А я работаю научным сотрудником в области лазерной физики!
Разрабатываем оптический магнитометр для использования в медицине)
В свободное время преподаю в университете..
Азиатская физическая олимпиада — это престижное соревнование по физике для старшеклассников, которое проводят ежегодно начиная с 2000 года. Впервые турнир прошел в Индонезии.
Шестеро учеников из «Физтех-лицея» имени Капицы в Долгопрудном в составе сборной России завоевали золотые медали на Азиатской физической олимпиаде в Улан-Баторе в Монголии.
В их команде были московские школьники Вячеслав Бобков и Егор Потапов. Потапов помимо золотой медали взял спецприз за лучший результат экспериментального тура.
За победу боролись команды более чем из 25 стран. Им предложили пройти один пятичасовой теоретический тур и несколько экспериментальных. Помимо соревнований школьники смогли насладиться культурной программой. В нее вошли экскурсии в буддийские монастыри и музей Чингизхана.
«Пятеро из шестерых ребят — выпускники 11-х классов. Ради этой поездки они пропустили такой важный для каждого школьника праздник, как „Последний звонок“. Только один представитель нашей делегации в сборной России — 10-классник. Это Даниил Гаврилов», — рассказал педагог лицея Андрей Лукашин.
«Важно отметить, что в сборной из восьми человек трое десятиклассников. Это хороший задел на олимпиадный сезон 2024 года», — заявил тренер сборной России и преподаватель МФТИ Виталий Шевченко.
К соревнованиям столичная команда готовилась на учебно-тренировочных сборах, организованных Московским физико-техническим институтом.
А если посмотреть статистику, то и 2 года назад Московские школьники уже завоёвывали золото по той же дисциплине.
Наверное каждый из нас, будучи школьником, хоть раз да подрисовал в учебнике какому-нибудь усы. У меня в семье первое место по этому развлечению на уроках, принадлежит моему отцу. Был он человеком творческим, и разносторонним, и так сложилось что занесла его судьба в г. Черноголовку в Подмосковье, в школу с физико-математическим уклоном. Учебники он не портил (наверное), но на тетради отыгрался. Было это где-то в 1967-1969 г.
Итак собственно семейная реликвия:
Вошло не все, но 25 есть 25.
Так же хочется отметить, что все таки уровень образования в СССР был несоизмеримо выше чем нынешний. Всё-таки это 10 класс, пусть и специализированной школы.
Всем хорошего настроения!
Первый пост из серии был посвящен метательному оружию вообще, второй - конкретно луку. Пришла пора поговорить о его развитии - арбалете.
В киношных батальных сценах, где присутствуют лучники, почти обязательно будет сцена залповой стрельбы.
Раз - лучники разом натягивают луки. Проходит несколько секунд томительного ожидания... Два - по команде они разом выпускают стрелы.
Не менее часто какой-нибудь герой, натянув лук, долго что-то выцеливает, потом наконец спускает тетиву - и попадает точно в яблочко.
Увы, в реальной истории из лука так не стреляли. Боевой лук имел большую силу натяжения, держать его натянутым - зря расходовать силы. Более того, при этом зажимаются мышцы, начинается тремор - и с точностью можно попрощаться.
Ждать команды, целиться, делиться наблюдениями можно пока лук не натянут. Натянул - сразу спускай.
Однако очевидно, что при такой схеме момент выстрела несколько запаздывает. Это не страшно, если ты стреляешь по цели, которая на виду продолжительное время. Например, птица в небе или всадник в степи. Также это не слишком мешает при засыпании стрелами "по площадям". Но что если противник, к примеру, спрятался за зубцами крепостной стены и выглядывает только чтобы выстрелить самому?
Тут постепенно и приходит идея, что было бы неплохо иметь устройство, позволяющее разнести натяжение и выстрел. И это устройство - арбалет.
В этом месте многие начнут писать гневные комментарии про бОльшее натяжение арбалета, которое позволяло пробивать рыцаря вместе с конем навылет. Наберитесь терпения, это мы тоже рассмотрим)
Арбалет изобретали несколько раз, судя по всему независимо. Были какие-то подвижки в древней греции, но "не взлетело". Были арбалеты у китайских Цинь и в последствии Хань. И, конечно же, были арбалеты в средневековой Европе - и именно тут они получили максимальное развитие.
Вернемся все же к физике. Рассмотрим для начала простой арбалет, который взводился без дополнительных приспособлений. Как-то так:
Как и в случае с луком, перед нами встает проблема ограничений упругой деформации. Если вы забыли или не читали предыдущий пост, кратко напомню - сильно палку не согнуть, она сломается. И чем палка толще, тем меньше ее можно согнуть.
