Физика метательного оружия
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Кузбасская
государственная педагогическая академия
Кафедра
физики и методики преподавания физики
КУРСОВАЯ
РАБОТА
ФИЗИКА
МЕТАТЕЛЬНОГО ОРУЖИЯ
Студентки
группы
ФИ-10-01 4
курса ФМФ
Брагиной Александры
Сергеевны
Руководитель
А. А.
Васильев
старший
преподаватель
Новокузнецк,
2013
Содержание
Введение
. История зарождения и развития
метательного оружия
. Ручное метательное оружие
2.1 Ножи
2.1.1 Метательный нож
.1.2 Баллистический нож
2.2 Метательно-стрелковое оружие
2.2.1 Пули
.2.2 Стрелы
2.3 Дротики
2.3.1 Дротик
.3.2 Гарпун
.3.3 Абордажная кошка
2.4 Изогнутые дубинки и топоры
2.4.1 Бумеранг
.4.2 Топор
2.5 Болас
.6 Сюрикэн
.7 Чакра
3. Метательные машины
3.1 Баллиста
3.1.1 Гастрафет
.1.2 Аркбаллиста (оксибел)
.1.3 Палинтон
.1.4 Скорпион
.1.5 Полибол
3.2 Катапульта
3.2.1 Онагр
.2.2 Эспрингаль
.2.3 Требюше
3.3 Сифонофор
4. «Физика» бумеранга
4.1 Первое знакомство
.2 На войне как на войне
.3 Спортивные бумеранги
.4 Конструкция и принцип действия бумеранга
.5 Физическое обоснование
возвращения бумеранга
Заключение
Введение
Метательное оружие - оружие, способное поражать
противника на расстоянии, то есть без непосредственного контакта с нападающим.
Действие метательного оружия основано на использовании
мускульной силы человека, силы тяжести, упругих свойств дерева (металла,
пластмассы) или энергии скрученных (растянутых) волокон.
Метательное оружие пользовалось и пользуется
значительным распространением у многих народов. Простейшими метательными снарядами
были камни и палки.
С каждым годов метательное оружие становится всё
сложнее и совершенней. Но одно остаётся неизменным - в основе принципа действия
метательного оружия лежат ЗАКОНЫ ФИЗИКИ.
Цель работы:
рассмотреть физические принципы устройства и действия метательного оружия
Задачи:
1. Проанализировать литературу по тематике
курсовой работы;
. Рассмотреть историю возникновения и развития
метательного оружия;
. Проанализировать физические принципы действия
основных видов ручного метательного оружия;
. Проанализировать физические принципы действия
основных видов метательных машин;
. Охарактеризовать устройство и принцип действия
бумеранга.
1. История зарождения и развития
метательного оружия
физика метательное оружие бумеранг
В первом камне, брошенном рукой человека, можно
видеть зарождение мысли о метательном оружии, которое постепенно в течение
тысячелетий превратилось в современное стрелковое оружие.
Более слабый по сравнению с животными человек
должен был прибегать к метательному оружию, дававшему ему значительные
преимущества.
Но не только против животных должен был бороться
первобытный человек. По мере развития человечества первые же зачатки
собственности, а также различия в обычаях и нравах начали вызывать столкновения
и между людьми. Человек должен был совершенствовать свое оружие.
Чтобы не остаться безоружным после бросания
камня и сохранить это оружие для дальнейшей борьбы, первобытный человек
прикреплял камень к какой-нибудь перевязи, подобной нашей современной веревке,
изготовлявшейся в то время из стеблей длинных вьющихся растений, из лыка
деревьев и жил животных. Появлялась возможность быстро притягивать к себе
брошенный камень и таким образом постоянно иметь оружие для защиты от
нападающего зверя. Такое оружие называлось боласом.
Имелись также тройные боласы, в которых к
веревке прикреплялось три камня, что способствовало большей надежности
поражения зверя.
Первоначальный образец пращи представлял расщепленную
на конце палку; между этими концами помещали округленный камень - голыш;
вследствие значительного размаха палки камень получал большую скорость и летел
дальше, чем это можно было сделать рукой без палки.
Более совершенный образец пращи представлял собой
веревку или ремень с уширением в средней части; в это уширение вкладывался
камень. Постепенно, по мере того как люди знакомились с добыванием металла,
камень, как недостаточно прочный материал и имевший неправильную форму,
заменялся металлическими снарядами в виде жёлудя или круглой пули. Ремень
складывали вдвое, причем один его конец петлей надевался на кисть правой руки,
а другой удерживался между большим и указательным пальцами. Сложенной таким
образом пращой делали несколько круговых оборотов вокруг плеча снизу, вперед и
вверх и затем отпускали зажатый между пальцами конец; камень или снаряд
отделялся при этом от пращи и летел вперед. Умелые и опытные пращники могли
бросать снаряд на расстояния до 200 м. Праща применялась не только у
первобытных людей для борьбы с хищными зверями и для добывания себе пищи; она
была и главным метательным оружием у воинов древних государств - Египта,
Греции, Рима.
То же стремление поражать издали было причиной
появления и других образцов метательного оружия - дротов и бумерангов.
Первоначальный дрот представлял палку с заостренным концом или укрепленным на
ней металлическим наконечником.
Дроты были главным оружием в войсках Рима;
бросив вперед свои дроты (пилумы), воины для схватки с противником обнажали
мечи. Дальность бросания дрота - 25-30 м.
Другим, более интересным образцом метательного
оружия был бумеранг, имевший распространение еще в древности у египтян;
применяется он в настоящее время в Австралии для охоты. Изготовлялся бумеранг
из дерева или костей животных. Особенность этого оружия заключается в том, что,
благодаря особой форме своего устройства, бумеранг при промахе возвращается
назад, к месту, откуда он был брошен.
Дальнейшее познание природы и стремление
увеличить дальность бросания дрота привели человечество к применению наиболее
совершенных и распространенных образцов метательного оружия прежних времен - луков.
В луке стрела, являвшаяся подобием дрота,
выбрасывалась с помощью тетивы силой упругости этого оружия. Сила руки,
бросавшей дрот, заменилась силой упругости древка лука. Луки применялись в
глубокой древности у египтян, ассирийцев и вавилонян, о чем свидетельствуют
изображения воинов, найденные при раскопках старинных построек.
