抛石机：火药出现以前最强大的攻城大炮

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在有效的火炮发展之前的几个世纪，攻城的主要武器是利用拉力或扭力的大炮。在公元前五世纪到公元前三世纪之间，中国发明了一种新的抛石机，这种大炮在公元六世纪前传入地中海，由于其威力强大而取代了迄今为止其他任何形式的大炮，并一直沿用到火药出现之后。
抛石机（trebuchet，或称投石机）继承了自古典时代以来就在使用的“弹射器”（catapult），普通弹射器发射的弹丸重量在13至18公斤之间，最常用的重型弹射器可发射27公斤的弹丸。然而，即使是这些机器也无法在160米的距离内对城墙造成太大的破坏。
相比之下，抛石机使用重力或牵引力发射弹丸，因此最强大的抛石机可以发射重达一吨或更重的弹丸。此外，它们的最大射程可以超过任何古典时代的大炮，可达300米之远。
源自中国
早在公元500年代末，来自中国的牵引式抛石机技术就已传入东地中海，在阿拉伯地区广为人知，并为伊斯兰军队所使用，发挥了巨大作用。

蒙古人在人类历史上最大规模的征服也归功于这种武器。作为一个骑兵国家，蒙古人雇用中国和穆斯林工程师为他们的攻城战建造和操作抛石机。
1345年至1346年，在克里米亚的卡法战役中，这种大炮的生物战技术造成了巨大的破坏。当蒙古军队围攻克里米亚半岛上的热那亚前哨时，黑死病席卷了他们的队伍。然后病死的尸体被扔进城里，黑死病就这样通过热那亚商人从卡法传播到了欧洲的地中海港口。
抛石机不仅塑造了防御战术，也塑造了进攻战术。工程师们加厚了城墙，以抵御新式大炮的攻击，并重新设计了防御工事，以便使用抛石机对付进攻者。
在12和13世纪之交，穆斯林军队的建筑师们引入了一种防御系统，利用安装在塔楼平台上的重力驱动的抛石机来阻止敌人的火炮进入有效射程。这些塔楼主要是作为炮兵阵地设计的，为了容纳更大的抛石机，它们的体积变得巨大，城堡也从只有几座小塔楼的围墙变成了由短短的幕墙连接起来的大塔楼群。

简单粗暴
城堡里的抛石机可以事先安装，但围攻军队则需要现场建造，其原理非常简单。它主要由一根长梁组成，长梁由一根轴连接，通过一个坚固的框架和底座悬挂在离地面很高的地方，这样长梁就可以垂直旋转一个大弧度（通常超过180°）。长梁的一端系有吊索，用于固定弹丸。当长梁快速旋转时，在长梁的另一端施力，就会抛出弹丸。获得机械优势的主要方法是让横梁的弹丸部分（长臂）比施加力的另一端（短臂）长很多，通常是四到六倍。
换句话说，抛石机依赖杠杆原理，它使用反作用力，但其本身还可以再分为两种主要类型：由人力拉动绳索驱动的牵引机，以及由重物坠落激活的配重机。
牵引机通过让大量训练有素的人将连接在短臂端的绳子拉下来。绳索有40到125根，需要40到250人拉动。通过齐心协力的拉动，队员们可以产生足够的力量，将重达1至59公斤的弹丸以相对平缓的弧线发射出去，射程可达150米左右。
直到十二世纪末，牵引式攻城机是拉丁西部和黎凡特唯一可用的杠杆攻城机类型。
当牵引机于六世纪末首次出现在地中海世界时，它们的威力远远超过了早期的大炮，以至于有人说它们可以投掷“山峰和丘陵”。

然而，牵引式抛石机只能发射小型弹丸，是杀伤性武器，而不是城堡杀手。直到十三世纪上半叶，更加强大的配重式攻城机才出现在西欧。
1211年9月，在法国的奥克西坦人对卡斯泰尔诺德里的围攻中，配重式抛石机的破坏力让守军尝到了厉害：
第一发，他们打掉了一座塔。接下来，在众目睽睽之下，他们摧毁了一个房间。他们发射的第三发炮弹使石头解体，但却给城里的人造成了巨大伤害。在展示了这一威力之后，城镇投降了。
由于射速较慢，配重式抛石机花了很长才打出三发。比起较小的牵引式抛石机每分钟四发的射速，最大的配重式抛石机每半小时能发射一发炮弹就不错了。
这是因为位于其短臂端的配重很重，装砝码的箱子可能有一个农民的小屋那么大，里面装着数万公斤的砝码。
配重必须足够重，超过发射物的100倍才能在长臂的另一端发射重达重达200至300公斤的弹丸，据说有些抛石机投掷的石块重达900至1360公斤。
有了如此强大的能力，即使是死马或捆绑在一起的人也能用来抛掷。在14世纪席卷欧亚大陆和北非的瘟疫“黑死病”的传播过程中，它就发挥了这样的作用。
在伊斯兰帝国和蒙古帝国的迅速扩张过程中，抛石机都发挥了重要作用。
在全盛时期，抛石机备受工程师们的关注——事实上，在拉丁语和欧洲的白话文中，对抛石机的常用称谓是“战争机器”（engine，源自拉丁语 ingenium，意思是“天才般的品质”，也有“巧妙的装置”的意思），设计、制造和使用这种大炮的人就叫做工程师。
抛石机看似简单，但中世纪的工程师们发挥聪明才智，通过改进配重和吊索，从而显著提高了这种攻城大炮的威力。
配重
牵引式抛石机有一个基本缺陷——不稳定。这主要是因为抛石机的拉力并不一致，完全受制于拉力团队的力量和团结。如果一个拉力队训练有素，那么每次拉动的力度都可能相对稳定。然而，如果一队拉力工训练不足，或在人数上有所损失，那么拉力就会变化很大，从而缺乏一致性。
即使是较小的牵引式抛石机也会造成人力浪费，而且拉力队伍一定很容易受到弹矢和出动行动的反击。

