Fizyka katapult to w zasadzie wykorzystanie zmagazynowanej energii do wyrzucenia pocisku (ładunku użytecznego), bez użycia materiału wybuchowego. Trzy podstawowe mechanizmy magazynowania energii to napięcie, skręcanie i grawitacja. Katapulta okazała się być bardzo skuteczną bronią w czasach starożytnych, zdolną do wyrządzania ogromnych szkód. Główne typy używanych katapult to trebusz, mangonel, onager i balista. Te typy katapult zostaną opisane, a także zostaną dołączone zdjęcia i ilustracje.
Fizyka katapult – Trebusz
Źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Trebuchet. Autor: ChrisO
Trebuszet to maszyna bojowa używana w czasach starożytnych do wyrzucania ciężkich ładunków na wrogów. Ładunek mógł być rzucony na dużą odległość i wyrządzić znaczne szkody, rozbijając ściany lub uderzając we wroga wewnątrz jego twierdzy.
Pośród różnych typów katapult, trebusz był najdokładniejszy i najbardziej wydajny pod względem przenoszenia zmagazynowanej energii na pocisk. Ponadto pozwalała na większą spójność rzutów dzięki temu, że ta sama ilość energii mogła być dostarczana za każdym razem, dzięki podniesionej przeciwwadze.
Trebusza działa poprzez wykorzystanie energii spadającej (i zamocowanej na zawiasach) przeciwwagi do wystrzelenia pocisku (ładunku użytecznego), wykorzystując przewagę mechaniczną do osiągnięcia dużej prędkości wystrzelenia. Aby uzyskać maksymalną prędkość wystrzelenia, przeciwwaga musi być znacznie cięższa niż ładunek, ponieważ oznacza to, że będzie szybko „spadać”.
Fizyka stojąca za trebuszem jest dość złożona. Szczegółowe wyjaśnienie znajduje się na stronie Fizyka trebusza.
W niektórych konstrukcjach używa się spadochronu prowadzącego, który prowadzi procę wzdłuż i podtrzymuje ładunek, dopóki prędkość nie jest wystarczająco duża, by utrzymać go w samej torbie.
Początek startu ilustruje poniższy rysunek.
Jak widać, przeciwwaga obraca się na znacznie mniejszą odległość niż koniec ładunku użytecznego. Zaletą tego jest, że koniec ładunku osiąga znacznie większą prędkość liniową niż koniec przeciwwagi. Jest to zasada przewagi mechanicznej i to właśnie ona pozwala ładunkowi osiągać wysoką prędkość startową. Ponieważ jednak przeciwwaga obraca się na znacznie mniejszej odległości, jej masa musi być znacznie większa niż masa ładunku użytecznego, aby uzyskać wysoką prędkość startową. Jednak zwiększenie masy przeciwwagi powyżej pewnego punktu nie pomoże, ponieważ prędkością graniczną spadającej przeciwwagi jest prędkość swobodnego spadania.
Zawiesie zwalnia się po osiągnięciu pewnego kąta α. W tym momencie pierścień (który jest połączony z zawiesiem i pętli wokół palca dla wsparcia) zsuwa się i ładunek jest uruchomiony. Kąt uwolnienia α może być regulowany poprzez zmianę kąta palca δ. Dla większego δ kąt uwolnienia α wzrasta. Dla mniejszego δ kąt zwolnienia α maleje.
Niniejszy rysunek ilustruje trebusz w punkcie zwolnienia.
Jak belka obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara (z powodu spadającej przeciwwagi), ładunek użyteczny doznaje przyspieszenia dośrodkowego, które powoduje jego ruch na zewnątrz (ponieważ jest nieutrwalony). Wynikiem tego jest duży wzrost prędkości liniowej ładunku, znacznie przekraczający prędkość końca belki do której przymocowane jest zawiesie. To jest właśnie sedno fizyki trebusza i powód, dla którego trebusz ma tak wielką siłę rażenia.
Bardziej dogłębne wyjaśnienie działania trebusza znajdziesz w dziale Fizyka trebusza. Na tej stronie zostaną wprowadzone podstawowe równania opisujące fizykę trebusza.
Aby pomóc Ci w budowie trebusza możesz użyć tego symulatora, aby pomóc Ci wymyślić projekt, który rzuca ładunek najdalej. Jest to bardzo przydatne, aby pomóc Ci wymyślić zwycięski projekt w konkursie trebuszów!
W następnym rozdziale przyjrzymy się mangonelowi.
Fizyka katapulty – mangonel
Źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Catapult. Autor: ChrisO
Powyższy obrazek mangonela jest tym, co ludzie najbardziej znają, gdy myślą o katapultach. Mangonel składa się z ramienia z wiadrem w kształcie miski przymocowanym do końca. W tym wiadrze umieszczany jest ładunek użyteczny. Po zwolnieniu, ramię obraca się z dużą prędkością i wyrzuca ładunek z kubła w kierunku celu. Prędkość wystrzelenia ładunku jest równa prędkości ramienia na końcu kubła. Kąt wystrzelenia ładunku jest kontrolowany poprzez zatrzymanie ramienia za pomocą poprzeczki. Poprzeczka ta jest ustawiona w taki sposób, aby zatrzymać ramię pod żądanym kątem, co powoduje wystrzelenie ładunku z kubła pod żądanym kątem. Ta poprzeczka może być wyściełana, aby zamortyzować uderzenie.