Лук состоял из древка и тетивы; древко
обыкновенно изготовлялось из дерева; впоследствии его стали делать из тонких
стальных пластин. Материалом для тетивы служили жилы животных, сыромятные
ремни, шелковые или пеньковые веревки. Стрелы изготовлялись из дерева, причем
на переднем конце укреплялся острый металлический наконечник, на заднем же
находилось оперение для поддержания устойчивости стрелы при полете. Длина
стрелы - около 0,75 м; наконечник стрелы иногда смазывали ядом. Дальность
полета доходила до 500 м. Отличные стрелки могли выпускать одну стрелу каждые 5
секунд.
Вследствие дешевизны, простоты изготовления и
хороших боевых качеств - большой дальности полета и хорошей меткости стрел -
лук был главным оружием войск и очень долго находился на их вооружении; луком
пользовались и после появления огнестрельного оружия.
Для улучшения меткости стрельбы лук укреплялся в
деревянной ложе, при помощи которой было более удобно нацеливать оружие, так
как она давала упор в плечо; кроме того, ложа давала возможность увеличить
натяжение тетивы. Такое оружие называлось арбалетом. Появился арбалет
впервые в войсках французского короля Людовика VI в 1139г. Меткость стрельбы из
арбалета была очень высокая: искусные стрелки попадали в яблоко с 40 и даже с
70 метров.
Усовершенствование арбалета выразилось в
применении способов для облегчения очень затруднительного натягивания тетивы;
появились луки с тетивами, натягиваемыми ногой или же посредством особого
зубчатого механизма.
При дальнейшем развитии оружия к арбалетам стали
приспособлять трубку (ствол) с продольными щелями для метания вместо стрел
свинцовых пуль; по продольным вырезам скользили боковые выступы особого
цилиндрика, двигавшегося в стволе под действием тетивы; на этот цилиндрик и
накладывалась пуля. Ствол увеличил меткость стрельбы. Такое оружие называлось аркебузом.
По своему устройству аркебузы уже несколько приближались к современным ружьям;
они имели ствол, ложу, спусковой механизм.
Из всего сказанного видно, что по мере развития
человечества совершенствовалось и применявшееся им ручное оружие. От бросания
рукой камней или палки с заостренным концом перешли, с одной стороны, к праще,
а с другой - к луку. В праще метательная сила бросания камня была увеличена
большим размахом вокруг плеча длинного ремня, в котором помещался камень или
снаряд. В устройстве же лука эта сила для бросания дрота, измененного в стрелу,
была увеличена сильным упругим сгибанием древка, действовавшего на стрелу при
помощи тетивы подобно сжатой пружине. Для большего удобства действия и
увеличения меткости к луку приспособили ложу, изобретя арбалеты. Для метания
вместо стрел свинцовых пуль к арбалетам присоединили ствол, сконструировав
аркебузы.
2. Ручное метательное оружие
.1 Ножи
.1.1 Метательный нож
Хотя метать можно любой нож, существуют
специально предназначенные для этого ножи особой конструкции. Клинок может быть
тяжелее рукояти для улучшения баллистики. Используется колющий фактор, поэтому
форма клинка копьеобразная и лезвие может отсутствовать. Эфес имеет следующие
особенности:
· Упрощенная рукоять, отсутствуют упоры на рукояти
и гарда. Ибо такие ножи не используются для резки и нет нужды в удобном хвате,
а также этим снижается вес рукояти и улучшается баллистика.
· Отсутствуют накладки на рукояти. Так
как, будучи сделаны из дерева или пластика, они раскалываются от удара,
оставляя осколки и торчащие из хвостовика заклёпки.
· Рукоять может иметь отверстие. Для
удобства закрепления нескольких ножей и быстрого метания их серией, а также для
закрепления верёвки чтобы подтягивать кинутый нож обратно или использовать в
качестве гарпуна или «кошки».
2.1.2 Баллистический нож
Баллистический нож - нож с отделяемым клинком,
который вставляется в рукоятку и под действием газа (или пружины) вылетает из
неё на скорости более 60 км/ч.
Преимущество данного вида ножа в том, что его
можно применять на расстоянии, причём с силой, более мощной, чем просто удар
или бросок ножа, однако, после выстреливания клинка военнослужащий оставался
безоружным, поэтому необходимо иметь в запасе не меньше двух ножей. Лезвие
баллистического ножа при выстреле может углубиться в деревянную доску на 35-40
мм, этого более чем достаточно для того, чтобы лезвие клинка достало до
жизненно важных органов человека.
Как и любой другой механизм, использующий силу
сжатой пружины, баллистические ножи нельзя долго держать во взведённом
положении из-за остаточной деформации пружины вследствие длительного сжатия.
Баллистические ножи небезопасны в обращении и имеют малую дистанцию
эффективного применения.
Ввиду малых зазоров между подвижными частями
ножа, обеспечивающих какую-либо приемлемую точность стрельбы, оружие
чувствительно к загрязнению и коррозии.
2.2 Метательно-стрелковое оружие
.2.1 Пули
Пулей называется снаряд, используемый для
метания из различных приспособлений. Обычно это камень или металлический шарик.
Приспособления для метания пуль:
§ Праща - особое приспособление в виде петли для
метания камней. Праща пользовалась значительным распространением на Востоке
(припомним победу Давида над Голиафом), в Греции и даже у римлян, которые имели
при своих войсках союзников-пращников (например, жителей Балеарских островов).
Каменные (и костяные) пращи употреблялись эскимосами для охоты на птиц ещё в
начале XX века.
§ Фустибал - средневековое ручное метательное
оружие, предназначенное для метания камней весом до 0,5 кг. Они применялись при
осадах крепостей и в морских сражениях. Наиболее ранние упоминания относятся IV
веку н. э. наиболее поздние - к XIV веку. Фустибал представлял собой пращу,
прикрепленную к длинной палке с целью увеличить размах снаряда в праще,
увеличить начальную скорость снаряда и дальность его полёта. В дальнейшем он
эволюционировал в станковый метательный агрегат, а далее в требушет.
§ Тетань гун - древнекитайский лук длиной 1 чи 3
цуня (приблизительно 48,5 см), стрелявший стальными шариками (гантань).
Использовался монахами Шаолинь. Такие шарики использовались и как
самостоятельное вспомогательное оружие.
