В катапульта является объектом восхищения для маленьких детей и других людей, которые, скажем, смотрят фильмы, изображающие войны средневековых времен, или посещают музей, где выставлено оружие столетней давности.
Катапульты бывают нескольких основных форм. Тот, с которым вы, возможно, наиболее знакомы, возможно, самый драматичный: он проходит по большой дуге, прежде чем направить ее содержимое к любой неудачной цели или целям, лежащим в пределах досягаемости.
Физика катапульты предлагает хорошее введение в мир движения снарядов, который имеет дело с ситуациями "свободного падения", то есть задачи, в которых единственная сила, действующая на движущуюся частицу, - это сила, возникающая в результате ускорения силы тяжести (обычно Земли).
Баллиста
Первые известные катапульты были построены примерно в 400 г. до н. Э. В Греции. Самая ранняя модель напоминала традиционный арбалет, в котором стрела выбрасывалась вперед (т. Е. Параллельно земле, если только механизм не был направлен вверх). На самом деле, традиционная рогатка, которую некоторые считают игрушкой, является своего рода катапультой.
Основной тип катапульты в виде арбалета, появившийся в этот период, назывался баллистой. Сила создавалась методичным скручиванием веревки, которая бросала копье на большие расстояния в противоборствующие армии, когда натянутые веревки были перерезаны. Недостатком этого устройства было то, что его можно было использовать только против врагов, которых пользователи могли видеть и в которых могли прицелиться.
Мангонель
Мангонельскую катапульту еще называли Онагром. Если кажется, что у римлян был ответ на все, что делали греки в древние времена, или, может быть, наоборот, мангонель представляет собой еще один пример.
Эта катапульта выглядит как переходный вид между баллистой и традиционной катапультой. Он использует кручение (напряжение вокруг оси) «хранится» в веревках, но они приводят в движение «бросающую» руку, когда режут, а не бросают содержимое, такое как камни или даже огонь, «поршневым» движением.
Имея большую дальность, чем у баллисты, мангонель был заведомо неточным. Однако было легче и легче перемещаться с места на место.
Требушет
Базовая конструкция требушета - это рычаг с короткой рукой, обращенной к врагу, а более длинной - деловой частью; ось разделяет их. К более короткому рычагу прилагается противовес, чтобы добавить силу в точке высвобождения снаряда из ремня.
Эта катапульта бывает двух видов. Первый, тяговый требушет, которым управляла группа солдат, надавливая на короткую руку перед освобождением. Другой, противовес требушет, работала за счет того, что солдаты сосредотачивали свои усилия в основном на опускании длинной руки, а не на освобождении.
Катапульта с физикой
Наука, лежащая в основе катапульты, легко объясняется с помощью уравнений движения снаряда. Ключевой момент, который следует помнить о любой проблеме движения снаряда, заключается в том, что после того, как снаряд выпущен, единственная сила, которой он подвергается, - это сила его собственного веса (возникающая в результате гравитации).
Когда снаряд выпущен, он имеет как горизонтальную, так и вертикальную составляющие движения. К счастью для физиков и студентов, их можно анализировать отдельно, поскольку гравитация не влияет на горизонтальное движение. Результат этого анализа дает уравнение для расстояния R, которое пройдет снаряд, если он выпущен с заданной начальной скоростью v.0 под заданным углом θ относительно земли:
R = \ frac {v_ {0} ^ 2sin 2 \ theta} {g}
Если вы поэкспериментируете с разными значениями угла запуска, вы обнаружите, что значение sin 2θ имеет наибольшее значение, 1, когда θ составляет 45 градусов. Таким образом, если вы хотите запустить снаряд как можно дальше, наведите его точно на полпути к точке прямо над головой и стреляйте в сторону!
- В разделе «Ресурсы» можно найти удобное руководство по созданию собственной небольшой катапульты.