Лук можно было сделать длинным. Арбалет, по крайней мере ручной - нет. А значит, допустимый предел сгибания дуги арбалета будет небольшим. Как следствие - длина разгона стрелы у арбалета сильно меньше, чем у лука.
Теперь вспомним график из предыдущего поста:
Напомню, по оси X - расстояние, на которое мы натянули лук, по оси Y - сила натяжения. Накопленная потенциальная энергия, которая будет разгонять стрелу - это площадь под графиком. Теперь давайте сравним графики для лука и арбалета:
Оказывается, несмотря на бОльшее натяжение, потенциальная энергия арбалета сопоставима или даже меньше, чем у лука!
Кроме того, у арбалета вовсю проявляется главный бич механики - сила трения. В отличие от лука, стрела касается ложа на всем своем протяжении, а тетива ее еще и в ложе вдавливает.
С другой стороны, эти недостатки являются и преимуществами. Меньший путь разбега позволяет сделать более короткую, а значит более прямую, жесткую и однородную стрелу. А это хорошо сказывается на кучности.
Упор в ложе, в свою очередь, сильно снижает эффект archer's paradox (когда стрела изгибается из-за несовпадения направления движения и направления приложения силы). Что, опять же, дает меньший разброс.
Подытожив - простой арбалет хоть и может иметь бОльшее натяжение, едва ли сообщает стреле бОльшую кинетическую энергию. Соответственно, арбалетная стрела не полетит дальше. Зато - полетит значительно точнее.
В принципе, большая точность - уже немалый плюс. Но арбалет допускает использование устройств для взвода, что позволяет устанавливать натяжение, многократно превосходящее таковое у лука.
Первые дуги арбалета были прямыми и из дерева. Затем их стали делать рекурсивными и из композитных материалов. Наконец, в 15 веке развитие металлургии позволило делать дуги из стали, что, в свою очередь, открыто дорогу очень тяжелым арбалетам.
Теперь поговорим об этих самых устройствах для натяжения.
Самое простое - поясной крюк, он же "пояс Самсона". Тут нет никакого выигрыша в силе, просто используются более сильные мышцы ног. При внешней примитивности это устройство просуществовало довольно долго благодаря дешевизне, практичности и скорости взведения. К тому же крюком можно взводить арбалет даже верхом.
Были попытки использовать подвижный блок для двукратного выигрыша (на рисунке под цифрой 2). Также я встречал остроумную конструкцию, позволяющую добиться схожего эффекта с помощью одной только веревки. Но - непонятно, реальное ли это устройство или просто фантазия автора.
Следующее - рычаг "козья нога".
Тут есть один интересный момент. В процессе натяжения сила натяжения растет. Сначала дугу сгибать легко, в конце - тяжело.
Здесь же у нас рычаг с перемещающейся точкой опоры. В процессе взведения меняется соотношение плечей, а значит и выигрыш в силе.
Схематичное изображение системы. Выигрыш в силе = AC/AB
Т.е. получается чем большее требуется усилие, тем большей выигрыш в силе от рычага. По-моему круто.
Далее ворот. Если вы в деревне таскали воду из колодца, то вот это оно. Только еще и с блоками.
Тут задействовано сразу два механических принципа.
Первый - ворот. Вращая рукоять по большому радиусу, мы получаем на барабане меньшего радиуса выигрыш в силе. Коэффициент выигрыша равен отношению этих самых радиусов.
Схематичное изображение системы. Выигрыш в силе = AC/AB
Второй - это блоки. Они позволяют получить кратный выигрыш в зависимости от их числа. На рисунке ниже представлен принцип их работы, только в нашем случае вместо верхнего блока барабан:
Вот здесь, к примеру, система под номером 3:
И наконец последнее, наиболее совершенное средневековое устройство для взвода - кранекин, он же "немецкий ворот".
Внутри стального барабана находятся несколько шестеренок различных радиусов. К самой маленькой присоединена ручка, к самой большой - зубчатая рейка. По сути, тот же принцип используется в современных лебедках. Или, возможно, более привычный пример - понижающая передача в автомобиле.
Не думаю, что кранекин так уж превосходил ворот в плане выигрыша в силе. Но - он был гораздо удобнее в использовании. С его помощью можно было взводить арбалет просто держа его в руках, без упора в землю - что очень оценили всадники. Настолько, что сей девайс даже дал название конным арбалетчикам - кранекинье.
