Арбалет
Вернард Фолі,
Джордж Палмер, Вернер Содел
Це грізна
зброю, винайдений 2400 років тому, був широко поширений в XI ст. На
Протягом 500 років, поки не з'явилася вогнепальна зброя, з метою захисту
використовувалися переважно арбалети
Починаючи з XI ст.
протягом 500 років арбалет був грізною бойовою зброєю. Її використовували в
основному для захисту різних об'єктів, наприклад замків і кораблів. Крім того,
арбалет зіграв значну роль у пізнанні властивостей різних матеріалів
(оскільки при його виготовленні доводилося враховувати дію багатьох сил) і
законів руху в повітряному середовищі (адже стріла арбалета повинна була мати
певними льотними якостями). До вивчення принципів, що лежать в основі
стрільби з арбалета, не раз звертався Леонардо да Вінчі.
Майстра,
виготовляли луки, арбалети і стріли, не знали математики і законів механіки.
Проте проведені в Університеті Пардо випробування зразків старих стріл
показали, що цим умільцям вдалося досягти високих аеродинамічних якостей.
З вигляду арбалет
не здається складним. Його дуга, як правило, зміцнювалася попереду, поперек
дерев'яного або металевого верстата - ложі. Спеціальне пристосування
утримувало натягнуту до відмови тятиву і відпускав її. Напрямок польоту
короткої арбалетної стріли задавався або жолобом, вирізаним нагорі ложі, в
який закладалася стріла, або двома упорами, що закріплюють її спереду і
ззаду. Якщо дуга була дуже пружною, то для її натягування на ложі встановлювалося
спеціальний пристрій, іноді воно було знімним і його носили разом з
арбалетом.
Конструкція
арбалета має дві переваги в порівнянні зі звичайним цибулею. По-перше,
арбалет далі стріляє, і озброєний їм стрілок в поєдинку з лучником залишається
недосяжним для супротивника. По-друге, конструкція ложі, прицілу і спускового
механізму багато в чому полегшувала поводження зі зброєю; воно не вимагало від стрілка
особливої підготовки. Зацепние зуби, які утримували і відпускали натягнуту
тятиву і стрілу, є однією з ранніх спроб механізувати деякі
функції людської руки.
Єдине, в
ніж арбалет поступався луку, - це в швидкості стрілянини. Тому використовувати його в
як бойової зброї можна було тільки за наявності щита, за яким воїн ховався
під час перезарядки. Саме з цієї причини арбалет в основному був
поширеним видом озброєння кріпосних гарнізонів, облогових загонів і
суднових команд.
арбалет був
винайдений задовго до того, як отримав широке розповсюдження. Щодо винаходу
цієї зброї існують дві версії. За однією вважається, що вперше арбалет
з'явився в Греції, за іншою - у Китаї. Приблизно в 400 р. до н. е.. греки
винайшли метальні машини (катапульту) для метання каменів і стріл. Її
поява пояснювалося прагненням створити зброю більш потужний, ніж цибулю.
Спочатку деякі катапульти, за принципом дії нагадують арбалет,
мабуть, не переважали його за розмірами.
На користь версії
про походження арбалета в Китаї говорять археологічні знахідки спускових
механізмів з бронзи, що датуються 200 р. до н. е.. Хоча факти, що свідчать
про першу появу арбалета в Греції, є більш ранніми, письмові
китайські джерела згадують про використання цієї зброї у битвах в 341
р. до н. е.. Згідно з іншими даними, достовірність яких встановити складніше,
арбалет був відомий в Китаї ще на одне століття раніше.
Археологічні
знахідки говорять про те, що арбалет в Європі застосовувався протягом усього
періоду від античної епохи до XI-XVI ст., коли він став найбільш
поширеним. Можна припустити, що повсюдного його використання до XI
в. перешкоджали дві обставини. Одне з них полягає в тому, що
озброєння війська арбалетами обходилося значно дорожче, ніж луками. Інша
причина - мала кількість замків у той період; історично важливу роль замки
стали грати лише після завоювання Англії нормандцями (1066 р.).
