Física Catapulta é basicamente o uso de energia armazenada para lançar um projéctil (a carga útil), sem o uso de um explosivo. Os três mecanismos de armazenamento de energia primária são a tensão, a torção e a gravidade. A catapulta provou ser uma arma muito eficaz durante os tempos antigos, capaz de infligir grandes danos. Os principais tipos de catapultas utilizadas foram a trebuchet, mangonel, onager, e ballista. Estes tipos de catapultas serão descritos, e serão incluídas imagens e ilustrações.
Catapult Physics – The Trebuchet
br>Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Trebuchet. Autor: ChrisO
Um trebuchet é uma máquina de batalha usada nos tempos antigos para atirar cargas pesadas aos inimigos. A carga útil podia ser atirada para longe e causar danos consideráveis, quer derrubando paredes ou atingindo o inimigo enquanto dentro da sua fortaleza.
Entre os vários tipos de catapultas, a trebuchet era a mais precisa e entre as mais eficientes em termos de transferência da energia armazenada para o projéctil. Além disso, permitia uma maior consistência nos lançamentos devido ao facto de que a mesma quantidade de energia podia ser entregue sempre, através de um contrapeso elevado.
Um trebuchet funciona utilizando a energia de um contrapeso em queda (e articulado) para lançar um projéctil (a carga útil), utilizando a vantagem mecânica para alcançar uma alta velocidade de lançamento. Para uma velocidade máxima de lançamento o contrapeso deve ser muito mais pesado do que a carga útil, uma vez que isto significa que “cairá” rapidamente.
A física por detrás de um trebuchet é bastante complexa. Uma explicação detalhada da mesma é dada na página sobre Trebuchet Physics.
Em alguns desenhos é utilizada uma calha guia para guiar a funda e suportar a carga útil até que a velocidade seja suficientemente grande para a manter apenas na bolsa.
O início do lançamento é ilustrado na figura abaixo.
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br> Como se pode ver, o contrapeso gira em torno de uma distância muito mais curta do que o final da carga útil. A vantagem disto é que a extremidade da carga útil da viga atinge uma velocidade linear muito mais elevada do que a extremidade do contrapeso da viga. Este é o princípio da vantagem mecânica, e é o que permite que a carga útil atinja uma velocidade de lançamento elevada. No entanto, como o contrapeso gira em torno de uma distância muito mais curta, o seu peso deve ser muito maior do que o peso da carga útil, para obter uma velocidade de lançamento elevada. No entanto, aumentar a massa do contrapeso para além de um determinado ponto não ajudará, uma vez que a velocidade limite da queda do contrapeso é a velocidade de queda livre.
A funda solta-se quando se atinge um determinado ângulo α. Neste ponto, o anel (que está ligado à funda e aos laços à volta do dedo para apoio) escorrega e a carga útil é lançada. O ângulo de lançamento α pode ser ajustado através da alteração do ângulo do dedo δ. Para um maior δ, o ângulo de libertação α aumenta. Para um δ mais pequeno o ângulo de libertação α diminui.
A figura abaixo ilustra o trebuchet no ponto de libertação.
Como o feixe gira no sentido dos ponteiros do relógio (devido à queda do contrapeso), a carga útil experimenta uma aceleração centrípeta que a faz mover-se para fora (uma vez que é desenfreada). Isto resulta num grande aumento da velocidade linear da carga útil que excede em muito a da extremidade do feixe ao qual a funda está ligada. Este é o coração da física por detrás de um trebuchet e é a razão pela qual um trebuchet tem um poder de lançamento tão grande.
Para uma explicação mais profunda sobre como funciona um trebuchet ver Trebuchet Physics. Nesta página serão introduzidas as equações básicas descrevendo a física de um trebuchet.
Para o ajudar a construir um trebuchet pode usar este simulador para o ajudar a chegar ao desenho que mais distante lança a carga útil. Isto é muito útil para o ajudar a chegar ao desenho vencedor de um concurso de trebuchet!
Na próxima secção veremos o mangonel.
