Hur fungerar en katapult?

De katapult är ett fascinerande objekt för små barn och andra som säger filmer som visar krigföring under medeltiden eller besöker ett museum med vapen från århundraden sedan.

Katapulter finns i flera grundläggande former. Den som du kanske är mest bekant med är förmodligen den mest dramatiska, sveper genom en stor båge innan du skickar innehållet mot vilket olyckligt mål eller mål som helst.

Katapultfysik erbjuder en trevlig introduktion till en värld av projektilrörelser, som behandlar "fritt fall" -situationer, det vill säga problem där den enda kraften som påverkar en rörlig partikel är den som orsakas av accelerationen på grund av tyngdkraften (vanligtvis Jordens).

De första kända katapulterna byggdes någon gång omkring 400 f.Kr. i Grekland. Den allra tidigaste modellen liknade en traditionell armbåge, i vilken en pil matas ut framåt (dvs. parallellt med marken såvida inte mekanismen är vinklad uppåt). Faktum är att en traditionell slangbella, även om den kanske ses som en leksak för vissa, är en slags katapult av detta slag.

Den huvudsakliga typen av katapult i armbågsstil som uppstod under denna period kallades en ballista. Kraften genererades genom metodisk vridning av repet, vilket skulle slänga ett spjut stora avstånd mot motsatta arméer när de strama repen skars. Enheten hade nackdelen att den endast var användbar mot fiender som användarna kunde se och sikta på.

Mangonelkatapulten kallades också Onager. Om det verkar som om romarna hade svar på allt som grekerna gjorde i antiken, eller kanske tvärtom, representerar mangonelen ytterligare ett exempel.

Denna katapult ser ut som en övergångsart mellan ballista och den traditionella katapulten. Det använder torsion (spänning runt en axel) "lagrad" i rep, men dessa driver en "slungande" arm när de skärs snarare än att slänga innehåll som stenar eller till och med skjuta i en "kolvliknande" rörelse.

Medan man hade ett större intervall än ballista, var mangonelen notoriskt felaktig. Det var dock lättare och lättare att flytta från plats till plats.

Den grundläggande utformningen av en trebuchet är en hävstång, med en kort arm mot fienden och en längre arm är affärsdelen; en axel separerar de två. En motvikt appliceras på den kortare armen för att öka kraften vid den punkt projektilen släpps från ett lyftsele.

Denna katapult finns i två former. Den första, a dragkraft, opererades av en grupp soldater som pressade ner på den korta armen innan de släpptes. Den andra, a counterpoise trebuchetarbetade genom att låta soldaterna fokusera sina ansträngningar främst på att dra ner den långa armen istället innan de släpptes.

Vetenskapen bakom katapulter förklaras enkelt med hjälp av ekvationerna för projektilrörelse. Det viktigaste att komma ihåg om något projektilrörelseproblem är att när projektilen har släppts, är den enda kraften den utsätts för, den med sin egen vikt (som härrör från tyngdkraften).

När en projektil släpps har den både horisontella och vertikala rörelsekomponenter. Lyckligtvis för fysiker och studenter kan dessa analyseras separat, eftersom tyngdkraften inte påverkar horisontell rörelse. Resultatet av denna analys ger en ekvation för avståndet R en projektil kommer att färdas om den släpps med en given initialhastighet v₀ i en specificerad vinkel θ i förhållande till marken:

Om du experimenterar med olika värden för startvinkeln, upptäcker du att värdet på sin 2θ har sitt största värde, 1, när θ är 45 grader. Således, om du vill starta en projektil så långt som möjligt, peka den exakt halvvägs mot en punkt direkt ovanför och skjut iväg!

• Se resurserna för en praktisk guide för att skapa din egen småskaliga katapult.