Как добиться непостоянного момента?

Не так давно мы рассматривали ^[1] интересную проблему, над которой работали и работают множество инженеров по всему миру — как добиться постоянного момента? То есть, как сделать так, чтобы источник механического усилия, использующийся в том или ином устройстве, постоянно выдавал одинаковую тягу. 

Как мы выяснили, это невероятно важно в целом ряде применений, где, пожалуй, одним из наиболее очевидных и основных является механический отсчёт времени, — то есть, попросту говоря, построение механических часов разного рода. 

Ознакомившись с той статьей, может сложиться превратное впечатление, что достижение постоянного момента является единственным направлением для усилий и самоцелью для любых инженерных разработок, в области механических источников энергии. 

Однако, это вовсе не так и абсолютно полярным направлением для усилий является достижение непостоянного момента — через борьбу с ним! :-D 

Самое любопытное, что это второе направление, так же, как и первое, оказало существенное влияние на жизнь человечества! 

Итак, о чём же идёт речь? 

Как мы узнали из предыдущей статьи ^[2], многие объекты материального мира, если не будут специальным образом сконструированы* — будут стремиться к непостоянству момента*: и ярким примером подобного будет являться обычная ветка дерева — при попытке её согнуть (до определённых пределов) она будет демонстрировать нарастание сил противодействия сгибающей силе.

*Говоря «момент» мы здесь подразумеваем вращательное усилие рычага, умозрительно закреплённого в своём основании.

Проще говоря: чем сильнее, мы гнём ветку, тем труднее нам её гнуть!

*Как мы уже узнали ранее, далеко не все объекты подчиняются этому правилу, и, очевидным исключением является использование силы тяжести — так как в земных условиях сила тяжести всегда постоянна и любые устройства, использующие этот факт будут демонстрировать постоянство усилия. 

Яркий пример — старинные настенные часы с гирями, где сам вес гирь обеспечивает постоянную тягу (т.е. момент).

Другими словами, на этом примере со сгибаемой веткой, мы видим, что происходит запасание механической энергии, тем большее, чем больше согнута ветка. 

И, насколько мы знаем из истории, этот факт широко использовался, существенно повлияв на развитие человечества, которое на определённом этапе развития осознало, что скромных человеческих сил не хватает для добычи пропитания и борьбы за место под солнцем, то есть, требуются орудия труда. 

И, насколько можно судить, одним из самых древнейших способов «вооружённого труда» было использование обычных камней, начавшееся более 3 млн лет назад древними людьми, которые начали использовать эти примитивные средства для раскалывания орехов, раковин моллюсков, охоты и даже борьбы друг с другом! 

Причём, в рамках нашего исследования этот факт интересен тем, что даже такой примитивный объект как камень, может проявлять в рамках системы камень-рука-плечевой сустав (как оси вращения) — непостоянство момента и быть накопителем энергии: в момент замаха энергия запасается, а затем, при опускании камня вниз, происходит суммирование человеческого усилия и сил тяжести, и, таким образом, усилие нарастает ко времени удара камня по обрабатываемой поверхности.

В дальнейшем, намного позже, это привело к развитию ещё более продвинутых инструментов, в частности, использующих рычаг для усиления — и этот инструмент мы знаем как «мотыга»:

Конечно, на первых этапах, в составе конструкции не использовался металл и вместо этого использовали естественно гнутой формы ветки, а затем, уже позднее, привязывали кожаными ремешками кости животных, обтёсанные камни. 

Появление примитивных средств труда и усиленная белком пища интенсифицировала развитие, что, на новом витке, стало требовать ещё больше белковой пищи, а также безопасности. 

За давностью лет в истории затерялось имя (или имена) тех, кто впервые решил использовать изгибную силу природных объектов, но факт остаётся фактом: появился первый лук, впервые позволивший человеку эффективно защищаться, и охотится на больших расстояниях:

На картинке выше: 1-рукоять, 2-плечи, 3-тетива.

Так как здесь и далее мы занимаемся рассмотрением вращательного момента, а классический лук, на первый взгляд, не содержит вращающихся элементов, следует сделать оговорку, что мы рассматриваем плечи лука, как своеобразные рычаги (несмотря на то, что вращающиеся рычаги в явном виде отсутствуют), концы которых умозрительно проворачиваются относительно центра, расположенного несколько впереди лука. 

Впрочем, в технике часто встречается такое, когда один объект неявно выполняет функции другого (и это даже поощряется, так как упрощает конструкцию) — и самым ярким примером, на мой взгляд, является «несущий кузов» у современных автомобилей, когда отошли от использования отдельной рамы и отдельного кузова, став использовать вместо них нечто среднее — «несущий кузов». 

Изобретение в буквальном смысле перевернуло жизнь человечества, сопровождая его практически на всём протяжении истории, вплоть до момента появления огнестрельного оружия, и встречаясь на множестве древних изображений:

Таким образом, мы видим, что несмотря на то, что это устройство выдавало непостоянный момент, — то есть, обеспечивало максимальную тягу только в самом начале, когда стрелок отпускает стрелу, и, постепенно спадающую к моменту выпрямления плеч, этого хватило, чтобы изобретение прожило многие тысячи лет, пройдя множество усовершенствований! 

