Sir Barnes Wallis adalah jurutera genius yang merancang bom yang sangat istimewa semasa Perang Dunia II. Ideanya ialah ia akan melantun air dan memusnahkan empangan Jerman di sepanjang Lembah Ruhr, menyebabkan banjir besar dan kerosakan bekalan air dan hidroelektrik.
Sebahagian besar terima kasih kepada filem 1965 The Dam Busters, cerita di belakang Operasi Chastise, yang berlangsung pada 16 dan 17 Mei 1943, telah menjadi kisah masa perang yang biasa. Tetapi pengiraan kerja Wallis sebenarnya hilang (mungkin, dalam banjir pada tahun 1960-an). Jadi apa yang kita tahu tentang sains kompleks di belakang bom yang melantunkan?
Kami tahu bahawa orang Jerman menganggap empangan mereka menjadi sasaran yang berpotensi untuk musuh mereka, dan meletakkan jaring torpedo di hadapan struktur untuk melindungi mereka. Dan untuk membongkar empangan, Wallis menyedari bahawa lumpur dengan banyak bom kecil tidak akan berfungsi. Ia adalah perbezaan antara membuang segelintir pasir di tingkap, dan kemudian melakukan hal yang sama dengan batu.
Wallis mendakwa bahawa untuk melakukan kerosakan yang serius, satu bom empat tan tunggal terpaksa diletupkan ke atas tembok empangan pada kedalaman kira-kira 30 kaki di bawah air. Pada masa itu, ketepatan pengeboman ketinggian tinggi tidak cukup baik untuk menyampaikan bom seperti itu pada sasaran. Idea melantun di seberang air ke arah empangan seperti batu melukis terinspirasi.
Dalam percubaan awal beberapa perkara menjadi jelas. Pertama, untuk bom untuk melantun ia harus berputar - dengan backspin. Seperti halnya titik putaran belakang yang halus dalam tenis, yang menyebabkan bola berlegar di atas jaring.
Wallis mengusahakan bahawa bom dengan backspin akan dilevitated oleh apa yang dikenali sebagai kesan Magnus yang menghalang graviti menurun ke bawah dan memastikan bahawa ia melanda permukaan air dengan perlahan. Sekiranya bom melanda air terlalu keras, ia akan meletup secara awal, menyebabkan kerosakan pada pesawat di atas, tetapi tidak ada kerosakan pada empangan.
Oleh itu, spin bermakna bahawa bom dapat disampaikan dari ketinggian yang terkawal. Terbang sejauh 60 kaki sudah sangat berbahaya, tetapi tanpa backspin, pengebom Lancaster perlu terbang lebih rendah dan lebih cepat.
Dalam percubaan terawal di Wallis dia bekerja dengan kelereng dan bola golf dan jelas bahawa bomnya akan menjadi bulat. Tetapi kerana lebih mudah untuk menghasilkan bom silinder, sarung kayu sfera telah diikat ke silinder untuk menjadikannya bulat.
Walau bagaimanapun, apabila saiznya meningkat, saiz sarung bulat sfera akan terancam akibat kesan air. Ia tidak mengambil masa lama untuk menentukan bahawa sarung sfera tidak perlu dan silinder kosong akan melantun seperti berkesan.
Doktor spin
Tidak seperti bola, silinder hanya akan melantun jika mereka melantun lurus. Ini adalah sebab kedua yang baik untuk berputar bom, kerana putaran terus paksi silinder mendatar supaya ia mencecah air dengan tepat. Sama seperti planet Bumi berputar, kesan gyroscopic dari silinder berputar menstabilkan paksi putaran.
Wallis menemui satu lagi manfaat utama backspin. Bom itu tidak boleh menghancurkan tembok empangan pada 240 mph, kerana ia akan meletup dengan lebih awal dan tidak membawa kerosakan yang ketara. Jadi dia memastikan bom itu mendarat hanya pendek dari empangan - tetapi kerana ia masih berputar, ia melengkung dengan perlahan ke arah dinding empangan. Apabila ia mencapai kedalaman yang diperlukan, ia adalah betul-betul menentang empangan di mana ia akan menyebabkan kerosakan maksimum.
Akhirnya, Wallis perlu tahu berapa banyak bahan letupan yang digunakan. Beliau melakukan ujian skala kecil pada model dan kemudian mengusahakan bagaimana untuk meningkatkan jumlah letupan untuk menangani empangan yang tinggi 120 kaki, dan idealnya akan memuatkan bomnya dengan 40 tan letupan. Dalam acara itu (hanya ada satu kapal terbang yang boleh dibawa) dia hanya boleh menggunakan empat tan, begitu juga keadaan gelap, ketinggian rendah dan api musuh, ketepatan adalah kunci.
(Untuk percubaan bom kami sendiri pada tahun 2011, kami mendapati bahawa 50 gram letupan akan menghancurkan empangan 4 kaki sepenuhnya, jadi versi 30 kaki kami memerlukan 160 kilogram. Kami menggunakan 180 kilogram untuk memastikan ... dan ia benar-benar hancur. )
Berikutan percubaan ke atas air di Dorset dan Kent, serangan sebenar berlaku pada awal 17 Mei 1943, dengan 19 pengebom Lancaster terbang dari RAF Scampton di Lincolnshire. Setelah penerbangan selama tiga jam, pesawat pertama bergeser di empangan Möhne, terbang pada 240 mph dan pada ketinggian yang sangat rendah 60 kaki.
Bom itu dibebaskan kira-kira setengah batu di hadapan empangan, melantun lima atau enam kali dan tenggelam di dinding. Di kedalaman yang diperlukan 30 kaki tekanan air mencetuskan letupan di sebelah dinding empangan. Secara keseluruhannya, lima pesawat perlu menurunkan bom mereka sebelum empangan pertama dilanggar.
Serangan itu berbahaya, banyak nyawa yang hilang, dan kesannya dalam perjalanan perang masih dibahaskan. Satu perkara yang pasti kita boleh bersetuju tetapi, 75 tahun kemudian, ialah Wallis betul-betul diingati sebagai jurutera genius.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Hugh Hunt, Pembaca dalam Dinamik Kejuruteraan dan Getaran, University of Cambridge
