כשאנחנו מדברים כיום על ארטילריה אנחנו מתכוונים לפגזי תותחים או לפצצות מרגמה, ולפעמים גם לרקטות וטילים – כולם אמצעים שמאפשרים לירות מטענים במסלולים בליסטיים לתוך שטחי האויב. בימינו משתמשים בפיצוץ מבוקר או בשריפת דלק כדי להעיף את המטען למרחק. אולם מנועי טילים וחומרי נפץ הם פיתוחים חדשים למדי. בעת העתיקה ובימי הביניים, כשצבאות הטילו מצור על עיר מוקפת חומה, היה עליהם להשתמש בכוח שריריהם, בתבונתם ובאמצעים מכניים כדי לפגוע במגיני העיר.
במשך השנים עשו בני האדם שימוש יצירתי בכלי מצור משוכללים. אילי ניגוח כבדים אפשרו להם לנפץ שערי ברזל כבדים. הצבא הרומי נהג להשתמש בקטפולטות כדי להטיל בליסטראות - סלעים כבדים - על חומות העיר ומעליהן, ואילו הסינים הקדומים וצבאות אירופה בימי הביניים נעזרו לאותה מטרה בטְרֶבּוּשֶה, כלי מכני מתוחכם ויעיל שאיפשר ליידות עצמים אל מעבר לחומות האויב הנצור.
מנגנון מכני
לאורך ההיסטוריה פותחו שני סוגים של טרבושה: אחד שמבוסס על משיכה והשני על משקל נגד. ההבדל ביניהם הוא במקור הכוח שמניע את המכשיר. בטרבושה משיכה, הכוח מגיע מפעולתם המתואמת של אנשים רבים שמושכים בכל כוחם את הזרוע הקצרה של המכשיר. בטרבושה משקל נגד משתמשים לאותה מטרה במשקולת כבדה מאוד. עם זאת, בבסיסן ובמהותן אלה מכונות דומות מאוד. כמו כל כלי היידוי העתיקים, שני הסוגים פועלים על אותו עיקרון פיזיקלי בסיסי: המנוף.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
בדרך לחיסון ישראלי נגד מחלת הדֶּבֶר
אופנה של שימפנזים
לחשוב מהר, לחשוב לאט
עקרון המנוף מבטא את היכולת להזיז משקל גדול באמצעות כוח קטן יותר, על ידי שליטה במקומו המדויק של ציר הסיבוב. כפי שכל ילד שהתנדנד על נדנדה לשניים יודע, עצם קל שנמצא רחוק מהציר יכול לאזן עצם כבד יותר שנמצא קרוב לציר. כשילד צעיר וקטן שיושב רחוק מציר הנדנדה מרים את חברו הגדול והכבד ממנו שהתיישב קרוב יותר למרכז, גם זה יישום של עקרון המנוף.
5 צפייה בגלריה
עקרון המנוף: שני הגופים נמצאים בשיווי משקל אף על פי שאחד מהם כבד יותר, מכיוון שהוא קרוב יותר לציר הסיבוב
( תרשים: lainf, ויקיפדיה)
התופעה הרלוונטית עבור הטרבושה היא מה שקורה כששיווי המשקל מופר. נניח שאנו מתחילים במצב של שיווי משקל ומגדילים באופן משמעותי את משקל הגוף שמונח על הזרוע הקצרה. הגוף הקטן שמצוי על הזרוע הארוכה - הקלע - יואץ כלפי מעלה. ככל שהקלע יימצא רחוק יותר מציר המנוף, הוא יעבור מרחק גדול יותר מקלע שנמצא קרוב יותר למרכז. מאחר שתנועת הזרועות תימשך אותו זמן, פירוש הדבר הוא שמהירות התנועה של הקלע הרחוק תהיה גבוהה יותר. אם הגוף הכבד יפעיל מספיק כוח, הקלע יתנתק מהזרוע הארוכה ויעוף באוויר במסלול בליסטי שצורתו תלויה במשקל הגופים ובאורך הזרועות.
מפתה לחשוב שאנו יכולים לכאורה להקטין עוד ועוד את משקלו של הקלע או להגדיל בלי הגבלה את אורך אחת הזרועות כדי להגדיל את המנוף או את מהירות ההטלה, וכך להאריך ככל שנרצה את טווח הפגיעה של הקלע. אך המציאות מורכבת יותר. ראשית, ככל שהקלע שאנו מיידים קל יותר, הוא יושפע יותר מהתנגדות האוויר בזמן מעופו, בהתאם לצורתו. גם להארכת הזרועות יש מחיר: זרועות ארוכות צריכות לעמוד בלחצים גדולים יותר על החומר, ולכן עלולות להישבר. בנוסף, ככל שנגדיל את אורך הזרוע של המשקולת הכבדה יגדל גם משקל המערכת כולה, ואיתו תגדל התנגדותה לתנועה ולתאוצה.