§ Рогатка - метательное оружие, в котором
ускоряемое тело (снаряд) приобретает кинетическую энергию за счёт потенциальной
энергии, запасённой в растянутом резиновом жгуте. Применяется для развлечения,
для охоты, для метания различных предметов и иногда как оружие. Экземпляры
рогаток, специально сконструированные на повышенную мощность и использующие
снаряд оптимальной формы и плотности, могут служить опасным оружием и наносить
серьёзные ранения.
§
§ Шнеппер[3] - арбалет для стрельбы пулями,
развитие рогатки. Современные арбалеты могут иметь съемную направляющую планку
для пуль, превращающую их в шнеппер.
2.2.2 Стрелы
Стрелы являются самым распространённым
метательным оружием. Для их метания используют как духовые трубки, так и луки
или арбалеты.
Простой лук, появившийся у первобытных народов,
вероятно в подражание естественным эластичным сучьям деревьев, был в
употреблении у различных народов во всех частях света. Лук натягивается
обыкновенно руками, но у некоторых народов - ногами, в лежачем положении.
Стрелы у разных народов также значительно различаются как по форме древка, так
и наконечника. Древко обычно имеет оперение. Наконечники иногда делаются тупые,
чаще - острые, простые или с зубцами, или легко отламывающиеся, или
намазываемые ядом. В современное время, стрельба из лука и стрельба из арбалета
являются видами стрелкового спорта.
Интересно поведение стрелы для олимпийского лука
в полёте. (Здесь и далее рассматривается поведение от выстрела правши, для
левши все эффекты зеркально противоположны.) Дело в том, что при выстреле из
него стрела «смотрит» не вперёд в мишень, а немного влево. В момент выстрела,
когда тетива скатывается по пальцам, она получает поперечный вращательный
момент, и хвост немного смещается внутрь к стрелку. Сильный удар тетивы в
начале выстрела только усиливает такой нежелательный эффект. В результате даже
очень жёсткая карбоновая стрела начинается выгибаться как змея. Для гашения
этого эффекта служит специальное устройство - плунжер, который представляет
собой небольшую пружину, закреплённую на рукоятке и направленную внутрь.
Оперение стрелы тоже снижает этот эффект, закручивая стрелу вдоль оси полёта,
что снижает относительную величину поперечного вращательного момента по
отношению к продольному и стабилизирует полёт.
Этих отрицательных качеств в значительной мере
лишены блочные луки и арбалеты, из-за того что спуск производится за счёт
спускового механизма, а не с руки, используются центральное расположение
стрелы.
Скорость лучной стрелы варьируется от 50 до 100
м/с, арбалетная может достигать скоростей 150 м/с. Скорость стрелы зависит от
её веса, натяжения лука, внутренней баллистики. При выстреле под углом в 45
градусов к горизонту стрела сначала теряет скорость при подъёме и из-за
сопротивления воздуха. В начале спуска возникает баланс между сопротивлением
воздуха и силой тяжести, после этого стрела начинает ускоряться.
Это происходит из-за того, что оперение и
длинная трубка создают эффект планирования. Пуля и болт таким эффектом не
обладают из-за отсутствия оперения и меньших размеров.
Серьёзным минусом таких аэродинамических качеств
является сильная подверженность негативному влиянию атмосферных явлений,
как-то: ветер, дождь, град. Сильный порыв ветра может унести стрелу далеко мимо
мишени.
Несмотря на широко распространённое заблуждение,
энергия стрелы от массы стрелы зависит очень мало, а определяется в первую
очередь натяжением лука и продольной жёсткостью стрелы. При фиксированном
натяжении более лёгкие стрелы будут лететь быстрее и потому импульс,
передаваемый ими в цель, остаётся постоянным. Продольная жёсткость определяет
долю полного импульса стрелы, переданного цели, и чем выше жёсткость, тем
большая часть полного импульса будет затрачена на пробитие мишени, а не на
деформацию самой стрелы.
В полете стрела совершает поперечные колебания с
частотой от 50 до 100 Гц. Характерное шипение в основном идет от оперения.
2.3 Дротики
2.3.1 Дротик
Дротик - метательное оружие, представляющее
собой копьё, несколько уменьшенное и облегчённое по сравнению с копьями для
конного или рукопашного боя (как правило, имеет общую длину порядка 1,2-1,5 м)
и соответствующим образом уравновешенное для удобства метания. В качестве
боевого и охотничьего оружия дротики применялись войсками многих народов и
стран мира, начиная с древнейших времен. Эпизодическое применение дротиков как
оружия зафиксировано даже в XX веке. На Руси дротики назывались сулицами.
Также дротиками называют короткие метательные
стрелы для игры в дартс, тяжелые стрелы, выпускаемые из баллист и др.
2.3.2 Гарпун
Гарпун - разновидность дротика, или стрелы.
Используется преимущественно в подводной охоте.
Гарпуны могут быть как разновидностями остроги
или трезубца, которые при применении не часто метаются, так и применяться в
метательных устройствах - как стрелы в подводных ружьях или как дротики в
гарпунных пушках.
2.3.3 Абордажная кошка
Абордажная кошка - приспособление, применявшееся
на флоте для абордажного боя.
Представляет собой штурмовой якорь на цепях или
канате, забрасываемый на вражеское судно при абордаже, а также на стену
крепости (укрепления) при штурме. Изготовляется из металла и имеет, как
правило, от двух до пяти заострённых и загнутых рогов (лап), скреплённых
вместе. Для того, чтобы противник не смог освободиться от закинутых абордажных
кошек, крючья их затачиваются по типу гарпуна. Позволяет вначале сблизить, а
после и сцепить при атаке нападающий корабль с атакуемым, с последующим
переходом штурмовой группы на осаждаемый корабль и вступить с экипажем
неприятеля в рукопашную схватку с использованием холодного и огнестрельного
оружия.
2.4 Изогнутые дубинки и топоры
Изогнутые метательные дубинки, были широко распространены
в Африке. К ним относятся тромбаш - деревянная метательная палица с лезвием
изогнутым под углом 30°. Иногда «железным тромбашем» называют «молнию» -
африканские метательные орудия, представляющее собой разнообразнные варианты
железного многолезвийного ножа или клинка причудливых очертаний.