З підвищенням
ролі замків арбалет став незамінним зброєю, використовуваним у феодальних
чварах, які не обходилися без лютих сутичок. Фортифікаційні
споруди в до-нормандський період зазвичай були дуже простими і служили головним
чином притулками для жили поблизу людей. Тому за кріпаками стінами
необхідно було тримати зброю, щоб відбивати напади завойовників.
Нормандці здійснювали владу на завойованих територіях за допомогою невеликих
тяжкоозброєних військових загонів. Замки служили їм для укриття від корінних
жителів і відбиття нападів інших збройних загонів. Дальність стрільби з
арбалета сприяла надійного захисту цих притулків.
Протягом
століть після появи перших арбалетів неодноразово робилися спроби
вдосконалити цю зброю. Один зі способів, можливо, був запозичений у
арабів. Арабські ручні луки ставилися до того типу, який називався
складовим, або складним. Їх конструкція повністю відповідає цій назві,
оскільки вони виготовлялися з різних матеріалів. Складовою цибуля володіє
явними перевагами в порівнянні з цибулею, зробленим з одного шматка дерева,
оскільки останній має обмежену пружність, яка визначається природними
властивостями матеріалу. Коли стрілець натягує тятиву, дуга лука із зовнішньою (від
лучника) сторони відчуває натяг, а з внутрішньої - стиснення. При надмірному
натягненні деревні волокна дуги починають деформуватися і на внутрішній її
стороні з'являються постійні "зморшки". Зазвичай цибуля тримали в
зігнутому стані, і перевищення деякого граничного натягу могло викликати
його поломку.
У складеному
цибулі до зовнішньої поверхні дуги кріпиться матеріал, здатний виносити більшу
натяг, ніж дерево. Цей додатковий шар приймає на себе навантаження і
зменшує деформацію деревних волокон. Найчастіше в якості такого матеріалу
використовували сухожилля тварин, особливо ligamentum nuchae - великий
еластичний вузол, що проходить уздовж хребта і над плечима у більшості
ссавців. Випробування показали, що такий матеріал, якщо він правильно
оброблений, витримує натяг до 20 кг/кв. мм. Це приблизно в чотири рази
більше, ніж може витримати саме відповідне дерево.
Для внутрішньої
боку лука використовували матеріал, що працює на стиск краще, ніж дерево.
Турки для цих цілей використовували бичачий ріг, припустиме зусилля стиснення якого
близько 13 кг/кв. мм. (Дерево стискають витримує навантаження в чотири рази
менше.) Про надзвичайно високої обізнаності лучних справ майстрів про властивості
різних матеріалів можна судити і по тому, які клеї вони використовували при
виготовленні луків. Найкращим вважався клей, приготований з неба волзького
осетра. Різноманітність незвичайних матеріалів, що застосовувалися в лучно справі, говорить
про те, що багато хто конструктивні рішення досягалися дослідним шляхом.
арбалет з
складовими дугами були поширені в середні віки, включаючи епоху
Відродження. Вони були легше арбалетів зі сталевою дугою, які почали
виготовляти на початку XV ст.; при однаковому натягу тятиви вони стріляли далі
і були більш надійними. Дія складових дуг цікавило Леонардо да Вінчі.
Його рукописи свідчать про те, що з їх допомогою він вивчав поведінку
різних матеріалів під навантаженням.
Поява
сталевий дуги в середні століття було зенітом у розвитку конструкції арбалета. За
своїми параметрами він міг би поступитися тільки арбалету, виготовленому з
склопластику та інших сучасних матеріалів. Сталеві дуги володіли такою
гнучкістю, яку раніше не міг забезпечити ні одна з органічних матеріалів.
Спортсмен вікторіанської епохи Ральф Пейн-Геллві, який написав трактат про
арбалеті, провів випробування великого військового арбалета, натягнення тятиви
якого дорівнювала 550 кг, посилав 85-грамову стрілу на відстань 420 м.
Е. Хармут, фахівець з історії арбалета, стверджує, що існували дуги з
натягом в два рази більшим. Проте в середні століття найбільш поширеними
були арбалети з натягом менше 45 кг. Навіть спеціальними полегшеними стрілами
вони стріляли не далі 275 м.
