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La balestra fu inventata molto tempo prima di diventare popolare. Circa la sua invenzione vi sono due rivendicazioni di priorità, una da parte della Grecia, l'altra della Cina. Attorno al 400 a.C. i greci svilupparono la balista, una specie di catapulta per il lancio di pietre e frecce. L'idea nacque dai tentativi fatti per aumentare la potenza degli archi. La balista, che assomiglia alla balestra, alla fine raggiunse grandi dimensioni: sembra, tuttavia, che fra i primi esemplari ve ne fossero alcuni aventi le stesse dimensioni di una balestra. Le rivendicazioni della Cina sono confortate a livello archeologico da meccanismi di sganciamento in bronzo prodotti attorno al 200 a.C. Le rivendicazioni della Grecia sono anteriori a questa data, ma documenti scritti cinesi situano d'altra parte l'impiego della balestra in battaglia attorno al 341 a.C. Altri documenti, di cui è difficile valutare l'attendibilità, fanno risalire l'uso della balestra ad almeno un secolo prima.
Il nome deriva da "Ballista", l'arma da lancio delle legioni romane.
Dalla documentazione archeologica risulta che l'uso della balestra in Europa continuò ininterrottamente dai tempi classici sino al periodo di massima popolarità, tra il XI ed il XVI secolo, e pare che due fattori ne abbiano limitato la diffusione prima del XI secolo. Un fattore consisteva nel costo maggiore delle balestre per armare le truppe rispetto agli archi. L'altro fu la relativa scarsità di castelli, che divennero storicamente importanti solo nel periodo normanno.
Con la costruzione dei castelli, la balestra divenne parte integrante di una rivoluzione sociale violenta e profondamente d'élite. Spesso le fortificazioni in epoca pre-normanna erano semplici, progettate in vista di un uso occasionale e intese a proteggere l'intera popolazione di una zona. All'interno delle mura, quando gli abitanti vi cercavano riparo dalle bande di razziatori, vi era quindi abbondanza di armi da getto. I normanni esercitavano il controllo attraverso una piccola minoranza militare, pesantemente armata, che dominava una popolazione contadina e urbana molto più estesa. I loro castelli miravano a fornire protezione ai pochi nei confronti dei molti, oltre che ai pochi nei confronti dei membri armati e predatori della loro stessa casta. La gittata superiore delle balestre li aiutava a rendere più sicuri questi rifugi.
Nei secoli successivi all'avvento della balestra come arma offensiva furono compiuti sforzi per migliorarne la potenza e uno dei miglioramenti adottati potrebbe essere stato mutuato dagli arabi. Gli archi degli arabi erano del tipo noto come arco composto. La loro struttura merita questo nome, giacchè furono importanti precursori dei materiali compositi di oggi. Un arco composto offre chiari vantaggi rispetto a un arco formato da un singolo pezzo di legno.
Balestre con arco composto continuarono a essere usate per tutta l'ultima parte del medioevo e nel rinascimento. Esse erano più leggere delle balestre di acciaio, che cominciarono a essere prodotte attorno al 1400, avevano una gittata maggiore in relazione a una data forza di lancio ed era meno probabile che fallissero in modo catastrofico. Gli archi composti erano abbastanza comuni ai tempi di Leonardo. Dai suoi manoscritti risulta che egli ebbe modo di riflettere sulla loro costruzione e ne trasse intuizioni fondamentali sul modo in cui i materiali si comportano quando sono sottoposti a sollecitazione.
L'arco medioevale di acciaio rappresentò il culmine nella costruzione delle balestre. Le sue prestazioni non furono eguagliate sino alla comparsa delle fibre di vetro e di altri materiali compositi moderni dopo la seconda guerra mondiale. Gli archi d'acciaio potevano raggiungere livelli di potenza che nessun materiale organico del tempo era in grado di eguagliare. Ralph Payne-Gallwey, uno sportivo vissuto in epoca vittoriana e autore di un trattato sulla balestra divenuto un classico, provò una grande balestra da guerra che con una forza di lancio di 550 chilogrammi scagliava una freccia di 85 grammi alla distanza di 420 metri. Egon Harmuth, un esperto di storia della balestra, ritiene che siano esistiti archi con forza di lancio doppia di questa. Gli arcieri del tempo, che usavano l'arco lungo, si dovevano limitare per lo più all'impiego di archi con una forza di lancio inferiore ai 45 chilogrammi. Persino usando frecce speciali molto leggere, non riuscivano, a quanto pare, a superare una gittata di 275 metri.
A mano a mano che gli archi d'acciaio raggiungevano nuovi livelli di potenza, diminuivano le possibilità di sfruttarne appieno le caratteristiche. La maggiore massa dell'arco fissava un limite alla sua capacità di accelerazione. Era difficile produrre acciaio in verghe abbastanza grandi per costruire archi completi, cosicché essi venivano ottenuti di solito saldando assieme molti pezzi più piccoli. Ogni saldatura comportava una maggiore possibilità di inconvenienti e costituiva quindi anche un rischio per il balestriere.
