הקַטַפּוּלְטָה, כלי המצור העתיק, משמש אותנו היום בעיקר כצעצוע, אך לא רק. לפני שנספר לכם על השימושים המודרניים של הקטפולטה, נספר מעט על ההיסטוריה ועל הטכנולוגיה שהרכיבה אותה.
התחלת השימוש בקטפולטה היתה כשיפור וכשדרוג ל"חץ וקשת". המטרה של הקטפולטה לא היתה בני אדם, אלא חומות וביצורים, ולכן היא אינה כלי נשק אלא כלי מצור. השימוש בקטפולטה החל לפני יותר מאלפיים שנים.
מה העיקרון המדעי שהפך את הרעיון הפשוט לכלי מצור חשוב, כזה שהרומאים, היוונים, האבירים מימי הביניים והפיראטים לאורך השנים לא הצליחו להסתדר בלעדיו?
לשם הפעלתה, המשתמש בקטפולטה מותח את המנגנון הקפיצי או האלסטי של הקטפולטה (בעבר אלו היו חבלים עבים שמסוּבבים סביב כף הירייה, בהווה אלו כמה גומיות משרד סביב כף הצעצוע).
במתיחת המנגנון הקפיצי נצברת בקטפולטה אנרגיה פוטנציאלית אלסטית*.
ככל שהמתיחה גדולה יותר, כך צבירת האנרגיה גבוהה יותר, ואנחנו יכולים כבר לנחש מה תהיה התוצאה – שיגור רחוק יותר ובעוצמה רבה יותר.
ואכן, עם השחרור של המנגנון הקפיצי/אלסטי, עוברת האנרגיה הפוטנציאלית מהמנגנון אל החלק הנע – כף השיגור, ואל האבן או הכדור שנחים בתוכה ומוכנים לשיגור.
למעשה, בקטפולטה היינו עדים לשני אופנים של שינוי באנרגיה:
איפה עוד אנו רואים גלגול אנרגיה שכזה, בו אנרגיה פוטנציאלית הופכת לאנרגית תנועה?
כשהילדים והנדנדה מגיעים לשיא הגובה, הם צוברים אנרגיה פוטנציאלית. עם הירידה בגובה, האנרגיה הפוטנציאלית האצורה בילד ובנדנדה הופכת בהדרגה לאנרגיית תנועה. בנקודה הנמוכה ביותר של מסלול הנדנוד שלהם, האנרגיה הפוטנציאלית שלהם היא אפס (היא הומרה כולה לאנרגיית תנועה), ואנרגיית התנועה שלהם מקסימלית. זו הסיבה שדווקא בנקודה הנמוכה ביותר במסלול הנדנוד, הילד המתנדנד נע במהירות הגבוהה ביותר.
זו הסיבה, שכשנרצה לבקש מילד לא להתנדנד מהר, בעצם נבקש ממנו: "אל תעלה גבוה עם הנדנדה!". בשל גלגול האנרגיה, לגובה שאליו נגיע עם הנדנדה יש השפעה ישירה על המהירות שבה ננוע כשהנדנדה תהיה בנקודה הנמוכה ביותר.
אותו עיקרון עומד מאחורי תנועת רכבות ההרים בלונה פארק. רכבת הרים לרוכבים מנוסים מחפשי ריגושים תעלה לגובה התחלתי גבוה מאוד, ורכבת הרים לילדים ולרוכבים מתחילים תעלה לגובה נמוך, שיאפשר תנועה במהירות כיפית, אך לא גבוהה מדי.
האנרגיה הפוטנציאלית של הכדור הנמצא במעלה המגלשה היא הגבוהה ביותר. עם התחלת הירידה במגלשה, הכדור מאבד מגובהו אך המהירות שלו עולה. זה קורה מכיוון שהאנרגיה הפוטנציאלית של הכדור מוּמרת בהדרגה לאנרגיית תנועה. מה קורה בתחתית המגלשה? הכדור נע במהירות הגבוהה ביותר, והאנרגיה הפוטנציאלית שלו אפסית - היא כבר הומרה כולה לאנרגיית תנועה.
בחץ וקשת המשתמש מנצל את המנגנון הקפיצי הפשוט שלה - הקשת שנמתחת לאחור - על מנת לצבור אנרגיה פוטנציאלית. החץ מקבל מהקשת את האנרגיה הפוטנציאלית שנצברה, כשהיא מומרת בהדרגה לאנרגית התנועה של החץ. ככל שהמתיחה של הקשת תהיה גדולה יותר, תיצבר בה אנרגיה גבוהה יותר, וכך החץ יקבל אנרגית תנועה גבוהה יותר, וישוגר רחוק יותר.
זוכרים את היו-יו? גם בצעצוע היו-יו אנו מנצלים את עיקרון המרת האנרגיה. כשאנו מחזיקים אותו בשיא הגובה, היו-יו לא נע, וכך אנרגיית התנועה שלו אפסית, אך האנרגיה הפוטנציאלית הצבורה בו מקסימלית. כשאנו משחררים את היו-יו ומאפשרים לו להתגלגל במורד החוט, מומרת האנרגיה הפוטנציאלית שלו לאנרגית התנועה שלו. כאשר הוא עולה בחזרה, מומרת אנרגיית התנועה שלו בחזרה לאנרגיה פוטנציאלית, ולכן, ככל שהיו-יו עולה יותר הוא גם מאט יותר, עד שהוא נעצר בנקודה הגבוהה ביותר.
כיום משמש עקרון הקטפולטה לשימוש, אומנם צבאי, אך שונה. הקטפולטה משמשת להאצת מטוסים הממריאים מסיפונן של נושאות מטוסים. כפי שאנו יודעים, כדי להמריא מטוס זקוק לנתיב ארוך שלאורכו הוא נוסע ומאיץ, עד שיגיע למהירות הגבוהה שהוא צריך כדי להמריא. סיפון נושאת המטוסים קצר מכדי לאפשר למטוס להאיץ כנדרש.
לכן מחברים לגלגליו הקדמיים של המטוס את מתקן השיגור – הקטפולטה – שפועל על ידי לחץ קיטור גבוה, ומאפשר למטוס לצבור את המהירות הגבוהה לקראת ההמראה.
למפעילי מתקן הקטפולטה אחריות רבה: לחץ קיטור נמוך מדי ייתן למטוס מהירות נמוכה מדי והוא עלול להיכשל בהמראה ולהתרסק אל הים.
מצד שני, שימוש בלחץ גבוה מדי עלול לגרום לטלטלה חזקה מדי של המטוס ולהתפרקותו.
הבליסטיקה היא תורה שעוסקת בתנועתם גופים ששוגרו אל האוויר. השתמשו בקטפולטה שבניתם ולשגר חפצי מעוף שונים שיש בבית (העשויים מחומרים רכים בלבד!). נסו להפיל עימם קיר לבני דומינו שבניתם. בידקו כמה אנרגיה פוטנציאלית עליכם לצבור בקטפולטה לשם הצלחה במשימה.
אולי מתחתם את המנגנון הקפיצי שלה יותר מדי? אולי יש מקום לשנות את זווית השיגור? מהם גודל המתיחה והזווית שמשיגים את השיגור הרחוק ביותר? שיגור כדורי נייר הוא לא פחות מניסוי מדעי!