2.4.1 Бумеранг
От плоской и изогнутой метательной палицы
произошёл и австралийский бумеранг, обладающий свойством при ловком метании
описывать при полете сложную кривую и возвращаться обратно к месту, с которого
он брошен, или даже несколько далее назад. Орудия вроде бумерангов (то есть
возвращающиеся обратно) были известны и у других народов - в Индии, в древнем
Египте, местами и в Европе.
Изогнутая дубинка развилась в топор, который
тоже часто использовался для метания многими народами мира. Наиболее известны:
· Хёрбат - европейский средневековый
цельнометаллический метательный топорик.
· Франциска - боевой топор франков и
других германских племён.
· Томагавк - топорик индейцев Северной
Америки.
· Нзаппа зап - традиционное оружие
Конго.
2.5 Болас
Болас, бола, болеадорас (исп. bola - «шар») -
охотничье метательное оружие, состоящее из ремня или связки ремней, к концам
которых привязаны обёрнутые кожей круглые камни, костяные грузы, каменные шары
и т. п.
Снаряды подобные боласу - цепные ядра -
использовались в старинной корабельной и береговой артиллерии. Они могли
наносить бо́льшие повреждения
деревянным парусным судам, чем обычные пушечные ядра.
2.6 Сюрикэны
Сюрикэн (яп. 手裏剣)
(дословный перевод: «лезвие, скрытое в руке») - японское метательное оружие
скрытого ношения (хотя иногда использовалось и для ударов). Представляет собою
небольшие клинки, изготовленные по типу повседневных вещей: звёздочек, игл,
гвоздей, ножей, монет и так далее.
Хира сюрикэны изготавливаются из тонких
металлических пластин, полученных из обычных предметов: из монет (хиси ган),
плотницких инструментов (куги-нуки) и других. Из-за формы их часто называют
«звёздочками ниндзя». В центре хира сюрикэнов делается отверстие, что позволяет
переносить их на верёвке и придаёт полёту аэродинамический эффект. Существует
много разновидностей этих сюрикэнов, и часто их различают по количеству
заострённых наконечников.
2.7 Чакра
Чакра - индийское метательное оружие.
Она представляет собой плоское металлическое
кольцо, отточенное по внешней кромке. Диаметр кольца составляет от 120 до 300
мм и более. Ширина металлической полосы от 10 до 40 мм, толщина - от 1 до 3,5
мм. Чакры приводили во вращательное движение вокруг среднего пальца руки и
бросали в неприятеля. Оружие могло метаться на расстояние до 50 метров и сильно
ранить людей, не защищённых доспехами.
Практически каждый элемент конструкции, равно
как и техника применения чакры, позволяют решать сразу несколько задач.
Во-первых, форма кольца позволяет облегчить конструкцию, по сравнению с диском,
и при этом максимально сохранить момент инерции, столь важный для реализации
принципа гироскопа. Во-вторых, с точки зрения аэродинамики, чакра представляет
собой тандем двух аэродинамических профилей. У такой схемы центр приложения
подъемной силы будет соответствовать центру кольца. Там же будет находиться и
центр тяжести конструкции. Таким образом, достигается отсутствующее у диска
совпадение этих центров, благодаря чему значительно повышается стабильность
полета. Заточка по всему внешнему краю гарантирует контакт лезвия чакры с целью
при попадании. В то же время вращение топоров и ножей при броске на дальнюю
дистанцию делает их реально опасными только в нескольких зонах. Так, например,
метательный топор франков при броске на 12-15 метров имеет всего две зоны на
протяжении траектории полета, в которых он может эффективно поразить цель
(каждая зона - не более 1,5 м, одна в самом начале и вторая - в конце
траектории). На остальных участках траектории контакт с целью будет
осуществляться рукоятью топора. Таким образом, конструкция чакры делает ее
более эффективным оружием по сравнению с метательными ножами и топорами. Ее малая
толщина, во-первых, обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление, повышая
дальность полета. Во-вторых, небольшая толщина в сочетании с малым углом
заточки (порядка 5-7 градусов) создают эффект, когда пущенный снаряд рассекает
цель подобно лезвию опасной бритвы. В третьих, малая толщина делает летящую
чакру практически незаметной для противника.
Обычно поперечное сечение чакры имеет профиль
наподобие вариантов 1 и 2. Несимметричное обтекание чакры воздухом создает
подъемную силу, значительно увеличивающую ее дальность полета. Очевидно, что
линзовидный профиль 1 сточки зрения аэродинамики значительно выигрышнее профиля
2. Вместе с тем профиль 2 значительно проще в изготовлении. Чакра могла иметь
внешний край и без заточки (профиль 3). Дальность ее полета значительно
превосходит дальности броска сякена, ножа или топора.
Вращение, придаваемое метательному снаряду при
броске, с одной стороны, создает эффект гироскопа, что позволяет ему сохранять
заданное направление полета. С другой стороны, вращение чакры обеспечивает
эффект протягивания режущей кромки по цели и усиливает ее поражающие свойства.
Этому же способствует и материал, из которого ее традиционно изготавливали.
Чаще всего использовался вутц (литой Дамаск), представляющий собой
металлический композит, в котором сверхтвердые нити карбидов находятся в мягкой
металлической матрице. В силу структуры материала режущая кромка на микроуровне
представляет собой серрейтор. Изредка, в тех случаях, когда чакра изготавливалась
не из вутц, вместо обычной заточки ее внешний край покрывали большим
количеством мелких, остро отточенных зубцов или шипов.
3. Метательные машины
Метательные машины (допороховая артиллерия) -
вид военной техники, применявшийся в Древности и Средние века, в общем случае
представлявший собой механизмы, преобразовывавшие мышечные усилия человека в
энергию полёта снаряда. Как правило, но не обязательно, это преобразование
осуществлялось посредством плавного накопления потенциальной энергии (упругими
элементами или противовесом) и последующего резкого её высвобождения.
Если собрать воедино названия метательных орудий
древности, получится внушительный список на много десятков терминов (даже если
не брать экзотические языки Востока). Палинтон, онагр, скорпион, анжен,
фундибул, эспрингаль, робине, мангонель, калабра… Но при этом все метательные
машины, кроме сифонофора, можно поделить на три категории по тому, какая сила
используется для запуска снаряда.