5 צפייה בגלריה
הגוף הרחוק, בקצה הימני, עבר דרך ארוכה יותר באותו זמן כמו הגוף הקרוב יותר למרכז, כלומר הוא נע מהר יותר
(תרשים: ליאור ויצהנדלר, מכון דוידסון לחינוך מדעי)
לעומת הקטפולטה של העת העתיקה, לטרבושה יש שכלול נוסף: בקצה הזרוע הארוכה של המכשיר תלוי כבל חזק שאליו רתום המטען המיועד להעפה. לחבל יש שני יתרונות חשובים. הראשון הוא שהחבל מאריך את הזרוע הארוכה, וכך מעניק תנופה נוספת לפעולת היידוי. בנוסף, מפעילים מיומנים ידעו להתאים את מנגנון הקשירה שלו כך שישתחרר כשהזרוע מגיעה לזווית מסוימת וכך לשגר את הקלע בזווית שתיצור מסלול בליסטי מיטבי.
אפשר להתבונן על פעולת הטרבושה גם במונחים של העברת אנרגיה. במצב ההתחלתי, כשהמשקולת הכבדה נמצאת בשיא גובהה, יש לה אנרגיית כובד, שנקראת גם אנרגיה פוטנציאלית ומשמעותה היא שהמשקולת שואפת ליפול למטה. כשהיא אכן נופלת, האנרגיה הזאת קטנה, ומכיוון שאנרגיה לא יכולה להיעלם היא מומרת, בין היתר, לאנרגיית תנועה (אנרגיה קינטית), כלומר לתנועה סיבובית של הזרועות, שמניפה למעלה את הקלע המצוי בקצה הזרוע הארוכה של הטרבושה. אם מספיק אנרגיית כובד תומר לאנרגיית תנועה של הקלע, הוא יתנתק מהטרבושה וישוגר במסלול בליסטי לעבר יעדו. בטרבושה שמבוסס על משיכה, העיקרון זהה, פרט לכך שהאנרגיה ההתחלתית מגיעה משריריהם של מפעילי המכונה.
5 צפייה בגלריה
בקצה הזרוע הארוכה של המכשיר תלוי כבל חזק שאליו רתום הקלע המיועד להטלה. שחרור הקלע מהחבל וקביעת המסלול הבליסטי
(תרשים: ליאור ויצהנדלר, מכון דוידסון לחינוך מדעי)
מטרבושה למרגמה
כלי היידוי עברו גלגולים ופיתוחים רבים לאורך ההיסטוריה, המנגנונים המכניים שפותחו עבורם כללו קפיצים שנוצרו מחבלים קלועים ומגידים של חיות, או שקיפלו את העץ שממנו עשוי המכשיר כדי לאגור בו אנרגיה אלסטית – בדומה לירי של חיצים מקשתות. כך יכלו לייעל את הפעלת הכוח הדרוש להנעת שתי הזרועות של המנוף. קפיצת הדרך המשמעותית ביותר התרחשה אחרי שאבק השריפה הגיע לאירופה מסין. כך נולדה המרגמה.
מרגמה היא גליל חלול עם תחתית סגורה וקשיחה ופתח בקצהו העליון. כדי לשגר ממנו פגז, או כל מטען אחר לצורך העניין, מפילים לתוכו פגז שבקצה התחתון שלו יש חומר נפץ שמוצת כשהוא פוגע בתחתית הגליל. בתהליך הבעירה, חומר הנפץ הופך לגז ומשחרר בתוך כך הרבה חום. הגז החם מתרחב, דוחף את הפגז החוצה אל פתח המרגמה ומשגרו בזווית הנטייה של גליל המרגמה יחסית לפני הקרקע.
המהירות שבה הפגז יוצא מהמרגמה תלויה כמובן ביעילות דחיפתו בידי הגז הלוהט. לכן חשוב שהפגז יהיה בקוטר דומה ככל האפשר לקוטר גליל המרגמה, שכן פגז צר מדי יאפשר לגז לברוח. עם זאת, אסור שהפגז יהיה רחב מדי, כדי שלא ייווצר חיכוך רב מדי עם דופן הגליל, שיאט את תנועת הפגז ויפגע ביעילות המרגמה. דבר נוסף שמשפיע על מהירות הפגז הוא אורך הקנה. בקנה ארוך, לחץ הגז דוחף את הפגז למשך זמן רב יותר ולכן מאפשר לפגז לנוע מהר יותר ולהגיע רחוק יותר. הבעיה היא שקנה ארוך קשה יותר לתפעל ומסורבל לשאת ולטלטל.
כלי יידוי כמו הטרבושה והמרגמה, מבוססים ביסודם על עקרונות פיזיקליים ומכניים פשוטים למען מטרה אחת – לפגוע באויב ממרחק רב. ובכל זאת נדרשו הרבה תחכום ויצירתיות מהמהנדסים שפיתחו אותם כדי לחשב את הגדלים האופטימליים שיאפשרו להם לפעול כראוי – למשל אורך הזרועות של הטרבושה ויחס המשקלים או אורך הצינור של המרגמה וקוטר הפצצה. כחומר למחשבה, יכול להיות מעניין לדמיין מה היו צריכים לעשות המהנדסים הקדומים כדי לפתח גם “כיפת סלע”: מכונה ליירוט אבני קלע ובליסטראות של האויב.
ליאור ויצהנדלר, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
