Метательные машины

К настоящему времени о метательных машинах написано достаточно много, тем не менее устоявшейся их классификации как-то не сложилось. Всё дело в том, что в разных странах и в разные времена одни и тем же механизмам давали разные названия.

Гастрафеты: мощные луки, так называемые тенсионные машины, способные стрелять как стрелами, так и камнями. Отличительным свойством гастрафетов является наличие двух упругих плеч (рис. 2.31). Греческие и арабские оксибелисы (рис. 2.32, 2.33) тоже можно отнести к гатрафетам.

Эвтитоны: торсионные машины использующие вместо тетивы пучки скрученных в жгуты животных жил или волос. К эвтитонам относятся римские скорпионы.

Палинтоны: двухплечевые камнемёты торсионного типа. К полинтонам относятся и полиболы, использующие некоторые элементы автоматизации.

Онагры: одноплечевые камнемёты торсионного типа, использующие для метания камней принцип пращи.

Спрингалды: одноплечевые тенсионные стреломёты, использующие в качестве упругого элемента деформированные доски из прочных пород дерева.

Требюше: одноплечевые камнемёты, использующие гравитационные свойства противовесов для реализации принципа пращи.

Баллисты: римское название двухплечевого палинтона, предназначенного для метания камней диаметром 15 - 18 см. или массивных дротиков, более напоминавших заострённые брёвна, чем стрелы.

Катапульты: по греческим понятиям - любой тип метательных машин. Греки называли катапультами онагры, скорпионы и баллисты.

Скорпионы: лёгкий римский эвтитон широко использовавшийся как в наземном, мак и в морском варианте базирования.

Эвтитоны (эвтихоны), по мнению некоторых европейских исследователей были сконструированы в Сиракузах около 400 г.

В этом оружии торсионного типа наряду с упругими свойствами плеч использовалась потенциальная энергия скрученных жгутов, изготавливаемых из конских и человеческих волос, а

также, что более рационально, из обработанных              Рис. 6.26. Греческий эвтитон

жил животного происхождения.

Известны конструкции, где в качестве активного элемента выступали пеньковые канаты. Для накопления потенциальной энергии в рассматриваемых устройствах необходимо совершить работу против упругих сил (рис. 6.27).

Рис. 6.28. Греческий полинтон

Рис. 6.29. Греческий скорпион

Рис. 6.30. Баллиста (Онагр)

водкой, а баллисты мечут ядра стической траектории.

Элементарная работа на бесконечно малом угловом перемещении определится уравнением 5A = Fdr = БМф.

Полная работа при повороте тела на конечный угол Лф, при действии стационарной силы F, определится в виде интеграла

ф2              Ф2

A12 = J Mzdф = Mz J dф = Mz Лф.

Ф1              Ф1

Таким образом, для приведение торсионного накопителя в рабочее состояние потребовались рычаги, создающие моменты сил относительно оси вращения торсионов.

В соответствие с третьим законом Ньютона, который появился гораздо позже, но проявлялся и в те далёкие времена, было необходимо придать конструкции устойчивость.

К рассматриваемому классу торсионных машин относится и греческий полинтон, мощное сооружение, предназначенное для метания массивных камней и сосудов с горящими веществами (рис. 6.28).

На вооружении греческой армии состояли и менее массивные машины, скорпионы (рис. 6.29), которые использовались в основном для метания тяжёлых стрел, но могли посылать в сторону противника и каменные ядра.

Первые упоминания о скорпионах появились в III в. до с. л. в описаниях Полибия осады римлянами Сиракуз, который утверждал, что обороняющиеся с успехом применяли «маленькие катапульты», стреляющие металлическими дротиками. Обслуживались они одним воином, хотя в I в. до с. л. знаменитый изобретатель вечных двигателей Вирувий описывая скорпионы, говорит о нескольких воинах, обслуживающих эту метательную машину.

Римляне называли их палинтонами, а греки - баллистами (рис. 6.30). Предназначались эти машины для метания каменных ядер и использовали торсионные принцип накопления потенциальной энергии.

