Размещено на сайте 02.07.2008.

В статье сделана попытка воссоздания изобретательских ситуаций, которые складывались в XV-XIX веках, формулирования и решения стоявших перед оружейниками того времени задач. Это стало возможным благодаря ТПАнализу, являющемуся, своего рода, методологической машиной времени, переносящей нас в прошлое и дающей нам возможность самим попробовать свои силы в решении этих задач.

Для справки:

Ружье – огнестрельное ручное стрелковое оружие с длинным стволом. В данной статье рассматриваются 4 разновидности ружья (аркебуза, мушкет, фузея и винтовка), ставшие в свое время «этапными» в истории развития ружья.

Задача об аркебузе

Предтечей аркебузы была ручница (XIV век), представлявшая из себя ствол длиной 0,5 м из чугуна или бронзы, в который насыпали порох и горсть мелких камней, и ложу в виде деревянной или металлической державки.

Порох поджигали с помощью фитиля (трута), на который высекали искры, ударяя по кремнию железным бруском (кресалом). Скорострельность ручницы была невелика.

В дальнейшем ручницу усовершенствовали. Затравочное отверстие сделали сбоку, снабдив его полкой (желобком), куда насыпалось немного пороха. Ствол удлинили. По всей длине ствол прикрепили к деревянной ложе с прикладом. Вместо камней стали использовать шарообразные свинцовые пули. Такая усовершенствованная ручница оказалась очень тяжелой, поэтому к ней придавали длинный железный упор с рогулькой (вилкой) на одном конце и острием на другом.

Чтобы произвести выстрел, надо было воткнуть в землю железный упор, засыпать в дульную часть заряд пороха, шомполом забить в канал ствола круглую свинцовую пулю, поставить переднюю часть ствола в рогульку упора, подсыпать немного пороха на полку, прицелиться и поджечь горящим фитилем порох на полке. В Европе такое ружье стали называть аркебузой (в России – пищалью).

ТП-формулировка задачи об аркебузе

Словесная формулировка задачи

Скорострельность ведения огня из аркебузы в конце XV века определялась тем, насколько быстро стрелки могли заряжать аркебузы шарообразными свинцовыми пулями. Заряжание аркебузы в то время производилось с помощью шомпола со стороны дула. Чтобы облегчить прохождение пули ее отливали меньшего диаметра, чем канал ствола. Но при этом приходилось вставлять пыжи как между пороховым зарядом и пулей, так и поверх пули. А это увеличивало количество операций при заряжании и, следовательно, увеличивало время заряжания. Чтобы исключить использование пыжей пытались отливать пули одинакового с каналом ствола диаметра. Но при этом от аркебузиров требовалось прикладывать значительные усилия для проталкивания таких пуль. Зато пуля, зашедшая в ствол с натягом, во-первых, позволяла не вставлять пыж между пороховым зарядом и пулей, а во-вторых, не выкатывалась из ствола при его наклоне и позволяла не вставлять пыж поверх пули.

Таким образом, для устранения операций, связанных с закладкой пыжей при заряжании аркебузы, а значит и для повышения ее скорострельности, требовалось уменьшить (вплоть до исчезновения) зазор между пулей и стволом. Но уменьшение зазора приводило к росту усилия, необходимого для проталкивания пули.

Диаграммная формулировка задачи

Проходной путь решения задачи об аркебузе

Как уменьшить необходимость вставки пыжей (вплоть до ибавления от пыжей) и обеспечить приемлемое усилие заряжания при досылании шарообразной пули шомполом в ствол аркебузы?

Направления решения

НР1. Компромиссные решения.

Компромиссные решения – это решения, в которых зазор ни большой или частично большой (какой требуется для снижения усилия заряжания) и ни малый или частично малый (какой требуется для отказа от использования пыжей).

К «кусту» компромиссных решений относятся не только решения, основанные на поиске компромиссного зазора, но и решения, улучшающие их как по параметру «Необходимость вставки пыжей», так и по параметру «Усилие заряжания».

Примечание 1. Компромиссные решения – это не только решения с промежуточным количественным (иногда называемым оптимальным) по величине переменным параметром, но и решения, в которых лишь частично присутствуют граничные значения переменного параметра.

