Физика метательного оружия⁠⁠

С древних времен и до распространения пороха люди использовали различные виды метательного оружия, способные поражать противника на расстоянии. В данном посте я хочу кратко рассмотреть разные виды такого оружия с точки зрения элементарной физики.

Сначала я думал написать подробно, с формулами и выкладками, но вышло слишком громоздко и я их выкинул. Так что просьба знатоков физики не слишком придираться к формулировкам. Думаю, интересующиеся без проблем смогут расписать то же в виде уравнений.

Дисклеймер: Мета́тельное ору́жие — оружие дальнего боя, основанное на использовании мускульной силы человека, силы тяжести, упругих свойств дерева (металла, пластмассы) или энергии скрученных (растянутых) волокон. Да, лук и арбалет - тоже метательное.

Итак, несмотря на все все разнообразие метательного оружия, базовый принцип един - стрелок путем собственных усилий, прямо или опосредованно, разгоняет снаряд, направляя его в цель по баллистической траектории.

Воздействие на цель или, проще говоря, “урон” зависит от кинетической энергии, т.е. от массы снаряда и его скорости.

Дальность полета снаряда без учета сопротивления воздуха зависит только от скорости. С учетом - еще и от формы снаряда и массы. Но больше все же от скорости.

Теперь рассмотрим основные классы.

Начинает все ручное метательное оружие. Т.е. такое, которое просто кидается рукой, без дополнительных приспособлений.

Это самый простой и древний класс оружия. Антропологи говорят, что строение человека хорошо приспособлено для метания и это является одним из его эволюционных преимуществ перед остальными приматами.

И тем не менее, ручное метание предметов имеет ряд недостатков. Прежде всего, максимальная скорость снаряда ограничена скоростью движения руки. Даже при броске с разбегу эта скорость не очень высока. А значит, невысока и дальность.

Для понимания, рекорд в метании копья составляет чуть менее 100 метров, что весьма скромно для оружия других классов. И это спорт, т.е. все максимально заточено под конкретный результат.

Можно ли хотя бы получить большой урон? Для этого придется увеличивать массу снаряда. Но тут тоже сильно не разгуляешься - поскольку снаряд держится на весу, часть силы уходит на противодействие гравитации. Слишком тяжелый снаряд не получится даже разогнать до приемлемой скорости.

Разгоняющая сила - т.е. та, что непосредственно наделяет снаряд кинетической энергией равна векторной сумме приложенной силы и силы тяжести. Больше сила тяжести - меньше разгоняющая сила.

Как еще можно увеличить урон? Конечно, снабдить снаряд острием. Тогда его воздействие на цель - если та не слишком бронирована - при той же кинетической энергии многократно возрастет. Однако возникает вопрос- как сделать так, чтобы снаряд попал именно острой частью? Есть несколько решений.

Во-первых, можно сделать снаряд длинным и метать его вдоль оси, не допуская вращений по другим осям (вверх-вниз и вправо-влево). Если мы все сделаем правильно, то он так и будет двигаться до самой цели. Если же нет и снаряд завалится - упс.

Как вы уже догадались, выше описано копье)

Во-вторых, можно отдать данную проблему на откуп технике метающего. Пусть он задает вращение таким образом, чтобы снаряд долетел до мишени нужной стороной.

Так метают ножи и топоры. Однако, насколько я знаю, реальное боевое применение такого оружия под вопросом.

В-третьих, можно сделать лезвия со всех сторон. Получаем сюрикен.

Наконец, можно сделать снаряд аэродинамически стабильной формы, прицепив к нему оперение. Тогда как ни метни, в полете выровняется нужной стороной.

Такой способ использовался на римских плюмбатах и некоторых метательных копьях.

Но как все-таки можно повысить скорость, а значит и дальность броска?

Тут можно вспомнить механику и принцип рычага. Прилагая силу к меньшему плечу, мы получаем движение бОльшего плеча с меньшей силой, но бОльшей скоростью.

На этом принципе основана праща. Раскручивая ее вокруг некой точки, мы постепенно набираем на дальнем конце скорость, значительно превышающую ту, с которой движется рука. Как итог - предельная дистанция выстрела свинцовым снарядом, согласно экспериментам, составила аж 350 метров.

