Katapultfysica is in feite het gebruik van opgeslagen energie om een projectiel (de nuttige lading) voort te stuwen, zonder gebruik te maken van een explosief. De drie belangrijkste energieopslagmechanismen zijn spanning, torsie en zwaartekracht. De katapult is in de oudheid een zeer doeltreffend wapen gebleken, waarmee grote schade kon worden aangericht. De belangrijkste soorten katapulten die werden gebruikt waren de trebuchet, mangonel, onager, en ballista. Deze typen katapulten zullen worden beschreven, en afbeeldingen en illustraties zullen worden bijgevoegd.
Katapultfysica – De Trebuchet
Bron: http://en.wikipedia.org/wiki/Trebuchet. Auteur: ChrisO
Een trebuchet is een gevechtsmachine die in de oudheid werd gebruikt om zware payloads naar vijanden te gooien. De lading kon ver worden gegooid en aanzienlijke schade aanrichten, hetzij door muren neer te halen, hetzij door de vijand te raken terwijl deze zich in zijn bolwerk bevond.
Van de verschillende soorten katapulten was de trebuchet de meest nauwkeurige en een van de meest efficiënte in termen van het overbrengen van de opgeslagen energie op het projectiel. Bovendien maakte het een grotere consistentie in de worpen mogelijk door het feit dat elke keer dezelfde hoeveelheid energie kon worden geleverd, door middel van een verhoogd tegengewicht.
Een trebuchet werkt door gebruik te maken van de energie van een vallend (en scharnierend) tegengewicht om een projectiel (de nuttige lading) te lanceren, waarbij gebruik wordt gemaakt van mechanisch voordeel om een hoge lanceersnelheid te bereiken. Voor een maximale lanceersnelheid moet het tegengewicht veel zwaarder zijn dan de nuttige lading, omdat dit betekent dat het snel zal “vallen”.
De fysica achter een trebuchet is tamelijk complex. Een gedetailleerde uitleg ervan wordt gegeven op de pagina over Trebuchet Physics.
In sommige ontwerpen wordt een geleidingsparachute gebruikt om de slinger mee te geleiden en de nuttige lading te ondersteunen totdat de snelheid groot genoeg is om hem alleen in de buidel te houden.
Het begin van de lancering wordt geïllustreerd in de figuur hieronder.
Zoals u kunt zien, draait het tegengewicht over een veel kortere afstand dan het uiteinde van de nuttige lading. Het voordeel hiervan is dat de nuttige lading van de balk een veel hogere lineaire snelheid bereikt dan het contragewicht van de balk. Dit is het principe van het mechanisch voordeel, waardoor de nuttige last een hoge lanceersnelheid kan bereiken. Omdat het contragewicht echter over een veel kortere afstand draait, moet zijn gewicht veel groter zijn dan het gewicht van de nuttige lading om een hoge lanceersnelheid te krijgen. Vergroting van de massa van het contragewicht voorbij een bepaald punt zal echter niet helpen, omdat de grenssnelheid van het vallende contragewicht de vrije valsnelheid is.
De slinger laat los wanneer een bepaalde hoek α is bereikt. Op dit punt glijdt de ring (die met de strop is verbonden en ter ondersteuning een lus om de vinger maakt) af en wordt de nuttige lading gelanceerd. De losmaakhoek α kan worden aangepast door de hoek δ van de vinger te veranderen. Voor een grotere δ neemt de losmaakhoek α toe. Voor een kleinere δ neemt de loshoek α af.
De onderstaande figuur illustreert de trebuchet op het loslaatpunt.
Als de balk met de klok mee draait (als gevolg van het vallende contragewicht), ondervindt de nuttige lading een centripetale versnelling waardoor deze naar buiten beweegt (aangezien deze niet is vastgezet). Dit resulteert in een grote toename van de lineaire snelheid van de nuttige last die veel groter is dan die van het uiteinde van de balk waaraan de strop is bevestigd. Dit is de kern van de natuurkunde achter een trebuchet en is de reden waarom een trebuchet zo’n grote lanceerkracht heeft.
Voor een meer diepgaande uitleg over hoe een trebuchet werkt, zie Trebuchet Physics. Op deze pagina worden de basisvergelijkingen die de natuurkunde van een trebuchet beschrijven geïntroduceerd.
Om je te helpen bij het bouwen van een trebuchet kun je deze simulator gebruiken om je te helpen het ontwerp te maken dat de lading het verst wegwerpt. Dit is erg handig om je te helpen het winnende ontwerp te maken in een trebuchet wedstrijd!
In de volgende sectie zullen we kijken naar de mangonel.
Katapult Fysica – De Mangonel
Bron: http://en.wikipedia.org/wiki/Catapult. Auteur: ChrisO
Het bovenstaande plaatje van de mangonel is waar mensen het meest bekend mee zijn als ze aan katapulten denken. De mangonel bestaat uit een arm met aan het uiteinde een komvormige emmer. In deze emmer wordt een lading geplaatst. Bij het loslaten draait de arm met een hoge snelheid en werpt de lading uit de emmer, in de richting van het doel. De lanceersnelheid van de lading is gelijk aan de snelheid van de arm aan het uiteinde van de emmer. De lanceerhoek van de nuttige lading wordt geregeld door de arm te stoppen met behulp van een dwarsbalk. Deze dwarsstang wordt zo geplaatst dat de arm onder de gewenste hoek wordt tegengehouden, waardoor de nuttige lading onder de gewenste lanceerhoek uit de bak wordt gelanceerd. Deze dwarsbalk kan worden opgevuld om de klap te verzachten.