Примечание 2. Здесь и далее приводится только по одной концепции решения (КР) на каждое направление решения (НР). Это вызвано стремлением «разгрузить» статью от избытка информации, чтобы оттенить одну из целей статьи – показать порядок построения Маршрутной карты ТП (технических противоречий).

Первые ружья с прямыми нарезами появились в XVI веке. Разделкой прямых нарезов в канале ствола облегчалась загонка пули в канал, так как площадь соприкосновения пули и ствола уменьшалась. Такие ружья давали гораздо лучшие результаты стрельбы, чем гладкоствольное стрелковое оружие того времени с пулями меньшего, чем диаметр канала ствола, диаметра.

Примечание 3. Сама формулировка НР в задачной форме (как новая задача) несет в себе изрядную долю решения. Такая формулировка НР является не только навигатором в поле решений, но и частью будущих решений, лежащих в заданных такой формулировкой рамках.

НР2. Граничные решения для большого зазора.

Граничные решения для большого зазора – это решения, в которых зазор большой (какой требуется для снижения усилия заряжания). Эти решения улучшают параметр «Необходимость вставки пыжей», то есть либо уменьшают потребность в пыжах (снижают количество пыжей), либо видоизменяют пыжи или заменяют их на что-нибудь другое, либо приводят к отказу от пыжей, сохраняя при этом большой зазор между пулей и стволом.

В XVI веке вместо того, чтобы вставлять пыжи (прокладки) стали оборачивать пули в кусочки просаленной шерстяной или полотняной материи (пластырь). При этом канал ствола не только очищался от сажи, но и одновременно смазывался, что, в свою очередь, снижало трение как при заряжании, так и при выстреле.

НР3. Граничные решения для малого зазора.

Граничные решения для малого зазора – это решения, в которых зазор малый (какой требуется для отказа от вставки пыжей). В этих решениях улучшается параметр «Усилие заряжания», то есть снижается усилие, требуемое от стрелка при заряжании, сохраняя при этом малый зазор (его отсутствие) между пулей и стволом.

Для облегчения забивания пуль, плотно пригнанных к стволу, уже в XVI веке стали использовать молоток (как правило, деревянный), который значительно облегчал процедуру загона пули в ствол.

В дальнейшем на шомполе появился диск (утолщение), который не позволял шомполу входить слишком глубоко в канал ствола (забивать пулю плотно к пороховому заряду), чтобы не создавалась возможность преждевременного взрыва пороха.

НР4. Идеальные решения.

Идеальные решения – это решения, в которых зазор большой (какой требуется для снижения усилия заряжания) и малый (какой требуется для отказа от вставки пыжей).

Примечание 4. Идеальные решения – это решения, в которых переменный параметр всегда и везде является именно таким, каким это требуется для каждого из конфликтующих параметров. Здесь нет никакого компромисса.

«Полушарная» пуля досылалась прямо на порох, без пыжей. Ее диаметр равнялся ее длине. Расширенная нижняя часть пули («юбка») легко вдавливалась внутрь при забивке пули в канал ствола и не требовала сколько-нибудь значительных усилий со стороны стрелка. Зато она плотно (без зазоров) прилегала к стенкам ствола и не давала пуле преждевременно выкатиться из ствола при наклонах ружья. При выстреле «юбка» расширялась под воздействием пороховых газов и вдавливалась в стенки ствола, тем самым не позволяя прорываться пороховым газам вдоль боковых поверхностей пули и искажать траекторию ее полета.

Примечание 5. Как правило, формулировки НР дают достаточный импульс для выхода на соответствующие им решения. В случае затруднений рекомендуется воспользоваться (последовательно или в зависимости от собственных предпочтений) различными элементарными и комплексными инструментами синтеза решения (принципами, приемами, правилами, стандартами, указателями эффектов, линиями развития, законами и т.д.) и не забывать про всегда эффективное в плане поиска решений погружение в понимание физики (химии, математики, биологии, ...) рассматриваемых в задаче процессов.

