Механический принцип, на котором, основана конструкция арбалета, восходит к метательным машинам древности. Принцип тяжелых осадных машин был реализован в легком ручном оружии еще в конце античности. Уже в VT веке Вегеций в своем трактате о военном деле пишет об арбалистах не как о тяжелой машине, а как о легком, всем известном ручном оружии стрелков.
Начиная с XI в. на протяжении 500 лет арбалет был грозным боевым оружием. Его использовали в основном для защиты различных объектов, например замков и кораблей. Кроме того, арбалет сыграл значительную роль в познании свойств различных материалов (поскольку при его изготовлении приходилось учитывать действие многих сил) и законов движения в воздушной среде (ведь стрела арбалета должна была обладать определенными летными качествами).
К изучению принципов, лежащих в основе стрельбы из арбалета, не раз обращался Леонардо да Винчи. Мастера, изготовлявшие луки, арбалеты и стрелы, не знали математики и законов механики. Тем не менее, проведенные в Университете Пардю испытания образцов старых стрел показали, что этим умельцам удалось достичь высоких аэродинамических качеств.
С виду арбалет не кажется сложным. Его дуга, как правило, укреплялась впереди, поперек деревянного или металлического станка - корпуса арбалета.
Спусковой механизм удерживал натянутую до отказа тетиву и отпускал ее. Направление полета короткой арбалетной стрелы задавалось либо желобом, вырезанным наверху корпуса, в который закладывалась стрела, либо двумя упорами, закреплявшими ее спереди и сзади. Если дуга была очень упругой, то для ее натягивания на ложе устанавливалось специальное устройство; иногда оно было съемным и его носили вместе с арбалетом.
Арбалет имеет несомненные преимущества по сравнению с обычным луком.
Во-первых, арбалет дальше стреляет, и вооруженный им стрелок в поединке с лучником остается недосягаемым для противника.
Во-вторых, конструкция ложи, прицела и спускового механизма во многом облегчала обращение с оружием; оно не требовало от стрелка особой подготовки.
В-третьих арбалет был более мощным оружием, кованная из металла арбалетная стрела (болт) весом до 200 г. выпущенная из арбалета мощностью в 500 кг легко пробивала насквозь зазевавшуюся рыцарскую лошадь в доспехах.
Зацепные зубья, которые удерживали и отпускали натянутую тетиву и стрелу, являются одной из ранних попыток механизировать некоторые функции человеческой руки. Единственно, в чем арбалет уступал луку, - это в скорости стрельбы. Поэтому использовать его в качестве боевого оружия можно было только при наличии щита, за которым воин укрывался во время перезарядки. Именно по этой причине арбалет в основном был распространенным видом вооружения крепостных гарнизонов, осадных отрядов и судовых команд.
Археологические находки говорят о том, что арбалет в Европе применялся на протяжении всего периода от античной эпохи до XI-XVI вв., когда он стал наиболее распространенным.
Можно предположить, что повсеместному его использованию до XI в. препятствовали два обстоятельства. Одно из них заключается в том, что вооружение войска арбалетами обходилось значительно дороже, чем луками. Другая причина - малое количество замков в тот период; исторически важную роль замки стали играть лишь после завоевания Англии нормандцами (1066г.).
С повышением роли замков арбалет стал незаменимым оружием, используемым в феодальных разборках, которые не обходились без яростных схваток. Фортификационные сооружения в до-нормандский период обычно были очень простыми и служили главным образом убежищами для живших поблизости людей. Поэтому за крепостными стенами необходимо было держать оружие, чтобы отражать нападения завоевателей. Нормандцы осуществляли власть на завоеванных территориях с помощью небольших тяжеловооруженных военных бригад. Замки служили им для укрытия от воинственно настроенных аборигенов и отражения нападений других вооруженных отрядов.
Дальность стрельбы из арбалета способствовала надежной защите этих убежищ. В течение столетий после появления первых арбалетов неоднократно предпринимались попытки усовершенствовать это оружие. Один из способов, возможно, был украден у арабов. Арабские ручные луки относились к тому типу, который назывался составным, или сложным. Их конструкция полностью соответствует этому названию, поскольку они изготовлялись из различных материалов. Составной лук обладает явными преимуществами по сравнению с луком, сделанным из одного куска дерева, поскольку последний имеет ограниченную упругость, определяемую природными свойствами материала. Когда лучник натягивает тетиву дуга лука с внешней (от лучника) стороиы испытывает натяжение, а с внутренней - сжатие. При чрезмерном натяжении древесные волокна дуги начинают деформироваться и на внутренней ее стороне появляются постоянные <морщины>. Обычно лук держали в согнутом состоянии, и превышение некоторого предельного натяжения могло вызвать его поломку.
