De geschiedenis van de kruisboog

De uitvinding van de kruisboog dateert van ongeveer 600 voor onze jaartelling, maar werd pas populair in de 11de eeuw. Gedurende een periode van 500 jaar gaf dit wapen de doorslag bij defensieve oorlogsvoering.

Vanaf de 11de eeuw tot het ontstaan van efficiënte vuurwapens zo’n 500 jaar later, was de kruisboog een populair oorlogswapen. De kruisboog werd vooral gebruikt bij de verdediging van forten of versterkte plaatsen zoals burchten en schepen. De ontwikkeling van het wapen droeg in grote mate bij in de kennis van materialen ( de krachten waaraan de boog moet kunnen weerstaan) en de aerodynamica (vanwege de specifieke vlucht van de pijl). De aerodynamica van de pijl en de principes van haar werking, inspireerden o.m. Leonardo Da Vinci tot natuurwetenschappelijk technisch onderzoek.
De wapenmeesters die de kruisboog ontwierpen, hadden weinig of geen kennis van wiskunde. Experimenten uitgevoerd aan de Purdue University tonen echter aan dat deze ambachtslieden erin slaagden een betrekkelijk hoog niveau te bereiken op het gebied van aerodynamica en een redelijk inzicht hadden op de beginselen van de mechanica.
De kruisboog is niet zo’n complex wapen: een boog die algemeen gesproken te sterk is om zonder enige hulpstukken te worden gespannen, wordt haaks op het uiteinde van een houten of metalen lat gemonteerd. Opgespannen wordt de pees op een bepaalde manier vastgehouden en vervolgens gelost. Een gleuf in de boog geleidt de pijl of de pijl rust voor- en achteraan op twee steunpunten. Wanneer de boog voldoende krachtig is, gebruikt de schutter hiervoor een hulpstuk dat ofwel op de boog kan gemonteerd worden, ofwel op de boog zelf aanwezig is.
Een kruisboog heeft twee voordelen tegenover de handboog: de schootsafstand is aanzienlijk groter, zodat kruisboogschutters vrijwel risicoloos de handboogschutters onder vuur konden nemen vooraleer deze laatsten hun eerste schot konden lossen. Daarbij kwam ook dat het gebruik van een kruisboog, door zijn ontwerp en het gebruik van een opspaninrichting, minder kennis en lichamelijke inspanning vereiste. De klauw die de pees blokkeert en loslaat kunnen we beschouwen als één van de eerste pogingen om de functies van de menselijke hand te mechaniseren.
Een belangrijk nadeel van de kruisboog was, in vergelijking met de handboog, een kleiner vuurritme. Hieruit vloeit voort dat dit wapen vooral dan werd gebruikt, wanneer de schutter beschermd kon worden bij het herladen van zijn wapen. Daarom dat we het gebruik ervan vooral aantreffen bij ingekwartierde troepen of op schepen.
De kruisboog dateert lang voordat het wapen uiteindelijk populair zou worden. Er bestaan twee theorieën over de plaats waar de kruisboog zou ontstaan zijn: Griekenland of China. Rond 400 voor onze jaartelling ontwikkelden de Grieken de katapult: een wapen dat stenen en rotsblokken over grote afstand kon wegslingeren. Dit idee ontstond uit de inspanningen om de werpkracht van de menselijke hand te vergroten. Na verloop van tijd ontwikkelde de katapult, die sterk op de kruisboog gelijkt, zich tot een groot wapen hoewel bewijzen aanwezig zijn om aan te nemen dat de eerste exemplaren de omvang van een kruisboog hadden.
Aan de andere kant wordt de theorie dat de kruisboog in China zou zijn ontstaan, ondersteund door archeologische vondsten van bronzen ontspanningsmechanismen gedateerd 200 VC. Chinese verslagen maken echter gewag van dit wapen in conflicten rond 314 VC. En bepaalde bronnen die teruggaan op niet teruggevonden oudere verslagen en die dus moeilijker te controleren zijn, doen vermoeden dat dit wapen minstens honderd jaar ouder moet zijn.
In Europa duikt dit wapen onafgebroken op vanuit de klassieke tijden tot heden.
Zoals gesteld wordt de kruisboog vanaf de 11de eeuw tot pakweg de 16de eeuw in grote hoeveelheden aangemaakt. De reden waarom dit wapen pas in de 11de eeuw als oorlogswapen niet meer weg te cijferen valt, is tweeërlei: om te beginnen was er de productiekost, zodat een leger uitrusten met kruisbogen i.p.v. met de gewone handboog stukken meer kostte. Een andere reden was de betrekkelijk kleine aanwezigheid van burchten, die pas gedurende de Normandische inval in Engeland (vanaf 1066) overal opdoken.