Кстати говоря, (и это любопытный факт, несколько перекликающийся с нашей темой, хотя это уже и не про момент как таковой!) — казалось бы, за прошедшие тысячи лет, человечество должно было бы стремиться к постоянству тяги, пропагандируя максимальный отход от того, что было в луке, как примера, «как не надо делать»! :-)  

Тем не менее, известные современные образцы вооружений тоже демонстрируют непостоянную, импульсную тягу и этого вполне достаточно! 

Например, взять хотя бы маршевый двигатель гранаты известного противотанкового гранатомёта РПГ-7:

После срабатывания вышибного заряда, выбрасывающего гранату из гранатомёта, на некотором расстоянии от стрелка (порядка 10 м) запускается маршевый двигатель (грубо говоря, запас пороха внутри, во время горения образующей реактивную тягу, как ракета), который горит примерно полсекунды, на протяжении дистанции примерно вплоть до 150 м; тогда как далее, при дальности полёта гранаты до 700 м ^[9], — граната летит уже по инерции. 

Аналогичный подход наблюдается и у реактивных систем залпового огня (РСЗО), например, у РСЗО «Град»: 

У которой при максимальной дальности стрельбы в 42 км ^[11] маршевый двигатель горит порядка 2,5 секунд, за которые снаряд пролетает вплоть до 1,5 км, где далее летит уже также по инерции. 

Но, это было некоторое отступление, вернёмся однако обратно к нашим лукам…

Появление и дальнейшее развитие луков — отход от обычной «гнутой ветки», к слоёным составным конструкциям, со всё более возрастающим усилием натяжения выявили и фундаментальную проблему: стрелок должен был обладать недюжинной физической силой и подготовкой, чтобы стрелять из такого лука достаточно далеко и достаточно метко*!

*Почему оговаривается «меткость»: замечали наверное, что даже несколько уставшие руки сразу начинают дрожать с непривычки, таким образом, явно понятно, что стрелок должен был быть очень тренированным человеком, чтобы успешно преодолевать трудности работы с луком! 

Исторические данные свидетельствуют, что лучники тренировались буквально чуть ли не с детства, примерно с 6-8 лет, когда формируется скелет, так как раскопки позволяют судить, что у ряда найденных костей наблюдается утолщение костей правой руки, что было бы невозможно, если бы тренировки начались во взрослом возрасте. 

Кроме того, наблюдаются и искривления позвоночника, свойственные для лучников ^[12], а также не сросшаяся из-за чрезмерных нагрузок при натяжении тетивы лопаточная кость акромион (у взрослых людей срастается естественным образом, а у молодых лучников огромные нагрузки на неокрепший скелет не давали ей срастаться) — более подробно можно посмотреть здесь (видео на английском, но в синхронном переводе можно глянуть, например, в том же яндекс браузере, или как то иначе):

Таким образом, мы видим любопытный момент: если, скажем, современных стрелков (а также имевших дело со взрывчатыми веществами, например толом) распознают зачастую по синякам на плече от отдачи оружия, а также несмываемым жёлтым пятнам на коже рук, где тол реагирует на химическом уровне с кожей, оставляя жёлтые пятна, удалить которые невозможно и которые проходят только естественным образом, после обновления кожного слоя; то древних стрелков, как мы видим, легко опознать по дегенеративным изменениям скелета…

Как бы там ни было, очевидно, что человечество вынужденно пыталось преодолевать высокий момент оттянутых плеч, чтобы передать большое усилие стреле, и это, помимо потребности в многолетней тренировке, существенным образом негативно влияло на здоровье… 

Впрочем, нельзя сказать, чтобы их труды были напрасными: из глубины веков до нас дошло множество трактатов о работе с луком, где один из них «Арабская стрельба из лука», посвящённый особой технике стрельбы кочевников, взялся проверить на практике датский стрелок из лука Ларс Андерсен. 

Ему потребовалось 3 года тренировок, чтобы освоить и воскресить эту технику, в результате чего, он поставил мировой рекорд: смог выпустить 11 стрел подряд, до того, как первая стрела, выпущенная им, коснулась земли!  

А также, добиться точности и скорости стрельбы, пожалуй, сравнимой со стрельбой из пистолета: три выстрела и попадания в цель стрелой, за полторы секунды!  

Вот это удивительное видео:

Шли века, и бесконечное соревнование «щита и меча» всё больше и больше оказывало влияние на луки, всё более затрудняя достижение своей цели лучниками так как их цели вовсе не хотели становиться таковыми :-) и броня всё более совершенствовалась; где, на каком-то этапе, прочность её стала просто непреодолимой для классических луков! 

И тут на сцену вышел Его Величество Арбалет (Древний Китай, примерно VI до н. э., затем распространившись и на остальной мир), который решал весьма примитивную* задачу: как увеличить пробивную силу, учитывая то, что человек уже «не могёт» :-) натягивать тетиву с ещё большим усилием.

