Katapulten

Ordet syftar generellt på en maskin som användes under antiken och medeltiden som belägringsvapen. Den fanns i olika varianter men i huvudsak bestod katapulten av en grov träställning med en hävarm som på olika sätt kunde slunga i väg stora föremål i önskad riktning.

Katapulten har haft stor betydelse i olika krig då den har används till att slunga iväg jättelika stenar eller andra projektiler mot fiendetrupper eller fästningar. Katapultens historia har sin start redan i antiken, då den uppfanns av Grekerna. Antikens Greker, Romer och Kineser var de första konstruktörerna av katapulten och redan då fanns det katapulter som kunde slunga i väg 100 kg tunga projektiler över en halv kilometer långt.

Den första katapulten hade formen av ett stort armborst som slungade iväg spjut med en god pricksäkerhet. Dessa ersattes sedan av katapulter som slungade iväg jättelika stenar eftersom tillverkningen av spjuten var svår och ineffektiv medan stenblock fanns överallt. Sedan dess har katapulten utvecklats och visat sig vara en av de mest effektiva maskinerna i krig.

Katapulten nådde Centraleuropa under medeltiden och infördes till England, liksom många andra vapen, vid belägringen av Dover. Louis XIV av Frankrike använde katapulten mot Dovers mur och soldater. Därefter användes katapulter ofta i Europa – främst av Frankrike, i krigssammanhang.

- Catapults < http://www.middle-ages.org.uk/catapults.htm > [2012-09-10]

- EzineArticles<http://ezinearticles.com/?Catapults---Facts-You-May-Not-Know&id=5900429> [2012-09-10]

- Absolute Astronomy <http://www.absoluteastronomy.com/topics/Catapult> [2012-09-16]
 

Katapulter idag

Sista gången katapulten användes i stridssammanhang var under första väldskriget då den användes till att slunga handgranater över ingenmansland till fiendens skyttegravar. Dessa ersattes dock sedan av ett annat skjutvapen som liknade kanonen.

Idag finns det en variant som kallas ”flygplans katapulter”. Den är till för att starta flygplan när startbanan är för kort, omöjlig att utöka eller om ett flygplan behöver starta från ett fartyg. Dessa katapulter kastar iväg flygplanen innan dess egna motor tar över.

- Absolute Astronomy <http://www.absoluteastronomy.com/topics/Catapult> [2012-09-16]

- Bild: Wikipedia < http://en.wikipedia.org/wiki/Aircraft_catapult > [2012-09-16]

Drivkrafter bakom uppfinningen

I alla tider har människor hamnat i konflikter med varandra. Orsakerna kan ha varit religiösa, makt- eller hämndrelaterade m.m. och i många fall har konflikterna lett till krig mellan olika människogrupper. För att t.ex. få fördel gentemot en fiende eller lägga fienden i underläge har människorna i alla tider utvecklat olika sorters vapen, från de mest primitiva spjut till atombomber. Spjut och pilar kan oskadliggöra levande individer men när människan började bygga murar och fästningar runt sig som skydd behövdes andra vapen för att krossa skyddet och fienden. Då utvecklades katapulter som mycket effektivt kunde förstöra murar och byggnader genom att slunga jättelika stenblock mot dem. Anledningen till att de fortsatte att utvecklas var för att förbättra katapulten räckvidd och förstärka dess kraft för att så effektivt som möjligt kunna övervinna fiender.

 

Principer för Katapultens funktion och kapacitet

Katapulter fanns i olika former och varianter med olika principer. En katapult bygger på både fysikaliska och tekniska principer. Den praktiska konstruktionen är byggd så att den kan utnyttja vissa fysikaliska principer på bäst möjligt sätt i anpassning till katapultens ändamål. Hävstångsprincipen är ett exempel på en av de fysikaliska principer som utnyttjas av katapulten. Andra principer som påverkar en katapults funktion och kapacitet är materialet den är byggd av, konstruktionens utseende, storlek och stabilitet, kastarmens längd och kastarmen och projektilens storlek, form och tyngd i förhållande till hur stor kraft som tvingar upp kastarmen.

