 |
Математика (от греч. mathema – наука, значение) 9 глава
|
|
|
|
Система шлюзов времен эпохи Возрождения
Есть еще одно выдающееся изобретение Леонардо да Винчи, и в жизнь оно было претворено его трудами. Прежде шлюзовые ворота на каналах делались опускными. Приблизительно в 1495 году он набросал эскиз двух створных щитов, снабженных небольшими отверстиями (с задвижками) для воды, чтобы наполнять или опорожнять шлюз. Этот эскиз вполне можно было бы взять за образец чертежа современного шлюза. А в 1497 году подобные ворота были сооружены на Миланском канале.
Во многих других случаях зарисованные и описанные им машины или приспособления были воплощены на практике лишь спустя пятьдесят лет после его смерти. Например, он предложил пистолет с колесным затвором, по образцу которого в Германии приблизительно с 1500 года стали делать мушкеты. Его роликовые подшипники (о которых он писал как о «чуде механики») были впервые изготовлены в XVI, а получили широкое распространение лишь в XIX веке.
Им были сконструированы спиральные и конические зубчатые передачи. Он изучал шарнирную цепь и многие другие устройства подобного рода. Леонардо лучше своих предшественников понимал разницу между машиной, выполняющей работу, и двигателем, который приводит ее в движение. На эскизах многих его машин указан просто вал, к которому можно подсоединить любой двигатель…
Приведем слова английского ученого Роджера Бэкона, предвосхитившего многие будущие изобретения:
«Прежде всего, я расскажу о чудесных творениях человека и природы, чтобы назвать дальше причины и пути их создания, в которых нет ничего чудодейственного. Отсюда можно будет убедиться в том, что вся сверхъестественная сила стоит ниже этих достижений и недостойна их… Ведь можно же создать первые крупные речные и океанские суда с двигателями и без гребцов, управляемые одним рулевым и передвигающиеся с большей скоростью, чем если бы они были набиты гребцами. Можно создать и колесницу, передвигающуюся с непостижимой быстротой, не впрягая в нее животных… Можно создать и летательные аппараты, внутри которых усядется человек, заставляющий поворотом того или иного прибора искусственные крылья бить по воздуху, как это делают птицы… Можно построить небольшую машину, поднимающую и опускающую чрезвычайно тяжелые грузы, машину огромной пользы… Наряду с этим можно создать и такие машины, с помощью которых человек станет опускаться на дно рек и морей без ущерба для своего здоровья… Можно построить еще и еще множество других вещей, например, навести мосты через реки без устоев или каких-либо иных опор…»
|
|
|
После Леонардо да Винчи развитие техники, и в том числе гидравлики, получило такой размах, что ее достижения намного превзошли то, что наблюдалось в эпоху Возрождения. Это было связано с господствовавшим в XVII и начале XVIII века мануфактурным производством.
Еще одним стимулом для развития физики и механики было проектирование и изготовление водооткачивающих устройств, тепловых двигателей – предшественников паровых машин. Отправным техническим механизмом здесь был насос, изучение принципа действия которого во многом стимулировало разработку проблем пневматики и гидростатики. Естественно, что работы Череди, Делла Порта и других в этой области оказались в сфере пристального внимания ученых XVII века.
Стевину, инспектору плотин Голландии, принадлежит заслуга формулировки важнейших законов гидростатики, теории гидростатического давления и положений, связанных с определением остойчивости судов. В 1632 году Галилей изложил теорию, доказывающую равновесие жидкости в сообщающихся сосудах и равновесие плавающего на воде тела. Кроме того, он изучал течение рек, сооружение и работу плотин и искусственных каналов. Это были начальные предпосылки для построения не только научной гидравлики, но и гидродинамики. Аналогичная проблематика нашла отражение в труде ученика Галилея, Кастелли, – «О движении воды в реках и каналах» (1628). В частности, в нем говорилось о влиянии поперечного сечения русла на скорость движения воды. Для первых шагов в развитии гидродинамики существенным явились высказывания Галилея о значении гидродинамического сопротивления.
|
|
|
Торричелли в 1644 году вывел формулу для скорости истечения водяной струи из отверстия сосуда, что было крайне важно для создания водяных часов. Для этого он воспользовался результатом Галилея по определению ускорения свободно падающего тела применительно к жидкости. Что касается Паскаля, то он в том же 1644 году показал принцип передачи давления в сообщающихся сосудах, продвинув вперед известную ранее теорию.
