Физика арбалета⁠⁠

Первый пост из серии был посвящен метательному оружию вообще, второй - конкретно луку. Пришла пора поговорить о его развитии - арбалете.

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.

В этом месте многие начнут писать гневные комментарии про бОльшее натяжение арбалета, которое позволяло пробивать рыцаря вместе с конем навылет. Наберитесь терпения, это мы тоже рассмотрим)

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. Если вы забыли или не читали предыдущий пост, кратко напомню - 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 из предыдущего поста:

Напомню, 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.

Были попытки использовать подвижный блок для двукратного выигрыша (на рисунке под цифрой 2). Также я встречал остроумную конструкцию, позволяющую добиться схожего эффекта с помощью одной только веревки. Но - непонятно, реальное ли это устройство или просто фантазия автора.

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.

Схематичное изображение системы. Выигрыш в силе = AC/AB

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.

Схематичное изображение системы. Выигрыш в силе = AC/AB

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:

Вот здесь, к примеру, система под номером 3:

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).

Все устройства натяжения разом

Арбалет в массовом сознании

В современном инфополе представления об арбалете довольно различны. Более того, они порой прямо противоположны. То он подается как убероружие, пробивающее любую кирасу навылет с огромных дистанций. То - напротив. массовое оружие быдла, неспособного освоить лук. Где правда?

Ни там, ни там)

Дело в том, что как показано выше, арбалеты были разные. У них были разные устройства для взвода, разное натяжение, разный материал дуги. Кинетическая энергия болта различалась в разы, а то и на порядки.

Тяжелый арбалет со стальной дугой, взводимый воротом, и правда мог посылать стрелы на 200-300 метров, на малых дистанциях уверенно пробивал кольчугу и с некоторым везением даже латы. В то время как арбалеты с деревянным луком, взводимые поясом, могли поразить разве что незащищенную цель на дистанциях не более 100-150 метров.

Нередко можно встретить тезис о том, что арбалет был распространен как массовое оружие, поскольку он проще в освоении, чем лук. Мол, можно было набрать крестьян, выдать им арбалеты, немного потренировать и вперед.
Это не совсем соответствует действительности.

Целиться из арбалета хоть и проще, но ненамного. Прицельных приспособлений на средневековых арбалетах не стояло, стрельба велась "от бедра". Угол возвышения даже на прицельных дистанциях был гораздо выше, чем у современных винтовок. И подбирать его приходилось так же, как и при стрельбе из лука - интуитивно.

Арбалет, в особенности тяжелый, технически гораздо сложнее лука, требует более квалифицированного ухода. И, главное, арбалет значительно дороже. А в средние века нормой было что воин сам себя обеспечивает необходимым снаряжением.

Так что скорее наоборот - массовым оружием были луки, а арбалеты - уделом высокооплачиваемых профессионалов.

Впрочем, судя по документам, на практике часто вообще не делали разницы между луком и арбалетом. Стреляет и ладно.

Еще по теме

Часто можно услышать что церковь запретила арбалеты как слишком эффективное оружие. Я разбирал этот вопрос в данном посте: Причины запрета арбалета в средние века Для ЛЛ - нет, церковь не выделяла арбалеты, запрет касался и луков.

К вопросу, существовали ли конные арбалетчики: Конные арбалетчики - миф или реальность? Для ЛЛ - существовали, но не были распространены.
Ну и не могу не порекомендовать очень хороший пост про историю развития арбалетов с массой картинок от пикабушника Strory.tolstopuz:

Арбалет. От позднего средневековья до нового времени.