В принципе, баллисты по принципу действия не отличаются от катапульт, отличие только в методике прицеливания. Катапульты, в большинстве своём стреляют дротиками прямой на- под значительными углами к горизонту по балли-

Баллисты использовались массово в армии Александра Македонского при взятии вражеских укреплений. Судя по данным биографов полководца, баллисты метали каменные ядра весом в 1 талант, что составляет примерно 26 кг.

Одновременное использование нескольких баллист способствовало быстрому разрушению даже достаточно прочных крепостных укреплений. Витрувий утверждал, что в I в. до с. л. на вооружении состояли баллисты мечущие камни массой в 2 таланта (52 кг).

Более мощные собратья баллист получили название онагров, которые часто на конце разгонного устройства вместо кожаной корзины имели деревянную ложку для помещения туда снаряда (рис.

В III в. до с.л. римляне эту метательную машину называли онагром, в честь дикого осла, который при опасности очень ловко задними копытами далеко метал камни.

Онагры были как одноплечевые, так и двухплечевые. Самый простой вариант такой метательной машины в качестве упругого элемента использовал многослойные деформируемые доски. Онагры использовались во время всех многочисленных Рис. 631. Реконструкция одного из видав онагра войн Рима.

Имперцами выпускались, как стационарные крепостные онагры, так и предназначенные для штурма крепостей. К каждому ударному римскому легиону было приписано 10 разборных онагров, которые собирались непосредственно перед штурмом крепости или укреплений противника.

В римских источниках есть упоминания об экземплярах онагров, способных метать камни массой до 100 кг. Это уже более чем серьёзно. Для запуска по баллистической траектории нужны серьёзные упругие элементы, предусматривающие не менее серьёзные системы приведения упругих элементов в рабочее состояние.

Подробные описания онагров появились только в III - IV вв. с.л., например у римского офицера Аммна Марцеллина приведено такие подробности:

«Скорпион, который в настоящее время называют онагром (дикий осел), имеет такую форму.

Вытесывают два бревна из обыкновенного или каменного дуба и слегка закругляют, так что они подымаются горбом; затем их скрепляют наподобие козлов для пиления и пробуравливают на обеих сторонах большие дыры; через них пропускают крепкие канаты, которые дают скрепу машине, чтобы она не разошлась. В середине этих канатов воздымается в косом направлении деревянный стержень наподобие дышла.

Прикрепленные к нему веревки так его держат, что он может подниматься наверх и опускаться вниз. К его верхушке приделаны железные крючки, на которых вешается пеньковая или железная праща. Под этим деревянным сооружением устраивается толстая подстилка, набитый искрошенной соломой тюфяк, хорошо укрепленный и положенный на груду дерна или на помост, сложенный из кирпича.

Когда дело доходит до боя, в пращу кладут круглый камень, и четыре человека по обеим сторонам машины быстро вращают навойни, на которых закреплены канаты, и отгибают назад стержень, приводя его почти в горизонтальное положение. Стоящий наверху машины командир орудия выбивает тогда сильным ударом железного молота ключ, который удерживает все связи машины. Освобожденный быстрым толчком стержень отклоняется вперед и, встретив отпор в эластичном тюфяке, выбрасывает камень, который может сокрушить все, что попадется на его пути.

Эта машина называется tormentum, потому что напряжение достигается закручиванием (torquere) - скорпионом, потому что она имеет торчащее вверх жало; новейшее время дало ей еще название онагра, потому что дикие ослы, будучи преследуемы на охоте, брыкаясь назад, мечут такие камни, что пробивают ими грудь своих преследователей или, пробив кости черепа, размозжат голову».

Рис. 6.32. Арабская торсионная машина

Строили торсионные машины и в странах Арабского Востока. В трактате ат-Тасуси описана стационарная конструкции (рис.              6.32)              представ

ляющая собой кубическое деревянное сооружение из балок со стороной, примерно 4,5 м.

Между двумя вертикальными тор- сионами из шёлковых или волосяных канатов закреплялись концы горизонтальных упругих плеч длиной каждое по 2,5 м, выполненных из каменного дуба, усиленного роговыми пластинами. В зарядном устройстве использовался сложный полиспаст и ворот. Спуск был ручным, для выстрела необходимо было выбивать деревянным молотом специальный клин.

