Техническое изобретательство и разработка законов механики

Для научной и технической мысли античного общества, в особенности в его позднюю пору, характерны тщательная разработка законов механики и высокое развитие технического экспериментаторства. Это обстоятельство станет нам понятным, если мы учтем, что греческий мир, в лице возглавлявшего его класса рабовладельцев, презиравшего физический труд, высоко ценил отвлеченное мышление. Система рабства для рабовладельцев предоставляла широкий простор и досуг для изобретательской мысли, но вместе с тем лишала ее ориентации на практическое использование изобретенного в производстве.

Остроумие и гибкость античной технической мысли хорошо прослеживается на развитии античных часов. Уже в VI в. до н. э. потребность в измерении времени привела в Греции к использованию принципа солнечных часов, известного еще в Вавилоне. Как правило, солнечные часы делались из мрамора и были снабжены «гномоном», указателем тени, в виде вертикального стержня или же штифта. День расчленялся на 12 часов. Поэтому «час», в зависимости от длины дня, имел различную длительность. Соответственные 12 делений наносились на мраморную доску часов. В первую половину IV в. солнечные часы приобрели форму вогнутой раковины, врезанной в мрамор. Раковина расчленялась делениями, напоминающими паутину, что дало повод называть этот тип часов «пауком».

В позднеэллинистическое время появляется новый тип уже не стационарных, но дорожных, миниатюрных часов. Они делались из металлической круглой пластинки с выгравированными делениями и небольшим гномоном. Этот тип часов широко распространился в римское время.
На ряду с солнечными часами, греки уже в V в. до н. э. знали водяные часы, воспринятые из Египта, называвшиеся «клепсидрами». «Клепсидры» употреблялись в народных собраниях и в суде, регулируя время выступлений ораторов. Про них Аристотель замечает: «Воду, назначенную для речей, вливают в клепсидру с трубочкой, через которую она выливается» (Аристотель. Афинская Политика, 67, 2). Клепсидра представляла собой шарообразный сосуд с длинной трубочкой и отверстиями в дне, в виде сита, для принятия воды. Пускалась в действие клепсидра в перевернутом виде, трубочкой вниз. Философ Платон принцип клепсидры применил для будильника. Вода через трубку из одного сосуда переливалась в другой. Сжатием воздуха, по мере наполнения нижнего сосуда, вызывался свисток.

Значительно более сложный характер носили часы Ктесибия.1 Вода в его часах через трубку медленно наполняла резервуар с поплавком. На поднимающемся по мере наполнения поплавке была водружена фигурка, палочкой указывающая время по делениям, нанесенным на вертикально поставленном цилиндре. Горизонтальные деления показывали часы, вертикальные деления расчленяли цилиндр на 12 месяцев. Легкий наклон приближающихся к горизонтали делений учитывал изменения длительности «часов» в различные времена года.

В римское время Витрувий в своих часах развил принцип Ктесибия. Поднимающийся поплавок с вертикальным зубчатым стержнем приводил в движение зубчатое колесо, вращавшее стрелки циферблата. Еще более развитой характер носят городские астрономические часы из г. Зальцбурга. Вода, наполняя сосуд, поднимала поплавок и опускала прикрепленный к нему на шнуре груз, перекинутый через вал. Вращаемый шнуром с грузом вал приводил в движение диск, указывавший время и движение светил на циферблате. Часы, очевидно, стояли на городских воротах. Относятся они к II—III вв. н. э.

В античных часах хорошо прослеживается развитие измерителей времени от простого устройства к сложному механизму.

