Британський інженер та ютубер Том Стентон (Tom Stanton) вирішив довести, що для подолання швидкості звуку зовсім не обов’язково мати ракетний двигун чи гвинтівку. Досить гравітації, кількох кілограмів вантажу та трохи вуглепластику. У своєму новому відео він показав, як власноруч побудував требюше — середньовічну метальну машину — здатну розігнати легкий снаряд до 776 миль на годину, тобто трохи швидше за звуковий бар’єр.
Чому звичайне требюше тут не спрацюєКласична конструкція требюше — це, по суті, гойдалка: важкий вантаж падає під дією гравітації й тягне за собою плече з пращею, з якої вилітає снаряд. Проблема в тому, що прискорення вільного падіння — величина стала, приблизно 9,81 м/с². Скільки б кілограмів ви не додали, швидше падати вантаж не стане.
Том наводить простий приклад: якщо скинути вантаж із висоти двох метрів, він досягне землі зі швидкістю трохи більше 6 м/с — це менше 2% від швидкості звуку. Тож пряме копіювання середньовічної схеми тут безсиле.
Раніше подібну проблему вже вирішували за допомогою потужних гумових джгутів, які здатні розвивати величезну силу при мінімальній масі.
Такий надзвуковий требюше на гумі вже існував. Але Стентону цього було мало — він захотів створити перший у світі надзвуковий требюше, який працює виключно за рахунок падіння вантажу, без жодної електроніки чи еластичних елементів.
Рішення знайшлося в самій механіці. Замість жорсткого зчеплення вантажу з основним плечем автор розділив конструкцію на дві частини: вантаж ковзає вертикальною направляючою, а окрема вісь тримає метальне плече. Зв’язок між ними забезпечує мотузка, пропущена через систему блоків із співвідношенням 3:1.
Це означає, що підняти вантаж можна із зусиллям утричі меншим — але й мотузка при падінні рухається втричі швидше за сам вантаж.
Саме ця хитрість і дозволила перетворити повільну, але потужну силу падаючого вантажу на набагато вищу швидкість обертання плеча.
Вуглепластикове плече, яке ледь не зламалося ще на етапі 3D-друкуЩоб плече витримувало шалені навантаження і при цьому залишалося легким, Том обрав вуглецеве волокно, яке фрезерував на власноруч зібраному ЧПУ-верстаті. Перш ніж різати дороге вуглепластикове полотно, він надрукував тестову деталь на 3D-принтері — і одразу виявив проблему:
під час натягу праща створює зворотну силу на плече, і задня кромка почала прогинатися на стиск.
Довелося переробляти геометрію: прибрати зайвий матеріал спереду, посилити задню частину і додати другу поперечну розпірку. У підсумку готове карбонове плече важило лише 116 грамів — і при цьому витримувало серйозні навантаження.
Різати вуглепластик, до речі, доволі небезпечно — дрібний пил дуже шкідливий для легенів. Автор змайстрував саморобний HEPA-фільтр для пилососа, надягнув респіратор і постійно змочував матеріал водою, щоб пил не потрапляв у повітря.
Щоб розкрутити плече, мотузка від блочної системи намотується на спеціальний конічний барабан, надрукований на 3D-принтері. Форма барабана підібрана так, щоб спершу давати більше крутного моменту, а потім — більшу швидкість, за аналогією з перемиканням передач на велосипеді.
Найцікавіше — це спусковий механізм. Оскільки при швидкості обертання близько 2000 об/хв «вікно» для точного вивільнення снаряда становить лише 2,5 мілісекунди, звичайний тригер тут не підійшов би. Том придумав елегантне рішення: сам процес розмотування мотузки він перетворив на своєрідний вбудований таймер.
У барабан вмонтована відкидна засувка, яка тримає мотузку, поки та намотана. У момент, коли мотузка повністю розмотується, засувка відкривається — і через внутрішній канал у барабані тягне за собою шнур, з’єднаний із кульковим фіксатором снаряда. Той миттєво звільняється.
Спочатку планувалося використовувати 10-міліметрові сталеві кульки, але, як зауважує сам автор, надзвукова металева куля — це, по суті, куля з пістолета. Заради безпеки снаряди почали друкувати на 3D-принтері з легкого й до того ж біорозкладного пластику — так їхня енергія в польоті гаситься швидше, і летять вони не так далеко.
Не менш ретельно підійшли й до пращі: тонкий 4-міліметровий трос із надміцного поліетилену (той самий «дайнема», що витримує до 1,5 тонни навантаження) сплели в петлю та додали зигзагоподібне плетіння, щоб куля не випала передчасно — інакше вона могла б полетіти у зворотному напрямку, просто в обличчя винахіднику.