Особую популярность с древнейших времён на полях сражений приобрели метательные машины гравитационного принципа действия, в которых использовалась энергия массивного противовеса поднятого предварительно на некоторую высоту.

Рис. 6.33. Принцип действия гравитационной метательной машины

Принцип действия гравитационной метательной машины показан на рис. 6.33. Рычаг с длиной плеч L1 и L2 может вращаться вокруг горизонтальной оси z.

На короткое плечо рычага длиной L1 подвешивался груз большой массы m1, на длинное плечо - груз малой массы m2. Посредством ворота и специального штурвала масса m1 поднималась на высоту h, приобретая потенциальную энергию

П = m1gh = m1gL1 sin а,

где а - угол между рычагом и горизонталью. При освобождении ворота, масса m1 ввиду избытка потенциальной энергии начинает опускаться, приводя рычаг во вращательное движение вокруг оси z.

Другими словами, потенциальная энергия предварительно поднятой массы начинает трансформироваться в кинетическую энергию рычага. Следует заметить, что угловая скорость обоих плеч рычага будет одинаковой

Ла Ю Лё ,

а линейные скорости их концов, в соответствие с уравнением Эйлера будут разными

v1 = юЬ2; v2 = raLj, причём v2 gt;gt; v1, потому что L2 lt;lt; Li.

Масса m2 в определённой точке круговой траектории отрывается от своего ложа в виде ковша и по касательной траектории устремляется по баллистической траектории разрушать стены и головы врагов.

Рис. 6.34. Применение гравитационной машины для бросков бочек с горящими веществами

Массы, которые можно было метать с помощью гравитационных машин, определялись только прочностью конструкций, способных выдержать соответствующие противовесы.

Описаны случаи, когда гравитационные машины применялись для забрасывания во внутренние пространства оборонительных сооружений целых бочек с горючими материалами (рис. 6.34). Для увеличения начальной скорости снарядов на метательный конец двух плечевого рычага вешалась праща или фронда.

Китайские историки упоминают, что в ранние периоды средних веков в составе армии были подразделения с гравитационными машинами, которые забрасывали в укрепления противника глиняные сосуды с расплавленным железом (рис. 6.35).

Китайские гравитационные машины, именуемые в европейских странах требюше, предметы весом 100 кг могли метать на расстояние около 100 м под углом примерно 450 к горизонту.

Помимо расплавленного металла и бочек с кипящей смолой китайские метатели начиняли свои снаряды змеями, скорпионами, негашеной известью. Использовалось и своеобразное «химическое оружие» в виде трупов разлагающихся животных, метали трупы лошадей, которые создавали запертым в крепости определённые трудности.

Находились на вооружении и малогабаритные гравитационные машины, поставленные на колёса.

Они перемещались с войском в собранном виде и              Рис. 6.35. Китайский вариант

могли быть приведены в рабочее состояние без гравитационной машины предварительной подготовки.

Сколько бы ни было сказано об античном периоде развития естествознания, всё равно этого будет мало, потому что рождение нового всегда заслуживает повышенного внимания.

Сделав краткий обзор исторических фактов и личностей, определивших во многом, на наш взгляд, судьбы научных основ современной цивилизации, мы, естественно же многого недоговорили, многое осталось за рамками рассмотрения.

В Древней Греции и Римской империи успешно развивались наряду с фундаментальными и прикладные науки, не единой геометрией и астрономией жил человек. Его тактические и стратегические интересы требовали использования фундаментальных знаний для создания новых образцов техники и технологий. Особенно была востребована механика, и, прежде всего, для создания наступательного и оборонительного вооружения.