А нам говорят: Архимед, Герон…
Преобразование движения
В Средние века встала задача так соединить между собой механические элементы, чтобы суметь движение одного вида преобразовать в другое. Особенно важными были способы преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, и возвратно-поступательного во вращательное. При преобразовании первого вида основным механизмом стал кулачок, который был известен раньше, – например он описан в тексте, приписываемом Герону, но использовался в античном мире лишь для «механических забав», а в Средние века стал приносить пользу в машинах.
Основным механизмом для превращения поступательного движения во вращательное служит кривошип, о котором нет сведений в древности. Даже кажущаяся нам столь простой мысль о том, чтобы вращать ручную мельницу, взявшись за укрепленную у края верхнего камня вертикальную рукоятку, видимо, не приходила никому на ум. Большие мельничные жернова вращали рабы или животные, ходившие по кругу. Менее же крупные жернова приводились в движение с помощью выступавших сбоку радиальных рукояток. Вертикальная рукоятка, позволяющая осуществлять непрерывное вращение благодаря кривошипному устройству, появилась очень поздно.
|
|
|
Пожалуй, это было одним из изобретений, принадлежавших варварам. Но даже и тогда людям было трудно уяснить себе принцип действия и распространить его на другие сферы, поскольку о дальнейшем использовании кривошипа ничего не было известно приблизительно до 850 года, когда им стали вращать точильные камни. Затем кривошипом начали оснащать шарманку, возможно в Х веке, но не позднее XII. В XIV или в начале XV века кривошипом закручивали пружины самострелов. К этому времени его стали использовать и для других целей, например в катушках для наматывания мотков пряжи и в таком крайне важном, хотя и простом инструменте, как столярный коловорот.
Во всех перечисленных случаях кривошип вращали вручную. Но приблизительно в 1430 году мы впервые встречаемся с кривошипно-шатунным механизмом, приводившим в движение мукомольную мельницу.
Меж тем педальный механизм претерпевал свою самостоятельную эволюцию – в ткацких станках, в приводах токарных станков и в кузнечном молоте с педальным управлением, который появился в XIV веке. Приблизительно к 1430 году человек соединил педаль, шатун и кривошип воедино в виде привода, знакомого нам по современным ножным швейным машинам. Мукомольные мельницы и на этот раз оказались первой областью его применения. Вот когда появился, наконец, один из практически важных для современных машин механизм! Но внедрение такого привода проходило медленно, вероятно из-за трудностей с изготовлением хороших подшипников. В 1480 году его применяли для вращения точильных камней, а с XVI века стали использовать в прядильных и токарных станках.
Лучковый токарный станок
Росло и число механизмов, известных техникам. Привод ворота породил рукоятку, изогнутую дважды под прямым углом, отсюда недалеко и до коленчатого вала, который появился в XIII веке в качестве удобного привода для ручной мельницы. Постепенно распространяются шарнирные механизмы.
Набор столярных инструментов изменился по сравнению с древними временами не очень значительно, но и здесь не обошлось без важных сдвигов. Коловорот и сверло пришли на смену смычковой дрели, применявшейся в прошлом. А вот устройство токарного станка изменилось коренным образом.
|
|
|
Древний токарный станок (насколько можно судить по дошедшим до нас сведениям) был устроен ненадежно. Он состоял из нескольких соединенных между собой и вбитых в землю брусков. Обрабатываемое изделие вращалось попеременно в обоих направлениях подмастерьем, тянувшим за концы веревки, обмотанной вокруг заготовки. Столяр держал режущий инструмент просто руками, не пользуясь опорой или направляющим приспособлением.
Схема токарного станка А.К. Нартова
В Средние века додумались до жесткого закрепления станины и бабки. Не позднее 1250 года ремень, поворачивающий заготовку, прикрепили внизу к педальному механизму, а наверху – к пружинящему передвижному шесту. Таким образом, у токаря появилась возможность вращать станок ногой через педаль, освободив руки для операций режущим инструментом. С середины XIV века для привода токарных станков начали использовать водяные двигатели. Ременным приводом через колесо с кривошипом стали пользоваться, видимо, уже с 1411 года, во всяком случае, с этого столетия. Первые попытки создать передвижной суппорт были предприняты приблизительно в 1480 году.
