Wie funktioniert ein Katapult?

Das Katapult ist ein Objekt der Faszination für kleine Kinder und andere, die zum Beispiel Filme über die Kriegsführung im Mittelalter sehen oder ein Museum mit Waffen aus Jahrhunderten besuchen.

Katapulte gibt es in mehreren Grundformen. Diejenige, mit der Sie vielleicht am vertrautesten sind, ist wohl die dramatischste, die einen großen Bogen durchläuft, bevor sie ihren Inhalt auf das oder die unglücklichen Ziele in der Nähe verteilt.

Die Katapultphysik bietet eine schöne Einführung in die Welt der Projektilbewegung, die sich mit "freien Fall"-Situationen befasst, d.h. Probleme, bei denen die einzige Kraft, die auf ein sich bewegendes Teilchen einwirkt, diejenige ist, die aus der Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft resultiert (normalerweise Erde).

Die ersten bekannten Katapulte wurden irgendwann um 400 v. Chr. In Griechenland gebaut. Das allererste Modell ähnelte einer traditionellen Armbrust, bei der ein Pfeil nach vorne ausgeworfen wird (d. h. parallel zum Boden, es sei denn, der Mechanismus ist nach oben abgewinkelt). Tatsächlich ist eine traditionelle Schleuder, die für manche vielleicht als Spielzeug angesehen wird, eine Art Katapult dieser Art.

Der Haupttyp von Katapulten im Armbruststil, die in dieser Zeit auftauchten, wurde Ballista genannt. Die Kraft wurde durch das systematische Verdrehen von Seilen erzeugt, die beim Durchtrennen der gespannten Seile einen Speer über große Entfernungen auf gegnerische Armeen schleudern würden. Dieses Gerät hatte den Nachteil, dass es nur gegen Feinde nützlich war, die der Benutzer sehen und genau anvisieren konnte.

Das Mangonelkatapult wurde auch Onager genannt. Wenn es scheint, als hätten die Römer eine Antwort auf alles, was die Griechen in der Antike getan haben, oder vielleicht umgekehrt, ist die Mangonel ein weiteres Beispiel.

Dieses Katapult sieht aus wie eine Übergangsart zwischen der Ballista und dem traditionellen Katapult. Es nutzt Drehung (Spannung um eine Achse) in Seilen "gespeichert", aber diese treiben beim Schneiden einen "schleudernden" Arm an, anstatt Inhalte wie Steine ​​​​oder sogar Feuer in einer "kolbenartigen" Bewegung zu schleudern.

Die Mangonel hatte zwar eine größere Reichweite als die Ballista, war aber notorisch ungenau. Es war jedoch leichter und einfacher, sich von Ort zu Ort zu bewegen.

Das Grunddesign eines Trebuchets ist ein Hebel, bei dem ein kurzer Arm dem Feind zugewandt ist und ein längerer Arm der Geschäftsteil ist; eine Achse trennt die beiden. Am kürzeren Arm wird ein Gegengewicht angebracht, um die Kraft an dem Punkt zu erhöhen, an dem das Projektil aus einer Schlinge gelöst wird.

Dieses Katapult gibt es in zwei Formen. Der erste, a Traktion trebuchet, wurde von einer Gruppe von Soldaten bedient, die vor der Freilassung auf den kurzen Arm drückten. Der andere, a Gegengewicht trebuchet, arbeitete, indem die Soldaten ihre Bemühungen hauptsächlich darauf konzentrierten, den langen Arm herunterzuziehen, anstatt sie vor der Freilassung zu lösen.

Die Wissenschaft hinter Katapulten lässt sich leicht mit den Gleichungen der Projektilbewegung erklären. Das Wichtigste bei jedem Projektilbewegungsproblem ist, dass das Projektil, sobald es losgelassen wurde, die einzige Kraft, der es ausgesetzt ist, die seines Eigengewichts (aufgrund der Schwerkraft) ist.

Wenn ein Projektil abgefeuert wird, hat es sowohl horizontale als auch vertikale Bewegungskomponenten. Zum Glück für Physiker und Studenten können diese getrennt analysiert werden, da die Schwerkraft die horizontale Bewegung nicht beeinflusst. Das Ergebnis dieser Analyse ergibt eine Gleichung für die Entfernung R, die ein Projektil zurücklegt, wenn es mit einer gegebenen Anfangsgeschwindigkeit v. abgefeuert wird₀ in einem bestimmten Winkel θ zum Boden:

Wenn Sie mit verschiedenen Werten für den Startwinkel experimentieren, stellen Sie fest, dass der Wert von sin 2θ den größten Wert 1 hat, wenn θ 45 Grad beträgt. Wenn Sie also ein Projektil so weit wie möglich abfeuern möchten, richten Sie es genau auf die Hälfte auf einen Punkt direkt über Ihnen und feuern Sie ab!

• In den Ressourcen finden Sie eine praktische Anleitung zum Bau Ihres eigenen kleinen Katapults.