этого уравнения дается в виде:

(2.37)

Как видно из последнего равенства, период зависит от амплитуды. При малых амплитудах, когда можно считать sin φ = φ, период колебаний маятника не зависит от амплитуды (это свойство маятника называется изохронностью) и равенство (2.37) приобретает вид формулы Гюйгенса:

, (2.38)

Обычно при гравиметрических измерениях амплитуда колебаний маятника не превышает 1 о , поэтому условие sin φ = φ практически выполняется и из формулы (2.38) получим:

.(2.39)

На практике осуществить математический маятник с необходимой степенью точности невозможно. Поэтому при измерениях силы тяжести используют физический маятник, который, имея определенные размеры, не является точечным и нить подвеса не является абсолютно нерастяжимой и невесомой. Уравнение движения физического маятника можно записать так:

, (2.40)

где J_X и M_X – соответственно момент инерции и момент сил относительно оси вращения Х.

Поскольку сумма моментов действующих сил:

, где М – масса тела, то уравнение движения принимает вид:

(2.41)

, (2.42)

(2.43)

Выражение (2.42) совпадает с дифференциальным уравнением колебания математического маятника, т. е. физический маятник колеблется по тем же законам, что и математический, но роль длины l для него играет величина J_X/(aM), называемая приведенной длиной физического маятника.

Обычно приведенную длину физического маятника трудно определить с достаточной точностью, например, для маятника с приведенной длиной l = 100 см (Т ≈ 1с) при заданной погрешности измерения ускорения силы тяжести 0,1 мГл период колебаний и длину надо измерять с допустимыми погрешностями соответственно 3,5 10 -8 с и 0,07 мкм (Огородова, Шимбирев, Юзефович, 1978). Поэтому для определения абсолютных значений g использовали специальные оборотные маятники. Абсолютное значение силы тяжести необходимо знать хотя бы в одной точке. В настоящее время таким пунктом является Потсдамский геодезический институт, к которому отнесены все гравиметрические съемки мира. Здесь определение абсолютного значения силы тяжести было проведено под руководством Гельмерта в 1898 -1904 г.г. На основании 192 определений получено абсолютное значение силы тяжести 981 274 ±3 мГл.

При современном состоянии техники точность этого метода не может быть повышена из-за ряда трудно учитываемых факторов: удлинения маятника под действием собственного веса, деформации опор, неточности измерения приведенной длины и др.

Маятниковым методом проводили и относительные измерения (если в одном из пунктов известно полное значение силы тяжести g₁). В последнем случае, если измерить периоды качания маятника в двух пунктах Т₁ и Т₂ , то, учитывая формулу (2.38):

, откуда следует (2.44)

Гравиметры для относительных измерений силы тяжести применялись для создания опорных гравиметрических сетей и обеспечивали погрешности определения относительных значений силы тяжести около 0,1 мГл при весе порядка 90 кг и цикле одного измерения 15 – 20 мин. Однако в последнее время они были вытеснены приборами, основанными на баллистическом способе измерений.

2. Баллистический метод основан на зависимости времени падения тел в вакууме (t) от значения силы тяжести (g):

, откуда , (2.45)

где h — высота, с которой падает объект при нулевой начальной скорости.

Из-за требований высокой точности определения величин h и t , только в 60-х годах 20 века, с применением лазерной техники, появилась возможность конструировать приборы для измерения силы тяжести этим методом. Кроме того, как было установлено, величины h и t нельзя отсчитывать от начала падения, так как при освобождении тело может получить дополнительное ускорение. Наиболее приемлемым оказалось бросать тело вверх и измерять время, за которое тело проходит определенный участок пути при подъеме и падении.

Рис. 2.11. Схема баллистического интерферометра для определения

абсолютных значений силы тяжести.

В этом случае формула для расчета значения g достаточно проста:

, (2.46)

где t₁ и t_{2 —} промежутки времени между пересечениями телом специальных щелей при движении его вверх и вниз.

В различных странах за рубежом разработаны и применяются несколько типов баллистических гравиметров. Почти все они представляют собой экспериментальные образцы. В Сибирском отделении АН РФ разработан баллистический гравиметр, в котором применяется интерферометр Майкельсона с газовым лазером (рис. 2.11). В вакуумной камере 1 падает уголковый отражатель 2, ориентируемый по вертикали в крайнем верхнем положении при помощи агатовой опоры. Оптическая система интерферометра содержит стабилизированный лазер 3, коллиматор 4. полупрозрачные зеркала 5, делящие луч на две части, и фотоумножитель 6. В счетном блоке осуществляется измерение пути и времени. Величина h определяется по числу интерференционных полос, образованных при наложении прямого и обратного луча лазера от падающего уголкового отражателя. Для обработки результатов используется компьютер.

Один цикл измерения – подъем и падение уголкового отражателя, а также обработка результата – занимает около 12 с. За один час, включая паузы, можно сделать около 200 циклов. За несколько часов может быть достигнута точность в несколько сотых мГл. Для достижения точности выше 0,01 мГл наблюдения ведутся сутками (Огородова, Шимбирев, Юзефович, 1978). Полный комплект установки имеет массу в несколько сотен килограммов, но разделяется на отдельные транспортабельные части. Баллистические гравиметры-интерферометры используются сейчас для геодезических измерений и для создания опорных гравиметрических сетей.

3. Струнный метод основан на измерениях собственных поперечных колебаний струны, натянутой грузом. Если подвесить массу на тонкой металлической нити (струне), то натяжение струны и соответственно период колебаний будут зависеть от веса массы, длины и веса струны. При постоянных параметрах струны и груза изменения силы тяжести проявляются в изменении частоты колебаний струны.

Частота колебаний (f) идеально гибкой струны определяется:

, (2.47)

где L — длина струны, M — масса груза, подвешенного на струне, — линейная плотность струны (г/см). Отсюда:

Рис. 2.12. Общая схема устройства струнного гравиметра

.(2.48)

Этот принцип в абсолютных измерениях не используется из-за сложностей определения эффективной длины реальной струны.

Для относительных измерений используется схема, приведенная на рис. 2.12. Груз 1 подвешен на струне 2, проходящей между полюсами постоянного магнита 3, поэтому колебания струны приводят к возникновению в ней переменного тока. Чтобы ток не затухал, струна включена в контур с положительной обратной связью, образуя струнный генератор.

Частота струнного генератора умножается и сравнивается с частотой эталонного генератора. Для устранения продольных колебаний струны применяется электромагнитное демпфирование при помощи постоянных магнитов 4, возможность маятниковых колебаний ограничивают плоские горизонтальные пружины.

Изменение напряженности поля Δg связано с изменением частоты колебаний струны Δf квадратичной зависимостью:

, (2.49)

, (2.50)

, (2.51)

M — масса груза, l – длина струны, σ – плотность материала струны, S – площадь поперечного сечения струны, R – величина, зависящая от параметров вспомогательных пружин.

Поскольку точное измерение величин, определяющих коэффициент С, является сложной задачей, здесь применяют способы градуирования, которые используются в статических гравиметрах (см. ниже).

Достоинства струнного гравиметра – практически неограниченный диапазон измерения и малая зависимость частоты колебаний струны от температуры, а также простота измерений и цифровой регистрации. Недостатки струнного гравиметра – слабая устойчивость к влиянию вибраций и других инерционных помех, а также нелинейная зависимость между Δg и f.

Струнные гравиметры применяют для измерений в скважинах и иногда – на самолетах и морских судах.

Источник