De mangonel was het meest geschikt voor het lanceren van projectielen onder een lagere hoek ten opzichte van de horizontaal, wat nuttig was voor het vernietigen van muren, in tegenstelling tot de trebuchet die zeer geschikt was voor het lanceren van projectielen over muren.
De mangonel is echter niet zo energie-efficiënt als de trebuchet om de belangrijkste reden dat de arm een hoge snelheid bereikt tijdens de lancering. Dit betekent dat een groot percentage van de opgeslagen energie gaat zitten in het versnellen van de arm, wat energieverspilling is. Dit is echter onvermijdelijk, omdat de nuttige lading alleen met hoge snelheid kan worden gelanceerd als de arm met hoge snelheid ronddraait. De enige manier om zo weinig mogelijk energie te verspillen is dus om de arm en de bak zo licht mogelijk te maken, terwijl ze toch sterk genoeg zijn om de krachten tijdens de lancering te weerstaan.
De fysica achter een mangonel is in feite het gebruik van een mechanisme voor energieopslag om de arm te laten draaien. In tegenstelling tot een trebuchet, is dit mechanisme directer. Het bestaat hetzij uit een trekinrichting, hetzij uit een torsie-inrichting die rechtstreeks met de arm is verbonden.
De onderstaande figuur illustreert een mangonel waarin de energiebron een gebogen cantilever is, die een vorm van trekinrichting is. Deze kan bestaan uit een buigzaam boogvormig materiaal, bijvoorbeeld van hout.
Het punt P in de figuur is de scharnieras, bevestigd aan het frame, waar omheen de arm draait.
De onderstaande figuur toont de mangonel op het lanceerpunt. Om de lading te lanceren wordt het touw losgelaten.
Het andere type energieopslagmechanisme is een torsie-apparaat, dat kan bestaan uit gedraaid touw. Dit maakte een grotere werpkracht mogelijk dan de spankracht in oude katapulten. De onderstaande figuur illustreert het torsietoestel.
Het gedraaide touw wordt gewoonlijk een torsiebundel genoemd. Het bestaat uit verschillende lengtes touw met de arm ertussen gestoken. Het touw wordt vervolgens aan beide zijden van de arm met de hand gedraaid met behulp van hefbomen. Bij het loslaten roteert de torsiebundel de arm met hoge snelheid, waardoor de nuttige lading wordt gelanceerd. De onderstaande figuur illustreert hoe een torsiebundel wordt gedraaid.
De onderstaande video laat zien hoe het touw op een torsiekatapult wordt gewikkeld.
Het feit dat een mangonel een energieopslagapparaat gebruikt dat bestaat uit een vervormend materiaal, zoals hout of touw, betekent dat de werpafstand niet zo consistent zal zijn als bij een trebuchet. Dit komt omdat deze materialen (in tegenstelling tot modernere materialen), van nature slijten en elasticiteit verliezen tijdens hun gebruik. Dit is iets dat voortdurend in de gaten moet worden gehouden tijdens een gevecht, met vervangende materialen die gemakkelijk beschikbaar zijn, indien nodig.
In de volgende sectie zullen we kort de onager bespreken.
Katapult Fysica – De Onager
De onager katapult is bijna identiek aan de trebuchet, maar in plaats van een vallend tegengewicht, gebruikt het een torsie bundel om de arm te roteren (vergelijkbaar met de mangonel, eerder beschreven). Door zijn ontwerp was een grotere werpafstand mogelijk dan bij de mangonel (vergelijkbaar met die van een trebuchet). Maar de werpafstand was niet zo consistent als die van de trebuchet, omdat hij afhankelijk was van vervormbare materialen als energiebron, die van nature slijten en elasticiteit verliezen tijdens hun gebruik.
Afsluitend zullen we kijken naar de ballista.
Katapult Fysica – De Ballista
Bron: http://en.wikipedia.org/wiki/Ballista. Auteur: Scigeek
De ballista is in principe vergelijkbaar met een kruisboog, maar dan veel groter. Net als de torsie-aangedreven mangonel, gebruikt hij gedraaid touw als energiebron. De afbeelding hierboven toont het torsiemechanisme bestaande uit gedraaid touw, dat zich op de scharnierplaats van de twee zijarmen bevindt.
In de ballista zou de boogpees worden teruggehaald en de spanning worden ingesteld. Het zou worden gebruikt om pijlen, bouten en speren met dodelijke kracht en nauwkeurigheid te lanceren. Het zou ook kunnen worden gebruikt om stenen projectielen van verschillende afmetingen te lanceren.
terug naar de pagina over de natuurkunde van het gevecht
terug naar de startpagina over echte wereldfysische problemen
deze advertentie melden