汤姆·斯坦顿的超音速投石机仅靠重力就突破了音障

汤姆·斯坦顿多年来一直在追寻重力本身似乎禁止的数字。在英国某处安静的场地上，一个 40 公斤重的物体坠落了很短的距离，使碳纤维臂以每分钟 2,300 转的速度旋转，并以每小时 776 英里的速度将一枚 4 克的弹丸发射到空中。那是每小时九英里，超过了音速。纯重力驱动的投石机第一次越过了障碍物。视频 中世纪的工程师创造了这些机器，用于向城堡墙壁投掷巨大的石头。基本思想是举起一个大的重物，让它落下，然后使用杠杆和吊索将能量重新定向到更轻的射弹上。不幸的是，物理学阻碍了这一点。自由落体的重物加速度最大为 9.81 米/秒平方；从 2 米高处落下一颗，它会以每秒 6 米左右的速度撞击地面。无论你的重量有多重，速度都保持恒定，典型的手臂就像一辆自行车链条卡在一档的汽车，一开始扭矩很大，但到最后足以让它移动。斯坦顿设计了一种创造性的工程解决方案来解决速度问题。配重悬挂在比例为 3:1 的滑轮系统上，因为开始时的大直径会以足够的力推动臂，而当它逐渐下降时，较小直径的末端会提供显着的转速跃升。最后，滚筒经过重新设计，重量可提升至 1.9 米，系统中储存的能量比之前的版本更多。手臂必须既非常轻又非常坚固。碳纤维确实是唯一的选择，因为它的重量不足以压垮整个系统，同时又能够承受惩罚。斯坦顿使用他自制的数控铣床来雕刻这件作品，并通过 HEPA 真空吸尘器和良好的喷水控制灰尘。它的重量仅为116克。压力测试和大量有缺陷的 3D 打印原型表明，它会在吊带的压力下弯曲，因此他修改了设计以进行补偿，去除了受拉一侧的材料，加固了另一侧，并添加了一些额外的支撑以实现良好的测量。铝制轮毂将臂连接到短副臂，尽可能保持旋转钻头的平衡。射弹现在从轴附近开始，牢牢地包裹在吊带中，吊带在适当的时刻打开。整个系统采用机械释放方式，使用弹簧加载的锁扣，绳索旋转一定次数后打开。发布窗口只有几毫秒长，有足够的时间来完成任务。早期的迭代在压力下失败了，但最终的销环结构仍然有效。测试小心翼翼地增加了，他从 10 公斤的重量开始。改进后的空气动力臂达到了令人尊敬的 1248 rpm，并以 394 英里/小时的速度发射，效率高达 43.7%，令人难以置信。二十、三十公斤顺利通过。另一方面，40 公斤的重量使手臂速度达到 2336 转/分，导弹速度达到惊人的 716 英里/小时，仅比魔法屏障低 51 英里/小时。机器最终断裂，卡扣在 50 公斤的重量下碎裂。斯坦顿将弹丸重量减少到约4克，再次改变了弹鼓锥度，并以40公斤的设置返回测试区域。最终测试显然是最重要的，因为手臂旋转速度高达 2342 rpm。尖端速度达到惊人的 274 英里/小时。这段高速镜头确实令人大开眼界，导弹在 5.6 毫秒内飞行了 1.94 米。处理这些统计数据得出每秒 346.4 米，即 776 英里每小时。最重要的是，一声巨响，随后是令人愉悦的回声，向能听到的每个人确认了音爆。机器的任何一个方面都没有接近失败，至少我们是这么认为的。