Теоретически, арбалет со стальной дугой и тяжелым болтом может выдавать огромную кинетическую энергию. Но есть "но".
Какие бы мы устройства не использовали, базовый принцип един: работа -> потенциальная энергия -> кинетическая энергия. А значит, чтобы получить много кинетической энергии, надо произвести много работы.
Во-первых, работа за единицу времени - это мощность. А мощность человека относительно постоянна. Значит, много работы займет много времени.
Во-вторых, на совершение работы ты будешь тратить энергию себя любимого, с большим трудом полученную из хавки и накопленную в жирке.
Иными словами, супер-тяжелый арбалет ты будешь натягивать очень долго и по итогам ты сильно задолбаешься. В то же время огнестрельное оружие использует химическую энергию пороха, что избавляет тебя от этого геморроя (возможно что и в прямом смысле).
Все устройства натяжения разом
В современном инфополе представления об арбалете довольно различны. Более того, они порой прямо противоположны. То он подается как убероружие, пробивающее любую кирасу навылет с огромных дистанций. То - напротив. массовое оружие быдла, неспособного освоить лук. Где правда?
Ни там, ни там)
Дело в том, что как показано выше, арбалеты были разные. У них были разные устройства для взвода, разное натяжение, разный материал дуги. Кинетическая энергия болта различалась в разы, а то и на порядки.
Тяжелый арбалет со стальной дугой, взводимый воротом, и правда мог посылать стрелы на 200-300 метров, на малых дистанциях уверенно пробивал кольчугу и с некоторым везением даже латы. В то время как арбалеты с деревянным луком, взводимые поясом, могли поразить разве что незащищенную цель на дистанциях не более 100-150 метров.
Нередко можно встретить тезис о том, что арбалет был распространен как массовое оружие, поскольку он проще в освоении, чем лук. Мол, можно было набрать крестьян, выдать им арбалеты, немного потренировать и вперед.
Это не совсем соответствует действительности.
Целиться из арбалета хоть и проще, но ненамного. Прицельных приспособлений на средневековых арбалетах не стояло, стрельба велась "от бедра". Угол возвышения даже на прицельных дистанциях был гораздо выше, чем у современных винтовок. И подбирать его приходилось так же, как и при стрельбе из лука - интуитивно.
Арбалет, в особенности тяжелый, технически гораздо сложнее лука, требует более квалифицированного ухода. И, главное, арбалет значительно дороже. А в средние века нормой было что воин сам себя обеспечивает необходимым снаряжением.
Так что скорее наоборот - массовым оружием были луки, а арбалеты - уделом высокооплачиваемых профессионалов.
Впрочем, судя по документам, на практике часто вообще не делали разницы между луком и арбалетом. Стреляет и ладно.
Часто можно услышать что церковь запретила арбалеты как слишком эффективное оружие. Я разбирал этот вопрос в данном посте: Причины запрета арбалета в средние века Для ЛЛ - нет, церковь не выделяла арбалеты, запрет касался и луков.
К вопросу, существовали ли конные арбалетчики: Конные арбалетчики - миф или реальность? Для ЛЛ - существовали, но не были распространены.
Ну и не могу не порекомендовать очень хороший пост про историю развития арбалетов с массой картинок от пикабушника Strory.tolstopuz:
Телеграм - Три мема внутривенно
Когда-то в школьном учебнике по физике я встретил задание - описать физическую модель лука. Не знаю, какой ответ планировали получить составители, поскольку, как вы увидите далее в посте, лук - не такая уж простая вещь.
Допустим, мы хотим сделать лук. И не просто лук, а хороший лук. Первое, чем мы озаботимся - это чтобы он был тугим.
Оно и понятно - чем лук туже, чем сильнее он будет толкать стрелу. Конечно, и растягивать его будет сложно... Но это уже вопрос тренировки.
На первый взгляд все просто - надо взять палку потолще. Однако давайте посмотрим на лук в боковой проекции:
И теперь его натянем:
Несложно заметить, что внешняя сторона растягивается, внутренняя - сжимается. И этот эффект тем сильнее, чем толще у нас лук:
Дерево может упруго деформироваться - как растягиваться, так и сжиматься - лишь до какой-то степени. После этого на внешней стороне волокна начнут лопаться, а на внутренней пойдут "волной". Разумеется, это никуда не годится.