Также данный принцип используется в копьеметалке. Правда, там копье приходится дополнительно снабжать оперением - о причинах позже.

Существует и другой путь. Мы можем не разгонять снаряд сами, а воспользоваться некоторым устройством-посредником. “Запасти” работу в виде потенциальной энергии, которая потом перейдет в кинетическую.

Как мы знаем из курса школьной физики, основных источников потенциальной энергии в механике два - сжатие/растяжение пружины и набор высоты.

Самое древнее оружие, основанное на упругости - это лук. Мы можем медленно сгибать его, задействуя мощные мышцы спины, после чего он быстро разогнется, оправив стрелу со скоростью, значительно превосходящую ту, с какой мы могли бы ее кинуть рукой.

По поводу дальности стрельбы из лука можно встретить совершенно различные цифры, в зависимости от контекста. Современный спортивный рекорд - 1222 метра. Исторические рекорды османов составляли 500-700 метров, а англичан 300 метров. Однако реальная боевая дальнобойность была 100-150 метров, так как мало дострелить, надо еще попасть и хотя бы чуть-чуть пробить.

Однако у лука тоже есть своеобразный “потолок” в том, сколько энергии мы можем “запасти”. А именно - как много работы мы можем произвести “прозапас”.

Как мы, возможно, помним, работа пропорциональна силе и расстоянию. Сила, которую мы можем приложить ограничена. Расстояние, на которое мы можем растянуть лук тоже. Перемножив максимальную силу на максимальное растяжение, мы получим максимально возможную потенциальную энергию.

На самом деле там все еще сложнее, но об этом когда-нибудь в другой раз. Пока нам важно ограничение сверху.

Как можно его обойти? Как можно произвести больше работы и, соответственно, “запасти” больше потенциальной энергии?

Очевидное решение - прилагать для натяжения бОльшую силу. А для этого использовать специальные устройства, которые позволят эту силу приложить. Ну и как-то удерживать в натянутом состоянии, так как не факт что можно будет одновременно и натягивать, и наводить.

Несложно догадаться, что выше описан арбалет. Но не только. Схожий принцип используется для метательных машин - скорпионов, онагров, баллист. Только там в качестве пружины выступают бычьи жилы.

Наконец, сюда же относятся такие современные виды не совсем оружия, как рогатка и пневматика. Во втором случае используется фактически две пружины - обычная и воздушная, а также принцип гидравлики.

Но вернемся к иному виду потенциальной энергии, а именно - набор высоты. Есть ли оружие, использующие этот вид энергии?

Да - требуше.

Сначала человек (а иногда и целая команда) совершает работу, поднимая противовес, таким образом наделяя его потенциальной энергией. Потом противовес опускается вниз, переводя часть энергии в кинетическую энергию снаряда (а часть остается на колебания противовеса).

Правда, сам по себе противовес движется медленно. Поэтому для набора достаточной скорости используется старая добрая праща на длинном выносе.

Требуше - самая мощное из всех видов метательных оружий, есть сведения о машинах, метающих снаряды весом аж в полторы тонны.

Не слишком исторично, зато зрелищно)

Теперь пара слов о снарядах. Как мы помним, если мы хотим сделать их острыми, то надо также как-то обеспечить попадание в мишень именно нужной стороной.

Сделать снаряд просто вытянутой формы, как копье - не выйдет. Дело в том, что метая копье, вы держите его за центр тяжести. А у стрелы что в луке, что в арбалете, что в копьеметалке точка приложения силы сзади. Это максимально нестабильная система, малейшее отклонение приведет к еще большему отклонению.

Более того, у устройств с луком - лук, арбалет, некоторые баллисты - направления изначально не совпадают:

Дополнительно гуглить "archer's paradox"

Вывод? Необходимо оперение для стабилизации.

Впрочем, имея достаточно мощное оружие - как баллиста или поздние арбалеты - можно и вовсе отказаться от острия и сделать снаряды сферическими. Заодно будет хороший заброневой эффект. Существовали даже пулевые арбалеты, снабженные стволом. Их развитие, вероятно, и привело к появлению уже пороховых аркебуз. Но это уже совсем другая история.

Спасибо за внимание, в следующий раз думаю немного подробнее пройтись по луку. А пока все.