Сводная схема решений задачи об аркебузе

Задачи о мушкете

В XV веке аркебуза приобрела курок и спусковой крючок в виде вытянутой латинской буквы S. На конце курка имелась щель, куда зажимался тлеющий фитиль.

Такой аркебузой стало пользоваться удобнее, так как после прицеливания оставалось только нажать на спусковой крючок, чтобы курок с фитилем опустился на полку и воспламенил порох.

В начале XVI века в Испании был изобретен и успешно применен дульный унитарный патрон из бумаги. В бумажный цилиндр вклеивалась пуля и насыпался порох. Появление нового типа заряда привело к появлению нового типа оружия – мушкетов. Мушкет представлял собой ту же аркебузу, только удвоенных габаритов. Ствол калибром до 25 мм и длиной 70 калибров выбрасывал пулю весом около 50 грамм с начальной скоростью свыше 500 м/сек. Появление мушкетов стало возможным только с появлением гранулированного пороха, без которого столь длинный ствол невозможно было зарядить, и с улучшением технологий металлообработки, без которых столь длинный ствол невозможно было бы изготовить.

В связи со значительным увеличением дульной энергии мушкет приобрел совершенно новые тактические свойства. Дальность залповой стрельбы достигала уже более 200 метров, причем на всем этом расстоянии мушкет пробивал доспехи. Пуля из мушкета останавливала рыцарскую лошадь, как будто та налетала на стену.

В 1525 году исход сражения между испанцами и французами у итальянского города Павия решили 3 тысячи испанских мушкетеров, вооруженных мушкетами, свинцовые пули которых легко пробивали стальную броню закованной в латы рыцарской кавалерии французов. Это сражение показало могущество ручного огнестрельного оружия и положило конец эпохе тяжелой рыцарской кавалерии. Все армии стали усиленно вооружаться мушкетами.

В конце XV века в Италии был изобретен, а в начале XVI века немцами усовершенствован колесцовый замок, который представлял собой стальное пустотелое колесико с острыми зубчиками на наружной поверхности.

В полой части колесика помещалась пружина от часового механизма, заводившаяся перед выстрелом часовым ключом. К поверхности колесика при выстреле прижимали курок, на конце которого был закреплен кусок кремня. При нажиме на спусковой крючок защелка освобождала колесико. Оно под действием раскручивающейся пружины начинало быстро вращаться и от трения кремня по металлу высекался сноп искр. Искры попадали на полку с порохом, поджигали его, и происходил выстрел.

С появлением колесцовых замков обращение с ружьем стало более удобным, так как на заряженном ружье не надо было иметь тлеющий фитиль, а это значило, что погода уже не так существенно влияла на надежность воспламенения. Кроме того, ружье обрело постоянную готовность к выстрелу, а не только лишь на то время, пока тлел фитиль.

ТП-формулировка задачи 1 о мушкете

Словесная формулировка задачи

Одними из важных факторов ведения огня из мушкета в XVI веке считались убойная сила пули и дальность ее полета. Для того, чтобы повысить дальность стрельбы (и попутно облегчить мушкет) уменьшали диаметры пули и канала ствола. Уменьшенные в диаметре пули летели дальше, так как имели меньшее сопротивление со стороны воздуха. Но при этом их убойная сила (способность наносить противнику травмы вплоть до смертельных) уменьшилась.

Таким образом, для повышения убойной силы шарообразной свинцовой пули требовалось увеличить ее диаметр, а вместе с этим и диаметр канала ствола мушкета. Но это увеличение диаметра пули приводило к увеличению сопротивления ее полету и, как следствие, к уменьшению дальности стрельбы.

Диаграммная формулировка задачи

Проходной путь решения задачи 1 о мушкете

Как уменьшить сопротивление полету пули и увеличить ее убойную силу при стрельбе из мушкета?

Направления решения

НР1. Компромиссные решения.

Компромиссные решения – это решения, в которых диаметр пули ни большой или частично большой (какой требуется для повышения ее убойной силы) и ни малый или частично малый (какой требуется для снижения сопротивления ее полету).

К «кусту» компромиссных решений относятся не только решения, основанные на поиске компромиссного диаметра пули, но и решения, улучшающие их как по параметру «Убойная сила пули», так и по параметру «Сопротивление полету».