Первый токарный станок Генри Модели
В XVI веке Жак Бессон в «Театре инструментов» впервые описал станок для нарезки винтов с суппортом. Только теперь была решена проблема унификации заменяемых частей механизмов; до этого любое изделие носило индивидуальный характер. Изобретение суппорта повторил в начале XVIII века русский механик Андрей Нартов, а в конце XVIII века – английский промышленник Генри Модели.
Итак, в металлообработке мы находим начало той технологии, которая через одно-два столетия привела к промышленной революции. Но путь был долгим! Например, волочильная доска для волочения железной проволоки (прежде ее ковали) была изобретена в Х веке, а с водяным двигателем ее соединили в 1351 году.
На пути к промышленной революции
Во второй половине XV века в Европе резко повысился интерес к науке. Причина понятна: массовый переезд сюда ученых из поверженной турками Византии. Возможно, та же причина привела к повороту от всеобщего языка науки, латинского, к национальным языкам. В самом деле: если вместо латыни языком науки стал греческий, то почему не французский, немецкий или любой другой?…
А греческий был более чем в ходу. Сообщается, что члены венецианской академии Альдо Мапуция беседовали между собой только по-гречески. Писатели подражали «древнегреческим» текстам. Появляется ряд «Всемирных историй» на греческом языке.
|
|
|
Полициано пишет во второй половине XV века:
«Во Флоренции дети лучших фамилий говорят на аттическом диалекте так чисто, так легко, так непринужденно, что можно подумать, будто Афины не были разрушены и взяты варварами, а по собственному желанию переселились во Флоренцию».
Еще одним фактором, ускорившим научные исследования и подготовку лиц, сведущих в инженерном деле, стало книгопечатание. Появляются сочинения по технике, среди них видное место занимают разного рода собрания или «Театры машин», составленные техниками-практиками. Кроме артиллерийских руководств, в эпоху Возрождения выходят книги по таким областям знания, как военное дело (Вальтурио), металлургия (Бирингуччо) и т. п.
Европейские ученые, заинтересованные в развитии науки и техники, начали создавать общества. Первым стала Академия тайн природы (Academia Secretorum Naturae) в Неаполе (1560). В круг интересов подобных обществ входили, конечно, многие вопросы и помимо техники, но они уделяли большое внимание накоплению и систематизации знаний о машинах, способствовали их внедрению и поощряли изобретательство.
С улучшением способов передвижения и ростом торговых связей постепенно исчезало стремление производить все предметы первой необходимости в своей местности. Всякий район мог специализироваться на производстве таких товаров, которые более всего подходили ему, и обменивать свою продукцию в других районах или за границей на необходимые вещи, не производившиеся в своем округе. Это способствовало развитию концентрированной и сравнительно крупной промышленности, допускавшей в свою очередь внедрение механизации во все большем масштабе.
Чугун появился в XIII веке, но, поскольку технические затруднения преодолевались очень медленно, в общий обиход он вошел лишь в XV веке. Как и во многих других случаях, считается, что Китай опередил Европу с выплавкой чугуна, что его там получали еще с IV века до н. э., достигая результата переплавкой кричного железа в тиглях в смеси с углем. И как всегда, этот «приоритет» на пользу Китаю не пошел.
В Европе в XIV веке многие процессы обработки железа переводили на приводы от водяного колеса. Соединение кузнечных мехов с подобным источником двигательной силы для дутья позволило выплавлять к концу Средних веков чугун. Раньше вагранка не обеспечивала высокого нагрева, достаточного для расплавления металла; она позволяла выплавлять только кричное железо (иногда со стальной поверхностью). По мере укрупнения печей более мощное дутье способствовало полному расплавлению металла – сначала чисто случайно, а позднее уже в специально регулируемых условиях.
Способ отливки в песчаных формах был разработан, по-видимому, тоже в XIV или XV веке. Чугун отличается от кричного железа по своему составу и, следовательно, по своим свойствам (в частности он более хрупкий, чем железо) не всегда может заменить крицу. Тем не менее освоение выплавки более дешевого металла, чрезвычайно в некоторых случаях полезного, стало крупным вкладом в технический прогресс в последующие столетия. С приходом чугуна человек получил в свое распоряжение все основные материалы, которые обеспечили его нужды до середины XIX века.
