Tom Stanton 的超音速投石机仅凭重力突破音障

# 坠落的配重刚刚突破音障——汤姆·斯坦顿的超音速投石机 来源：https://www.techeblog.com/tom-stanton-supersonic-trebuchet/ Tom Stanton Supersonic Trebuchet [汤姆·斯坦顿](https://www.techeblog.com/tom-stanton-electric-wind-up-plane-hand-cranked/)多年来一直在追逐一个数字，一个连重力本身都似乎禁止的数字。在英国某处安静的田野上，一个40公斤的重物下落了一小段距离，带动碳纤维臂旋转超过每分钟2300转，将一个4克的抛射物以每小时776英里的速度送上天空。这比音速还快每小时9英里。这是纯重力驱动的投石机首次突破这一壁垒。 中世纪的工程师发明这些机器是为了向城墙投掷巨石。基本原理是吊起一个巨大的重物，让它下落，然后利用杠杆和投石索将能量转移到轻得多的抛射物上。不幸的是，物理定律从中作梗。自由落体的重物最大加速度为9.81米/秒²；从2米高处释放，它砸向地面的速度约为6米/秒。无论你把重物做得多重，速度始终保持不变。典型的投石机臂就像一辆卡在1挡的自行车链条汽车，一开始扭矩很大，但到末端只够勉强驱动。 Tom Stanton Supersonic Trebuchet 斯坦顿设计了一个巧妙的工程解决方案来应对速度问题。配重通过一个3:1的滑轮系统悬挂，起始时大直径端以强大的力量推动机臂，而当绳索逐渐绕紧，小直径端则带来转动速度的显著跃升。最后，鼓轮被重新设计，使重物能够被提升到1.9米的高度，从而在系统中储存比之前迭代更多的能量。 Tom Stanton Supersonic Trebuchet 投石机臂必须既极其轻巧又超级刚硬。碳纤维确实是唯一的选择，因为它不会重到拖累整个系统，同时又能承受严酷的使用。斯坦顿用自制CNC铣床雕刻出这个部件，并用HEPA吸尘器加足量喷水来控制粉尘。它仅重116克。应力测试和许多有缺陷的3D打印原型表明，它会在投石索的压力下弯折，因此他修改了设计以补偿，从受拉侧移除材料，强化另一侧，并额外添加了一些支撑。铝制轮毂将机臂连接到一根短的反向臂上，使旋转部分尽可能保持平衡。 Tom Stanton Supersonic Trebuchet 抛射物现在从靠近轴的位置出发，被牢牢包裹在投石索中，投石索会在恰到好处的时刻解开。整个系统采用机械释放，使用一个弹簧加载的卡扣，在绳索旋转一定圈数后打开。释放窗口只有几毫秒长，但这足以完成任务。早期的迭代在应力下失效，但最终的销环结构经受住了考验。 Tom Stanton Supersonic Trebuchet 测试负荷被小心地逐步增加，他从10公斤的重物开始。改进后的流线型机臂达到了不俗的1248 rpm，并以394英里/小时的速度发射，效率达到惊人的43.7%。20公斤和30公斤都毫无问题地通过。而40公斤则将机臂加速到2336 rpm，抛射物达到炽热的716英里/小时，距离那个神奇壁垒只差51英里/小时。机器最终在50公斤的重压下断裂，卡扣也碎裂了。斯坦顿将抛射物重量减至约4克，再次调整了鼓轮锥度，然后带着40公斤的配置回到测试场地。 Tom Stanton Supersonic Trebuchet 最终测试显然是最重要的，机臂转速达到了2342 rpm。末端速度达到了惊人的274英里/小时。高速摄影画面令人大开眼界，抛射物在5.6毫秒内飞行了1.94米。计算这些数据可得346.4米/秒，也就是相当可观的776英里/小时。最锦上添花的是，一声响亮的爆裂声后跟着愉悦的回声，让所有在附近的人都确认了音爆的发生。机器的任何一个部分都没有出现接近失效的情况——至少我们是这么希望的。