Какие катапульты, они же метательные машины, древности ты знаешь? Могла ли катапульта стрелять стрелами? Когда изобрели арбалет? Каждому юному робототехнику, который хочет лучше понять устройство некоторых машин и механизмов, а также разработать творческий проект на основе метательной машины, будет полезно ознакомиться с краткой историей создания древних метательных машин. Некоторые механизмы и физические принципы их функционирования широко применяются и в современной технике. Давайте начнем. В конце будет несколько вопросов.
Метательные машины получили широкое распространение в сухопутных армиях античных государств еще в IV веке до нашей эры. Их прототипами были обычная праща и лук.
Праща
Праща – древнейшее метательное орудие. Пращу изготавливали чаще всего из плетеной веревки или кожаного ремешка с расширением посередине, куда устанавливался камень – метательный снаряд. На одном конце ремешка делали петельку, которую цепляли за палец. Во время метания другой конец отпускался и праща разматывалась, выбрасывая снаряд в цель.
Широко известна история из Ветхого Завета о воине-великане Голиафе, представителе фелистимлянского войска, и будущем царе Иудеи Давиде. По легенде Давид сразил хорошо вооруженного Голиафа из пращи, попав ему камнем в лоб, и войско фелистимлян разбежалось.
Праща по сравнению с бросанием камня рукой давала возможность разогнать снаряд до большей скорости, а, следовательно, придать ему большую кинетическую энергию. Но точность метания из такого орудия была невысокой.
Лук
Лук – другое древнейшее метательное орудие. Так, в пещере Сибуду в Южно-Африканской Республике (ЮАР) археологи нашли каменные наконечники стрел возрастом около 60 000 лет!
Самый простой лук изготавливался из цельного куска дерева. Были и композитные луки, которые состояли из нескольких частей: более массивной центральной рукоятки и упругих левого и правого плеча, скрепленных вместе. Конструкция лука могла укрепляться, например, поверхностным плетением из жил животных, а в местах крепления тетивы могли быть костяные или металлические вставки.
Лук имеет два упругих на изгиб плеча (верхнее и нижнее плечо), которые после отпускания натянутой тетивы возвращают свою первоначальную форму за счет сил упругости. Чтобы запустить стрелу дальше, нужен лук с более толстыми и длинными упругими элементами. Но и сил для натягивания тетивы нужно будет потратить больше.
Логичным развитием всех последующих античных метательных машин стало использование в своей основе лука и пращи. Эти два ручных метательных орудия исчерпывают все физические принципы, применяемые позже в более сложных устройствах:
- использование потенциальной энергии деформированного упругого элемента (согнутого или скрученного);
- удлинение плеча метательного рычага для увеличения скорости тела, как в праще.
Гастрафет
Примерно с IV в. до н.э. в Древней Греции начали использовать гастрафет (в буквальном переводе – «брюшной лук»). Это ручное метательное орудие использовало механизм, напоминающий храповой, для завода тетивы и более мощные упругие плечи, по сравнению с луком. Чтобы зарядить гастрафет, нужно было упереть один конец в землю, а на другой надавить всей своей массой животом. Позднее у римлян и в Средние века такое орудие получило название арбалет, от латинского arcaballista — «arcus» — дуга, «ballisto» — бросаю.
Гастрафет стрелял тяжелыми и короткими стрелами. Стрелы для арбалета принято называть болтами.
Оксибелес (станковые луки)
Греческий «оксибелес», или станковый лук – логичное развитие гастрафета по увеличению его пробивной силы и дальности стрельбы. Тяжелый механизм устанавливался на лафет – опорную раму для орудия. Заряжание такого орудия происходило при помощи ворота – барабана с рычагами, на который наматывался канат, натягивающий тетиву.
Древнегреческие эвтитоны и палинтоны. Древнеримские скорпионы и баллисты
Для того, чтобы метать еще дальше, изобрели торсион. Торсионные метательные машины использовали уже не энергию упруго согнутого тела, а упруго скрученных канатов, сделанных из конского волоса или животных жил. Но внешне такое устройство напоминало гастрафет – так же два плеча, только в виде рычагов, закрепленных одним концом в пучке из канатов.
В Древней Греции метательные машины с торсионным механизмом для стрел получили название эвтитоны (греч. Euthytonon — стреломет), а для метания камней палинтоны (греч. Palintonon — камнемет).
Позже, в Древнем Риме, легкие эвтитоны, стреляющие стрелами, начали называть скорпионами. А камнеметы называли баллистами.
Многие под словом «катапульта» представляют средневековые осадные стенобитные орудия, метающие ядра. Изначально же катапультой в Древней Греции начали называть двухплечевые метательные машины, имеющие торсионный механизм. В некоторых источниках говорится, что изначально в Древней Греции под катапультой понимались только стрелометы (эвтитоны), хотя эвтитоны вместо стрел могли использовать и небольшие камни. Один из переводов слова «катапульта» (греч. καταπέλτης — «катапелтес») – производное от слов «вниз» и «бросать, швырнуть».
Искусство стрельбы из метательных машин (греч. «katapaltai») было описано еще примерно в 350 году до нашей эры античным греческим писателем Энеем Тактиком в трактате об осадном искусстве.