 

Hävstångsprincipen

Hävstångsprincipen följer mekanikens gyllene regel: det du vinner i kraft, förlorar du i väg. Hävstången består av en stång som kan vrida sig runt en fast punkt dvs. vridningspunkten. Katapultens hävstång är kastarmen och vridningspunkten är där kastarmen sitter fast i träställningen. Ju längre hävarmen är desto större kraft vinner du. Men du förlorar i väg eftersom hela konstruktionen då måste öka i storlek.  Det finns 3 sorters hävstänger: typ 1 har vridningspunkten mellan kraften och lasten, typ 2 har lasten mellan vridningspunkten och kraften och hos typ 3 verkar kraften mellan vridningspunkten och lasten. Olika katapulter har olika typer av hävstångsprincipen.

 

Material och stabilitet

Materialet och stabiliteten påverkar också en katapults funktion och kapacitet. Den måste bestå av ett material som uthärdar kraften från hävstången och delarna måste vara tillräckligt tjocka för att inte brytas sönder av kraften.

 

Konstruktionen

En katapults funktion och kapacitet ser olika ut beroende på hur konstruktionen ser ut. Ett exempel på en konstruktion är en trebuchét som utnyttjar gravitationen, då den låter en sten fäst på kastarmen falla till marken och på så sätt trycka upp kastarmens andra ände så att projektilen slungas iväg. Vikten måste då vara tillräckligt stor för att med stor hastighet kunna skjuta upp kastarmen och projektilen.

En annan teknik är att fästa ett någorlunda elastiskt rep på ställningen i höjd med kastarmens övre del. Repet rundar även kastarmen och när den trycks ner spänns repet och tvingar upp kastarmen för att återgå till sitt viloläge. Denna metod är inte så ideal vid för tunga projektiler då det inte är möjligt att framställa ett tillräckligt elastiskt rep.

En ballist använder tekniken hos en pilbåge. Spjutets ände trycks mot ett elastiskt rep som spänns och när man släpper det far spjutet i väg. Denna teknik fungerar dock bara på spjut och pilar.

-          Lafferty, peter (1992) Kraft och Rörelse s.16-17

 

Planering

Jag och Hanna planerade vårt arbete genom att läsa fakta om katapulten på wikipedia och nationalencyklopedin. Vi hittade även massor av inspiration i googles bildarkiv och på youtube så idéerna till en egen katapult började ta form.
Först behövde vi en form av kraft som skulle tvinga hävarmen uppåt. Vi planerade att snurra en gummisnodd mellan två glasspinnar på plankans två långsidor och placera hävarmen i den. På så sätt skulle hävarmen tvingas uppåt eftersom den snurrade gummisnodden ville återgå till sitt viloläge.

Sedan behövdes något som skulle hindra hävarmen från att fara uppåt och som kunde släppa lös hävarmen på vårt kommando. Klädnypan som kunde limmas fast vid kortsidan var en bra lösning. Vi funderade också på om man kunde byta ut den mot någon bom istället som skulle dras bort med en liten tråd.

Ställningen skulle bestå av två sneda blompinnar på varje långsida som borrades fast i plankan för extra stabilitet. Dessa skulle limmas ihop längst upp och bära en annan blompinne mellan sig som hävarmen skulle braka in i.

[skiss nr 1]

Genomförande

Jag byggde katapulten ensam för att Hanna var frånvarande på grund av sjukdom. 

Jag började med att lägga allt material framför mig och jämföra dem storleksmässigt. Jämförelsen ledde till att jag var tvungen att tänka om lite när det gällde min konstruktion eftersom jag tagit fel på storleken av glasspinnarna. Jag gjorde en ny skiss och bytte jag till mig lite nytt material.