Тенсионные машины
работают по той же схеме, что и лук: разгибаясь, плечо машины посылает снаряд
вперед. Этот метод великолепен, так сказать, «в малых формах», то есть для
ручного и легкого стационарного оружия, но при увеличении размеров оказывается,
что очень трудно подобрать удачные параметры лука. К тому же нередко лук в
процессе ломается - с весьма и весьма неприятными последствиями. Тенсионные
машины - самые легкие из всех.
Торсионные машины
используют более хитрый метод. В пучок натянутых воловьих жил или веревок
вставляется рычаг, который вращают до тех пор, пока он не дает должной силы
натяжения. Потом его еще доворачивают зарядным механизмом, и, когда рычаг
отпускают, сила скрученных жил посылает снаряд. Торсионная машина - это гораздо
более совершенная и сложная технология, но она дает заметно больше
возможностей. С ходу представить себе работу торсионной машины может быть
непросто; но попробуйте растянуть между пальцами двух рук обычную канцелярскую
резинку, вставить в нее карандаш и закрутить. Принцип сразу станет понятен…
Наконец, гравитационные машины работают
на обычной силе тяжести, то есть противовес запускает снаряд. Такая конструкция
оправдана лишь для самых больших машин, когда добиться нужного усилия от
торсионной схемы становится невозможно.
На самом деле наука знает всего-то четыре типа
доогнестрельных метательных машин. Это катапульта, баллиста, требюше и
сифонофор.
3.1 Баллиста
Баллиста мечет стрелы или камни примерно по тому
же принципу, что и арбалет. Тетива, натягиваемая специальным механизмом,
изгибает плечи баллисты, затем ее отпускают, и плечи, распрямляясь, посылают
вперед камень или стрелу. Слово «баллиста» происходит от греческого глагола
«баллейн» - швырять, метать. До IV века до н.э. катапульта называлась
баллистой, а баллиста - катапультой. Потом в силу каких-то не вполне понятных
обстоятельств названия поменяли владельцев.
У большинства баллист нет единого лука, как у
арбалета, а есть два отдельных плеча. Нередко стрелу посылает не изгиб самого
плеча, а другая сила: плечо крепится к закрученной веревке. Это называется
торсионной баллистой. Но и легких тенсионных тоже немало. Взводят баллисту чаще
всего обычным воротом, наподобие колодезного, на который намотана веревка с
крюком - крюк удерживает тетиву. Конструкции крюка бывали довольно затейливыми
- попадалось даже что-то вроде карабинного замка.
Среди метательных орудий баллисты - самые легкие
и мобильные. Поэтому неудивительно, что встречались они и на кораблях, и даже в
«конном» варианте (подобно позднейшей конной артиллерии). Такие устройства
назывались карробаллистами. (Существовали и передвижные катапульты, но их надо
было тащить упряжкой из нескольких волов, и по-настоящему «мобильными» их не
назовешь.) Карробаллисты в позднейшей римской тактике стали обязательным
элементом: так, Вегеций сообщает, что на каждую центурию в обязательном порядке
полагается по одной такой машине, приводимой в действие 11 солдатами (стало
быть, легион везет с собой 60 карробаллист). Существует миф, что древние
осадные орудия применялись только при штурме. На деле еще римляне осознали, что
против больших скоплений людей баллиста творит чудеса, и вовсе не брезговали
применять ее даже в открытом поле.
Еще одно достоинство этого орудия - достаточно
высокая прицельность. Опытные солдаты могут точно посылать ядра и из катапульт,
но тут нужна все же приличная пристрелка. У некоторых баллист было два боевых
режима - прицельный и дальнобойный; в последнем варианте вполне можно было
надеяться на 500-метровый полет снаряда! Рекорд же дальности древней баллисты
составляет 700 с небольшим метров. Прицельность достигалась на много меньших
дистанциях - около 100 метров, максимум - 200. Мощью выстрела баллиста,
конечно, не может тягаться с катапультой или требюше. Зато стрела летит по
относительно пологой траектории, и можно пытаться угодить ей прямо в ворота
крепости; а ядром катапульты, летящим по высокой дуге, это едва ли получится
сделать. Среди видов баллисты числятся:
3.1.1 Гастрафет
Это древнейшая греческая баллиста - точнее,
помесь баллисты и арбалета. Название означает по-гречески «брюшной лук».
Гастрафет представляет себе арбалет настолько большой, что держать его в руках
невозможно, и потому его опирают с помощью костыля о землю, а приклад широкой
дугой охватывает живот. Таким чудом вооружались незадолго до македонского
завоевания, и в армии Александра их тоже хватало. Но вскоре их
усовершенствовали, и появилась….
3.1.2 Аркбаллиста
Аркбаллиста она же оксибел, - это по-прежнему
гигантский арбалет, тенсионная машина. Но у нее уже есть настоящий станок и
большой ворот. Снарядом служит специальная тяжелая стрела. Аркбаллиста по
природе своей довольно сильно ограничена в своих возможностях; и дело не только
в тенсионной схеме, но и в отсутствии возможности менять угол наклона ложа. Это
урезает дальнобойность до примерно 40-60 метров.
.1.3 Палинтон
Палинтон - это двухплечевая торсионная баллиста,
мечущая камни (иногда палинтонами называют вообще все камнеметы - по
происхождению слова).
Жилы, в которые вставлены рычаги-плечи,
закреплены на жесткой деревянной раме прямоугольной формы. Укреплялся палинтон
на хитроумном штативе, позволявшем поворачивать и наклонять орудие, довольно
точно фиксируя угол. Этот самый штатив позволяет преодолеть основной недостаток
аркбаллисты и обеспечивает орудию дальность выстрела, измеряемую в сотнях
метров.
3.1.4. Скорпион
Скорпион отличается от палинтона тем, что мечет
все же стрелы, а не камни; в остальном устройство машины не изменилось. Его
называют еще эвтитоном (буквально - «стреломет»). Герон впоследствии попытался
усовершенствовать скорпион, сделав свою схему - хейробаллисту; она не особо
прижилась, зато дала начало целому семейству арбалетов. Палинтон и скорпион -
это и есть две основных схемы баллисты, просуществовавшие более тысячи лет. Их
популярность продержалась до XIV века, а кое-где и подольше.