*Несмотря на целый ряд видов арбалетов и даже довольно совершенных, принципиального изменения в саму идею натяжения тетивы они не привнесли. 

Принципиальное будет существенно позднее, и о нём мы ещё скажем ниже. ;-)

Со временем было разработано несколько видов арбалетов, отличающихся, в основном, способом натяжения тетивы или даже возможностью полуавтоматического (!) «огня».

Например, с рычагом типа «козья нога»:

Или «английский ворот»:

Появился даже многозарядный (полуавтоматический) китайский арбалет:

Глядя на это всё, мы здесь видим поразительный исторический парадокс: несмотря на то, что арбалеты появились достаточно поздно, и, к тому моменту, когда они появились, уже давно были известны блоки (колёса для перекидывания верёвок и уменьшения требуемого усилия для подъёма веса):

А также сборки из них, носящие название «полиспаст» ^[16] известные со времён Древнего Египта — за всё время существования луков и арбалетов никто не додумался применить их для облегчения требуемого для натяжения усилия! 

Люди всё время эту проблему решали тупо и в лоб: либо физическим усилием (луки), либо механическим усилием (арбалеты)! 

Впрочем, похоже, что проблема здесь заключалась в материальной базе — просто не было в те года достаточно прочных и тонких тросов, способных к многократным изгибам под напряжением, без значительного износа, а также, понадобились бы блоки малого трения в осях. 

Впрочем, это только догадки, но, факт остаётся фактом: вплоть до XX века, фактически дожили старинные конструкции, с некоторыми изменениями (только уже перешедшие больше в область спорта и выполненные на основе более современных материалов).

Настоящая революция в этой области была произведена только в 1966 году, когда простой американский охотник и изобретатель Уилбур Аллен ^[17], увлекавшийся механикой, но не бывший профессиональным инженером, изобрёл первый в истории блочный лук, в буквальном смысле, перевернувший всю индустрию:

Как можно видеть по фото выше, лук представляет собой довольно необычную конструкцию, где основную роль играют блоки (то есть колёса с канавкой), через которые перекинуты тросы. 

Если мы обратим внимание на фото выше, то увидим, что каждый блок, на каждом плече, представлен на самом деле соединением двух блоков на общей оси:

• От маленького блока отходит трос, протянутый к противоположному плечу, где, при вращении этого блока, происходит изгиб этого противоположного плеча;

• На той же самой оси, соединённый с этим маленьким блоком, находится блок большого диаметра, через который перекинута тетива.

Вся конструкция работает таким образом, что блоки большого диаметра, по сути, выступают как рычаги, с помощью которых, мы уменьшаем усилие (когда тянем за тетиву) — требующееся для проворота маленьких блоков и изгиба плечей! 

Благодаря блокам, облегчающее натяжение, плечи могут изготавливаться гораздо более жёсткими чем у луков, обеспечивая мощное усилие: они практически не гнутся и могут обеспечивать в два-три раза большее усилие, чем при сопоставимом луке обычного типа, того же веса!

Почему большие блоки имеют такой специфический, овальный вид мы сейчас рассмотрим ниже, это тоже не просто так! ;-)

В ходе своего исторического развития, системы натяжения прошли целый ряд этапов (на картинке ниже: в первой строке слева-направо, затем во второй строке также слева-направо), где самой исторически последней системой является система бинарных блоков:

И тут, наконец, мы подходим «к самой мякотке» :-) — на схеме выше, где показаны исторические этапы развития систем натяжения, вы, наверное, увидели, что схематически, блоки показаны в виде кругов? 

И это верно: самым исторически первым видом блочного лука был тип с обычными круглыми блоками:

Однако, по мере того, как луки подобного типа развивались, и, инженеры в полной мере осознали, какая мощь идеи находится перед ними, — они изменили вид больших блоков, после чего, они начали приобретать овальный и даже иные произвольные формы, где основной целью подобных модификаций было достигнуть просто «убийственной фичи»: чтобы в самом начале, когда стрелок только натягивает тетиву, он преодолевал основное усилие, где после полного натяжения тетивы, усилие сбрасывается вплоть до 90%! О_о

Таким образом несмотря на то, что стрелок натянул довольно мощный лук, он в руках продолжает удерживать только 10% от нагрузки! О_о Поразительный подход!  

Соответственно, это сберегает его руки и позволяет достаточно уверенно прицелиться, не торопясь!

Таким образом, можно констатировать, что на данный момент, блочные луки являются венцом эволюции в истории луков, и усовершенствования касаются только материалов, некой модификации вида блоков, размеров и т.д., тогда как принципиальная основа остаётся неизменной… 

Подытоживая наши рассказ, можно отметить, что мы наглядно увидели, как в ходе эволюции один из самых известных объектов, существенно повлиявших на историю человечества — луки, прошли долгую эволюцию, где сначала, людям приходилось мириться с большим усилием, развиваемым плечами лука, где затем, пройдя большой путь, люди пришли к тому же самому — только уже с другой стороны: к искусственно созданному непостоянству тяги, только теперь уже, служащему интересам людей!

---

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.