Gli archi più potenti crearono la necessità di meccanismi di sganciamento anch'essi più potenti. Fino a quell'epoca i congegni di scatto europei, formati di solito da una "noce" rotante e da un "grilletto" a leva, furono di gran lunga inferiori ai meccanismi cinesi, dotati di una leva intermedia grazie alla quale il balestriere poteva scoccare una freccia con un arco pesante, esercitando sul grilletto una pressione breve, decisa e lieve. Poco dopo il 1500 grilletti perfezionati, formati da un sistema di leve multiple, cominciarono ad apparire in Germania. Manoscritti di circa un decennio prima dimostrano che Leonardo era già pervenuto a questa soluzione e ne aveva calcolato i vantaggi meccanici.
Anche la freccia corta della balestra fu perfezionata considerevolmente nel corso degli anni. Nell'antichità le frecce dovettero essere perciò riprogettate per essere usate nelle balestre e nelle catapulte. Poiché la superficie del teniere faceva meglio coincidere il moto della corda con la linea di volo iniziale e i dispositivi di guida sostituivano le mani dell'arciere, le frecce poterono essere più corte e più rigide. Diveniva così più facile, al tempo stesso, riporle e trasportarle.
Le nuove caratteristiche adottate possono essere rappresentate da due tipi principali di freccia rimasti. Uno di essi, lungo press'a poco la metà di una freccia dell'arco convenzionale, si allarga nettamente verso la parte posteriore e ha un'impennatura formata da alette di per se stesse troppo piccole per assicurargli una buona stabilità. La parte posteriore dell'asta è costruita in modo da essere bloccata da un gancio d'arresto. L'altro non ha né alette né penne. La punta metallica si estende per un terzo circa della lunghezza complessiva e l'asta di legno è stata ridotta alla lunghezza minima necessaria per guidare la punta nel volo attraverso l'aria. Anche la sezione di questa freccia aumenta verso l'estremità posteriore e la lunghezza complessiva è meno di 15 centimetri.
Queste frecce attestano un'esperienza considerevole nel campo dell'aerodinamica da parte degli innovatori romani che per primi le progettarono. Oggi è chiaro che l'impennatura, che impedisce alla freccia di ruotare durante il volo, è fra le fonti principali di resistenza aerodinamica della freccia.
Non c'è ragione di supporre che i tecnici del tempo disponessero di conoscenze sulla pressione o conoscessero i particolari del flusso dell'aria e della resistenza aerodinamica. Queste idee cominciarono a emergere solo con Leonardo e senza dubbio, quindi, nell'antichità le frecce venivano progettate con un procedimento per tentativi di errori, associati a deduzioni logiche. Probabilmente i fattori guida erano la gittata massima e la forza d'impatto. Gli artigiani del tempo riuscirono nondimeno a conseguire sostanziali miglioramenti nella progettazione delle frecce.
Dietro tutta questa evoluzione nel campo della meccanica vi era una forte necessità di balestre e munizioni. Spesso il grosso della guarnigione di un castello, in tempo di pace, era costituito da balestrieri. Ne risultò, com'era da attendersi, una tendenza verso una produzione in serie che anticipò di molto la rivoluzione industriale. Un esempio è costituito da un dispositivo formato da un paio di blocchi di legno accostabili fra loro con un sistema a vite in modo da formare una sorta di morsetto. I blocchi avevano una scanalatura per poter accogliere l'asta di una freccia. Le alette delle frecce fuoriuscivano da fenditure e poggiavano su una piastra metallica che fungeva da guida per rifilarle alle giuste dimensioni e orientarle con la giusta simmetria. Quest'operazione di munire una freccia di alette, di rifilare queste ultime e di orientarle nel modo desiderato si chiamava impennatura. Da quell'epoca in poi essa cominciò a essere meccanizzata. Entrano in funzione la piallatrice per arrotondare l'asta e incidere le scanalature per le alette, poi i torni.
Dopo Leonardo, con il diffondersi delle armi da fuoco la balestra cominciò a perdere popolarità. Essa continuò ad essere usata in mare, dove non presentava i problemi di accensione che aveva comportato l'impiego delle prime armi da fuoco e dove le murate delle navi offrivano protezione per l'operazione di ricaricamento. Versioni più pesanti continuarono a essere usate anche per la caccia alla balena. Sulla terraferma le armi da fuoco sostituirono, invece, gradualmente la balestra nella caccia. Un'eccezione è costituita da una versione della balestra, la cosiddetta "pallottoliera", che scagliava pietre o pallottole. Quest'arma, usata per cacciare selvaggina di piccola taglia, rimase in uso fino all'ottocento inoltrato. Taluni elementi delle armi da fuoco come fusti, grilletti e mire regolabili, furono sviluppati all'inizio per le balestre. In particolare per quelle per il tiro a segno che ancora sopravvivono in molte parti del mondo. Nell'ultimo secolo c'è stato un ritorno della balestra ad arco composto. Le fibre di vetro sono un'alternativa moderna al tendine e la loro matrice di plastica ha sostituito il corno di bufalo. Oggi la balestra ha un certo seguito ed il balestriere può disporre di una balestra notevolmente perfezionata rispetto a quella medioevale.
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