3.1.5 Полибол
Мечта сделать оружие, которое стреляет быстро,
существовала с древнейших времен. Скорострельный арбалет родился на Востоке, а
вот скорострельная баллиста - в Александрии, и известен даже автор идеи -
небезызвестный Дионисий.
В полиболе (он же полиболос) две оригинальных
детали: механизм для стрел, примерно такой же, как в арбалете чо-ко-ну, и
зубчатое колесо, взводящее тетиву (нередко его изобретение ошибочно приписывают
Леонардо да Винчи). Конечно, на по-настоящему большую мощь такого орудия
рассчитывать нельзя; вероятно, это и трудности изготовления стали причиной
того, что полибол так и не стал массовой машиной.
3.2 Катапульта
Катапульта обладает большим рычагом, один конец
которого прикреплен к оси, другой свободен. Свободный конец оснащен либо
ложкой, либо «корзинкой» на веревках наподобие пращи (ее часто так и называют -
пращей); в эту ложку или корзинку кладут снаряд - как правило, большой камень
или, реже, специальное ядро (кое-где применяли еще глиняные кувшины с греческим
огнем).
Большинство катапульт приводится в действие так.
Ось, к которой прикреплен рычаг, крепится к пучкам жил или веревок (торсионный
метод) и накручена почти до предела; ворот тянет рычаг вниз, накручивая веревки
еще сильнее. Потом рычаг отпускают - и он отправляет ядро в полет. Снаряд,
естественно, летит по навесной траектории, точность - умеренная, зато его легко
забросить за стену. Масса снаряда - килограммов 20-40, иногда даже до 50-60.
Слово «катапульта» - изначально однокоренное с
«баллистой», хотя по нынешнему звучанию и не догадаешься. «Ката» означает
«против», «для борьбы с чем-либо», а «пульт» - это то же самое искаженное
«баллейн», то есть «метать».
Характерная дальнобойность катапульты - около
300-350 метров.
Иногда эти машины собирались прямо на месте из
найденных тут же деревьев (с собой везли только металлические части и веревки).
Римляне, впрочем, предпочитали возить катапульты с собой в качестве тяжелой
артиллерии (баллисты - легкая). Но резво катать их на лошадях не получалось -
впрягали быков, как в XIX веке, - в осадные пушки. И на легион полагалось всего
10 катапульт. Нередко машины транспортировали в разобранном виде.
Основное предназначение катапульты при штурме -
атака на стены и башни (баллиста может выбирать более мелкие цели, но не
проломит серьезную стену). На крепостной стене ее обычно ставили для борьбы с
осадными башнями - лучшего средства не найдешь. Применялись катапульты и во
флоте - прежде всего для метания греческого огня, пока не нашлось лучшего
способа. Корабль - слишком верткая цель для медленно взводящейся и медленно
наводящейся катапульты.
Стрельба из этой машины гораздо сложнее, чем из
баллисты, и квалифицированные артиллеристы ценились очень высоко.
В средние века катапульта потеснила баллисту
потому, что 300-350 метров - это и максимальная, и прицельная ее дальность. А
это больше, чем расстояние полета стрелы из английского лука или генуэзского
арбалета, пущенной с высоты замковой стены. Что и стало решающим преимуществом.
Впрочем, полного вытеснения не случилось.
3.2.1 Онагр
Онагр - самая популярная катапульта древнего
Рима. Единственная ее особенность - корзинка на веревках вместо более
распространенной в Греции ложки.
Слово «онагр» означает «дикий осел». О том,
почему катапульту приравняли к ослу, существует, по меньшей мере, три версии.
По первой, дикий осел отгоняет хищников, швыряя в них камни задними копытами.
Современной зоологии этот феномен неизвестен, но древние обладали странными
воззрениями насчет поведения зверей.…
Вторая версия утверждает, что рычаг катапульты
взметывается вверх, словно нога лягающегося осла; ассоциации - дело
индивидуальное, конечно, но уподобление весьма странно. Наконец, третья версия,
относительно правдоподобная, гласит, что устройство работало с душераздирающим
скрипом, напоминающим ослиный вопль.
Дожил бойцовый ослик и до средневековья; правда,
там он обзавелся прозвищем «мангонель». С годами машинка измельчала, зато
научилась стрелять чем-то наподобие картечи; неоценимо против плотного строя!
3.2.2 Эспрингаль
Делать эспрингаль (он же спрингальд) трудно,
силой он уступает онагру; правда, довольно-таки дальнобоен. Есть еще одно
преимущество: эспрингаль почти не надо пристреливать после установки. Но все
равно эти устройства большой популярности никогда не имели.
Существовал и стреломет на том же принципе -
назывался он бреколь. Утверждают, что на 300 шагах он пробивал насквозь
15-сантиметровое бревно, а вообще-то запускал стрелу на 1300 шагов.
3.2.3 Требюше
Это достижение уже не античной, а средневековой
мысли: появляется только в XII веке, на закате эры доогнестрельного оружия.
Слово означает на старофранцузском «перебрасывать через что-либо». По-латыни
тот же агрегат именуется фрундибулом, по-итальянски фрондиболой.
Постепенно фортификация совершенствовалась, и стали
появляться замки, которые обычной катапультой можно долбить чуть ли не годами.
И возникла потребность в более мощном оружии, которую и удовлетворил
неизвестный французский изобретатель.
По другой версии, требюше впервые изобрели на
Востоке, а затем через персов, арабов и византийцев устройство прибыло в
Европу. Но эта идея не нашла подтверждения; кроме всего прочего, Византия
узнала эту машину явно позже Франции. Дошло даже до того, что переносчиками идеи
попытались объявить… наших с вами предков, варягов и славян. Но и тут не
получается: варяжская боевая машина - уж никак не требюше.
Требюше вообще не содержит гибких элементов. Это
гравитационная машина: рычаг приводится в действие противовесом.
Чтобы такая система дала преимущество по
сравнению с торсионной, нужны поистине гигантские масштабы; так оно и было.
Самый что ни на есть легкий противовес требюше тянул килограммов на 400-500, а
бывала и тонна, и две. Ну и снаряд, само собой… 150 килограммов - с этого
требюше только начались. Позднейшие машины способны были метать, к примеру,
мертвую лошадь - а это уже полтонны. Рекорд массы снаряда, о котором
упоминается в источниках, составляет 630кг! Дальнобойность при этом чуть-чуть
превосходит катапульту: 350-420 метров.
