Физика древних времен. Арбалеты.

Зачем вообще нужен арбалет?

В киношных батальных сценах, где присутствуют лучники, почти обязательно будет сцена залповой стрельбы.

Раз — лучники разом натягивают луки. Проходит несколько секунд томительного ожидания… Два — по команде они разом выпускают стрелы.

Не менее часто какой-нибудь герой, натянув лук, долго что-то выцеливает, потом наконец спускает тетиву — и попадает точно в яблочко.

Увы, в реальной истории из лука так не стреляли. Боевой лук имел большую силу натяжения, держать его натянутым — зря расходовать силы. Более того, при этом зажимаются мышцы, начинается тремор — и с точностью можно попрощаться.

Ждать команды, целиться, делиться наблюдениями можно пока лук не натянут. Натянул — сразу спускай.

Однако очевидно, что при такой схеме момент выстрела несколько запаздывает. Это не страшно, если ты стреляешь по цели, которая на виду продолжительное время. Например, птица в небе или всадник в степи. Также это не слишком мешает при засыпании стрелами «по площадям». Но что если противник, к примеру, спрятался за зубцами крепостной стены и выглядывает только чтобы выстрелить самому?

Тут постепенно и приходит идея, что было бы неплохо иметь устройство, позволяющее разнести натяжение и выстрел. И это устройство — арбалет.

Арбалет изобретали несколько раз, судя по всему независимо. Были какие-то подвижки в древней греции, но «не взлетело». Были арбалеты у китайских Цинь и в последствии Хань. И, конечно же, были арбалеты в средневековой Европе — и именно тут они получили максимальное развитие.

Простой арбалет

Вернемся все же к физике. Рассмотрим для начала простой арбалет, который взводился без дополнительных приспособлений. Как-то так:

Как и в случае с луком, перед нами встает проблема ограничений упругой деформации. Сильно палку не согнуть, она сломается. И чем палка толще, тем меньше ее можно согнуть.

Лук можно было сделать длинным. Арбалет, по крайней мере ручной — нет. А значит, допустимый предел сгибания дуги арбалета будет небольшим. Как следствие — длина разгона стрелы у арбалета сильно меньше, чем у лука.

Теперь вспомним график:

Напомним, по оси X — расстояние, на которое мы натянули лук, по оси Y — сила натяжения. Накопленная потенциальная энергия, которая будет разгонять стрелу — это площадь под графиком. Теперь давайте сравним графики для лука и арбалета:

Оказывается, несмотря на бОльшее натяжение, потенциальная энергия арбалета сопоставима или даже меньше, чем у лука!

Кроме того, у арбалета вовсю проявляется главный бич механики — сила трения. В отличие от лука, стрела касается ложа на всем своем протяжении, а тетива ее еще и в ложе вдавливает.

С другой стороны, эти недостатки являются и преимуществами. Меньший путь разбега позволяет сделать более короткую, а значит более прямую, жесткую и однородную стрелу. А это хорошо сказывается на кучности.

Упор в ложе, в свою очередь, сильно снижает эффект archer’s paradox (когда стрела изгибается из-за несовпадения направления движения и направления приложения силы). Что, опять же, дает меньший разброс.

Подытожив — простой арбалет хоть и может иметь бОльшее натяжение, едва ли сообщает стреле бОльшую кинетическую энергию. Соответственно, арбалетная стрела не полетит дальше. Зато — полетит значительно точнее.

Продвинутые арбалеты

В принципе, большая точность — уже немалый плюс. Но арбалет допускает использование устройств для взвода, что позволяет устанавливать натяжение, многократно превосходящее таковое у лука.

Первые дуги арбалета были прямыми и из дерева. Затем их стали делать рекурсивными и из композитных материалов. Наконец, в 15 веке развитие металлургии позволило делать дуги из стали, что, в свою очередь, открыто дорогу очень тяжелым арбалетам.

Теперь поговорим об этих самых устройствах для натяжения.

Самое простое — поясной крюк, он же «пояс Самсона». Тут нет никакого выигрыша в силе, просто используются более сильные мышцы ног. При внешней примитивности это устройство просуществовало довольно долго благодаря дешевизне, практичности и скорости взведения. К тому же крюком можно взводить арбалет даже верхом.

Следующее — рычаг «козья нога».

Тут есть один интересный момент. В процессе натяжения сила натяжения растет. Сначала дугу сгибать легко, в конце — тяжело.

Здесь же у нас рычаг с перемещающейся точкой опоры. В процессе взведения меняется соотношение плечей, а значит и выигрыш в силе.

Т.е. получается чем большее требуется усилие, тем большей выигрыш в силе от рычага. По-моему круто.

Далее ворот. Если вы в деревне таскали воду из колодца, то вот это оно. Только еще и с блоками.

Тут задействовано сразу два механических принципа.

Первый — ворот. Вращая рукоять по большому радиусу, мы получаем на барабане меньшего радиуса выигрыш в силе. Коэффициент выигрыша равен отношению этих самых радиусов.

Второй — это блоки. Они позволяют получить кратный выигрыш в зависимости от их числа. На рисунке ниже представлен принцип их работы, только в нашем случае вместо верхнего блока барабан:

И наконец последнее, наиболее совершенное средневековое устройство для взвода — кранекин, он же «немецкий ворот».

Внутри стального барабана находятся несколько шестеренок различных радиусов. К самой маленькой присоединена ручка, к самой большой — зубчатая рейка. По сути, тот же принцип используется в современных лебедках. Или, возможно, более привычный пример — понижающая передача в автомобиле.

Не думаю, что кранекин так уж превосходил ворот в плане выигрыша в силе. Но — он был гораздо удобнее в использовании. С его помощью можно было взводить арбалет просто держа его в руках, без упора в землю — что очень оценили всадники. Настолько, что сей девайс даже дал название конным арбалетчикам — кранекинье.

Выводы

Теоретически, арбалет со стальной дугой и тяжелым болтом может выдавать огромную кинетическую энергию. Но есть «но».

Какие бы мы устройства не использовали, базовый принцип един: работа -> потенциальная энергия -> кинетическая энергия. А значит, чтобы получить много кинетической энергии, надо произвести много работы.

Во-первых, работа за единицу времени — это мощность. А мощность человека относительно постоянна. Значит, много работы займет много времени.

Во-вторых, на совершение работы ты будешь тратить энергию себя любимого, с большим трудом полученную из хавки и накопленную в жирке.

Иными словами, супер-тяжелый арбалет ты будешь натягивать очень долго и по итогам ты сильно задолбаешься. В то же время огнестрельное оружие использует химическую энергию пороха, что избавляет тебя от этого геморроя (возможно что и в прямом смысле).

Инфо: https://dzen.ru