Tegelijk met de opkomst van de burcht werd de kruisboog een onderdeel van een streng-elitair maatschappelijke revolutie. Versterkingen in de periode voor de overwinning van de Normandiërs, waren occasioneel, vrij rudimentair en beoogden enkel het beschermen van de plaatselijke bevolking in tijden van onrust. Wanneer rondtrekkende roofbenden zo een versterking aanvielen, stuitten ze veelal op een fortificatie die verdedigd werd door de gevluchte streekbewoners en daardoor over een enorme vuurkracht beschikte. De Normandiërs echter dwongen de controle over een gans gebied af door een zwaarbewapende minderheid die de grotere aantallen boeren en dorpelingen domineerde. Hun burchten waren erop gericht enkelen te beschermen tegen de agressie van zowel de plaatselijke bevolking als de andere burchtheren. De zware kruisboog hielp hen dit overwicht te bewaren.
In de daaropvolgende eeuwen zou men alles in het werk stellen om de kracht van het wapen nog te vergroten. Eén van die verbeteringen kwam uit de Arabische wereld, waar bogen uit composiet werden vervaardigd. Dit type boog heeft een aantal voordelen tegenover een boog gemaakt uit één stuk hout. Bij deze laatste is de vuurkracht beperkt door de inherente stevigheid van de gebruikte houtsoort. Wanneer zo’n boog wordt opgespannen, zal de buitenzijde (de kant van de boog die van de schutter weg is gericht) onder spanning komen te staan. De binnenkant wordt terzelfdertijd samengedrukt. Wanneer deze boog te hard wordt opgespannen, springen strookjes hout op de buitenzijde los. Aan de binnenzijde verschijnen kreuken. Op dat ogenblik is het stuk hout over zijn hoogtepunt en verder opspannen heeft het breken van de boog tot gevolg.
Bij een composietboog wordt een materiaal met een grotere spankracht dan het hout, op de buitenzijde van de boog aangebracht. De spanning van de boog wordt weggeleid en onderdrukt het ontstaan van scheuren. Een veelgebruikt materiaal hiervoor waren pezen, afkomstig van spierweefsel dat zich op de rugzijde en schouders van de meeste zoogdieren bevindt. Tests wezen uit dat dit spierweefsels spanningen aankon van zo’n 20 kg/mm², vier keer zoveel als de meeste houtsoorten.
Aan de binnenzijde van de boog bracht men een materiaal aan dat minder samendrukbaar was dan hout, bvb. koehoorn. De samendrukbaarheid van koehoorn weerstaat 13kg/mm². Bovendien is bij hout de samendrukbaarheidsfactor vier keer kleiner dan de spanningsfactor. Dit niveau van empirische techniek wordt tegelijk weerspiegeld in de gebruikte lijm, die afkomstig was van de huid uit het verhemelte van de Wolga-steur. Enkel een traditie van uitgebreid experimenteren en selectie kan tot zulke bevindingen leiden.

Het gebruik van composietkruisbogen liep van de Late Middeleeuwen tot in de Renaissance. Hun gewicht was kleiner dan de stalen kruisbogen die vanaf 1400 werden geproduceerd, zij schoten verder bij eenzelfde trekkracht en hadden een langere levensduur. In de tijd van Leonardo Da Vinci was het gebruik van de composietkruisboog gemeengoed. Uit de documenten die hij achterliet, blijkt dat hij geregeld beschouwingen maakte omtrent de aanmaak van kruisbogen en uit deze studie fundamentele gevolgtrekkingen afleidde over het gedrag van materialen onder spanning.
Het hoogtepunt van de kruisboog was de middeleeuwse stalen boog. Het zou duren tot na WOII met het verschijnen van glasvezel en moderne composietmaterialen om deze middeleeuwse boog verder te kunnen verbeteren. Geen enkel organisch materiaal was in staat de kracht van een stalen kruisboog te evenaren. De Victoriaanse sportman Ralph Payne-Gallwey, die een ondertussen klassiek geworden werk over kruisbogen schreef, testte een kruisboog met een trekkracht van 550kg: een pijl van 85 gram kwam 420m verder terecht. Egon Harmuth, een historicus, gaat ervan uit dat in de middeleeuwen kruisbogen bestonden met een trekkracht die twee keer zo groot was. De handboogschutters in die tijd schoten met bogen die een maximale trekkracht van 45 kg aankonden. Zelfs met speciale lichtgewichtpijlen bleef hun schootsafstand onder de 275m.