Не растягивать далеко лук мы не можем - нам надо чтобы сила действовала как можно дольше. Какой остается выход? Сделать сам лук как можно длиннее, чтобы искривление было не столь заметным:
Так получается длинный лук. Наиболее знамениты английские longbow 13-14 века, но в общем-то длинные луки известны еще с палеолита. Оно и понятно - взять палку подлиннее это не бог весть какое изобретение.
Лук с перевала Шнидейох (Альпы) датирован 2900-2700 до н.э. Длина 162 см - вполне себе лонг, учитывая средний рост в то время.
Однако у длинного лука есть ряд недостатков, самый существенный из которых - сложность использования верхом.
Японцы сделали хитрый лук с плечами разной длины - короткое нижнее и длинное верхнее:
А вот среднеазиатские степняки пошли другим путем, изобретя композитный лук. Внешняя сторона состояла из животных жил, которые хорошо тянутся, а внутренняя - из рога или костей, которые лучше сжимаются. Непонятно, что именно послужило причиной такого изобретения - желание усилить лук или необходимость снизить количество дефицитного дерева. Но как бы то ни было, в итоге удалось получить достаточно мощный, при этом компактный лук.
Первые композитные луки стали известны еще во времена скифов, а восходят и вовсе к неолиту. Но его эволюция шла все время существования, так что монгольский или турецкий лук был гораздо более развитым, чем скифский.
Слева монгольский лук, справа - более ранний гунский
Несложно заметить, что степной лук характерен не только строением, но и особой формой, включающий обратный изгиб. В лучной терминологии такой лук называют рекурсивным. Зачем это надо? Давайте разбираться.
Если мы возьмем прямой (обычный) лук и начнем его натягивать, то прилагаемая сила будет расти. Проще говоря, чем сильнее растягиваем, тем сложнее это делать. Можно нарисовать график:
Так вот, выполненная работа или, что то же самое, накопленная потенциальная энергия - это площадь под графиком:
Вообще это называется определенный интеграл, но я не хочу распугивать читателей :)
Как мы видим, в картина далеко не оптимальна. Идеалом было бы вот так:
Получается, нам нужен лук, у которого прилагаемое усилие одинаково на всем протяжении.
Именно этого пытается добиться рекурсивный лук. Когда мы его тянем, сначала сгибается центральная часть. Потом, по мере увеличения усилия на центральной части и изменения угла тетивы начинают сгибаться плечи и в конце - самые концы.
Таким образом, прилагаемая сила изменяется в меньших пределах и график становится ближе к оптимуму:
В результате рекурсивный лук при том же усилии натяжения будет эффективнее.
Да и просто натягивать лук с более-менее постоянной силой, по моему скромному лучному опыту, как-то приятнее. Впрочем, возможно это дело вкуса.
Давайте теперь посмотрим, что произойдет, когда мы спустим тетиву. Часть потенциальной энергии перейдет в кинетическую стрелы, но вся ли?
К сожалению, нет. Даже если пренебречь такими потерями как нагрев, звук, усталость материала, есть чисто-механические потери. Дело в том, что после сброса тетивы лук распрямляется, т.е. плечи лука приходят в движение. Перемещение = работа = потеря энергии.
В этом смысле чем легче плечи лука и чем меньше они двигаются, тем меньше будет потерь драгоценной потенциальной энергии и тем больше ее перейдет в движение стрелы.
Но и это еще не все. Помните, в прошлой статье обсуждалось, что ручное метание предметов имеет ограниченную скорость, так быстрее руки снаряд не полетит?
С луком та же проблема. Скорость распрямления хоть и большая, но все же ограниченная. И быстрее стрелу разогнать не выйдет, сколь бы мощный лук у нас не был.
Обе указанные проблемы решает блочный лук:
Во-первых, большая часть лука статична, сгибаются только самые концы плечей - а значит, меньше потерь на распрямление.
Во-вторых, блоки позволяют стреле получить скорость в несколько раз превышающую скорость распрямления плечей. Это работает как полиспаст, только наоборот - засчет проигрыша в силе получаем прирост в скорости.
Ну и попутно решается также проблема постоянной силы натяжения.
На современных блочных луках есть масса приспособлений, облегчающих прицеливание и стрельбу: полочка, релиз (устройство спуска тетивы), прицельная планка, всевозможные виброгасители... Это позволяет современным спортсменам показывать результаты, которые скорее всего и не снились историческим "Робин Гудам". Впрочем, и на историческое оружие данный спортивный снаряд похож лишь отдали.
Так как тема неожиданно зашла, думаю рассмотреть еще парочку видов оружия. А на сегодня все, спасибо за внимание.
