Det katapult er et fascinerende objekt for små børn og andre, der f.eks. ser film, der skildrer krigsførelse i middelalderen eller besøger et museum med våben fra århundreder siden.
Katapulter findes i flere grundlæggende former. Den, som du måske er mest fortrolig med, er uden tvivl den mest dramatiske, og fejer gennem en stor bue, inden du sender dens indhold hen imod det uheldige mål eller mål, der ligger nedad.
Katapultfysik tilbyder en flot introduktion til en verden af projektilbevægelse, der beskæftiger sig med "frit fald" -situationer, dvs. problemer, hvor den eneste kraft, der påvirker en bevægelig partikel, er den, der skyldes accelerationen på grund af tyngdekraften (normalt Jordens).
Ballista
De første kendte katapulter blev bygget engang omkring 400 fvt i Grækenland. Den allerførste model lignede en traditionel armbrøst, hvor en pil skubbes fremad (dvs. parallelt med jorden, medmindre mekanismen er vinklet opad). Faktisk er en traditionel slangebøsse, selvom den måske ses som et legetøj for nogle, en slags katapult af denne slags.
Den vigtigste type katapult i armbrøstil, der opstod i løbet af denne periode, blev kaldt en ballista. Kraften blev genereret af den metodiske vridning af reb, som ville kaste et spyd store afstande mod modsatte hære, når de stramme reb blev skåret. Denne enhed havde den ulempe, at den kun var nyttig mod fjender, som brugerne kunne se og sigte tæt på.
Mangonellen
Mangonel katapulten blev også kaldt Onager. Hvis det ser ud til, at romerne havde et svar på alt, hvad grækerne gjorde i oldtiden, eller måske omvendt, repræsenterer mangonelen endnu et eksempel.
Denne katapult ligner en overgangsart mellem ballista og den traditionelle katapult. Det gør brug af torsion (spænding omkring en akse) "lagret" i reb, men disse kører en "flingende" arm, når de skæres i stedet for at kaste indhold som klipper eller endda skyde i en "stempellignende" bevægelse.
Mens mangonellen var større end ballistaen, var den notorisk unøjagtig. Det var dog lettere og lettere at flytte fra sted til sted.
Trebuchet
Det grundlæggende design af et trebuchet er en løftestang, hvor en kort arm vender mod fjenden og en længere arm er forretningsdelen; en aksel adskiller de to. En modvægt påføres den kortere arm for at tilføre kraft på det punkt, hvor projektilet frigøres fra et sejl.
Denne katapult findes i to former. Den første, a trækkraft trebuchet, blev betjent af en gruppe soldater, der skubbede ned på den korte arm inden løsladelse. Den anden, en counterpoise trebuchet, arbejdede ved at lade soldaterne koncentrere deres bestræbelser hovedsageligt på at trække den lange arm ned i stedet inden løsladelse.
Katapultfysik
Videnskaben bag katapulter forklares let ved hjælp af ligningerne af projektilbevægelse. Den vigtigste ting at huske på ethvert projektilbevægelsesproblem er, at når projektilet er frigivet, er den eneste kraft, det udsættes for, at det er dets egen vægt (som følge af tyngdekraften).
Når et projektil frigøres, har det både vandrette og lodrette bevægelseskomponenter. Heldigvis for fysikere og studerende kan disse analyseres separat, da tyngdekraften ikke påvirker vandret bevægelse. Resultatet af denne analyse frembringer en ligning for afstanden R, som et projektil vil bevæge sig, hvis det frigives med en given starthastighed v0 i en specificeret vinkel θ i forhold til jorden:
R = \ frac {v_ {0} ^ 2sin 2 \ theta} {g}
Hvis du eksperimenterer med forskellige værdier for startvinklen, finder du ud af, at værdien af sin 2θ har sin største værdi, 1, når θ er 45 grader. Så hvis du vil starte et projektil så langt som muligt, skal du pege det nøjagtigt halvvejs mod et punkt direkte over hovedet og skyde væk!
- Se ressourcerne for en praktisk guide til at lave din egen katastrofe i mindre skala.