汤姆·斯坦顿的超声波投石机仅靠重力打破音障
汤姆·斯坦顿花了多年时间追逐一个似乎被重力本身禁止的数字。在英国某个安静的田野上,一个重40公斤的物体下落了短距离,碳纤维臂旋转超过2300转每分钟,将一个重4克的弹丸以776英里每小时的速度送入空中。这比音速快了9英里每小时。首次使用纯重力驱动的投石机跨越了这道障碍。中世纪的工程师们创造了这些机器来向城堡墙投掷巨石。基本思路是提升一个大重物,让它下落,然后利用杠杆和滑索将能量重新导向更轻的弹丸。不幸的是,物理学阻碍了这一进程。自由下落的重物最大加速度为每秒9.81米;从2米高处掉落时,它大约以每秒6米的速度撞击地面。无论你让重物多重,速度都是固定的,典型的臂就像一辆卡车,车链卡在一档,有大量的扭矩,但到最后只有足够让它开始移动的力量。斯坦顿设计了一种创造性的工程解决方案来解决速度问题。平衡重物通过一个3:1比率的滑轮系统悬挂,大直径的初始部分为臂提供了强大的动力,而当它逐渐收缩时,小直径的一端提供了显著的旋转速度跳跃。最终,鼓被重新设计,以便将重物提升到1.9米,储存的能量比以前的版本更多。臂必须既非常轻又超坚固。碳纤维确实是唯一的选择,因为它既不重到压垮整个系统,又能够承受冲击。斯坦顿使用他的自制CNC铣床雕刻这个部件,通过HEPA真空和足够的喷雾水控制粉尘。它的重量仅为116克。压力测试和多次有缺陷的3D打印原型显示它将在滑索的压力下弯曲,因此他修改了设计以补偿,去掉了拉紧侧面的材料,加强了对侧,并额外加了一些支撑。铝制中心连接臂与短平衡臂,保持旋转部分尽可能平衡。弹丸现在起始于靠近轴心的位置,牢牢包裹在滑索中,在恰到好处的时刻解开。整个系统机械释放,使用一个在一定数量的绳索旋转后打开的弹簧锁扣。释放窗口仅几毫秒长,这足够完成任务。早期版本在压力下失败,但最终的销环结构保持住了。测试谨慎加大,他以10公斤的重物开始。经过改造的流线型臂达到了令人尊敬的1248转每分钟,以394英里每小时的速度发射,效率惊人地达到43.7%。20公斤和30公斤顺利通过。而40公斤则使臂的转速提升到2336转每分钟,导弹的速度高达716英里每小时,距离神奇的音障仅差51英里。然而机器最终断裂,而夹子在50公斤的重压下破裂。斯坦顿将弹丸的重量减少到大约4克,再次改变了鼓的锥度,然后带着40公斤的配置返回测试区域。最后的测试显然是最重要的,因为臂旋转到了2342转每分钟。尖端速度达到了惊人的274英里每小时。高速摄像画面真是令人震惊,弹丸在5.6毫秒内飞行了1.94米。对这些统计数据的计算得出346.4米每秒,或者说是相当可观的776英里每小时。为了让这一切更加完美,响亮的爆裂声及其随后的愉悦回声确认了音爆存在,传达给了所有在听力范围内的人。我们希望,机器的每一个方面都没有接近失败。
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