Tom Stanton is erin geslaagd een supersonische trebuchet te bouwen die uitsluitend op zwaartekracht werkt. Om de natuurkundige beperkingen van de vrije val te omzeilen, maakte hij gebruik van een innovatief katrolsysteem met een verhouding van 3:1 en een extreem lichte, stijve arm van koolstofvezel die met een CNC-freesmachine is vervaardigd.
Na diverse testfasen en prototypes waarbij de machine onder extreme druk bezweek, bereikte de uiteindelijke opstelling met een contragewicht van 40 kg en een projectiel van 4 gram een snelheid van 346,4 meter per seconde (776 mph). Dit resultaat werd bevestigd door analyses van hogesnelheidscamera's en een hoorbare supersonische knal.
Een vallend gewicht doorbrak zojuist de geluidsbarrière met Tom Stantons supersonische trebuchet
Tom Stanton heeft jarenlang gezocht naar een getal dat de zwaartekracht zelf leek te verbieden. Op een rustig veld ergens in het Verenigd Koninkrijk liet hij een massa van 40 kilogram over een korte afstand vallen, waardoor een arm van koolstofvezel met meer dan 2.300 omwentelingen per minuut ging draaien. Hierdoor werd een projectiel van 4 gram met een snelheid van 776 mijl per uur de lucht in geslingerd. Dat is negen mijl per uur boven de geluidssnelheid. Voor het eerst heeft een trebuchet die uitsluitend op zwaartekracht werkt, de geluidsbarrière doorbroken.
De fysieke uitdaging
Middeleeuwse ingenieurs bouwden deze machines om enorme stenen tegen kasteelmuren te slingeren. Het basisidee is om een groot, zwaar gewicht omhoog te hijsen, het te laten vallen en vervolgens de hefboom en slinger te gebruiken om die energie om te zetten in de snelheid van een veel lichter projectiel.
Helaas vormt de fysica een hindernis. Een gewicht in vrije val versnelt met maximaal 9,81 meter per seconde kwadraat; laat je een gewicht van 2 meter vallen, dan raakt het de grond met ongeveer 6 meter per seconde. Ongeacht hoe zwaar het gewicht is, de snelheid blijft constant. Een typische arm werkt hierbij als een auto die in de eerste versnelling vastzit: er is in het begin veel koppel, maar aan het einde is er net genoeg kracht om in beweging te blijven.
Engineering-oplossingen voor snelheid
Stanton bedacht een creatieve technische oplossing voor dit snelheidsprobleem. Het contragewicht is opgehangen aan een katrolsysteem met een verhouding van 3:1. Een grote diameter aan het begin drijft de arm aan met veel kracht, en naarmate deze afwikkelt, zorgt de kleinere diameter voor een aanzienlijke sprong in rotatiesnelheid. Uiteindelijk werd de trommel herontworpen zodat het gewicht tot 1,9 meter kon worden opgetild, waardoor er meer energie in het systeem werd opgeslagen dan bij eerdere versies.
Materiaal en constructie van de arm
De arm moet zowel ongelooflijk licht als superstijf zijn. Koolstofvezel was de enige optie, omdat dit materiaal niet zwaar genoeg is om het hele systeem te belasten, maar wel bestand is tegen extreme krachten. Stanton gebruikte zijn zelfgebouwde CNC-freesmachine om het onderdeel te maken, waarbij hij het stof onder controle hield met een HEPA-stofzuiger en water.
De arm weegt slechts 116 gram. Stress-tests en talloze defecte prototypes van 3D-geprinte modellen wezen uit dat de arm zou buigen onder de druk van de slinger. Hij paste het ontwerp aan om dit te compenseren: hij verwijderde materiaal aan de gespannen zijde, verstevigde de tegenovergestelde zijde en voegde extra verstevigingen toe. Aluminium naven verbinden de arm met een korte tegenarm, waardoor het draaiende gedeelte zo gebalanceerd mogelijk blijft.
Het lanceermechanisme
Het projectiel begint nu vlakbij de as, stevig gewikkeld in een slinger die op precies het juiste moment openslaat. Het gehele systeem wordt mechanisch vrijgegeven via een veerbelaste vergrendeling die opent na een bepaald aantal rotaties van het touw. Het tijdvenster voor de release is slechts enkele milliseconden lang, wat voldoende is om de taak te voltooien. Hoewel vroege versies onder stress bezweken, bleek de uiteindelijke pin-en-lusconstructie bestand tegen de krachten.
Testfasen en resultaten
De tests werden stapsgewijs opgevoerd, beginnend met een gewicht van 10 kg. De aangepaste aerodynamische arm bereikte een respectabele 1248 rpm en lanceerde het projectiel met 394 mph, met een indrukwekkende efficiëntie van 43,7%. Tests met twintig en dertig kilogram verliepen zonder problemen.
Bij 40 kg versnelde de arm naar 2336 rpm en het projectiel naar een razende 716 mph, waarmee hij slechts 51 mph tekortkwam voor de magische grens. Uiteindelijk brak de machine; de sluiting versplinterde onder het gewicht van 50 kg. Stanton verminderde daarop het gewicht van het projectiel naar ongeveer 4 gram, paste de tapsheid van de trommel opnieuw aan en keerde terug naar het testterrein met de opstelling van 40 kilogram.