Mangonel był najlepszy do uruchamiania pocisków pod mniejszymi kątami do poziomu, co było przydatne do niszczenia ścian, w przeciwieństwie do trebusza, który był dobrze przystosowany do uruchamiania pocisków nad ścianami.
Jednakże mangonel nie jest tak wydajny energetycznie jak trebusz z tego głównego powodu, że ramię osiąga dużą prędkość podczas uruchamiania. Oznacza to, że duży procent zmagazynowanej energii idzie na przyspieszenie ramienia, co jest energią zmarnowaną. Jest to jednak nieuniknione, ponieważ ładunek może być wystrzelony z dużą prędkością tylko wtedy, gdy ramię obraca się z dużą prędkością. Jedynym sposobem na zmarnowanie jak najmniejszej ilości energii jest więc sprawienie, by ramię i wiadro były jak najlżejsze, a jednocześnie wystarczająco mocne, by oprzeć się siłom doświadczanym podczas startu.
Fizyka stojąca za magnetofonem polega na wykorzystaniu mechanizmu magazynowania energii do obracania ramienia. W przeciwieństwie do trebusza, mechanizm ten jest bardziej bezpośredni. Składa się on z urządzenia napinającego lub urządzenia skręcającego, które jest bezpośrednio połączone z ramieniem.
Niżej przedstawiony rysunek ilustruje magiel, w którym źródłem energii jest wygięty wspornik, który jest formą urządzenia napinającego. Może ono składać się z elastycznego materiału w kształcie łuku, wykonanego na przykład z drewna.
Punkt P na rysunku to oś obrotu, przymocowana do ramy, wokół której obraca się ramię.
Niżej przedstawiony rysunek pokazuje mangonel w punkcie startu. Aby wystrzelić ładunek, lina ograniczająca jest zwalniana.
Innym rodzajem mechanizmu magazynowania energii jest urządzenie skrętne, które może składać się ze skręconej liny. To pozwalało w starożytnych katapultach na większą siłę wyrzutu niż urządzenie napinające. Rysunek poniżej ilustruje urządzenie skrętne.
Skręcona lina jest powszechnie nazywana wiązką skrętną. Składa się ona z kilku odcinków liny z włożonym pomiędzy nie ramieniem. Lina jest następnie ręcznie skręcana po obu stronach ramienia za pomocą dźwigni. Po zwolnieniu, wiązka skrętna obraca ramię z dużą prędkością, wyrzucając ładunek na orbitę. Poniższy rysunek ilustruje, w jaki sposób skręcana jest wiązka skrętna.
Poniższy film pokazuje, jak owinąć linę na katapulcie skrętnej.
Fakt, że mangonel używa urządzenia magazynującego energię, które składa się z materiału deformującego, takiego jak drewno lub lina, oznacza, że jego odległość wyrzutu nie będzie tak spójna jak w przypadku trebusza. Dzieje się tak dlatego, że te materiały (w przeciwieństwie do bardziej nowoczesnych), naturalnie zużywają się i tracą elastyczność podczas użytkowania. Jest to coś, co musi być stale monitorowane podczas bitwy, z materiałami zamiennymi łatwo dostępne, jeśli to konieczne.
W następnej sekcji krótko omówimy onager.
Fizyka katapult – Onager
Katapulta onager jest prawie identyczna do trebusza, ale zamiast spadającej przeciwwagi, używa wiązki skrętnej do obracania ramienia (podobnie jak mangonel, opisany wcześniej). Ze względu na swoją konstrukcję, umożliwiała ona większą odległość wyrzutu niż mangonela (porównywalną z trebuszem). Jednak odległość rzutu nie była tak stała, jak w przypadku trebusza, ponieważ opierała się na odkształcalnych materiałach jako źródle energii, które w naturalny sposób zużywają się i tracą elastyczność podczas użytkowania.
Na koniec przyjrzymy się baliście.
Fizyka katapult – Ballista
Źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Ballista. Autor: Scigeek
Balista jest podobna w zasadzie do kuszy, ale znacznie większa. Podobnie jak mangonela o napędzie skrętnym, jako źródło energii wykorzystywała skręconą linę. Obrazek powyżej pokazuje mechanizm skręcania składający się ze skręconej liny, znajduje się w miejscu obrotu dwóch ramion bocznych.
W balista, łuk ciągnie się z powrotem i napięcie ustawić. Byłby on używany do wystrzeliwania rzutków, bełtów i włóczni z zabójczą siłą i dokładnością. Mogłaby być również używana do wystrzeliwania kamiennych pocisków o różnych rozmiarach.
Powróć do strony Fizyka bitwy
Powróć do strony głównej Problemy Fizyki Świata Rzeczywistego
reportuj to ogłoszenie