La physique des catapultes consiste essentiellement à utiliser l’énergie stockée pour projeter un projectile (la charge utile), sans utiliser d’explosif. Les trois principaux mécanismes de stockage d’énergie sont la tension, la torsion et la gravité. La catapulte s’est avérée être une arme très efficace dans l’Antiquité, capable d’infliger de gros dégâts. Les principaux types de catapultes utilisés étaient le trébuchet, le mangonneau, l’onagre et la baliste. Ces types de catapultes seront décrits, et des photos et illustrations seront incluses.
Physique de la catapulte – Le trébuchet
Source : http://en.wikipedia.org/wiki/Trebuchet. Auteur : ChrisO
Un trébuchet est une machine de combat utilisée dans l’Antiquité pour lancer de lourdes charges utiles sur les ennemis. La charge utile pouvait être lancée sur une grande distance et faire des dégâts considérables, soit en défonçant les murs, soit en frappant l’ennemi alors qu’il se trouvait à l’intérieur de sa forteresse.
Parmi les différents types de catapultes, le trébuchet était le plus précis et parmi les plus efficaces en termes de transfert de l’énergie stockée au projectile. En outre, il permettait une plus grande régularité dans les lancers grâce au fait que la même quantité d’énergie pouvait être délivrée à chaque fois, par le biais d’un contrepoids surélevé.
Un trébuchet fonctionne en utilisant l’énergie d’un contrepoids qui tombe (et qui est articulé) pour lancer un projectile (la charge utile), en utilisant l’avantage mécanique pour atteindre une vitesse de lancement élevée. Pour une vitesse de lancement maximale, le contrepoids doit être beaucoup plus lourd que la charge utile, car cela signifie qu’il va » tomber » rapidement.
La physique derrière un trébuchet est assez complexe. Une explication détaillée en est donnée sur la page sur la physique du trébuchet.
Dans certaines conceptions, un parachute de guidage est utilisé pour guider la fronde et soutenir la charge utile jusqu’à ce que la vitesse soit suffisamment grande pour la maintenir dans la poche seule.
Le début du lancement est illustré dans la figure ci-dessous.
Comme vous pouvez le voir, le contrepoids pivote sur une distance beaucoup plus courte que l’extrémité de la charge utile. L’avantage de ceci est que l’extrémité charge utile de la poutre atteint une vitesse linéaire beaucoup plus élevée que l’extrémité contrepoids de la poutre. C’est le principe de l’avantage mécanique, et c’est ce qui permet à la charge utile d’atteindre une vitesse de lancement élevée. Cependant, comme le contrepoids pivote sur une distance beaucoup plus courte, son poids doit être beaucoup plus important que celui de la charge utile pour obtenir une vitesse de lancement élevée. Cependant, augmenter la masse du contrepoids au-delà d’un certain point n’aidera pas, puisque la vitesse limite du contrepoids qui tombe est la vitesse de chute libre.
L’élingue se relâche lorsqu’un certain angle α est atteint. À ce moment-là, l’anneau (qui est relié à l’élingue et s’enroule autour du doigt pour le soutenir) glisse et la charge utile est lancée. L’angle de libération α peut être ajusté en modifiant l’angle du doigt δ. Pour un plus grand δ, l’angle de libération α augmente. Pour un δ plus petit, l’angle de libération α diminue.
La figure ci-dessous illustre le trébuchet au point de libération.
Alors que la poutre tourne dans le sens des aiguilles d’une montre (en raison de la chute du contrepoids), la charge utile subit une accélération centripète qui la fait se déplacer vers l’extérieur (puisqu’elle n’est pas retenue). Il en résulte une forte augmentation de la vitesse linéaire de la charge utile qui dépasse de loin celle de l’extrémité de la poutre à laquelle l’élingue est attachée. C’est le cœur de la physique derrière un trébuchet et c’est la raison pour laquelle un trébuchet a une si grande puissance de lancement.
Pour une explication plus approfondie sur le fonctionnement d’un trébuchet, voir Physique du trébuchet. Dans cette page, les équations de base décrivant la physique d’un trébuchet seront introduites.
Pour vous aider à construire un trébuchet, vous pouvez utiliser ce simulateur pour vous aider à trouver la conception qui lance la charge utile le plus loin. Ceci est très utile pour vous aider à trouver la conception gagnante dans un concours de trébuchet !
Dans la section suivante, nous examinerons le mangonneau.