З досягненням
більш високих натягнення сталеві дуги перестали вигравати в ефективності.
Збільшення маси дуги обмежувало її здатність повідомляти стрілі більше
прискорення. Через труднощі одержання сталевих злитків великого розміру
арбалетні дуги, як правило, сплавляли з багатьох шматків металу. Кожне місце
сплавки знижувало надійність арбалета: у будь-який момент дуга в цьому місці могла
зламатися.
Більш потужні арбалети
вимагали надійних спускових механізмів. Слід зазначити, що спускові
механізми, що використовувалися європейцями і звичайно складалися з
що повертається зуба і простого важільного спуску, поступалися китайським, які
мали проміжний важіль, що дозволяв робити постріл коротким і легким
натисканням на спусковий важіль. На початку XVI ст. у Німеччині почали використовувати
багатоважільна спускові механізми більш досконалої конструкції. Цікаво, що
дещо раніше Леонардо да Вінчі придумав таку ж конструкцію спускового
механізму і розрахунковим шляхом довів її переваги.
Арбалетний
стріла також видозмінювалася з плином часу. Перед тим як простежити його
еволюцію, розглянемо сили, що діють на стрілу лука. При стрільбі зі звичайного
лука стріла в момент прицілювання повинна бути розташована між центром грудей
стрільця і пальцями його витягнутої руки. Відносне розташування цих двох
точок визначає напрямок польоту стріли після відпускання тятиви.
Сили,
що діють на стрілу в момент її відпускання, однак, не зовсім збігаються з
лінією прицілу. Відпущена тятива штовхає торець стріли у напрямку до центру
лука, а не в бік. Отже, щоб стріла не відхилялася від заданого
напряму, вона повинна злегка прогнутися в момент запуску.
Необхідна
гнучкість стріли для традиційного лука накладає обмеження на кількість
що повідомляється їй енергії. Наприклад, було встановлено, що стріла, призначена
для цибулі з натягом до 9 кг, при стрільбі нею з арбалета з натягом 38 кг
може зігнутися так сильно, що її держак зламається.
У зв'язку з цим
в античну епоху, коли стали використовуватися арбалети і катапульти, були
придумані стріли нової конструкції. Завдяки тому що поверхня ложі
арбалета забезпечувала збіг напрямку руху тятиви з початковим
напрямком польоту стріли, а спеціальне направляючий пристрій дозволяло без
допомоги рук утримувати її в певному положенні, стало можливим робити
арбалетні стріли коротшими і менш пружними. Це в свою чергу
полегшило їх зберігання та носіння.
Про конструкції
стріл, що з'явилися в той час, можна судити по двох що дійшли до наших днів
основних типів. Стріла одного типу в два рази коротше звичайної, лучною стріли.
Вона різко розширюється до заднього кінця і має декілька лопаток, або оперення,
що занадто малі, щоб стабілізувати стрілу в польоті. Торцева частина
стріли захоплюється зацепнимі зубами.
Стріли іншого
типу не мають лопаток. Їх металева передня частина становить третину їх
довжини, а дерев'яний держак скорочено до мінімуму. Ці стріли також мають
розширюється до хвостовій частині форму. Загальна їх довжина менше 15 см.
Конструктивні
особливості цих стріл говорять про те, що майстрам Стародавнього Риму, які
першими винайшли їх, були знайомі літні якості тел різної форми. Сьогодні
нам зрозуміло, що оперення, яке запобігає обертання стріли у польоті,
є основною причиною її гальмування. Зменшення його розмірів дозволило б
збільшити дальність польоту стріли за умови, що вона не повертається в
сторону, що ще більше загальмувало б її політ. Цього можна уникнути, загостривши
держак, тобто зробивши його в передній частині вужче, ніж в задній. Якщо стріла з
таким держаком почне повертати в бік, то тиск повітря на більш
широку задню частину буде вищою, ніж на передню; за рахунок цього напрям
польоту стріли вирівнюється.