За мощь выстрела приходилось расплачиваться,
во-первых, громоздкостью устройства (рычаг в длину - метров 20, прочие размеры
нетрудно вообразить), а во-вторых, очень долгой перезарядкой. Поднять на нужную
высоту пару тонн очень нелегко! Одно из остроумных решений, с успехом
применявшихся французами, представляет собой пару «беличьих колес», внутри
которых бегут люди - сотни человек.
Конечно, применение требюше иначе как против
крепостных стен крайне затруднительно - очень уж долго надо целиться и
стрелять. Сильно упрощенный аналог требюше, без противовеса, приводящийся в
действие простой мускульной силой, называется перрье.
3.3 Сифонофор
Этот последний тип средневековых метательных
орудий, строго говоря, нельзя назвать «неогнестрельным», хотя порох в нем и не
используется. Стреляет он как раз огнем - греческим. По сути своей это -
византийский флотский огнемет. Еще его называют просто сифоном.
Многие ошибочно считают, будто бы греческий
огонь метали исключительно из катапульт. Будь это так - ему никогда бы не
обеспечить византийскому флоту столь решительного превосходства над всеми
соперниками. Ведь средиземноморская боевая галера - посудинка мелкая, быстрая и
очень неудобная для прицеливания. А тем паче - варяжская либо славянская ладья.
Говорят, что придумал сифонофор некий Каллиник
из Гелиополя в VII веке нашей эры.
Устройство это представляет собой довольно
простой насос-разбрызгиватель. Точно прицеливаться горящей смесью необязательно
- достаточно задеть мишень, а все «лишнее» все равно упадет на морские волны и
быстро прогорит, не причиняя вреда (потому-то греческий огонь редко применялся
на суше - велик риск устроить пожар где не надо). Брызги легко накрывают и
большой корабль, и лодку.
4. «Физика» бумеранга
.1 Первое знакомство
Спросите десяток людей, что такое бумеранг, и
получите десять ответов, большинство из которых будут неверными. Самый
распространенный вариант ответа - «это австралийский боевой топор, который
возвращается после броска» - ошибочен.
Потому что, во-первых, бумеранг - это не топор.
Во-вторых, он не всегда возвращается. И, в-третьих, далеко не все бумеранги -
боевые. Считается, что слово «бумеранг» впервые записал легендарный капитан
Джеймс Кук. Но никаких документов, подтверждающих этот факт, не существует.
Более того, нет даже никаких свидетельств о том, что Кук видел возвращающийся
бумеранг в действии. Правда, одну такую игрушку он привез с собой в Англию,
однако считал это орудие примитивным деревянным мечом.
Насколько известно сегодня, первая запись о
бумеранге как таковом появилась на французском языке 12 декабря 1802 года.
Британский морской офицер Франсис Луи Баралье (француз по происхождению)
упоминает бумеранг в сноске к истории о том, как он искал дорогу в Синих горах,
к западу от Сиднея. Баралье писал: «Они бросают его на землю или в воздух,
заставляя его вращаться вокруг своей оси, да с такой скоростью, что уследить,
когда он возвращается на землю, невозможно; слышен только свист рассекаемого
воздуха». Примечательно, что Баралье не упоминает никакого названия, просто
пишет: «кусок дерева в форме полукруга».
Считается, что бумеранг впервые показал
колонистам абориген по имени Бунгари в Сиднее. Но и до него многие наблюдали
полет бумеранга к западу от Сиднея. Неудивительно, что среди колонистов
поползли слухи об оружии, способном поразить кенгуру и вернуться в руки
охотника (любому, знакомому с законами физики, очевидна невозможность такого
события). В общем, бумеранги были известны, но имени они не имели.
Дело в том, что большая часть аборигенов
Австралии не знали возвращающихся бумерангов, и к тому же у них не было единого
языка и письменности. Существовало 500-600 диалектов, в каждом из которых
инструменты и оружие имели собственные названия. Например, возвращающийся
бумеранг назывался «bigram» у одних, и «barragadan» у других народов. Слово
«бумеранг» появилось только в 1822 году, в результате записи со слуха речи
аборигенов племени Турувал (языковая группа Даруг). В их устах это слово
звучало как «бу-мар-ранг».
4.2 На войне как на войне
«Подкравшись к птицам на достаточно близкое
расстояние, дикарь метнул свое оружие. Оно понеслось по горизонтальной линии,
футах в двух от земли. Пролетев футов сорок, оно, не касаясь земли, вдруг под
прямым углом поднялось футов на сто, сразило около дюжины птиц и, описав
параболу, упало к ногам охотника.
Гленарван и его спутники были поражены - они не
верили своим глазам.
Это бумеранг, - пояснил Айртон.»
Так писал об этом оружии Жюль Верн в романе
«Дети капитана Гранта». Все написанное им - чистая выдумка. Так что же такое на
самом деле боевой бумеранг?
Правильнее всего будет сказать, что это
метательная палица или, попросту говоря, дубинка с особыми аэродинамическими
свойствами. Специфическая форма и особая техника броска создают
аэродинамическую подъемную силу, благодаря поддержке которой плоская тяжелая
(больше 1 кг) дубинка длиной почти полтора метра и толщиной в 2 см способна
пролетать большое расстояние (до 200 м). Траектория полета подобного боевого
бумеранга - прямая, что позволяет довольно легко поражать цель. Классический
боевой бумеранг выглядит как «сплющенная» дубинка с небольшой лопастью на
толстом конце, причем профиль этой лопасти напоминает профиль самолетного крыла.
Кроме классических, к боевым относят еще
бумеранги «лиль-лиль» (с увеличенной площадью лопасти-крыла, внешне похожего на
кривое весло) и зигзагообразные бумеранги Кайли (англичане называли их rabbit
sticks).
Боевые бумеранги бросаются горизонтально (как городошная
бита) и не возвращаются (хотя иногда при броске против ветра некоторый эффект
«возвращения» может наблюдаться).
4.3 Спортивные бумеранги
Игрушечные и спортивные бумеранги сейчас
известны гораздо больше. В отличие от боевых, спортивные бумеранги при должном
умении метателя всегда возвращаются.