Как уже упоминалось ранее, в I веке до н.э. в Александрии работали и обучали самые знаменитые учёные того времени. Это не могло не принести вклада и в при-

Первыми «танками», как это ни покажется странным, были живые существа - слоны. Ученик великого Аристотеля, Александр Великий, он же Македонский, посадил вооружённых воинов на спины слонов, превратив такое сочетание в мощное наступательное средство против пехоты врага (Рис.6.36). Обладая существенной массой и высокой проходимостью, слоны буквально сметали пехоту и конницу врага, а воины стрелами, дротиками и копьями подавляли сопротивление поверженных врагов.

Рис. 5.36. Фрагменты боевых действий

кладную науку, в частности в механику.

Рис. 6.37. Клепсидра

Основателем александрийской школы прикладной механики был современник Архимеда, Ктезибий. Самыми распространёнными в Александрии разделами механики были гидродинамика и пневматика. Катезибию приписывают создание первого органа, построенного на основе резонансных трубок, продуваемых сжатым посредствам столба воды воздухом.

Кроме того, под руководством Катезибия были разработаны оригинальные конструкции водяных часов (рис. 6.37)и пневматических метательных орудий.

Картезибию так же принадлежит и изобретение пожарного водяного насоса, который в средневековье назывался «машина Катезибия».

Один из механиков, прославивших александрийскую школу, был Филон Византийский (середина III века до н.э.), который оставил после себя, сохранившийся до наших дней трактат «Механика» в арабском переводе.

После краткого вступления Филон подробно излагает устройство боевых машин, действие которых основано на свойствах рычага. В книге Филона много внимания уделено описанию пневматических игрушек и забав: кривые зеркала, сосуды, извергающие разноцветные жидкости, автоматические устройства для подачи святой воды к входу в храм. В этих развлекательных механизмах использовались механические эффекты, создаваемые сжатым воздухом и парами нагретой воды.

Филоном была описана впервые в египетской и греческой практике конструкция подвеса, который сейчас называется «кардановым». Правда произошло это гораздо позже, чем в Древнем Китае

В трактате, помимо прочего, описаны эксперименты, которые Филон проводил с целью доказательства своих предположений. Доказательство, что воздух является физическим телом, Филон провёл с помощью амфоры, дно которой имело маленькое отверстие. Погружая амфору в жидкость горлышком вниз, экспериментатор наблюдал истечение пузырьков воздуха до тех пор, пока вода не заполняла всё внутреннее пространство сосуда. Из этого Филон заключает, что воздух является телом.

Впервые в истории естествознания Филон описал термоскоп, который состоял из Двух сосудов 1, 3 (рис. 6.38) и соединительной трубки 2. Когда сосуд 3, который, по сути, выполнял роль датчика температуры, нагревался, то в жидкости сосуда 1 появлялись пузырьки воздуха, а когда охлаждался, то, наоборот - жидкость из сосуда 1 по соединительной трубке перетекала в сосуд 3, который имел сферическую форму и выполнялся из свинца. Выбор свинца не случаен, дело в том, что Свинец обладает высокой теплопроводностью, что снижает инертность.

Проводя эксперименты с термоскопом, учёные открыли свойства тел изменять свои размеры в зависимости от температуры. Решался так же и более фундаментальный вопрос, - в каком виде существует в природе пустота.

Были две точки зрения. Пустота абсолютна, т.е. есть обрасти, где ничего нет - пусто, это была одна точка зрения, которой придерживался и Аристотель. Вторая - состояла в том, что пустота может быть только относительной, в рассеянном виде, vacuum intermicstum, т.е. пустота между частичками материи. Рассеянная пустота объясняла, с точки зрения александрийских механиков, сжимаемость и упругость тел: когда воздух, например, сжимается, то частицы воздуха сближаются, оказываясь в «насильственном» состоянии, что и объясняло силу сжатого воздуха.

Рис. 6.39. Эолипид

Блистательные успехи в механике Ктезибия и Филона были продолжены, а во многом и превзойдены Героном (150 - 250 гг. с.л.), который преподавал в Александрии и написал трактат в двух частях по пневматике.

Знаменитым изобретение Герона был эолипид, который считается прообразом современных турбин (рис. 6.39). Удивительным является то, что Героном, по сути, была установлена принципиальная возможность использования энергии пара с целью её преобразования в механическую энергию, однако дальше ничего не последовало.