В составном луке к внешней поверхности дуги крепится материал, способный выносить большее натяжение, чем дерево. Этот дополнительный слой принимает на себя нагрузку и уменьшает деформацию древесных волокон. Чаше всего в качестве такого материала использовали сухожилия животных, особенно ligamentum nuchae - большой эластичный узел, проходящий вдоль позвоночника и над плечами у большинства млекопитающих. Испытания показали, что такой материал, если он правильно обработан, выдерживает натяжение до 20 кг/кв. мм. Это примерно в четыре раза больше, чем может выдержать самое подходящее дерево. Для внутренней стороны лука использовали материал, работающий на сжатие лучше, чем дерево. Турки для этих целей использовали бычий рог, допустимое усилие сжатия которого около 13 кг/кв.мм. (Дерево выдерживает сжимающие нагрузки в четыре раза меньше.)
О необычайно высокой осведомленности лучных дел мастеров о свойствах различных материалов можно судить и по тому, какие клеи они использовали при изготовлении луков. Самым лучшим считался клей, приготовленный из неба волжского осетра. Разнообразие необычных материалов, применявшихся в лучном деле, говорит о том, что многие конструктивные решения достигались опытным путем.
Арбалеты с составными дугами были распространены в средние века, включая эпоху Возрождения. Они были легче арбалетов со стальной дугой, которые начали изготовлять в начале XV в.; при одинаковом натяжении тетивы они стреляли дальше и были более надежными. Действие составных дуг интересовало Леонардо да Винчи. Его рукописи свидетельствуют о том, что с их помощью он изучал поведение различных материалов под нагрузкой. Появление стальной дуги в средние века было зенитом в развитии конструкции арбалета. По своим параметрам он мог бы уступить только арбалету, изготовленному из стеклопластика и других современных материалов. Стальные дуги обладали такой гибкостью, какую прежде не мог обеспечить ни один из органических материалов.
Спортсмен викторианской эпохи Ральф Пейне-Гэллви, написавший трактат об арбалете, провел испытания большого военного арбалета, усилие натяжения тетивы которого равнялось 550 кг, посылавшего 85-граммовую стрелу на расстояние 420 м. Э. Хармут, специалист по истории арбалета, утверждает, что существовали дуги с натяжением в два раза большим. Однако в средние века наиболее распространенными были арбалеты с натяжением менее 45 кг. Даже специальными облегченными стрелами они стреляли не далее 275 м. С достижением более высоких натяжений стальные дуги перестали выигрывать в эффективности. Увеличение массы дуги ограничивало ее способность сообщать стреле большее ускорение.
Из-за трудностей получения стальных слитков большого размера арбалетные дуги, как правило, сваривали из многих кусков металла. Каждое место сплавления понижало надежность арбалета: в любой момент дуга в этом месте могла сломаться. Более мощные арбалеты требовали надежных спусковых механизмов. Следует отметить, что спусковые механизмы, использовавшиеся европейцами и обычно состоявшие из поворачивающегося зуба и простого рычажного спуска, уступали китайским, которые имели промежуточный рычажок, позволявший производить выстрел коротким и легким нажатием на спусковой рычаг.
В начале XVI в. в Германии начали использовать многорычажные спусковые механизмы более совершенной конструкции. Интересно, что несколько раньше Леонардо да Винчи придумал такую же конструкцию спускового механизма и расчетным путем доказал ее преимущества. О конструкции стрел, появившихся в то время, можно судить по двум дошедшим до наших дней основным типам. Стрела одного типа в два раза короче обычной, лучной стрелы. Она резко расширяется к заднему концу и имеет несколько лопаток, или оперение, которые слишком малы, чтобы стабилизировать стрелу в полете. Торцевая часть стрелы захватывается зацепными зубьями. Стрелы другого типа не имеют лопаток. Их металлическая передняя часть составляет треть их длины, а деревянное древко сокращено до минимума. Эти стрелы также имеют расширяющуюся к хвостовой части форму. Общая их длина менее 15 см. Конструктивные особенности этих стрел говорят о том, что мастерам Древнего Рима, которые первыми изобрели их, были знакомы летные качества тел различной формы. Сегодня нам понятно, что оперение, которое предотвращает вращение стрелы в полете, является основной причиной ее торможения.