Тяжелое машиностроение развивалось главным образом применительно к нуждам горного дела и металлургии. Развитие торговли и промышленности порождало все больший спрос на металлы, благодаря чему эти две отрасли развивались быстрее остальных. Чтобы удовлетворить растущий спрос, особенно спрос на руду, которую приходилось добывать гораздо глубже под землей, были нужны тяжелые машины с механическим приводом.
Подробное описание машины, применявшейся в горном деле в XVI веке и ранее, оставил немецкий врач, минералог и металлург Георг Бауэр, известный под латинским именем Агрикола. Согласно его сведениям, в горнозаводских машинах применялось железо для изготовления рам, зубчатых колес, подшипников. Ему уже было известно, как от одного водяного колеса можно привести в действие шесть насосов, несколько толчей. Идея привода нескольких механизмов от одного источника энергии тогда еще не имела значительного распространения и была одной из технических новинок.
Самой трудной задачей в горнорудном деле была откачка воды, которая всегда создавала угрозу затопления выработок, причем чем глубже залегал горизонт, тем больше становилась подобная опасность. Самые передовые тяжелые машины того времени предназначались для откачки воды из рудников.
Вот одна из схем. Круглые мешки из конского волоса, насаженные с интервалами на кольцевую цепь, плотно входят в вертикальную трубу, нижний конец которой опущен в водосборник. Когда цепь тянут кверху, мешки тянут за собой воду по трубе. В насосе с мешками на цепи значительная часть напора на трубу воспринимается как нагрузка цепью, а не каждым отдельным мешком. При этом насос приводится в движение людьми или лошадьми через колесо-топчак.
Агрикола описывает установку в Хемнитце, состоявшую из трех насосов, последовательно соединенных с подобными мешками на цепи, самый нижний из которых находился под землей на глубине около 200 метров. Вся установка приводилась в движение 24 лошадьми в четыре смены, то есть была довольно мощной.
Схема водоотливной машины-нории
Современником Агриколы был выдающийся итальянский врач, математик и механик Джероламо Кардано, имя которого сохранилось в названии известного механизма. Кардано – один из основоположников кинематики механизмов. К вопросу о передаче и преобразовании движения он подходил как теоретик, стремясь глубоко разобрать теорию и практику зубчатых зацеплений. Тем не менее при описании изготовления часов он с грустью заметил, что «часовые механизмы нашего века проводят больше времени у часовщиков, чем у владельцев».
Развитие торговли и промышленности сопровождалось быстрым ростом городов, что требовало решения новых задач по их водоснабжению, в частности путем сооружения крупных насосных установок. В этой области, равно как и в горно-инженерном деле, ведущая роль принадлежала Германии. Некоторые города Германии уже к 1500 году располагали крупными водонасосными станциями. В 1550 году сообщалось, что в Аугсбурге существует очень сложная система городского водоснабжения. Установка приводилась в движение водяными колесами, подававшими воду через совокупность архимедовых винтов на водонапорную башню, откуда вода распределялась по трубопроводам.
Начиная с 1526 года и в Толедо неоднократно предпринимались попытки создать небывалую по масштабам систему городского водоснабжения. В городское водохранилище Глочестера воду начала перекачивать с 1542 года ветряная мельница. Водоснабжение Лондона осуществлялось на первых порах приливной мельницей, сооруженной у Лондонского моста в 1582 году немецким инженером Питером Морисом, а затем были реализованы и другие проекты городского водоснабжения города. Первые сооружения по водоснабжению Парижа относятся к 1608 году.
А историки говорят, что проблемы водоснабжения городов решались без всяких проблем в античных городах задолго до н. э.!
Спрос на силовые установки медленно, но верно обгонял их возможности. Люди начали поиск новых двигателей. Скрытые возможности пара смутно предугадывались отдельными лицами на протяжении уже нескольких столетий, но до середины XVI века так и не было предпринято ни одной серьезной попытки «запрячь» пар. Людям не хватало конкретных знаний о его природе и свойствах: его путали, например, с воздухом.