Продолговатая пуля при одинаковой с круглой пулей массой имела меньший диаметр, а значит и более выгодную в плане аэродинамики форму. При этом такая пуля обладала большей пробивной способностью. С появлением в XVI веке продолговатой пули оживальной (арочной) формы оказалось возможным, не уменьшая массы пули (не снижая ее убойную силу), уменьшить калибр. Уменьшение калибра позволило сделать ружья более легкими.

НР2. Граничные решения для большого диаметра пули.

Граничные решения для большого диаметра пули – это решения, в которых пуля имеет большой диаметр (какой требуется для повышения убойной силы пули). Эти решения улучшают параметр «Сопротивление полету», то есть улучшают аэродинамику полета пули.

Коническая пуля при одинаковом с шаровой пулей диаметре имела более выгодную в плане аэродинамики форму, которая существенно уменьшала потери скорости в воздухе, траектория ее полета делалась настильнее, росли прицельная дальность и дистанция прямого выстрела. Такие пули появились в XVII веке. В дальнейшем их стали делать с донным углублением (для смещения центра тяжести вперед) и с небольшим опорным цилиндрическим участком, на котором располагались несколько выступов, уменьшающих трение пули о ствол.

НР3. Граничные решения для малого диаметра пули.

Граничные решения для малого диаметра пули – это решения, в которых пуля имеет малый диаметр (какой требуется для снижения воздушного сопротивления ее полету). В этих решениях улучшается параметр «Убойная сила пули», то есть повышается энергетика полета пули, зависящая от массы и скорости пули, и поражающее действие пули.

Длинные пули, у которых отношение длины к диаметру достигало 5 (у продолговатых пуль оно равнялось 1,5) стали широко использоваться в XIX веке. Благодаря длинным пулям удалось повысить прицельную дальность стрельбы. Эти пули имели довольно большую массу и большую скорость полета, что, в конечном счете, повышало их убойную силу.

НР4. Идеальные решения.

Идеальные решения – это решения, в которых диаметр пули большой (какой требуется для повышения убойной силы пули) и малый (какой требуется для снижения воздушного сопротивления ее полету).

В конце XIX века продолговатые и длинные оболочечные пули малого калибра стали доминирующими. Но при всех их превосходных баллистических характеристиках они обладали слабым останавливающим действием, пробивая противника навылет и оставляя аккуратные входное и выходное отверстия. Для его увеличения вначале стали делать крестообразные надрезы на вершине оболочки пули или просто отпиливали нос у пули, а потом стали вставлять в носовое коническое углубление шарик. Попав в тело, пуля деформировалась, раскрывалась и, отдавая всю свою кинетическую энергию, тормозилась. Такая пуля наносила тяжелейшие ранения. По этой причине на первой Гаагской мирной конференции в 1899 году раскрывающиеся и деформирующиеся в человеческом теле пули были запрещены для военного применения.

Сводная схема решений задачи 1 о мушкете

ТП-формулировка задачи 2 о мушкете

Словесная формулировка задачи

Увеличение дальности стрельбы при сохранении убойной силы пули являлось одним из определяющих факторов развития мушкета XVI века. Из гладкоствольных мушкетов того времени стреляли как шарообразными, так и продолговатыми пулями. Продолговатые пули при одинаковом с шарообразными пулями диаметре имели большую массу, а значит и большую убойную силу. Кроме того, они имели более обтекаемую форму и испытывали меньшее сопротивление со стороны воздуха. Но устойчивость их полета (то есть способность пули сохранять ориентацию вдоль траектории полета) оставляла желать лучшего, что приводило к их кувырканию в процессе полета и снижению их боевых качеств.

Таким образом, для снижения сопротивления полету пули со стороны воздуха (для увеличения дальности стрельбы) требовалось перейти с шарообразных пуль большого диаметра на продолговатые пули малого диаметра (при сохранении их массы и убойной силы). Но такие продолговатые пули имели недопустимо маленькую устойчивость в полете, особенно во второй половине траектории полета, что приводило к их кувырканию, торможению и, как следствие, к уменьшению убойной силы.