Возвращающиеся бумеранги - гордость Австралии и
такой же ее символ, как, например, кенгуру. По-видимому, именно австралийские
аборигены изобрели возвращающийся бумеранг, но это было не боевое оружие, а скорее
игрушка. В наше время современные австралийцы сделали из бумеранга настоящий
культ. Сейчас во всем мире существует множество фирм и мастеров,
изготавливающих бумеранги серийно и на заказ, однако по-прежнему клеймо
«сделано в Австралии» является для бумеранга своеобразным «знаком качества».
Со временем метание бумеранга превратилось в
большое шоу: среди любителей проводятся национальные и мировые чемпионаты,
ставятся рекорды. Кстати, мировые достижения действительно поражают: например,
мировой рекорд на дальность броска (в категории long distance, LD) составляет
238 м, а рекорд продолжительности полета (maximum time aloft, MTA) - 2 минуты
59,4 секунды.
Конструкции бумерангов чрезвычайно разнообразны
- это легкие (10-20 г) классические «угловые» крылья, трех-, четырех- и
многолопастные пропеллеры и тому подобные формы, вплоть до совершенно
немыслимых «закорючек». Для желающих изготовить бумеранг самостоятельно на
специальных сайтах публикуются планы и чертежи с подробными инструкциями (на
сайтах B-Agressive или Boomerangs Passion есть планы бумерангов, с помощью
которых были установлены мировые рекорды).
Однако не стоит думать, что изготовление
бумеранга - это «традиционное» ремесло. Многие известные конструкторы
используют для этой цели самые современные средства: расчеты конфигураций и
профилей на мощных компьютерах, композитные материалы.
4.4 Конструкция и принцип действия
Профессор Майк Ларсон из Авиационного института
в штате Небраска считает, что, разобравшись в том, как летает и почему
возвращается бумеранг, изучать в аэродинамике, в общем-то, больше и нечего.
Это, конечно, шутка, но в ней намек. На самом деле в основе полета бумеранга
лежат довольно простые и известные принципы классической механики.
Бумеранг (для простоты рассмотрим классический -
«угловое крыло») стартует в вертикальном положении. Сильным броском из-за спины
его отправляют в полет, придавая не только горизонтальную скорость, но и
достаточно быстрое вращение вокруг горизонтальной оси.
Бумеранг - самый древний летательный аппарат
тяжелее воздуха, прообраз пропеллера. По сути, он представляет собой два
профилированных крыла, соединенных под углом. Что такое профилированное крыло?
Это две поверхности, одна из которых длиннее другой. Возле той, что длиннее,
скорость воздуха выше (так как ему приходится преодолевать большее расстояние),
а давление (согласно принципу Бернулли: в струе воды или воздуха давление
велико, если скорость мала, и давление мало, если скорость велика) - ниже:
возникает подъемная сила.
У бумеранга два таких крыла, причем их скорость
относительно набегающего потока воздуха различна - из-за вращения и поступательного
движения бумеранга крыло, которое в данный момент находится сверху, летит
навстречу воздуху, создавая большую подъемную силу, чем нижнее. Разность этих
сил (помноженная на плечо) образует кренящий момент, который стремится
«уложить» бумеранг на бок.
Однако благодаря вращению бумеранг становится
своеобразным гироскопом с довольно значительным моментом инерции. А «уложить»
гироскоп на бок не так-то просто - он при этом испытывает гироскопическую
прецессию, которая и поворачивает ось вращения, при этом траектория полета
представляет собой петлю. Ближе к концу траектории бумеранг ложится на бок.
Происходит это из-за того, что центр тяжести снаряда не совпадает с точкой
приложения подъемной силы (она расположена чуть выше и впереди). Сила тяжести и
подъемная сила образуют момент, «приподнимающий» передний край бумеранга вверх.
Однако гироскоп опять начинает сопротивляться, возникающая прецессия укладывает
бумеранг на бок, и он финиширует в горизонтальном положении, плавно снижаясь
подобно вертолетному пропеллеру в режиме авторотации.
4.5 Физическое обоснование
возвращения бумеранга
На бумеранг, вращающийся с угловой скоростью ω
и имеющий момент инерции I,
действует момент импульса L.
Момент силы (крутящий момент, вращательный
момент) - производная по времени от момента импульса,
Направление вектора момента импульса определяют
по правилу правой руки: если представить, что мы взяли тело в правую руку и
вращаем его в направлении, куда указывают четыре пальца, то оттопыренный
большой палец покажет в ту сторону, куда направлен момент импульса при таком
вращении.
В случае с бумерангом вектор момента импульса
направлен к человеку (на рисунке вид сверху), а вектор момента силы (по тому же
правилу) - назад.
В каждый момент времени векторная сумма L
и ∆L определяет новое
направление бумеранга, заставляя его двигаться по окружности, и, в итоге,
бумеранг возвращается в исходную точку.
Заключение
Метательное оружие является очень важным видом
оружия, так как благодаря своим свойствам оно позволяет наносить урон
противнику на достаточно большом расстоянии. В основе принципов действия
различных видов метательного оружия лежат физические законы: закон Гука и закон
рычага (лук, рогатка, баллиста, катапульта), законы динамики Ньютона и законы
кинематики и динамики вращательного движения тела (болас, праща, сюрикэн),
принцип Бернулли и гироскопическая прецессия (бумеранг, чакра), законы
аэродинамики (нож, дротик) и т.д.
Всего в данной работе было рассмотрено 23
метательных механизма. Более подробно рассмотрено устройство и принцип действия
бумеранга.
Список литературы
1. Zhiming Darren Tan. The
Physics of Boomerangs// Massachusetts Institute of Technology. 2013
:
http://blossoms.mit.edu/videos/lessons/physics_boomerangs.
2. Зорич А. Артиллерия римской
сухопутной армии// XLegio: военно-исторический портал античности и средних
веков. 2000
URL:
http://www.xlegio.ru/throwing-machines/antiquity/roman-artillery.
3. Мамонтов Д. Туда и обратно:
бум вокруг бумерангов// Популярная механика: портал о том, как устроен мир.
2004
URL: http://www.popmech.ru/article/2550-tuda-i-obratno/.
4. Метательное оружие//
Википедия: свободная энциклопедия. 2005-2013
URL:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Метательное_оружие