Игрушка, представлявшая собой вращающийся силой реактивных струй пара шар, ласкала взоры и поражала воображение, но никого не подвигла на практическое использование. Ни современники Ге- рона, ни учёные в эпоху Возрождения так и не удосужились использовать энергию вращательного движения шара, снабжённого соплами.

Ещё Герон создал устройство, которое при разжигании огня у дверей храма, автоматически их открывало. Надо сказать, что система была достаточно сложной (рис

• 6.40).
• Когда              в              чаше              разжигали              огонь, горячий
• -у—lt;              воздух поступал по трубопроводу в герме—              і              I              тичный сферический сосуд, частично за

Рис .6.40. Автоматика Герона

полненный водой, и вытеснял некоторое её количество в цилиндрический сосуд.

Это ведро посредствам цепной передачи соединялось с двумя валами с деревянными маховиками. При опускании под действием силы тяжести ведра с водой, валы с маховиками начинали вращаться, открывая к всеобщему умилению верующих, двери храма.

Таким образом, естествознание служило процветанию религиозной догматики. Одним из достоинств трудов Герона была их простота. Механические воззрения и

описания устройств были оформлены настолько доступно, что их могли читать не обременённые специальными знаниями люди. В популярной форме с примерами излагалась теория рычагов, воротов, блоков, клиньев и винтов. Книги Герона, что очень важно, могли читать ремесленники и применять описанные механизмы для своих профессиональных нужд.

У Герона описано устройство для измерения пройденного расстояния - годомер (рис. 6.41), который является прообразом современного автомо- бильного счётчика километража. Датчиком являлось колесо С, снабжённое штифтом, который поворачивает на определённый угол диск А. Диск А поворачивает вал с червячной парой В - D, далее через систему червячных пар движение передаётся на указатель, градуированный в единицах расстояния, как в современном автомобиле.

Рис. 6.42. Мельница

Следует отметить, что в I веке н.э. в Греции, а затем и в Риме, появились устройства, использующие полный цикл использования механической энергии. На рис. 6.42 показана реконструкция водяной мельницы, использующей энергию падающей воды для помола зерна. В римской империи эти машины получили широкое распространение. Наряду с увеличением производительности труда, водяные мельницы стали стимуляторами изменений в способах производства.

Рабовладельческий строй впадал в кризисное состояние.

Помимо механики в Древней Греции, а особенно в Александрии, великие размышляли над оптическими и акустическими проблемами. В плане акустики достаточно ознакомиться с древними храмами и концертными залами, чтобы прийти к заключению о знаниях в области архитектурной и строительной акустики.

В Древней Греции были изобретены и усовершенствованы многие музыкальные инструменты, которые при их изготовлении требовали высокого уровня знаний в области музыкальной акустики.

Оптика занимала греческих учёных с физиологических позиций, они интересовались, в основном, каким образом возникают зрительные образы. Пифагорейцы впервые выдвинули гипотезу об особом флюиде, который якобы испускается глазами и «ощупывает» окружающие предметы, давая о них зрительную информацию.

Атомисты, сторонники учения Демокрита, полагали, что все тела испускают особые частицы «призраки» или «образы», которые, попадая в глаза, приносят душе человека информацию об образе и форме. Примерить эти две, достаточно разные по сути, точки зрения удалось Платону. Аристотель считал, что зрительные образы возникают благодаря тому, что испускаемые телами флюиды изменяют окружающее пространство, которое воздействует на глаза.

Евклид в 300 году до н.э. ввёл в оптику понятия луча и полагал, что их испускают глаза: «Фигура, образуемая лучами зрения, представляет собой конус, вершина которого находится в глазу, а основанием служит граница предмета». Оптика Евклида включала около двенадцати постулатов, которые обосновывали геометрические принципы: «Всё что видно, видно по прямой». Исходя из геометрических представлений, Евклид показал, что с помощью вогнутых зеркал, помещённых на солнце, можно зажечь костёр. Это откровение подтверждает ранее упомянутую легенду о сожжении Архимедом вражеского флота посредствам зеркал.