Como funciona uma catapulta?

O catapulta é um objeto de fascínio para crianças pequenas e outras pessoas que, por exemplo, assistem a filmes que retratam a guerra durante a época medieval ou visitam um museu com armas de séculos atrás.

As catapultas vêm em várias formas básicas. Aquele com o qual você talvez esteja mais familiarizado é indiscutivelmente o mais dramático, varrendo um grande arco antes de despachar seu conteúdo em direção a qualquer alvo ou alvos infelizes que estejam abaixo da faixa.

A física da catapulta oferece uma boa introdução ao mundo do movimento do projétil, que lida com situações de "queda livre", ou seja, problemas em que a única força que afeta uma partícula em movimento é a resultante da aceleração devido à gravidade (geralmente Da Terra).

As primeiras catapultas conhecidas foram construídas por volta de 400 aC na Grécia. O modelo mais antigo se assemelhava a uma besta tradicional, na qual uma flecha é ejetada para a frente (ou seja, paralela ao solo, a menos que o mecanismo esteja inclinado para cima). Na verdade, um estilingue tradicional, embora talvez visto como um brinquedo para alguns, é uma espécie de catapulta desse tipo.

O principal tipo de catapulta em estilo de besta que surgiu durante este período foi chamado de balista. A força era gerada pela torção metódica da corda, que lançaria uma lança a grandes distâncias nos exércitos adversários quando as cordas esticadas fossem cortadas. Este dispositivo tinha a desvantagem de ser útil apenas contra inimigos que os usuários pudessem ver e mirar de perto.

A catapulta mangonel também era chamada de Onagro. Se parece que os romanos tinham uma resposta para tudo o que os gregos faziam na antiguidade, ou talvez o contrário, o mangonel representa mais um exemplo.

Esta catapulta parece uma espécie de transição entre a balista e a catapulta tradicional. Faz uso de torção (tensão em torno de um eixo) "armazenado" em cordas, mas estas conduzem um braço de "arremesso" ao cortar, em vez de arremessar conteúdos como pedras ou mesmo fogo em um movimento "semelhante a um pistão".

Apesar de ter um alcance maior do que o da balista, o mangonel era notoriamente impreciso. Era, no entanto, mais leve e fácil de se mover de um lugar para outro.

O projeto básico de um trabuco é uma alavanca, com um braço curto voltado para o inimigo e um braço mais longo sendo a parte comercial; um eixo separa os dois. Um contrapeso é aplicado ao braço mais curto para adicionar força no ponto em que o projétil é liberado de uma tipoia.

Essa catapulta vem em duas formas. O primeiro, um trabuco de tração, foi operado por um grupo de soldados empurrando o braço curto antes do lançamento. O outro, um trabuco de contrapeso, funcionou fazendo com que os soldados concentrassem seus esforços principalmente em puxar para baixo o braço longo antes da liberação.

A ciência por trás das catapultas é facilmente explicada usando as equações do movimento do projétil. A principal coisa a lembrar sobre qualquer problema de movimento do projétil é que, uma vez que o projétil tenha sido lançado, a única força a que é submetido é a do seu próprio peso (resultante da gravidade).

Quando um projétil é lançado, ele tem componentes horizontais e verticais de movimento. Felizmente para físicos e estudantes, eles podem ser analisados ​​separadamente, uma vez que a gravidade não afeta o movimento horizontal. O resultado desta análise produz uma equação para a distância R que um projétil irá percorrer se for lançado com uma dada velocidade inicial v₀ em um ângulo especificado θ em relação ao solo:

Se você experimentar diferentes valores para o ângulo de lançamento, descobrirá que o valor de sen 2θ tem seu maior valor, 1, quando θ é 45 graus. Portanto, se você quiser lançar um projétil o mais longe possível, aponte-o exatamente na metade do caminho para um ponto diretamente acima e atire!

• Consulte os Recursos para obter um guia prático para fazer sua própria catapulta em pequena escala.