Можна також
припустити, що держак має центр тиску (точка рівноваги всіх
діючих на нього аеродинамічних сил), розташований за центром ваги. На
циліндричної стріли без оперення ця крапка буде знаходитися приблизно
посередині древка. У розширюється стріли центр тиску зміщується до задньої
частини. Оскільки центр тиску розташований за центром ваги, стійкість
стріли з розширюється держаком вище, ніж з циліндричним, а за рахунок відсутності
оперення її лобове опір менше. Розширюється держак сприяє
також більш рівномірному розподілу тиску повітряної маси на його
поверхню. Використовуючи термінологію сучасної аеродинаміки, можна сказати,
що прикордонний шар менш схильний до руйнування. Зменшення довжини стріли також
поліпшує її льотні якості, оскільки із збільшенням довжини турбулентність
повітряного потоку, паралельного циліндричної поверхні, збільшується,
поглинаючи велику енергію.
ІНШИХ
фактором, від якого залежить ефективність стрілянини стрілами з розширюється
держаком, є конструкція оперення. Для утримання болта захоплюючими
зубами спускового механізму в його оперенні робилася спеціальна виїмка. Як і
розширюється форма древка, наявність виїмки сприяє більш рівномірному
обтікання стріли повітрям, зменшенню енергопоглинаючий турбулентності позаду
неї.
У ранній
середньовіччя майстрам, які виготовляли луки та арбалети, не були знайомі закони
руху повітря і сили, що виникають на поверхні тіл при їх русі в
повітряному середовищі. Такі поняття, як повітряний потік і лобове опір,
з'явилися лише в часи Леонардо да Вінчі. Немає сумніву, що арбалетні
стріли були створені головним чином методом проб і помилок. Ймовірно, їх творці
керувалися прагненням досягти максимальної дальності польоту і
найбільшої сили удару.
Тим не менше
конструкція арбалетних стріл відрізняється досконалістю. Випробування в
аеродинамічній трубі, проведені нами в лабораторії аеродинамічних досліджень
Університету Пардо, підтверджують це. Випробувані були звичайна стріла для бойового
цибулі, якими користувалися у середні віки, що відноситься до того ж періоду
арбалетна стріла і два типи стріл для катапульти. Отримані результати
слід інтерпретувати з певною обережністю, так як розміри досліджуваних
об'єктів, особливо самого малого, наближалися до порога чутливості
вимірювальної апаратури. Але навіть за цих граничних умовах експерименту
вдалося отримати досить цікаві дані. По-перше, сама маленька стріла,
яка повністю збереглася, якщо не вважати невеликих ушкоджень у оперенні,
судячи з отриманими даними стабільно зберігала своє становище при всіх
допустимих кутах польоту.
По-друге,
порівняльний аналіз відносин лобового опору до маси для всіх чотирьох
типів стріл показав, що стріла для цибулі значно поступалася за своїм льотним
якостям трьом іншим. Масу стріли можна розглядати як міру її
здатність зберігати кінетичну енергію. Якби всі ці стріли були
запущені з однією і тією ж швидкістю, то маса кожної з них визначала б запас
енергії стріли в початковий момент. Швидкість витрачання енергії залежить від
лобового опору. Мале значення відношення лобового опору до маси
означає ймовірність того, що дальність польоту стріли буде великою.
У стріли для
лука це відношення приблизно в два рази більше, ніж у арбалетних стріл. Можна
припустити, що якби середньовічним і більш раннім майстрам в створенні стріл
для цибулі вдалося подолати конструктивні обмеження, то вони могли б
розробити більш оптимальну конструкцію. Існуюча ж конструкція стріли
настільки добре відповідала наявним у той час матеріалів, що її
геометрія не вдосконалювалася протягом того періоду, поки цибуля вважався
основною зброєю.
УСІ ЦІ
удосконалення диктувалися гострою потребою в арбалетах. Часто в мирний
час на території замків розміщувалися гарнізони, що складаються в основному з
стрільців, озброєних арбалетами. На добре захищених аванпостах, таких, як
англійська порт Кале (на північному узбережжі Франції), в запасі знаходилося 53
тис. арбалетних стріл. Власники цих замків зазвичай закуповували стріли великими
партіями - по 10-20 тис. штук. Підраховано, що за 70 років з 1223 по 1293 один
семья на території Англії виготовила 1 млн. арбалетних стріл.