Лишь начиная с 1550 года приступили к настойчивому изучению свойств пара в поисках способов использования его энергии. Эти исследования особенно широко развернулись в XVII веке. Первоначальные попытки не принесли практических результатов, но на основе накапливавшегося опыта и была в конечном итоге построена действующая паровая машина. Баттиста делла Порта показал в 1606 году, как можно поднять воду под действием давления пара и как «засосать» ее путем конденсации пара в закрытом сосуде в целях создания разрежения. Соломон де Кос в 1615 году описал фонтан, приводимый в движение паром по принципу выталкивания воды из горлышка кипящего чайника с плотно закрытой крышкой.
Инженеры того времени умели сооружать весьма сложные установки, прообразы машин автоматического действия. Одну из таких установок построил в середине XVI века в Соловецком монастыре игумен Филипп (Федор Степанович Колычев), который впоследствии был митрополитом Московским и по приказу Ивана Грозного был задушен Малютой Скуратовым. Сохранилось описание его установки. В нее входили водяные мельницы, для приведения которых в действие копали специальные каналы. Они мололи зерно, просеивали помол и были еще и крупорушками. Мало того, установка имела устройство для приготовления кваса. Раньше этим занималась вся братия, которой помогали слуги из швальни, благодаря же механизации с работой справлялись один инок и пятеро служителей.
В монастыре были организованы соляной промысел, железоделательное и кирпичное производство. Изобретатель поставил несколько солеварен, соорудил сложную водную систему.
Интересно, что в «Механике гидравлико-пневматической» немецкого иезуита Каспара Шотта, опубликованной спустя столетие, описана машинная установка для пивоваренного завода, в целом напоминающая соловецкую.
Суммарная мощность гидравлических машин Англии к концу XVIII века составляла примерно столько же, сколько и суммарная мощность людей и животных, занятых в промышленности.
Дальнейший прогресс коснулся и текстильных машин. На ручной прялке процессы прядения и наматывания пряжи на шпулю вели поочередно. Введение рогульки, вращавшейся вокруг веретена с другой скоростью, позволило совместить две эти операции. Первый эскиз рогульки, относящийся приблизительно к 1480 году, свидетельствует о таком совершенстве ее конструкции, которое дает основания полагать, что она была изобретена, видимо, на несколько лет раньше. Леонардо да Винчи принадлежит эскиз уже усовершенствованной рогульки, снабженной приспособлением для автоматической намотки, но она не получила практического воплощения, так что ее в XVIII веке пришлось изобретать заново. Применение рогульки позволяло пряхе сидеть за работой. А сидячий характер работы позволил снабдить прядильную машину педальным приводом.
Лентоткацкий станок – это особая разновидность ткацкого станка, приспособленная для одновременного ткания нескольких лент, на котором выполняемая ткачом операция над одной лентой воспроизводится на всех лентах. Это довольно сложная машина, ознаменовавшая большой шаг вперед в области текстильного машиностроения. По свидетельству одного венецианского писателя от 1629 года, станок был изобретен в Данциге в 1579 году, но муниципальный совет, опасаясь безработицы среди ткачей, скрыл это изобретение, а самого изобретателя тайно задушили. Вновь этот станок появился в 1621 году в Лейдене, проникнув к концу столетия в Голландию, Германию, Швейцарию, Англию и во Францию.
Вязальный станок изобрел в 1589 году Уильям Ли, приходский священник из деревни близ Ноттингема. Это весьма замечательное изобретение, если учесть большую сложность выполняемых им операций по сравнению, скажем, с ткацким станком. Даже в своем первоначальном виде операции этой машины были автоматизированы гораздо больше (хотя и не полностью), чем у любой другой машины такой же сложности.
Частные ремесленники и владельцы мелких мастерских видели, что внедрение машин ведет к расширению капиталистического способа производства за счет их промыслов, и поэтому пытались мешать использованию машин. Об одном таком случае репрессии в отношении данцигского изобретателя лентоткацкого станка в 1579 году мы уже упоминали. Подобным же образом кельнским портным запретили в 1397 году пользоваться станком для насадки головок на английские булавки. Английский парламент под давлением ремесленных цехов был вынужден запретить в 1552 году пользование ворсильной машиной с приводом. А в 1623 году Чарльз I издал указ об уничтожении машины, производившей иглы.
Подобная оппозиция не была способна приостановить технический прогресс, но она настолько задерживала ход развития, что для преодоления сопротивления потребовались коренные политические перемены.
|
|
|
