¿Cómo funciona una catapulta?

La catapulta es un objeto de fascinación para los niños pequeños y otras personas que, por ejemplo, ven películas que representan la guerra durante la época medieval o visitan un museo con armas de hace siglos.

Las catapultas vienen en varias formas básicas. El que quizás esté más familiarizado es posiblemente el más dramático, que recorre un gran arco antes de enviar su contenido hacia cualquier objetivo u objetivos desafortunados que se encuentren en el rango.

La física de catapulta ofrece una buena introducción al mundo del movimiento de proyectiles, que se ocupa de situaciones de "caída libre", es decir, Problemas en los que la única fuerza que afecta a una partícula en movimiento es la resultante de la aceleración debida a la gravedad (generalmente De la Tierra).

Las primeras catapultas conocidas se construyeron alrededor del 400 a. C. en Grecia. El modelo más antiguo se parecía a una ballesta tradicional, en la que se expulsa una flecha hacia adelante (es decir, paralela al suelo a menos que el mecanismo esté inclinado hacia arriba). De hecho, un tirachinas tradicional, aunque tal vez algunos lo vean como un juguete, es una especie de catapulta de este tipo.

El tipo principal de catapulta estilo ballesta que surgió durante este período se llamó balista. La fuerza fue generada por la torsión metódica de la cuerda, que arrojaría una lanza a grandes distancias a los ejércitos enemigos cuando se cortaron las cuerdas tensas. Este dispositivo tenía la desventaja de ser útil solo contra enemigos que los usuarios pudieran ver y apuntar de cerca.

La catapulta mangonel también se llamaba Onager. Si parece que los romanos tenían una respuesta a todo lo que hicieron los griegos en la antigüedad, o tal vez al revés, el mangonel representa un ejemplo más.

Esta catapulta parece una especie de transición entre la ballesta y la catapulta tradicional. Hace uso de torsión (tensión alrededor de un eje) "almacenados" en cuerdas, pero estos impulsan un brazo "arrojadizo" cuando se cortan en lugar de arrojar contenidos como rocas o incluso disparar con un movimiento "parecido a un pistón".

Aunque tenía un alcance mayor que la balista, el mangonel era notoriamente inexacto. Sin embargo, era más ligero y más fácil moverse de un lugar a otro.

El diseño básico de un trabuquete es una palanca, con un brazo corto frente al enemigo y un brazo más largo siendo la parte comercial; un eje separa a los dos. Se aplica un contrapeso al brazo más corto para agregar fuerza en el punto en el que el proyectil se libera de un cabestrillo.

Esta catapulta se presenta en dos formas. El primero, un trabuquete de tracción, fue operado por un grupo de soldados empujando hacia abajo el brazo corto antes de soltarlo. El otro, un contrapeso trebuchet, funcionó haciendo que los soldados concentraran sus esfuerzos principalmente en bajar el brazo largo antes de soltarlo.

La ciencia detrás de las catapultas se explica fácilmente usando las ecuaciones del movimiento de proyectiles. La clave para recordar sobre cualquier problema de movimiento de proyectiles es que una vez que el proyectil ha sido lanzado, la única fuerza a la que está sujeto es la de su propio peso (resultante de la gravedad).

Cuando se lanza un proyectil, tiene componentes de movimiento tanto horizontal como vertical. Por suerte para los físicos y los estudiantes, estos se pueden analizar por separado, ya que la gravedad no afecta el movimiento horizontal. El resultado de este análisis produce una ecuación para la distancia R que viajará un proyectil si se lanza con una velocidad inicial dada v₀ en un ángulo especificado θ con respecto al suelo:

Si experimentas con diferentes valores para el ángulo de lanzamiento, encuentras que el valor de sen 2θ tiene su mayor valor, 1, cuando θ es 45 grados. Por lo tanto, si desea lanzar un proyectil lo más lejos posible, apúntelo exactamente a la mitad de un punto directamente sobre su cabeza y dispare.

• Consulte los Recursos para obtener una guía práctica para hacer su propia catapulta a pequeña escala.