На підставі
цих фактів можна сказати, що початок масового виробництва було покладено
задовго до промислової революції. Підтвердженням цьому може служити
використовувалася в той час просте пристосування з двох скріплюються
дерев'яних брусків, що утворюють щось схоже на лещата: у наявні в дерев'яних
брусках поглиблення вставлялася заготівля стріли для подальшої обробки. Для
виготовлення лопаток оперення використовувалися металеві пластини з пазами, в
які вставлялися заготовки. Таке пристосування давало можливість отримати
потрібні розміри і симетричну форму лопаток.
Інше
пристрій - стругальні машина, яка, ймовірно, призначалася як для
обточування древка стріли, так і для прорізування пазів, в які вставлялися
лопатки оперення. Стрижні з дерев'яних заготовок невеликого діаметра було
нелегко виготовити на примітивних токарних верстатах того часу, тому що при
обробці ріжучим інструментом заготовки вигиналися. У стругальне машині
різальний інструмент з металу закріплювався в дерев'яному бруску з двома зажимами
на протилежних сторонах. Брусок пересувався уздовж затискного обладнання,
яке міцно утримувала заготівлю стріли. Ріжучий інструмент знімав стружку
до тих пір, поки брусок не доходив до поверхні затискного пристрою. Таким
чином досягався автоматичний контроль товщини зрізаного шару і
напрямку різання. У результаті стріли виходили майже однакового розміру.
На зміну
арбалету прийшло вогнепальну зброю. Популярність стародавнього арбалета стала
падати. Проте їм ще продовжували користуватися в морських боях. Причина
полягала в тому, що арбалет не мав запалу, і для стрільця він був безпечним
на відміну від вогнепальної зброї, яка спочатку нерідко вражало
самого стрільця. Крім того, фальшборт на судні служив гарним прикриттям, за
яким можна було спокійно перезаряджати арбалет. Більш важкі арбалети
продовжували використовувати в китобійного промислу. Вогнепальна зброя поступово
витіснило арбалет і в полюванні на суші. Виняток становили арбалети, які
стріляли каменями або кулями. Цей вид зброї у полюванні на дрібну дичину застосовували
аж до XIX ст. Те, що ці арбалети, що стріляли дробом або кулями, мали
багато спільного з вогнепальною зброєю, свідчить про взаємний вплив двох
видів озброєння в процесі їх еволюції. Такі елементи вогнепальної зброї,
як ложа, спусковий гачок, що вимагає слабкої натискання, і прицільне
пристосування, що були запозичені в арбалетів, і в першу чергу у спортивних.
Такі арбалети і зараз ще не вийшли з ужитку.
Поява в XX
в. скловолоконних матеріалів привело до створення складових арбалетів нового
покоління. Скляні волокна за своїми властивостями не поступаються натуральним жилах,
а їх клітинна структура так само міцна, як бичачий ріг. Хоча у відродженні
лучною стрільби арбалет ще багато в чому відстає за своєю популярністю від цибулі, у
нього теж є чимало прихильників. Сучасний стрілець з арбалета має в
своєму розпорядженні "зброю" набагато більш зроблене в порівнянні з
тим, яким воно було в середні віки.
АНГЛІЙСЬКА
Арбалет. На його дерев'яній ложі вказана дата виготовлення - 1617 Пластина з
слонової кістки з інкрустацією говорить про те, що цей арбалет був мисливським;
військовий арбалет навряд чи мав би таку художню обробку. Для натягу
тятиви арбалета було потрібно зусилля, що перевищує сто кілограмів, тому
арбалетник використовував спеціальний механізм з зубчастої передачею. В ложі
арбалета є гніздо, яке, ймовірно, призначалися для цього
механізму. Тятива показана в натягнутому стані. У такому положенні вона
утримувалася зацепнимі зубами, які відпускали її при натисканні на спусковий
гачок, що розташовувався знизу ложі. Випущена з арбалета коротка стріла
завдовжки 30,5 см пролітала відстань близько 400 м. Дуга арбалета кріпилася до ложі
за допомогою кільця і жгутовая обв'язки. Малюнок зроблений з арбалета з колекції
музею Військової академії США у Вест-Пойнті (шт. Нью-Йорк).
