Конструкции, или почему не ломаются вещи

Лук - одно из наиболее эффективных приспособлений, способных аккумулироватьмускульную энергию человека. Английские большие луки, которые принесли победупри Креси (1346) и Азенкуре (1415) [21], почти всегда делались из тиса.

Сегодня тисовая древесина не имеет большого промышленного значения,а потому до недавнего времени ей не уделяли внимания в научных исследованиях.Однако мой коллега, д-р Г. Блют, занимающийся изучением оружия прошлыхвеков, установил, что микроскопическое строение древесины тиса (Taxusbaccata) заметно отличается от строения других пород, она представляетсянам наиболее способной запасать упругую энергию. Поэтому тис, вероятно,особенно подходит для изготовления луков.

Вопреки распространенному мнению английские большие луки, как правило,делались не из английского тисового дерева, растущего на церковных кладбищахи в других местах, а из испанского тиса, и по существовавшему в то времязакону каждая ввозимая партия испанского вина должна была сопровождатьсяпартией испанских заготовок для луков.

Как известно, тисовое дерево хорошо произрастает не только в Испании,но и по всему району Средиземноморья. Так, буйные заросли тиса покрываютсегодня руины Помпеев. Однако свидетельств об использовании тисовых луковв Испании и странах Средиземноморья как в древности, так и в Средние векапочти не встречается. Они были приняты почти исключительно в Англии, Франциии отчасти в Германии и Нидерландах. Опустошения, производимые англичанами,обычно доходили до районов Бургундии и вряд ли когда-либо распространялисьюжнее Альп или Пиренеев.

На первый взгляд это может вызвать удивление, но Г. Блют указывает,что у тиса механические свойства древесины ухудшаются с ростом температурыбыстрее, чем у древесины других пород, а потому тисовый лук не может надежнослужить при температуре выше 35°С. Таким образом, его применение в качествеоружия ограничено холодным климатом, и он непригоден в условиях средиземноморскоголета. Поэтому, хотя в странах Средиземноморья тисовое дерево применялосьдля изготовления стрел, оно редко использовалось там для изготовления луков.

Этим объясняется тот факт, что в этих странах получила распространениеконструкция так называемого композиционного лука. Такой лук имел деревяннуюсердцевину, толщина которой составляла около половины толщины лука и котораяподвергалась лишь небольшим напряжениям. К этой сердцевине приклеивалисьвнешний слой из высушенных сухожилий, подвергающийся растяжению, и сделанныйиз рога внутренний слой, подвергающися сжатию. Оба этих материала превосходяттис способностью запасать упругую энергию. Лучше тиса они сохраняли и своимеханические свойства в жаркую погоду - ведь температура животного около37°С. На практике высушенные сухожилия сохраняют свои свойства до температуры55°С, но теряют их в сырую погоду.

Комбинированные луки использовались в Турции и ряде других мест до сравнительнонедавнего времени. Лорд Абердин писал в 1813 г. по пути на Венский конгресс обиспользовании против отступающих по Восточной Европе наполеоновских армийтатарских войсковых частей, вооруженных, по-видимому, подобными луками.Очевидно, комбинированные луки были во многих отношениях лучше английскогобольшого лука, но последний был дешевле и проще в изготовлении. Луки древнихгреков тоже были комбинированными, так что сделать лук Одиссея илиФилоктета [22] требовало незаурядного мастерства.

Упоминание о луке Одиссея заставляет нас вспомнить о покинутой Пенелопе,которая устроила состязание для претендентов на ее руку, предложив им натянутьтетиву одиссеева лука. Как известно, это оказалось не под силу ни одномуиз них, даже изобретательному Эвримаху. "А потом лук взял Эвримах, ион нагрел его со всех сторон в пламени огня, но все равно он не смог натянутьего, и тяжкий стон вырвался из его груди". Но в конце концов в чемсмысл всех усилий и почему поклонники Пенелопы, Одиссей да и вообще лучникине использовали просто более длинную тетиву?

На это имеются весьма веские основания. Возможности передачи упругой энергиилуку от человека ограничены характеристиками человеческого тела. На практикестрелу удается оттянуть примерно на 0,6 м, и даже сильный человек не можетнатягивать тетиву с силой больше 350 Н. Соответствующая энергия мышц составляетпримерно 0,6 м х 350 Н, то есть около 210 Дж. Это максимум того, чем мырасполагаем, и мы хотим как можно большую часть этой энергии запасти в луке ввиде упругой энергии.

Если предположить, что первоначально лук не натянут и его тетива почтипровисает, то в момент, когда стрелок начинает оттягивать стрелу, прикладываемаяим сила почти равна нулю. Она достигнет своего наибольшего возможного значениятолько тогда, когда тетива максимально растянется. Это демонстрирует графикна рис. 14. Энергия, переданная луку, будет в таком случае выражаться площадьютреугольника и не может быть больше половины той энергии, которую мы моглибы затратить, то есть не может превышать 105 Дж.

Рис. 14. Упругая энергия лука = 1/2 x 0,6 x 350 = 105 Дж. Эта диаграмма,как и кривая на рис. 16, конечно, носит схематический характер. Вообще говоря,зависимость между силой и перемещением стрелы нелинейна, но это не меняет сутидела.

Энергия, запасаемая в английском большом луке, на практике немного меньшеэтой величины. Однако Гомер особо отмечает, что лук Одиссея был palintonos,что означает "изогнутый, натянутый назад". Другими словами, лук первоначальнобыл изогнут в направлении, противоположном рабочему, так что для того,чтобы натянуть на него тетиву, приходилось прикладывать большую силу (рис.15).

Рис. 15. Натягивание тетивы на греческий лук (роспись на вазе).

В этом случае, стреляя, лучник начинает натягивать тетиву не от нулевыхзначений напряжения и деформации, так что, подобрав соответствующую конструкциюлука, можно добиться того, чтобы график зависимости силы от растяжения выгляделпримерно так, как показано на рис. 16 [23].

Площадь ABCD под таким графиком теперь составляет значительнобольшую долю от располагаемой энергии; эта доля, вероятно, достигает 80%.Поэтому в таком луке запас энергии может составить около 170 Дж. Вполнеочевидно, что это дает большие преимущества стрелку, не говоря уже о выгоде,которую имела Пенелопа.

Рис. 16. Почему луки бывают "изогнутыми назад" (палинтонос). Энергия,запасаемая в луке, теперь дается площадью АВС, что соответствует примерно170 Дж.

В действительности тетива любого лука натянута в большей или меньшейстепени еще до того, как ее начинают растягивать, и, чтобы ее надеть, требуетсяопределенное усилие. Но поскольку английские большие луки - это луки "безхитростей", которые делались из заготовок, отколотых от бревен строевоголеса, а потому почти прямых, влияние этого обстоятельства в данном случаенезначительно. Гораздо проще придать наилучшую исходную форму комбинированнымлукам, именно они обычно имеют характерные очертания "лука Купидона" (рис.17).

Рис. 17. Комбинированный лук в ненатянутом и натянутом состояниях.

Поскольку предельная упругая энергия таких материалов, как роговая тканьи сухожилие, превышает предельно упругую энергию тиса, комбинированныйлук можно сделать более коротким и легким, чем деревянный. Именно поэтомуразмеры английского деревянного лука соответствовали росту человека, асам он получил название большого лука. Комбинированный лук можно сделатьгораздо меньшим, чтобы им могли пользоваться всадники, как это и было упарфян и татар. Парфянский лук был настолько удобен, что позволял всадникустрелять назад в преследователей; очевидно, отсюда и пошло выражение "парфянскаястрела".