В конце XVI века за вопросы баллистики, так смущавшие Тарталью, взялся гений — Галилео Галилей. Он родился в Пизе в 1564 году, в юности был бедняком, как и Тарталья, и тоже давал уроки математики. Взявшись за изучение движения снарядов, Галилей решительно отверг представления, доставшиеся науке в наследство от античных теорий, в частности, аристотелевских. Самое поразительное его открытие заключалось в том, что он понял: импульс, заставляющий предмет двигаться, не истощается постепенно, подобно теплу, как считали до сих пор. Вопреки привычным представлениям, этот импульс оставался постоянным, если только на тело не действовала какая-то другая сила.
Изучая траекторию пушечного ядра, Галилей сделал четыре основных допущения. Во-первых, он представил себе, что ядро не встречает сопротивления воздуха. Это позволило ему кардинально упростить проблему и воспользоваться математическими методами для ее решения. Во-вторых, он предположил, что ядро, перемещаясь в пространстве, выполняет одновременно два типа движения: горизонтальное с постоянной скоростью, сообщенной ядру силой взрыва пороха, и вертикальное равноускоренное под действием тяготения (последнее все еще понимали неправильно и по-прежнему объясняли «естественным» стремлением предметов). Каждое движение выполнялось ядром постоянно и независимо от другого. В-третьих, Галилей ввел понятие инерции. Тело в состоянии покоя остается в покое, тело, находящееся в движении, продолжает двигаться — и только внешняя сила способна изменить и то, и другое состояние. И наконец, ученый дал определение ускорения: изменение скорости во времени под действием внешней силы. Аристотель считал, что сила требуется для того, чтобы заставить тело двигаться, но Галилей доказал, что она нужна только для того, чтобы изменить скорость движения. Основы механики, казавшиеся незыблемыми девятнадцать столетий, рухнули.
Если бы сила взрывающегося пороха и сила тяготения действовали на снаряд одинаково, то его траектория была бы наклонной линией, направленной вниз. Но на самом деле, говорил Галилей, дело обстоит иначе. Сила тяготения действует на снаряд постоянно, ускоряя его падение, но импульс, при помощи которого порох заставляет снаряд двигаться с постоянной скоростью, только один. Таким образом, в действительности траектория была кривой линией, один конец которой стремился по направлению к земле под все более крутым углом. Всегда питавший страсть к геометрии, Галилей вычислил идеальную траекторию — параболу. Мощность пороха и угол возвышения ствола влияли на параметры траектории, но она всегда оставалась параболой. Каждое пушечное ядро отныне летело по предсказуемой кривой.
На самом деле теория Галилея не вполне отражала действительность. Сопротивление воздуха усложняло процесс, и чтобы разобраться в этом, потребуются долгие годы сложных математических расчетов и скрупулезных экспериментов. И все же научному исследованию действительности было задано направление, которое в конце концов опровергнет давние заблуждения естествоиспытателей и подготовит почву для наступления Века разума. В конце XVII столетия Исаак Ньютон объяснил движение небесных тел, приводя в качестве иллюстрации пушечное ядро, которым стреляют горизонтально с вершины горы со все большей и большей силой, пока траектория ядра не выведет его на орбиту. Движение небесных тел, заявил ученый, аналогично динамике артиллерийских снарядов.
Как теории первых химиков не слишком ускорили появление первой формулы пороха, так и успехи механики и баллистики не помогли сделать стрельбу более меткой. «Стреляя на 200 ярдов из обычного мушкета, — говаривал один британский полковник еще в 1814 году, — вы с тем же успехом можете целиться в Луну». В XVIII веке считалось, что в цель попадает меньше чем полпроцента мушкетных пуль, и солдату, чтобы убить врага, приходится расстрелять свинца в семь раз больше, чем этот враг весит. Это, возможно, преувеличение, однако есть и точные цифры. В одном сражении австрийцев с пруссаками в 1742 году на каждого убитого австрийского солдата пришлось 260 прусских выстрелов. Недостаток точности был главной проблемой огнестрельного оружия на протяжении большей части его истории. Именно непредсказуемость пуль и ядер породила приемы огневой тактики того времени — от массированных ружейных залпов на суше до «битвы нокарей» на море.