因此，人们需要一种替代的动力源、一种省力的动力装置、只需一两个人即可操作的机器——配重式抛石机。
这种抛石机的运行机制非常微妙，它通过配重的旋转将能量传递给横梁，然后在传递给吊索和弹丸的过程中发挥关键作用。
工程师们对早期的设计进行了改进，通过从下落的配重中提取尽可能多的能量来增加射程，并通过最大限度地减少后坐力来提高精度。因此，它能够一次又一次地对砖石的同一位置进行毁灭性的打击，这使得它有可能摧毁最坚固的防御围墙。
此外，由于取消了牵引绳，另一项创新成为可能：工程师们可以在抛石机横梁下放置一个槽来固定弹丸，这样就可以加长吊索，进一步提高射程。弹丸升空后，吊索旋转得更快，如此一来，其长度还可以控制发射角度。
加长的吊索
吊索的加长就是配重式机器与牵引式机器的第一个区别。

吊索的一端牢牢地固定在横梁上，另一端则套在一个金属挂齿上。当达到弧线上的适当角度时，线圈就会脱开，释放出弹丸。要达到最大射程，关键是要适当调整挂齿和吊索的总长度。
这一变化增加了投掷臂的有效长度，从而显著提高了性能。
调整吊索的长度是微调射程的主要手段，因为抛石机的其余动作在建造后很难调整。
它还通过使弹丸释放的角度在很大程度上独立于手臂的角度，为一系列额外的改进开辟了道路。通过改变吊索的长度，工程师们可以确保弹丸以与垂直方向约45度的角度离开机器，从而产生最长的弹道。
同时，为了使更多的重物势能转化为运动力，吊索只有在机械臂达到近似垂直的位置（配重接近其行程的底部）时才能打开。
铰接的配重
下一个关键创新是铰接式配重的开发。在翘起的过程中，铰链式配重机的箱子悬挂在铰链的正下方，与机臂成一定角度。当松开抛石机的机臂时，铰链会伸直。由于这种运动，配重与支点的距离以及其机械优势在整个周期中都会发生变化。
在加速的第一阶段，配重的重心直线下降。当铰链伸直时，配重围绕重心的旋转增加了能量的传递。当弹丸释放时，持续的旋转有助于减慢横梁的速度，从而减少机械装置的后坐力。
铰链大大增加了通过横梁传递给弹丸的能量。中世纪的工程师们发现，在其他条件相同的情况下，铰链式配重机比固定配重机能将弹丸抛得更远。
虽然相比于固定配重，铰接配重并没有做出太大改动，但配重的这种摆动对旋转的横梁有很大的制动作用。当吊索升起并围绕横梁转动时，能量传递到吊索上，制动可以使横梁在直立时几乎停止。就在弹丸离开时，减速减轻了对机器框架的压力。因此，框架不易滑动或反弹。
古典时期的一些大炮，如“野驴”（onager），因其猛然弹跳而闻名，必须安装在特殊的压紧的平台上。抛石机的释放则更为柔和，这意味着工程师们不必在两次射击之间重新定位框架，因此可以更快、更准确地进行射击。

丹麦“中世纪中心”（Middelaldercentret）博物馆制造的一台稍小的机器已证明能够在180米的射程内将射击集中在一个六米见方的范围内。
这种具有毁灭性的机器至今仍让人惊叹不已。时至今日，人们仍在重建这种攻城器，用于演示。目前世界上最大的可使用的抛石机是2005年在英国沃里克城堡建造的22000公斤的抛石机（见顶图）。它以历史设计为基础，高18米，通常可将36公斤的弹丸投掷到300米远的地方。
在2015年，一些爱好者甚至用它将一台燃烧型钢琴投掷了出去。让我们可以重新体验中世纪抛石器的威力。
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