[skiss nr 2]

Jag började med att såga blompinnarna i 4 lika långa delar som tillsammans med plankan skulle bilda en stabil grund till konstruktionen. Jag borrade 4 sneda hål i plankan och placerade blompinnarna i dem så att två pinnar korsade varandra på varje långsida. Där de korsades limmades de ihop. Nu hade jag en mycket stabil grund för min katapult. [1]

På varje långsida limmade jag fast 4 st glasspinnar utanpå blompinnarna varav de två första var borrade itu lite till höger om mitten. Där skulle gummisnodden placeras. Jag placerade även en 10 cm lång blompinne ovanpå glasspinnarna som skulle spänna gummisnodden ytterligare när man drog ner kastarmen. [2]

 På varje sida om hålen i glasspinnarna placerades två mycket korta blompinnar som skulle hindra gummisnodden från att återgå till sitt viloläge. På gummisnodden placerades ytterligare en mycket kort blompinne på varje sida som hölls på plats av blompinnarna på glasspinnen.

Nu kunde man själv reglera hur mycket gummisnodden skulle spännas.

Ovanpå de korsade blompinnarna placerades även en 10cm lång bompinne som skulle stoppa hävarmen halvvägs och därmed släppa iväg projektilen i form av en ärta. [3]

Hävstången placerades i gummisnodden. Gummisnodden snurrades och fästes på båda sidor.[4] Klädnypan limmades fast på kortsidan och katapulten var klar! [5]

 

 

Min katapult

Min katapult är en hävstång av typ 3, där kraften vekar mellan vridningspunkten och lasten. Gummisnodden är både vridningspunkten och kraften och ärtan är lasten. Kraften utgör gummisnodden genom att den deformeras från sitt viloläge och därmed upplagrar energi som omvandlas till rörelseenergi och tvingar hävarmen uppåt. I hävarmen finns då centripetalkraft som försökter hålla ärtan kvar i den cirkelformade rörelsebanan som gummisnodden utgör. Ärtan utsätts då för centrifugalkraft vilket innebär att den försökter röra sig i en rät linje, inte runt i en cirkel. När hävstången stoppas av bommen forsätter ärtan fara iväg efter en rätt linje och faller sedan i en båge ner till marken eftersom det även påverkas av gravitationskraften som är mycket starkare än centrifugalkraften.

Klädnypan är till för att utlösa denna effekt på mitt kommando och konstruktionen på båda sidor om gummisnodden är till för att reglera hur spänd den ska vara.

 

-          Lafferty, peter (1992) Kraft och Rörelse s.16-17, 52-53

Felkällor och vidareutveckling

Resultatet blev ungefär som jag hade tänkt mig. Tekniken med den snurrade gummisnodden var inte så ideal i förhållande till konstruktionens storlek. Användningen av denna teknik medförde att man inte lyckades utnyttja gummisnoddens kraft fullt ut i det här sammanhanget. För mycket små katapulter är den bästa tekniken att spänna gummisnodden som en slangbella. Min teknik fungerar säkert utmärkt på mycket större katapulter eftersom det inte finns tillräckligt stora och elastiska gummisnoddar för slangbella-tekniken det fallet. Detta insåg jag eftersom alla andra som använde denna teknik i klassen fick de sämsta resultaten i tävlingen. De med slangbella-tekniken fick de bästa resultaten. Jag ser det inte som negativt att min katapult sköt dåligt utan som mycket lärorikt och intressant. Jag har lärt mig att fundera över vilken teknik som fungerar bäst i sammanhanget inte i allmänhet.

 

För att öka min katapults funktion och kapasitet skulle jag kunna spänna ytterligare en gummisnodd som en slangbella runt kastamen och på så sätt vinna mer i kraft. För att ärtan skulle flyga så långt som möjligt skulle jag kunna fästa ett rep längst upp på kastarmen och på så sätt förlänga den ytterligare. Den skulle sedan med en slungande rörelse kasta iväg ärtan.

 

 

 

RSS 2.0