Пролить свет на эту проблему смог человек по имени Бенджамен Робинс. Он родился в 1707 году в Англии, в семье квакеров, однако отверг пацифизм, которым славилась секта его родителей, и нашел приложение своим талантам в военных науках. Робинс понимал, что изучение свойств пороха при помощи имевшихся в то время научных приборов не могло принести удовлетворительных результатов. Ключ к разгадке движущих сил пороха могли дать опыты с настоящим оружием. Робинс изобрел баллистический маятник — массивную деревянную колоду, свободно подвешенную на крюке. Когда в маятник попадала мушкетная пуля, по размаху его колебаний можно было определить ее кинетическую энергию. С помощью маятника Робинс впервые определил начальную скорость пули, которая оказалась равной 1139 милям в час.
Современные исследования подтверждают, что и мушкетные пули, и пушечные ядра той эпохи действительно имели большую начальную скорость — вероятно, от 1000 до 1200 миль в час. Это лишь половина скорости современной винтовочной пули, однако значительно быстрее скорости звука (750 миль в час).
Еще один факт, обнаруженный Робинсом, поверг в изумление знатоков оружия. Оказалось, что летящая пуля преодолевает огромное сопротивление воздуха. Сила этого сопротивления, определил Робинс, была в 85 раз больше, чем сила тяжести. Сфера — неудачная форма с точки зрения аэродинамики. Шар, прокладывающий себе путь сквозь вязкий воздух, встречает гораздо большее сопротивление, чем тело того же веса, но конической или овальной формы. Лобовое сопротивление круглой мушкетной пули было вчетверо больше, чем у современных пуль. В результате она теряла половину своей скорости за первые же 100 ярдов полета. Еще чуть-чуть — и она замедлялась настолько, что уже не способна была нанести смертельный удар человеку. На пушечное ядро действовали те же силы, но из-за большего веса оно теряло скорость не так быстро.
Результаты своих исследований Робинс опубликовал в книге «Новые принципы артиллерии», вышедшей в свет в 1742 году. Другие факты, приведенные им, были, пожалуй, еще более тревожными, чем информация о сопротивлении воздуха. Робинс начал научное изучение причин постоянной и почти смехотворной неточности огнестрельного оружия. Для этого он неподвижно закрепил мушкет в тисках и провел измерения, стреляя сквозь бумажные экраны, установленные на расстоянии 50,100 и 300 футов. К моменту, когда пуля достигала второго экрана, она отклонялась от прямой линии на 15 дюймов. На отметке 300 футов отклонение от центра составляло уже почти шесть футов.
Эти опыты показали, что от меткости стрелка на самом деле мало что зависит — все дело во врожденном пороке самого мушкета. Причина отклонения пули от центра мишени хорошо известна любому игроку в гольф, которому случалось срезать мяч в кусты, каждому теннисисту, отбивавшему крученый мяч. Вращение отклоняет летящую сферу от первоначального курса: оно создает разницу давления воздуха с той и другой стороны шара, сталкивая его с прямолинейной траектории. В результате шансы попасть из мушкета в человека, стоящего на расстоянии 100 ярдов, были всего пятьдесят на пятьдесят.
Почему мушкетная пуля, вылетев из ствола, сразу начинала вращаться? Пули делали сферической формы, чтобы они более свободно входили в широкий канал ствола. Их специально отливали чуть меньшего диаметра, чем ствол: зазор облегчал заряжение и служил мерой предосторожности на тот случай, если в момент выстрела в казенной части разовьется слишком высокое давление. После взрыва заряда пуля, двигаясь к жерлу, то тут, то там отскакивала от внутренней поверхности ствола. Последняя случайная точка касания определяла скорость и направление вращения, так что предсказать ни то ни другое было невозможно. В результате траектории пуль, выпущенных из одного и того же ружья, могли от выстрела к выстрелу совершенно меняться: пуля уклонялась то вправо, то влево от цели, давала то перелет, то недолет.