Позже, в Древнем Риме, катапультами собирательно начали называть все метательные машины — и баллисту, и скорпион, и онагр. Поэтому в исторических источниках получается путаница в точном названии тех или иных метательных машин.
Онагр
Онагр – следующий этап развития античных метательных машин. Он появился в древнеримской армии в III веке до нашей эры и исчез вместе с Римской империей.
В отличие от предыдущих торсионных метательных машин, онагр имел один рычаг и один торсион. Т.е. представлял собой одноплечий палинтон для метания камней и других тяжелых предметов.
Катапульта с ложкой, известная всем из голливудских фильмов – это упрощение конструкции онагра. На самом деле в онаграх на конце метательного рычага была праща, которая дополнительно ускоряла снаряд. Рычаг взводился в боевое положение с помощью ворота. На стопорной балке был валик – место удара рычага. При резкой остановке метательного рычага снаряд продолжал лететь по дуге и выходил из пращи в верхней точке, что придавало ему дополнительную кинетическую энергию.
Требушет (требюше)
Требушет (от французского Trébuchet — «весы с коромыслом») – древняя метательная машина для метания камней и других снарядов при помощи системы рычагов и пращи. Пожалуй, первым прообразом требушета была праща, привязанная к длинной палке и метаемая с руки. По древнегреческой классификации такие устройства можно было отнести к палинтонам.
В требушетах не было упругих элементов. В качестве источника энергии была или мышечная сила, когда нужно было тянуть рычаг с помощью каната, или потенциальная энергия поднятого груза. Чем выше и тяжелее был противовес, тем мощнее была метательная машина.
По историческим источникам первые конструкции, напоминающие требушет, были использованы в Древнем Китае примерно в V веке до нашей эры. В Европе требушеты использовались во времена крестовых походов и при осаде городов в междоусобных войнах. На Руси подобные м етательные машины назывались пороками.
Первые требушеты были ручными – человек или несколько человек тянули за канаты, привязанные к короткому рычагу.
У гравитационных требушетов имелся подвешенный к короткому рычагу груз. Груз мог быть неподвижным или качающимся. К концу метательного рычага привязывалась праща. Масса груза могла достигать 8 тонн, а снарядов – до 400 килограмм. Для метания использовались снаряды как правило из камня, круглой формы и одинаковой массы, чтобы сделать стрельбу более точной.
До наших дней не дошло ни одного требушета. А все современные реконструкции выполнены по картинам и достаточно туманным описаниям древних летописцев, как правило не имевших отношения к технике.
Катапульты и механизмы из античных метательных машин в современной технике
Как мы уже писали, термином «катапульты» в Древнем Риме в письменных источниках стали собирательно называть широкий спектр метательных устройств, которые применяли, в основном, в военных целях. Но и сейчас катапульты широко используются военными. Ведь не обязательно метать камни или стрелы.
Так, стартовые катапульты начали широко применяться на авианосцах еще в первой половине 20 века для разгона до полетной скорости палубных самолетов. Такие работы вели все промышленно развитые державы. В СССР в 30-е годы также проводились опытные работы по запуску гидросамолетов с коротких разгонных площадок. Вот только сесть самолет обратно на такой корабль уже не мог.
Посмотрим на современное исполнение стартовой катапульты — стойка шасси самолета цепляется за крюк, который разгоняется с помощью троса и паровой машины. На этом фото видно, как за истребителем тянется паровой шлейф.
С помощью стартовых катапульт запускаются небольшие разведывательные беспилотники. Для их взлета не нужна специальная взлетная полоса, а садятся они, как правило, по парашютному.
На этом фото приведен пример подготовки к запуску БПЛА «Орлан-10». Как видно, беспилотник стартует с направляющего рельса с помощью эластичного каната (резинкой это не назовешь).
Концерн Калашников выпускает беспилотники, которые можно запускать и без направляющей – как из рогатки. Например, таким образом катапультируется прямо с рук военного модель БПЛА Zala.
Такой упругий элемент, как торсион, который начал использоваться еще в Древней Греции в эвтитонах, палинтонах и онаграх, с 20 века широко применяется в устройствах некоторых машин. Например, в подвеске танков.
Торсионы используются даже в подвесках легковых автомобилей. Вот пример такой конструкции.
Вопросы
1. Какие метательные машины изначально начали называться в Древней Греции катапультами:
- гастрафеты
- оксибелесы
- эвтитоны
- палинтоны
2. Конструкцию какой метательной машины заимствует средневековый арбалет:
- гастрафеты
- оксибелесы
- эвтитоны
- палинтоны
3. Какие из метательных машин использовали торсион в качестве упругого элемента:
- гастрафет
- оксибелес
- эвтитон
- палинтон
- онагр
- требушет
4. Рассмотри фотографию с катапультой, которая была собрана с помощью набора Lego EV3. У какой древней метательной машины больше схожих черт с данным устройством?
- гастрафет
- оксибелес
- эвтитон
- палинтон
- онагр
- требушет
Литература
- А. Зорич. Устройство и классификация метательных машин
- А. Зорич. Скорпион
- А. Зорич. Онагр
- Д. Уваров. Требюше, или гравитационные метательные машины
- Другие открытые источники