Следующим шагом были поэтому отказ от конструкции типа лука и использование длянакопления упругой энергии скрученных связок сухожилий, очень похожих на резинокордные связки,используемые для привода авиационных моделей.
Когда связка таких резиновых лент или сухожилий закручивается, материалсвязки подвергается растяжению, запасая упругую энергию.
Известны самые разные способы использования связок сухожилий в военнойтехнике, однако самой лучшей конструкцией следует признать древнегреческийпалинтонон, который у римлян получил название баллисты. Этоисключительное по смертоносности орудие имело по две вертикальные связкисухожилий, каждая из которых закручивалась с помощью жесткой рукоятки илирычага, напоминающего рукоять ворота (рис. 18).
Рис. 18. Возможно, так выглядела древнегреческая катапульта.
Концы этих рычагов были соединены между собой толстой тетивой, а всеустройство работало подобно луку. Свое название оно получило оттого, чтов положении с ненатянутой тетивой оба ее рычага направлены вперед, каку комбинированного лука без тетивы. Тетива в катапульте натягивается посредствоммощной лебедки подобно натягиванию тетивы лука. Снаряд (чаще всего каменноеядро) после выстрела двигался вперед по направляющим, которые одновременнослужили и станиной лебедки. Лебедка могла развивать усилие, достигавшееста тонн.
Римляне скопировали греческую катапульту, и Витрувий, служивший в войскахЮлия Цезаря, оставил нам руководство по баллистам, которое представляетнемалый интерес. Размеры этих машин позволяли метать снаряды весом от 2до 150 кг. Радиус их действия был примерно 400 м (для всех размеров). Средняякрепостная баллиста римлян, по-видимому, стреляла ядрами весом в 40 кг.
При последней, драматической осаде Карфагена в 146 г. до н. э. римляне,сделав насыпь в неглубокой лагуне, к которой выходила городская стена,установили на ней катапульты и стали из них крушить укрепления. Археологиоткопали на этом месте около 6 тыс. каменных ядер весом по 40 кг каждое.
Хотя Юлий Цезарь и Клавдий использовали корабли с катапультами для нападенияна британские берега, эти метательные машины, по-видимому, никогда не былигрозным оружием в сражениях на море. Скорострельность такой баллисты, котораямогла бы потопить корабль попаданием одного снаряда, была слишком малаи почти не позволяла поразить движущееся судно.
Иногда с помощью катапульты метали горящие снаряды, но на полных народанезатейливых кораблях того времени пожар обычно нетрудно было потушить.В 184 г. до н. э. один изобретательный флотоводец выиграл морское сражение,обрушив на головы противника глиняные горшки с ядовитыми змеями, однакоего примеру, кажется, никто не последовал. В целом катапульты на море неимели успеха.
Однако палинтонон, или баллиста, был весьма эффективным средством ведениясухопутной войны. Его изготовление и эксплуатация были связаны с известнымитрудностями, так что обслуживающий катапульты персонал должен был быть весьмасведущим в своем деле. После того как Римская империя с ее техникой отошла впрошлое, это оружие стало непрактичным и было забыто. В Средние века применениеосадных машин свелось к использованию весовой катапульты, или требюше (рис.19).
Рис. 19. Требюше, или средневековая катапульта,- самое неэффективное из метательных устройств.
В этом устройстве, похожем на маятник, использовалась потенциальная энергияподнятого груза. Даже с помощью большого требюше вряд ли можно было поднятьгруз более тонны (10000 Н) на высоту 3 м. Поэтому наибольшая запасаемаяпотенциальная энергия, вероятно, не намного превосходила 30000 Дж. Такое жеколичество энергии можно запасти в виде упругой энергии в 10-12 кг сухожилий.Поэтому даже большое требюше, вероятно, обладало только одной десятой энергиикатапульты. К тому же, по-видимому, значительно более низкой была эффективностьпередачи энергии. С помощью требюше можно было в лучшем случае причинитьнеприятности путем забрасывания через крепостные стены больших камней; любая жепопытка повредить мощную каменную кладку не имела быуспеха.