Перший запуск і неприємний сюрприз з ефективністюКоли конструкцію нарешті зібрали й випробували з 10-кілограмовим вантажем, плече розігналося до 1700 об/хв усього за 1,
3 секунди, а снаряд вилетів зі швидкістю 328 миль на годину — особистий рекорд автора на той момент. Але розрахунки показали неприємну картину: до моменту вивільнення снаряда система встигала розтратити майже 43% початкової потенційної енергії ще на етапі розкрутки плеча. Загальна ефективність склала лише 34%.
Проблема була критичною, бо вся конструкція розраховувалася під вантаж у 40 кг, і для подолання звукового бар’єру потрібна була ефективність щонайменше 46%. З’ясувалося, що левова частка втрат — це звичайний опір повітря під час розкрутки плеча. Том надрукував на 3D-принтері загострену передню кромку та обгорнув усю конструкцію плівкою для авіамоделей, щоб прибрати щілини. Порівняльний тест показав приріст у 12% обертів.
Далі в хід пішли дрібніші деталі: обтічне кріплення пращі замість масивного, вентиляційні отвори у напрямній, щоб та не працювала як повітряний совок, і повністю перероблене на 3D-принтері кріплення пращі, яке стало на 40% легшим за рахунок відмови від металевих деталей. Сукупно ці зміни дали приріст у майже 18% обертів — і це ще на низьких швидкостях,
коли опір повітря відносно невеликий.
Тест на міцність саморобної кріпильної деталіОскільки цифровий динамометр автора вимірює максимум до 500 Н, а натяг пращі під час запуску міг сягати 800 Н, довелося імпровізувати. Том скористався тим самим принципом блочної системи 3:1: кожен ньютон на шкалі відповідав трьом ньютонам реального навантаження на деталь. Тест пройшов успішно — надрукований на 3D-принтері кронштейн витримав.
Далі почалася найцікавіша частина — послідовне нарощування маси вантажу.
- З 10 кг оновлене аеродинамічне плече розігналося до 1248 об/хв і видало 394 миль/год — на 20% швидше, ефективність 43,7%
- 20 і 30 кг витримали конструкцію без пошкоджень
- При 40 кг плече розкрутилося до 2336 об/хв, а снаряд вилетів зі швидкістю 716 миль/год — лише 51 миля не дотягнула до звукового бар’єру
Наступним кроком стало випробування з 50 кг — маса, для якої конструкція взагалі не проектувалася. Праща не витримала й порвалася прямо під час пострілу.
А удар енергії, що пішла назад у ступицю, зламав спусковий фіксатор.
Замість того, щоб продовжувати гонитву за важчими вантажами, Том пішов іншим шляхом: зменшив масу снаряда з 6 до 4 грамів і зменшив його діаметр, щоб знизити опір повітря. Заодно надрукував новий барабан із доопрацьованим профілем жолоба та новим, більш надійним спусковим механізмом на основі простої петлі мотузки.
Наступний запуск відбувся на полі, де попереду було близько 5 кілометрів відкритого простору — про всяк випадок, якщо щось піде не так на надзвуковій швидкості. Вантаж розкрутив плече до 2342 об/хв, а снаряд подолав 1,94 метра всього за 5,6 мілісекунди. Фінальна швидкість склала 346,4 м/с, або 776 миль на годину — на 9 миль на годину швидше за звуковий бар’єр. Требюше, побудоване виключно на силі гравітації, без жодного гумового джгута чи двигуна, офіційно стало надзвуковим.
Шість років розрахунків заради однієї митіЗа словами Тома Стентона, ідея цього проєкту зародилася майже шість років тому, а власне требюше він конструює ще з дванадцяти років. Проте, як зізнається автор, ще донедавна він і сам не вірив, що зможе побудувати механізм, здатний подолати звуковий бар’єр без жодного джерела енергії, окрім падаючого вантажу.
Реалізувати задум вдалося завдяки поєднанню сучасних інструментів: САПР для проєктування, саморобного ЧПУ-верстата, здатного різати метал і карбон, та можливостей 3D-друку, які дозволили ітеративно доопрацьовувати кожну деталь. Результат — унікальна саморобна машина, яка довела: іноді для рекорду потрібна не потужність двигуна, а правильна геометрія та вперте бажання інженера-аматора довести справу до кінця.
Запис Інженер в гаражі побудував катапульту, яка розганяє кульку швидше за звук спершу з'явиться на ProstoMob.