Диаграммная формулировка задачи

Проходной путь решения задачи 2 о мушкете

Как повысить устойчивость полета пули и снизить воздушное сопротивление ее полету при стрельбе из мушкета?

Направления решения

НР1. Компромиссные решения.

Компромиссные решения – это решения, в которых пуля ни шарообразная или частично шарообразная (какая требуется для повышения ее устойчивости в полете) и ни продолговатая или частично продолговатая (какая требуется для снижения сопротивления ее полету).

К «кусту» компромиссных решений относятся не только решения, основанные на поиске компромиссной формы пули, но и решения, улучшающие их как по параметру «Устойчивость пули в полете», так и по параметру «Сопротивление полету».

Пули типа «диаболо» появились лишь в XX веке для стрельбы из гладкоствольных охотничих ружей. Такие пули обладают малым аэродинамическим сопротивлением и не кувыркаются в полете благодаря тому, что центр тяжести пули смещен вперед (для усиления этого эффекта под «юбкой» делается глубокая донная выемка), а «юбка» выполняет роль стабилизатора («оперения») полета.

НР2. Граничные решения для шарообразной пули.

Граничные решения для шарообразной пули – это решения, в которых пуля имеет шарообразную форму (какая требуется для повышения устойчивости пули в полете). Эти решения улучшают параметр «Сопротивление полету», то есть улучшают аэродинамику полета пули.

Чем меньше калибр, тем меньше поперечное сечение шарообразной пули, а значит и меньше сопротивление ее полету со стороны воздуха. Более того, уменьшение калибра способствует уменьшению угла рассеивания пули при вылете из ствола, а значит увеличению кучности стрельбы. Снижению калибра как в XVI веке, так и в последующих веках, способствовали периодические успехи в совершенствовании пороха (повышение мощности порохового заряда), в металлургии (снижение толщины стенок за счет повышения качества металла) и в металлообработке (сверловка длинных тонких каналов стволов ружей).

НР3. Граничные решения для продолговатой пули.

Граничные решения для продолговатой пули – это решения, в которых пуля имеет продолговатую форму (какая требуется для снижения воздушного сопротивления ее полету). В этих решениях улучшается параметр «Устойчивость пули в полете», то есть устраняется кувыркание пули.

Первые ружья с винтовыми нарезами появились в XVI веке вслед за появлением прямых (прямоидущих) нарезов и продолговатых пуль. Закрутка шарообразной пули была не столь эффективна, как закрутка продолговатой пули. Ведь поворот в полете продолговатой пули приводил к ее кувырканию и, как следствие, к уменьшению дальности полета и точности стрельбы. Вращение же продолговатой пули придает ей необходимую устойчивость в полете.

Первоначально, при заряжании с дула, было много винтовых нарезов, так как они кроме закручивания пули облегчали процесс ее заталкивания в канал ствола.

НР4. Идеальные решения.

Идеальные решения – это решения, в которых пуля и шарообразная (какая требуется для повышения устойчивости пули в полете) и продолговатая (какая требуется для снижения воздушного сопротивления ее полету).

Сводная схема решений задачи 2 о мушкете

Литература

1. Курги Э.Э. ТПАнализ: основные положения. Сайт «Metodolog.Ru», 2008.  

2. Курги Э.Э. ТПАнализ: задача об автобусе. Сайт «Metodolog.Ru», 2008.  

3. Курги Э.Э. ТПАнализ: общие замечания. Сайт «Metodolog.Ru», 2008.

4. Курги Э.Э. ТПАнализ: задача об автобусе – пояснения. Сайт «Metodolog.Ru», 2008.  

5. Курги Э.Э. ТПАнализ: задача об автобусе – пояснения – 2. Сайт «Metodolog.Ru», 2008.

6. Курги Э.Э. ТПАнализ: задача о самолете. Сайт «Metodolog.Ru», 2008.  

7. Фридрих Энгельс. История винтовки. Германия, 1861.

8. Федоров В.Г. Эволюция стрелкового оружия. Часть 1. Москва, 1938.

9. Федоров В.Г. История винтовки. Москва, 1940.

10. История винтовки. Энциклопедия техники «ТМ». Москва, 1993.

Продолжение

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.