Принцип действия лука и палинтонона как устройств для передачи энергииодинаков, и пока еще в полной мере не нашла оценки эффективность такогомеханизма обмена энергией. В примитивных устройствах типа требюше значительнаячасть запасенной энергии шла на ускорение тяжелого противовеса и рычагаи в конечном итоге терялась в системе останова или тормозов, которые былинеотъемлемой частью устройства. У лука или палинтонона непосредственнопосле спуска тетивы часть запасенной упругой энергии передается в видекинетической энергии прямо снаряду. Однако большая часть имеющейся энергииидет на ускорение самого лука или рычагов катапульты, где она временнопереходит в кинетическую энергию. Это близко к тому, что происходит в требюше,однако здесь дальнейшие события связаны с замедлением движения самого лука,а не с жестким остановом. По мере того как лук распрямляется, увеличиваетсянатяжение тетивы, что позволяет ей действовать на снаряд с большей силойи таким образом ускорять его движение. Поэтому значительная часть кинетическойэнергии, запасаемой в луке или в рычагах катапульты, передается снаряду(рис. 20).
Рис. 20. Схемы, иллюстрирующие механику палинтоноса, или баллисты.a - машина подготовлена к стрельбе,вся энергия запасена в связках сухожилий;б - начальная стадия: тяжелые рычагиполучают ускорение, отбирая при этом значительную часть энергии сухожилий;в - заключительная стадия: тяжелые рычагизамедляют ход благодаря натяжению тетивы, таким образом их кинетическаяэнергия передается снаряду;г - летящий снаряд получил энергию,первоначально запасенную в системе.
Математическое описание поведения луков и катапульт оказывается сложным,и, даже записав соответствующие уравнения движения, их нельзя решить аналитически.К счастью, однако, один из моих коллег, д-р А. Претлав, заинтересовавшисьэтой проблемой, применил для ее решения ЭВМ. К удивлению, оказалось, чтопроцесс передачи энергии теоретически может иметь 100%-ную эффективность.Другими словами, практически вся упругая энергия, запасенная в устройстве,может быть превращена в кинетическую энергию снаряда. Таким образом, теряется(идет на отдачу и на соударения в системе) только малая часть энергии.В этом отношении луки и катапульты обладают преимуществами перед огнестрельныморужием.
Одно следствие из этих фактов, я думаю, хорошо известно большинствустрелков-лучников. Оно состоит в том, что при стрельбе из лука или катапультыни в коем случае не следует пользоваться несоответствующей стрелой илиснарядом. Такая попытка неминуемо закончится не только поломкой лука, нои травмой, так как в этом случае не существует безопасных каналов освобождениязапасенной упругой энергии.
Эластичность, резильянс и ухабы на дорогах
Корабль взрезает равнину вод,
А ветер мчит вперед,
Наполнив белые паруса,
Красавицы-мачты гнет.Алан Канинхэм
Когда Галилей в 1633 г. в Арцетри приступил к изучению проблем упругости,прежде всего он задался вопросами, какие факторы влияют на прочность веревкиили бруска при растяжении и зависит ли прочность от длины этой веревкиили бруска. Элементарные эксперименты показали, что сила или вес, требуемыедля разрыва однородной веревки при ее статическом растяжении, не зависятот длины этой веревки. Такой же результат, казалось бы, подсказывает издравый смысл, однако и по сей день можно встретить множество людей, глубокоубежденных в том, что длинный кусок веревки "крепче" короткого.
Конечно, дело здесь не в человеческой глупости, а в том, что пониматьпод словом "крепче". Статическая сила, или натяжение, требуемое для разрывадлинной веревки, будет, конечно, той же, что и для разрыва короткой веревки,но общее удлинение большой веревки перед ее разрывом будет значительнееи, чтобы разорвать ее, потребуется большая энергия, хотя разрушающая силаи прочность материала остаются теми же. Рассуждая немного иначе, можносказать, что длинная веревка будет смягчать внезапные рывки, упруго растягиваясьпод действием нагрузки, так что возникающие при этом перегрузки будут уменьшаться.Другими словами, она действует в значительной степени так же, как подвескаавтомобиля.