De definitieve doorbraak
De laatste test was de belangrijkste: de arm draaide op tot 2342 rpm en de tipsnelheid bereikte een verbazingwekkende 274 mph. Beelden van hogesnelheidscamera's maakten het resultaat duidelijk: het projectiel legde 1,94 meter af in 5,6 milliseconden. Uit deze statistieken volgt een snelheid van 346,4 meter per seconde, ofwel 776 mph. Als afsluiting was er een luide knal gevolgd door een echo, wat voor iedereen in de omgeving bevestigde dat de geluidsbarrière was doorbroken. Geen enkel onderdeel van de machine vertoonde tekenen van falen.
Een vallend gewicht doorbrak zojuist de geluidsbarrière met Tom Stantons supersonische trebuchet
Tom Stanton heeft jarenlang gezocht naar een getal dat de zwaartekracht zelf leek te verbieden. Op een rustig veld ergens in het Verenigd Koninkrijk liet hij een massa van 40 kilogram over een korte afstand vallen, waardoor een arm van koolstofvezel met meer dan 2.300 omwentelingen per minuut ging draaien. Hierdoor werd een projectiel van 4 gram met een snelheid van 776 mijl per uur de lucht in geslingerd. Dat is negen mijl per uur boven de geluidssnelheid. Voor het eerst heeft een trebuchet die uitsluitend op zwaartekracht werkt, de geluidsbarrière doorbroken.
De fysieke uitdaging
Middeleeuwse ingenieurs bouwden deze machines om enorme stenen tegen kasteelmuren te slingeren. Het basisidee is om een groot, zwaar gewicht omhoog te hijsen, het te laten vallen en vervolgens de hefboom en slinger te gebruiken om die energie om te zetten in de snelheid van een veel lichter projectiel.
Helaas vormt de fysica een hindernis. Een gewicht in vrije val versnelt met maximaal 9,81 meter per seconde kwadraat; laat je een gewicht van 2 meter vallen, dan raakt het de grond met ongeveer 6 meter per seconde. Ongeacht hoe zwaar het gewicht is, de snelheid blijft constant. Een typische arm werkt hierbij als een auto die in de eerste versnelling vastzit: er is in het begin veel koppel, maar aan het einde is er net genoeg kracht om in beweging te blijven.
Engineering-oplossingen voor snelheid
Stanton bedacht een creatieve technische oplossing voor dit snelheidsprobleem. Het contragewicht is opgehangen aan een katrolsysteem met een verhouding van 3:1. Een grote diameter aan het begin drijft de arm aan met veel kracht, en naarmate deze afwikkelt, zorgt de kleinere diameter voor een aanzienlijke sprong in rotatiesnelheid. Uiteindelijk werd de trommel herontworpen zodat het gewicht tot 1,9 meter kon worden opgetild, waardoor er meer energie in het systeem werd opgeslagen dan bij eerdere versies.
Materiaal en constructie van de arm
De arm moet zowel ongelooflijk licht als superstijf zijn. Koolstofvezel was de enige optie, omdat dit materiaal niet zwaar genoeg is om het hele systeem te belasten, maar wel bestand is tegen extreme krachten. Stanton gebruikte zijn zelfgebouwde CNC-freesmachine om het onderdeel te maken, waarbij hij het stof onder controle hield met een HEPA-stofzuiger en water.
De arm weegt slechts 116 gram. Stress-tests en talloze defecte prototypes van 3D-geprinte modellen wezen uit dat de arm zou buigen onder de druk van de slinger. Hij paste het ontwerp aan om dit te compenseren: hij verwijderde materiaal aan de gespannen zijde, verstevigde de tegenovergestelde zijde en voegde extra verstevigingen toe. Aluminium naven verbinden de arm met een korte tegenarm, waardoor het draaiende gedeelte zo gebalanceerd mogelijk blijft.
Het lanceermechanisme
Het projectiel begint nu vlakbij de as, stevig gewikkeld in een slinger die op precies het juiste moment openslaat. Het gehele systeem wordt mechanisch vrijgegeven via een veerbelaste vergrendeling die opent na een bepaald aantal rotaties van het touw. Het tijdvenster voor de release is slechts enkele milliseconden lang, wat voldoende is om de taak te voltooien. Hoewel vroege versies onder stress bezweken, bleek de uiteindelijke pin-en-lusconstructie bestand tegen de krachten.
Testfasen en resultaten
De tests werden stapsgewijs opgevoerd, beginnend met een gewicht van 10 kg. De aangepaste aerodynamische arm bereikte een respectabele 1248 rpm en lanceerde het projectiel met 394 mph, met een indrukwekkende efficiëntie van 43,7%. Tests met twintig en dertig kilogram verliepen zonder problemen.
Bij 40 kg versnelde de arm naar 2336 rpm en het projectiel naar een razende 716 mph, waarmee hij slechts 51 mph tekortkwam voor de magische grens. Uiteindelijk brak de machine; de sluiting versplinterde onder het gewicht van 50 kg. Stanton verminderde daarop het gewicht van het projectiel naar ongeveer 4 gram, paste de tapsheid van de trommel opnieuw aan en keerde terug naar het testterrein met de opstelling van 40 kilogram.
De definitieve doorbraak
De laatste test was de belangrijkste: de arm draaide op tot 2342 rpm en de tipsnelheid bereikte een verbazingwekkende 274 mph. Beelden van hogesnelheidscamera's maakten het resultaat duidelijk: het projectiel legde 1,94 meter af in 5,6 milliseconden. Uit deze statistieken volgt een snelheid van 346,4 meter per seconde, ofwel 776 mph. Als afsluiting was er een luide knal gevolgd door een echo, wat voor iedereen in de omgeving bevestigde dat de geluidsbarrière was doorbroken. Geen enkel onderdeel van de machine vertoonde tekenen van falen.
Groetjes,