Physique des catapultes – Le mangonneau
Source : http://en.wikipedia.org/wiki/Catapult. Auteur : ChrisO
L’image ci-dessus de la mangonne est ce que les gens connaissent le plus quand ils pensent aux catapultes. Le mangonneau se compose d’un bras avec un seau en forme de bol attaché à l’extrémité. Une charge utile est placée dans ce seau. Au moment du déclenchement, le bras tourne à grande vitesse et projette la charge utile hors du seau, en direction de la cible. La vitesse de lancement de la charge utile est égale à la vitesse du bras à l’extrémité du seau. L’angle de lancement de la charge utile est contrôlé en arrêtant le bras à l’aide d’une barre transversale. Cette barre transversale est positionnée de manière à arrêter le bras à l’angle souhaité, ce qui a pour effet de lancer la charge utile hors du godet à l’angle de lancement souhaité. Cette barre transversale peut être rembourrée pour amortir l’impact.
Le mangonneau était plus adapté pour lancer des projectiles à des angles plus faibles par rapport à l’horizontale, ce qui était utile pour détruire des murs, par opposition au trébuchet qui était bien adapté pour lancer des projectiles par-dessus les murs.
Cependant, le mangonneau n’est pas aussi économe en énergie que le trébuchet pour la raison principale que le bras atteint une vitesse élevée pendant le lancement. Cela signifie qu’un grand pourcentage de l’énergie stockée sert à accélérer le bras, ce qui constitue un gaspillage d’énergie. Ce phénomène est toutefois inévitable, car la charge utile ne peut être lancée à grande vitesse que si le bras tourne à grande vitesse. Ainsi, la seule façon de gaspiller le moins d’énergie possible est de rendre le bras et le godet aussi légers que possible, tout en étant suffisamment solides pour résister aux forces subies lors du lancement.
La physique derrière un mangonneau consiste essentiellement à utiliser un mécanisme de stockage d’énergie pour faire tourner le bras. Contrairement à un trébuchet, ce mécanisme est plus direct. Il consiste en un dispositif de tension ou un dispositif de torsion qui est directement relié au bras.
La figure ci-dessous illustre un mangonneau dans lequel la source d’énergie est un cantilever plié, qui est une forme de dispositif de tension. Celui-ci peut être constitué d’un matériau flexible en forme d’arc, en bois par exemple.
Le point P sur la figure est l’axe de pivotement, fixé au châssis, autour duquel le bras tourne.
La figure ci-dessous montre la mangonne au point de lancement. Pour lancer la charge utile, la corde de retenue est libérée.
L’autre type de mécanisme de stockage d’énergie est un dispositif de torsion, qui peut consister en une corde torsadée. Cela permettait une plus grande puissance de jet que le dispositif de tension, dans les catapultes antiques. La figure ci-dessous illustre le dispositif de torsion.
La corde torsadée est communément appelée faisceau de torsion. Elle est constituée de plusieurs longueurs de corde avec le bras inséré entre elles. La corde est ensuite tordue manuellement de part et d’autre du bras à l’aide de leviers. Lorsqu’il est relâché, le faisceau de torsion fait tourner le bras à grande vitesse, ce qui permet de lancer la charge utile. La figure ci-dessous illustre la façon dont un faisceau de torsion est tordu.
La vidéo ci-dessous montre comment enrouler la corde sur une catapulte à torsion.
Le fait qu’une mangonne utilise un dispositif de stockage d’énergie constitué d’un matériau déformable, comme le bois ou la corde, signifie que sa distance de lancement ne sera pas aussi régulière qu’un trébuchet. En effet, ces matériaux (contrairement aux matériaux plus modernes) s’usent naturellement et perdent de leur élasticité au cours de leur utilisation. C’est quelque chose qui doit être constamment surveillé pendant une bataille, avec des matériaux de remplacement rendus facilement disponibles, si nécessaire.
Dans la section suivante, nous allons brièvement discuter de l’onager.
Physique de la catapulte – L’Onager
La catapulte onager est presque identique au trébuchet, mais au lieu d’un contrepoids tombant, elle utilise un faisceau de torsion pour faire tourner le bras (similaire au mangonneau, décrit précédemment). En raison de sa conception, il permettait une plus grande distance de lancement que le mangonneau (comparable à celle d’un trébuchet). Mais la distance de lancement n’était pas aussi constante que celle du trébuchet puisqu’il s’appuyait sur des matériaux déformables comme source d’énergie, qui s’usent et perdent naturellement leur élasticité au cours de leur utilisation.
En dernier lieu, nous nous intéresserons à la baliste.
Physique de la catapulte – La baliste
Source : http://en.wikipedia.org/wiki/Ballista. Auteur : Scigeek
La baliste est similaire dans son principe à une arbalète, mais beaucoup plus grande. Comme le mangonneau à torsion, elle utilise une corde torsadée comme source d’énergie. L’image ci-dessus montre le mécanisme de torsion constitué de corde torsadée, situé à l’emplacement du pivot des deux bras latéraux.
Dans la baliste, la corde de l’arc était treuillée en arrière et la tension réglée. Elle serait utilisée pour lancer des fléchettes, des boulons et des lances avec une force et une précision mortelles. Elle pourrait également être utilisée pour lancer des projectiles de pierre de différentes tailles.
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