投石器-理論探討

投石器的緣起，據說東西方都有聰明的人設計出來，上網搜尋了一下，現在也有很多老師在講解或是帶領孩子實作，但是大部分都是以橡皮筋結合竹筷的『投石器』玩具，當然，我們所要設計的也不太可能真的用在『戰鬥』上面，但是我們想要做一個『仿真』的裝置，可以真的將石頭給拋出去的裝置。
從許多電影與探討中，我們知道大部分的投石器並非利用『橡皮筋』的彈力預置的結構，因為古時候可是沒有橡皮筋這類的東西阿。
那該如何使石頭丟出去？簡單的說，就是靠重力的轉換，使一個重槌的位能進行轉換，進而使待拋物由靜止狀態獲得動能。
根據研究，投石器又可以分成兩種，一種以『卡住』的方式，使投擲臂上的石頭承勺會被一個檔樑擋住，並使石頭以一個切線的方式投擲出去，如下圖：

由上圖來解釋，投擲臂由位置1開始運動，通過位置2，再抵達位置3，由此可知在位置1時，石頭呈現靜止的狀態，但是卻即將在重槌試放之後，承受近乎最大的加速度(應該是水平位置最大)，等到石頭位置移到位置3時，石頭具有最大的速度，而相對的加速度則是趨近於0。
這時候如果我們將投擲臂擋住(綠色的部份)，則我們可以發現石頭以近乎水平的角度投出去，當然，這樣的投擲方式可以使石頭具有最大的動能，也就是破壞力最強的情形，但是因為石頭的拋頭角度近乎平行於地面，我們可以知道其實它的投擲距離是相當有限的，這種投石器最大的功能不是攻城，而是攻擊近距離的傘兵部隊。
另一種結構完全靠投擲臂以甩的方式，將石頭甩出去，整個解構上並沒有檔的橫樑，最重要的問題就是如何控制石頭甩出去的角度，示意圖如下：

有看過叛將風雲【The Last Castle】或是上幾篇所提到的『人體投石器』的朋友應該有印象，這一種投石器的石頭，一開始是以一張類似布的結構，鉤在投擲臂的尾端，等到投擲臂轉到一個適當的角度時，這張布會自然的脫鉤，使那個石頭自然的往前甩出去，曾經看過 Discovery 的節目介紹過，英國有一個貴族特別製作一個完全相同尺寸大小的投石器，結果竟然可以將一部汽車甩到近100公尺以上的距離，當然這裡最重要的還是能量轉換的計算方式了，這部份下回再講囉！