ТРИ Арбалет
зображено на картині італійського художника XV ст. Антоніо дель Поллайоло
"Св. Себастьян". Один стрілець цілиться з арбалета, два інших
натягують тятиву, використовуючи арбалетні "стремено", оскільки для
натягу тятиви було потрібно велике зусилля. Картина зберігається в Національній
галереї в Лондоні.
ФРАНЦУЗЬКА
БОЙОВОЮ Арбалет XIV ст. і дві стріли до нього з колекції музею Військової академії
США у Вест-Пойнті (шт. Нью-Йорк). Натягнути тятиву такого арбалета вручну було
неможливо, тому на задньому кінці верстата, або ложі, встановлювався воріт.
Ложа має довжину 101 см, ширина арбалетної дуги 107 см, довжина стріл приблизно 38
см.
Арбалет складається
з зігнутої дуги, тятиви, зацепного зуба (за який чіплялася тятива) і
спускового важеля. При натисканні на важіль зуб відпускав тятиву, і стріла вилітала
з арбалета. Упор фіксував положення механізму натягу, за допомогою якого
тятива відводилася тому. Конструкція механізму натягу - одна з ранніх
прикладів використання зубчастої передачі.
ПАРАДОКС
СТРІЛКА частково пояснює, чому при стрілянині з арбалета використовували
короткі стріли. Парадокс демонструється для випадку, коли стрілок використовує
стрілу від звичайного лука. Під час прицілювання (1) стріла розташована по один
бік цибулі. Лінія прицілу проходить уздовж стріли. Однак, коли стрілок
випускає стрілу (2), сила, з якою тятива діє на неї, змушує
рухатися хвостову частину стріли до центру лука. Щоб стріла зберегла своє
напрямок на мету, вона повинна зігнутися в польоті (3). На перших декількох
метрах польоту стріла вібрує, але врешті-решт її становище стабілізується
(4). Необхідність у гнучкості лучною стріли обмежує кількість енергії,
яку можна їй повідомити. На відміну від неї арбалетна стріла повинна бути більше
короткою і жорсткою, оскільки арбалет повідомляє їй значну енергію. Такі
стріли мали також кращими аеродинамічними властивостями.
Спусковий
МЕХАНІЗМИ арбалетів мали різну конструкцію. У Китаї 2000 років тому
використовувався механізм (a) з зубом для зачеплення тятиви, який тримався на
тієї ж осі, що і спусковий гачок. Вигнутий проміжний важіль з'єднував обидві
деталі, за рахунок чого спуск проводився легким і коротким натисканням. Справа
показано напрямок руху тятиви при спуску. На Заході спускові механізми
вперше стали застосовуватися в катапульта (b). У цих механізмах при відпуску
тятиви зуб не опускався, а піднімалося. У середньовічній Європі самим
поширеним був механізм із спусковим коліщатком (c); його положення фіксувалося
простим спусковим важелем, який зачіпатися за виїмку внизу коліщатка. При
натисканні на такий важіль арбалет міг зміщуватися з прицільного положення. З
часом у всіх конструкціях спускових механізмів став використовуватися
проміжний важіль, що полегшували спуск.
ТИПИ стріл для
луків і арбалетів: звичайна стріла для бойового довгого лука (a);
використалася римлянами стріла (b) для катапульти, схожою на арбалет;
типова стріла для середньовічного арбалета (c) і два різновиди стріл для
катапульти іншого римського зразка меншого розміру (d). Під зображеннями
стріл наведено їх вигляд з боку хвостового оперення і вид з боку вістря.
РЕЗУЛЬТАТИ
ВИПРОБУВАНЬ в аеродинамічній трубі п'яти типів стріл, зображених на верхньому
малюнку. Випробування проводилися за участю автора статті в лабораторії
аерокосмічних досліджень Університету Пардо. У розрахунках, виконаних У.
Хікам, приймалося, що початкова швидкість кожної стріли становила 80 м/с.
Хоча таку швидкість навряд чи мали стріли для довгого лука, прийняте значення
було зручно для проведення порівняльного аналізу.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://arbalet.h1.ru/