De ontwikkeling van de zware kruisboog kende ook zijn keerzijde: de snelheid waarmee zo’n boog kon geladen worden, nam drastisch af. De productie van grote stalen staven die de boog moesten vormen, schepte eveneens problemen zodat men verplicht was kleinere metalen stukken tot één groot geheel samen te smeden. Maar met elk stuk dat werd toegevoegd, vergrootte ook de kans dat de boog knapte met ditmaal grote risico’s voor de onfortuinlijke schutter.
Hoe krachtiger de bogen werden, hoe sterker het spanmechanisme moest zijn. Tot dusver was het Europese ontspanningsmechanisme dat bestond uit een ronddraaiende moer en een enkele trekker minderwaardig aan de Chinese trekmechanismen waar de schutter de trekker met een korte en lichte beweging kon overhalen. Kort na 1500 verschenen in Duitsland de eerste dubbele trekkermechanismen. Manuscripten tonen aan dat Leonardo reeds tientallen jaren eerder zelfstandig tot dit ontwerp was gekomen en de mechanische voordelen van dit nieuwe systeem had berekend.

Ook aan de kruisboogpijl werd grondig gesleuteld. Om dit te verduidelijken, kijken we naar de krachten die inwerken op een handboogpijl. Een optimale handboogpijl reikt in gespannen toestand van het centrum van de borst van de schutter tot het einde van zijn gestrekte arm. De pijl wordt gericht door langsheen de pijlschacht te kijken en met behulp van zijn hand de uiteinden ervan te positioneren. Deze twee punten bepalen de richting waarheen de afgeschoten pijl vertrekt. Maar de krachten die op de pijl inspelen op het moment van zijn vertrek, vallen niet noodzakelijkerwijze samen met de kijklijn op het moment dat men de pijl richt. De ontspannende pees drukt het achtereinde van de pijl in de richting van het middelpunt van de boog in plaats van opzij. Wil de pijl nu niet van zijn doel afwijken, dat moet deze lichtjes doorbuigen wanneer hij vertrekt.
Deze noodzakelijke flexibiliteit van de traditionele handboogpijl beperkt eveneens de hoeveelheid energie die deze kan opnemen gedurende haar versnelling. Bijvoorbeeld: een pijl ontworpen voor een 10kg-boog zal op een 45kg-boog zo sterk vervormen bij vertrek, dat de schacht gewoon breekt.
Gevolg is dat men in de vroege tijden pijlen voor kruisbogen en katapulten opnieuw moest ontwerpen. Pijlen konden bijvoorbeeld korter en minder flexibel worden gemaakt omwille van de geleiding van de pijl op de boog zelf en de kracht van de pees haaks op de pijl. Opslag en transport van deze kortere pijlen, was eveneens een welkom voordeel.
De verschillende ontwerpen van kruisboogpijlen kunnen ruwweg in twee groepen worden onderverdeeld:
De pijlen van de eerste groep zijn ongeveer half zo groot als de pijlen van een conventionele handboog. Naar achter toe zijn ze lichtjes afgerond en de veren zijn iets te klein om de pijl voldoende stabiliteit te bieden. Het achterstuk is speciaal ontwikkeld om door een klauw vastgehouden te worden. De pijlen van de tweede groep hebben geen veren. De metalen kop maakt ongeveer een derde van het ganse pijllichaam uit en de houten schacht is beperkt tot de minimumlengte nodig om de pijl door de lucht te leiden. Ook deze pijl is afgerond achteraan en de totale lengte van deze pijl bedraagt minder dan 15cm.Uit het ontwerp van deze pijlen komt een vrij grote kennis van de aerodynamica van de Romeinse ontwerpers tot uiting. Heden is het algemeen bekend dat veren, die ervoor zorgen dat de pijl geen rotatiebeweging maakt gedurende zijn vlucht, tevens de oorzaak zijn van een grote weerstand die de pijl afremt. Door het reduceren van de veren vergroot men de vliegafstand, met dien verstande dat de pijl bij vertrek niet afwijkt. Op dat ogenblik zou de weerstand alleen maar vergroten. Eén oplossing bestaat erin de pijl een conische vorm te geven zodat hij vooraan smaller is dan achteraan. Op het ogenblik dat zo’n pijl uit zijn baan dreigt te komen, zal de totale luchtdruk op het verbrede achterstuk groter zijn dan op het voorste segment, zodat de pijl stabiliseert en ernaar streeft zijn oorspronkelijke vlieglijn opnieuw in te nemen. Of anders gezegd: het aerodynamisch middelpunt (dit is het balanspunt van alle aerodynamische krachten die op de pijl inwerken) ligt achter het zwaartepunt. Bij een cilindrische pijl zonder veren ligt dit punt ongeveer halfweg de schacht. Bij een conische pijl ligt dit punt meer achteraan door