Catapult Physics – The Mangonel
br>Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Catapult. Autor: ChrisO
A imagem acima do mangonel é aquilo com que as pessoas estão mais familiarizadas quando pensam em catapultas. O mangonel consiste num braço com um balde em forma de tigela preso à extremidade. Neste balde é colocada uma carga útil. Ao ser libertado, o braço roda a alta velocidade e lança a carga útil para fora do balde, em direcção ao alvo. A velocidade de lançamento da carga útil é igual à velocidade do braço na extremidade do balde. O ângulo de lançamento da carga útil é controlado parando o braço com uma barra transversal. Esta travessa é posicionada de modo a parar o braço no ângulo desejado, o que resulta no lançamento da carga útil para fora do balde no ângulo de lançamento desejado. Esta travessa pode ser almofadada para amortecer o impacto.
O mangonel era mais adequado para lançar projécteis em ângulos inferiores à horizontal, o que era útil para destruir paredes, ao contrário do trebuchet que era bem adequado para lançar projécteis sobre paredes.
No entanto, o mangonel não é tão eficiente em termos energéticos como o trebuchet pela razão principal de o braço atingir uma alta velocidade durante o lançamento. Isto significa que uma grande percentagem da energia armazenada vai para a aceleração do braço, que é energia desperdiçada. Contudo, isto é inevitável, uma vez que a carga útil só pode ser lançada a alta velocidade se o braço estiver a rodar a alta velocidade. Assim, a única forma de desperdiçar o mínimo de energia possível é tornar o braço e o balde tão leves quanto possível, ao mesmo tempo que ainda são suficientemente fortes para resistir às forças experimentadas durante o lançamento.
A física por detrás de um mangonel é basicamente a utilização de um mecanismo de armazenamento de energia para rodar o braço. Ao contrário de um trebuchet, este mecanismo é mais directo. Consiste num dispositivo de tensão ou num dispositivo de torção que está directamente ligado ao braço.
A figura abaixo ilustra um mangonel em que a fonte de energia é um cantilever dobrado, que é uma forma de dispositivo de tensão. Este pode consistir num material flexível em forma de arco, feito de madeira por exemplo.
O ponto P na figura é o eixo pivô, ligado à estrutura, sobre o qual o braço gira.
br>A figura abaixo mostra o manganel no ponto de lançamento. Para lançar a carga útil a corda de retenção é libertada.
br> O outro tipo de mecanismo de armazenamento de energia é um dispositivo de torção, que pode consistir em corda torcida. Isto permitiu um maior poder de lançamento do que o dispositivo de tensão, em catapultas antigas. A figura abaixo ilustra o dispositivo de torção.
br> A corda torcida é geralmente referida como um feixe de torção. Consiste em vários comprimentos de corda com o braço inserido entre eles. A corda é depois torcida manualmente de ambos os lados do braço usando alavancas. Ao soltar-se, o feixe de torção roda o braço a alta velocidade, lançando a carga útil. A figura abaixo ilustra como um feixe de torção é torcido.
br> O vídeo abaixo mostra como enrolar a corda numa catapulta de torção.
O facto de um mangonel utilizar um dispositivo de armazenamento de energia que consiste num material deformador, como madeira ou corda, significa que a sua distância de lançamento não será tão consistente como um trebuchet. Isto porque estes materiais (ao contrário dos materiais mais modernos), desgastam-se naturalmente e perdem elasticidade durante a sua utilização. Isto é algo que precisa de ser constantemente monitorizado durante uma batalha, com materiais de substituição prontamente disponíveis, se necessário.
Na secção seguinte discutiremos brevemente o onager.
Catapult Physics – The Onager
A catapulta onager é quase idêntica ao trebuchet, mas em vez de um contrapeso em queda, usa um feixe de torção para rodar o braço (semelhante ao mangonel, descrito anteriormente). Devido ao seu desenho, permitiu uma maior distância de lançamento do que o mangonel (comparável ao de um trebuchet). Mas a distância de lançamento não era tão consistente como a de um trebuchet, uma vez que dependia de materiais deformáveis como fonte de energia, que naturalmente se desgastam e perdem elasticidade durante a sua utilização.
Pouco, olharemos para a balista.
Física catapulta – The Ballista
br>Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Ballista. Autor: Scigeek
A balista é semelhante em princípio a uma besta, mas muito maior. Tal como o manganel movido a torção, usava corda torcida como fonte de energia. A figura acima mostra o mecanismo de torção que consiste em corda torcida, localizada no ponto pivot dos dois braços laterais.
Na balista, a corda de arco seria guinada de volta e a tensão fixada. Seria utilizada para lançar dardos, parafusos e lanças com força mortal e precisão. Também poderia ser utilizado para lançar projécteis de pedra de vários tamanhos.
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