La Catapulta

Introducción

Una catapulta es una máquina similar a una resortera gigante. Objetos, tales como piedras, pueden colocarse en la catapulta y ser lanzados a grandes distancias. Fueron inventadas probablemente por los griegos y posteriormente mejorada por cartagineses y romanos, siendo muy empleada en la Edad Media. Estas máquinas fueron utilizadas en la antigüedad para atacar castillos y fortalezas al lanzar objetos grandes a través de fosos y murallas. Los soldados modernos utilizan catapultas también: durante la Primera Guerra Mundial fueron utilizadas para impulsar granadas y bombas de gas a grandes distancias. En la guerra naval una catapulta se puede utilizar para lanzar aviones desde la cubierta de un barco. Otra arma familiar que es similar a la catapulta es el arco. Al igual que una catapulta, un arco empuja un objeto (la flecha). La catapulta tiene una cesta en el extremo de un brazo móvil lo suficientemente fuerte como para soportar el peso del objeto que se pretende lanzar. Se aplica tensión al brazo, que es forzado hacia abajo y asegurado en su lugar; el trenzado y rotado de cuerdas son procedimientos para proporcionar la tensión necesaria. Después de que el objeto se añade a la cesta, las cuerdas se cortan o se retiran. El brazo luego sucumbe a la tensión y voltea hacia el otro lado, como tirar de una banda de goma y luego soltarla. El objeto es impulsado hacia adelante. Una fuerza actúa sobre el punto de rotación de la catapulta con el fin de lanzar un objeto a través del aire, a menudo como un arma. La fuerza motriz de la catapulta se mide mejor como un "momento", o la cantidad de fuerza de rotación impartida al brazo de la catapulta. La fuerza resultante sobre el proyectil es una función de las aceleraciones rotacionales y tangenciales que el brazo induce en él. Teniendo en cuenta que tanto el momento y la fuerza resultante sobre el proyectil puede variar a lo largo de movimiento de la catapulta.

La catapulta fue creada principalmente para derribar murallas enemigas y tomar por asalto los castillos .Las catapultas son armas de asedio que fueron utilizadas en las guerras y conflictos de la Edad Media. Las primeras catapultas se empleaban a distancias muy extensas, lo que hacía muy difícil su construcción y posterior uso. Esto obligó a los creadores e ingenieros a trabajar en su forma, peso, tamaño, diseño y movilidad, pues eran armas necesarias en los grandes combates. De esta forma se logró obtener una catapulta más fácil de manejar y trasladar, haciéndose partícipes de las batallas.

En el presente trabajo aplicamos el principio de conservación de energía y conceptos de dinámica de la mecánica clásica, con el objetivo de lograr una mejor comprensión del funcionamiento practico y teórico de una catapulta, para lo cual se construyó un modelo, con el cual realizamos una serie de lanzamientos.

Debido a los avances de la ciencia y la tecnología es probable que nos encontremos con fenómenos físicos que ocurran en ámbitos especiales, como puede ser aquellos que toman lugar a mucha distancia de nuestro alcance (espacio exterior) o en lugares de dimensiones reducidas (interior del cuerpo humano). Dado que estamos limitados por nuestros sentidos, en especial la vista, recurrimos a distintas herramientas, tales como microscopios, telescopios, etc., para presenciar dichos fenómenos físicos, y aun así el estudio de los mismos es complicado. La idea de nuestro experimento es estudiar qué fenómenos se dan lugar en un tiro con catapulta.

Leyes que la rigen

• Transformación de energía potencial elástica en energía cinética

(EPE) (EC).

• Energía mecánica.

• Balística.

• Ley Hooke.

• Principio de conservación de la energía mecánica.

• Segunda ley del movimiento de Newton (Ley de la fuerza).

Bases teóricas.

Estas máquinas almacenan energía para liberarla en un disparo, mediante el siguiente proceso:

• Almacenamos una energía en la catapulta, llamada energía potencial elástica. (EP).

• La máquina, para transmitir esa energía almacenada al proyectil, necesita gastar parte de esa energía almacenada (movimiento del brazo de palanca, desplazamiento de la honda, rozamiento de las cuerdas, etc.).

• El proyectil recibe la energía potencial elástica que no ha sido gastada por la catapulta y sale disparado, con una energía denominada energía cinética (EC), energía de un objeto que se desplaza), de la cual dependerá la distancia que alcance y su tiempo de vuelo.

Catapulta de tensión:

Las catapultas de tensión son las que funcionan gracias a que almacenan su energía, al ser tensado un arco de metal, madera o cuerno y fueron las primeras en hacer su aparición, ya que descienden directamente de los arcos manuales.

Esfuerzo de tensión: Se presenta cuando sobre un cuerpo actúan fuerzas de igual magnitud, pero de sentido contrario que se alejan entre sí.

Decimos que un cuerpo presenta un movimiento de traslación cuando todas sus partes siguen una dirección constante.

Para que un cuerpo en reposo adquiera energía cinética trasnacional, es necesario realizar un trabajo sobre él, de tal manera que una fuerza constante al actuar sobre el cuerpo lo desplace aumentando su velocidad.

La palanca: Es una maquina muy simple que tiene como función transmitir una fuerza. Está compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro.

Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, para incrementar su velocidad o la distancia recorrida, en respuesta a la aplicación de una fuerza.

Fuerza: La fuerza consiste en empujar o tirar de un objeto para inducir un movimiento. El funcionamiento de una catapulta radica en la fuerza. La cantidad de fuerza aplicada determina cuan alto y lejos la catapulta puede lanzar un objeto. La fuerza también puede ayudar a determinar la dirección del objeto lanzado.

Energía: La energía es la habilidad para realizar trabajo. El trabajo, en términos científicos, consiste en utilizar la fuerza para mover un objeto. Muchas cosas, junto a los seres humanos, tienen energía potencial, lo cual significa tener la habilidad para realizar trabajo. En una catapulta se requiere energía, ya que sin ella no existiría la posibilidad de movimiento o de la fuerza necesaria para hacerla funcionar.

• Energía cinética

Todo cuerpo en movimiento tiene energía cinética. En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo.

Para que un cuerpo adquiera energía cinética o de movimiento; es decir, para ponerlo en movimiento, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor.

Otro factor que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo.

Por ejemplo, si una bolita de vidrio de 5 gramos de masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 2 km / h no se hará ningún esfuerzo por esquivarla. Sin embargo, si con esa misma velocidad avanza hacia nosotros un camión, no se podrá evitar la colisión.

La fórmula que representa la Energía Cinética es la siguiente:

E c = 1 / 2 • m • v 2

E c = Energía cinética

m = masa

v = velocidad

• Energía potencial elástica

La energía potencial es la energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. La energía potencial elástica es energía potencial almacenada como consecuencia de la deformación de un objeto elástico, tal como el estiramiento de un resorte. Es igual al trabajo realizado para estirar el resorte, que depende de la constante del resorte así como la distancia estirada. La energía elástica o energía de deformación es el aumento de energía interna acumulada en el interior de un sólido deformable como resultado del trabajo realizado por las fuerzas que provocan la deformación. Se calcula como:

K = Constante del resorte

Δx = Desplazamiento desde la posición normal

Epe = Energía potencial elástica

• Energía mecánica

Se puede definir como la forma de energía que se puede transformar en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. Las formas familiares de energía mecánica son la cinética y la potencial. La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico.

E=Ec+ EP

Donde:

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