Уменьшение его размеров позволило бы увеличить дальность полета стрелы при условии, что она не поворачивается в сторону, что еще больше затормозило бы ее полет. Этого можно избежать, заострив древко, т. е. сделав его в передней части уже, чем в задней. Если стрела с таким древком начнет поворачивать в сторону, то давление воздуха на более широкую заднюю часть будет выше, чем на переднюю; за счет этого направление полета стрелы выравнивается.
Можно также предположить, что древко имеет центр давления (точка равновесия всех действующих на него аэродинамических сил), расположенный за центром тяжести. На цилиндрической стреле без оперения эта точка будет находиться примерно посередине древка. У расширяющейся стрелы центр давления смещается к задней части. Поскольку центр давления расположен за центром тяжести, устойчивость стрелы с расширяющимся древком выше, чем с цилиндрическим, а за счет отсутствия оперения ее лобовое сопротивление меньше. Расширяющееся древко способствует также более равномерному распределению давления воздушной массы на его поверхность.
Используя терминологию современной аэродинамики, можно сказать, что пограничный слой менее подвержен разрушению. Уменьшение длины стрелы также улучшает ее летные качества, поскольку с увеличением длины турбулентность воздушного потока, параллельного цилиндрической поверхности, увеличивается, поглощая большую энергию.
Другим фактором, от которого зависит эффективность стрельбы стрелами с расширяющимся древком, является конструкция оперения. Для удержания болта захватывающими зубьями спускового механизма в его оперении делалась специальная выемка. Как и расширяющаяся форма древка, наличие выемки способствует более равномерному обтеканию стрелы воздухом, уменьшению энергопоглощающей турбулентности позади нее. В раннее средневековье мастерам, изготовлявшим луки и арбалеты, не были знакомы законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности тел при их движении в воздушной среде. Такие понятия, как воздушный поток и лобовое сопротивление, появились только во времена Леонардо да Винчи. Нет сомнения, что арбалетные стрелы были созданы главным образом методом проб и ошибок. Вероятно, их создатели руководствовались стремлением достичь максимальной дальности полета и наибольшей силы удара.
Все эти усовершенствования диктовались острой потребностью в арбалетах. В средние века происходила настоящая гонка арбалетных вооружений!
Часто в мирное время на территории замков размещались гарнизоны, состоящие в основном из стрелков, вооруженных арбалетами. На хорошо защищенных аванпостах, таких, как английский порт Кале (на северном побережье Франции), в запасе находилось 53 тыс. арбалетных стрел. Владельцы этих замков обычно закупали стрелы большими партиями - по 10-20 тыс. штук. Подсчитано, что за 70 лет с 1223 по 1293 г. одна семья на территории Англии изготовила 1 млн. арбалетных стрел. На основании этих фактов можно сказать, что начало массовому производству было положено задолго до промышленной революции. Подтверждением этому может служить использовавшееся в то время простое приспособление из двух скрепляемых деревянных брусков, образующих нечто похожее на тиски: в имеющиеся в деревянных брусках углубления вставлялась заготовка стрелы для последующей обработки. Для изготовления лопаток оперения использовались металлические пластины с пазами, в которые вставлялись заготовки. Такое приспособление давало возможность получить нужные размеры и симметричную форму лопаток.
На смену арбалету пришло огнестрельное оружие. Популярность древнего арбалета стала падать. Однако им еще продолжали пользоваться в морских сражениях. Причина заключалась в том, что арбалет не имел запала, и для стрелка он был безопасным в отличие от огнестрельного оружия, которое в первое время нередко поражало самого стрелка. Кроме того, фальшборт на судне служил хорошим прикрытием, за которым можно было спокойно перезаряжать арбалет. Более тяжелые арбалеты продолжали использовать в китобойном промысле. Огнестрельное оружие постепенно вытеснило арбалет и в охоте на суше. Исключение составляли арбалеты, которые стреляли камнями или пулями. Этот вид оружия в охоте на мелкую дичь применяли вплоть до XIX в. То, что эти арбалеты, стрелявшие дробью или пулями, имели много общего с огнестрельным оружием, свидетельствует о взаимном влиянии двух видов вооружения в процессе их эволюции. Такие элементы огнестрельного оружия, как ложа, спусковой крючок, требующий слабого нажатия, и прицельное приспособление, были заимствованы у арбалетов, и в первую очередь у спортивных. Такие арбалеты и сейчас еще не вышли из употребления.