de grotere ronding. Omdat dit punt achter het zwaartepunt komt te liggen, is deze pijl stabieler dan een cilindrische en ondervindt deze daarenboven, door de afwezigheid van veren, minder luchtweerstand. Het vergroten van de schacht naar het achterstuk toe zorgt er voor dat de luchtlagen zachtjes tegen het pijloppervlak worden gedrukt. De grenslaag is minder geneigd in te storten. Ook het inkorten van de pijl heeft zijn voordelen: de luchtstroom parallel aan een cilindrisch oppervlak heeft de neiging tot meer turbulentie naarmate de lengte van de pijl toeneemt. Het gevolg is dat deze energierovende turbulentie over het ganse oppervlakte van de pijl tot een minimum wordt beperkt.Een andere factor waaraan deze conische pijl zijn superioriteit ontleent, ligt in het ontwerp van zijn staart. De staart beschikt over nokken zodat de pijl past tussen de klauwen van een katapult-trekker. Net zoals de coniciteit, zorgen deze nokken voor een geleiding van de luchtstroom achter het staartstuk van het projectiel, zodat de vorming van een turbulent en energie-onttrekkend kielzog sterk wordt verminderd.Er bestaat geen enkele reden om aan te nemen dat de technici uit die tijd op de hoogte waren van luchtdruk, de details van luchtstroom en luchtweerstand. Pas met Leonardo Da Vinci ontstond hierrond de eerste kennis. Buiten kijf staat dat deze oude pijlen het resultaat waren van proberen en mislukken in combinatie met logische deductie. En zonder twijfel waren de beoogde resultaten schootafstand en de kracht bij inslag. Desalniettemin bereikten zij belangrijke resultaten bij het ontwerp van hun projectielen, wat gestaafd wordt door het bestuderen van het gedrag van deze pijlen in moderne windtunnels. Volgende pijlen werden getest: een typische middeleeuwse handboogpijl, een middeleeuwse kruisboogpijl en de twee bekende ontwerpen van katapultpijlen.
Uit de bevindingen blijkt dat de verhouding tussen de luchtweerstand en gewicht de handboogpijl het slechtst scoort. Het gewicht van een pijl kan beschouwd worden als een opslagplaats voor energie. Bij het afschieten van al deze vier projectielen met dezelfde snelheid, bepaalt het gewicht de beschikbare energie bij de aanvang van de vlucht. De luchtweerstand echter bepaalt het verlies van diezelfde in de massa van de pijl opgeslagen energie. Een kleine weerstand-massa verhouding verzekert het object een lange schootsafstand. Maar diezelfde verhouding is bijna twee keer zo groot bij de handboogpijl dan bij de andere. Hieruit blijkt dat op het ogenblik dat men het concept van de handboogpijl achterwege liet en een nieuw type kruisboogpijl ontwierp, men ook het hele wapen optimaliseerde. Het nieuwe ontwerp benaderde zo sterk het optimale, dat verbeteringen sindsdien niet meer mogelijk waren.

We mogen niet uit het oog verliezen dat achter al dit onderzoek naar verbeteringen een grote vraag naar kruisbogen en munitie ligt. In de middeleeuwen bestond in vredestijd het merendeel van de garnizoenen uit kruisboogschutters. Op een zwaar verdedigde vesting zoals het Engelse Calais aan de Franse kust waren te allen tijde 53.000 kruisboogpijlen ter beschikking. De autoriteiten kochten ze aan in grootverpakkingen van 10 of 20.000 stuks tegelijk. Tussen 1223 en 1293 produceerde de familie Malemort in Engeland bijna één miljoen kruisboogpijlen.
Het resultaat van deze vraag was een vorm van massaproductie die ver vooruitliep op de massaproductie van de Industriële Revolutie.
In de vijftiende en zestiende eeuw volgde een enorme ontwikkeling op het gebied van het gebruik en de toepassingen van buskruit. Het gevolg was dat het gebruik van de kruisboog als oorlogswapen door dit nieuwe wapen voorgoed zou verdrongen worden. Behalve op zee, waar het gebruik van de kruisboog nog lang zou blijven bestaan: ontstekingsproblemen van het kruit in vochtige omstandigheden waren hiervan de oorzaak. De zwaardere versie bleef lange tijd in zwang voor de walvisvangst.
Een nevenontwerp van de kruisboog, de zgn balboog die stenen kogels of keien afschoot, werd tot in de 19de eeuw gebruikt voor de jacht op klein wild. Van dit model werd de kogel voor het vuurwapen afgeleid en niet omgekeerd.
De hedendaagse kruisboog, voornamelijk uit moderne composietmaterialen, is een wapen dat zijn middeleeuwse voorganger ver overtreft.

Oogst 2000
Uit: Scientific American januari 1985.