Результатом технического экспериментаторства явились сложные и богатые выдумкой изобретения Архимеда, Ктесибия„ Герона Александрийского и других механиков, физиков, математиков, изобретателей античного мира. Характерно, что все основные, наиболее яркие, представители научно-технической мысли античного мира связаны с эпохой эллинизма и ранне-римской империи, когда рабство достигло наибольшего развития, вступив в свой последний этап. Именно в это время античность приобщилась к техническому опыту древнего Востока. Однако, значение использования научного и технического опыта древнего Востока не следует преувеличивать. Еще в доэл-линистическое время целый ряд законоЕ механики был сформулирован Аристотелем и еще ранее Демокритом.1 В отличие от Платона,2 Аристотель не только понимал, но и энергично подчеркивал значение технической практики для определения законов механики. В «механических проблемах», приписываемых Аристотелю, упомянуты следующие технические приспособления: рычаг, колодезный журавль с противовесом, равноплечные весы, безмен, клещи, клин, топор, вал, колесо, каток, полиспаст (механизм для подъема тяжестей), гончарный станок, руль и т. д. Повидимому, Аристотелю было уже известно зубчатое колесо; о винтах и блоках он не упоминает.
Дальнейшее развитие механических принципов Демокрита и Аристотеля и подтверждение их путем эксперимента мы имеем у Архимеда. Архимед, по свидетельству Александрийского математика Паппа, «написал всего одну лишь книгу о механике, в которой он говорит о конструкции небесных глобусов...,, о других, подобных этому, вопросах он не считал нужным писать; тем не менее этот божественный человек так прославился силой своего ума и своими знаниями в области механики, что память о нем будет вечно жить среди всех смертных».

Открытые Архимедом законы были иллюстрированы им на конкретных механических приспособлениях. В отличие от Аристотеля, Архимед уже знает винт; более того, принцип винта, по приезде Архимеда в Египет, был им использован для перекачивания воды посредством водяного винта.
Архимед изучил механические свойства блока и применил его на практике. Для спуска в море исполинского корабля, построенного Гиероном, тираном Сиракузским, «придумывали много способов; но механик Архимед один сумел сдвинуть корабль с помощью немногих людей. Архимед устроил блок и посредством негоспустил на воду громадный корабль; он первый, придумал устройство блока» (Афиней. V, 203с—204).

Характерно, что свои блестящие изобретения Архимеду практически приходилось применять не столько для обогащения производительных сил своего времени, сколько для их разрушения посредством войны. Принципы рычага, широко разработанные Архимедом, были им применены преимущественно для военных целей. Так, Афиней рассказывает, что на корабле Гиерона Сиракузского «были железные вороны которые спускались при помощи машины (рычага. П. Ш.), схватывая неприятельские суда и подставляя их под удар» (Афиней. V, 206—209а).

Архимед для военных целей широко использовал силу упругости. На этом же корабле «стояла камнеметная машина, выбрасывавшая камни весом в 3 таланта и копья в 12 локтей; машину эту устроил Архимед; те или другие снаряды она бросала на расстоянии стадия» (Афиней, там же). Архимед, разрабатывая законы оптики, применил для собирания солнечных лучей систему разнообразных зеркал. Однако свидетельство древних авторов о том, что посредством зеркал Архимед сжигал неприятельские корабли, является, повидимому, вымыслом.

Разрушительная роль механических приспособлений и метательных военных машин Архимеда ярко характеризуется Плутархом: «когда римляне подступили к городу с двух сторон, в городе воцарился ужас и тишина, так как сиракузяне полагали, что ничего нельзя противопоставить такой силе и мощи римлян. Но вот Архимед привел свои машины в действие одновременно против римской пехоты и судов. В пехоту неслись пущенные Архимедом всевозможные стрелы и огромные камни с шумом и невероятной быстротой и решительно ничто не могло предохранить от их удара; они уничтожали тех, на кого падали, и расстраивали их ряды, против же кораблей внезапно поднимались со стен бревна... одни корабли они силою тяжести ударяли сверху и погружали в пучину, другие железными крюками или носами, наподобие журавлиных, ухватывали за носовую часть, поднимали вертикально и топили, начиная с кормы; или же корабль, перевязанный протянутыми в противоположных направлениях канатами, вращался из стороны в сторону, кружился и разбивался о скалы и утесы, находившиеся у городских стен; вместе с кораблем погибал и многочисленный экипаж. Часто корабль, поднятый с поверхности моря на воздух, кружился на весу туда и сюда и представлял ужасное зрелище, пока люди не были с него сброшены или перестреляны, тогда пустой корабль разбивался о стены, или хватающий крюк опускался и корабль шел ко дну» (Плутарх. Марцелл, 14—16).
Если изобретения Архимеда применялись в более или менее широкой мере лишь для человекоубойных целей, то изобретения второго гениального механика и физика античности Гер она Александрийского получали применение главным образом в качестве придворных игрушек. К этой категории изобретений •относится, в частности, знаменитый театр автоматов Герона. В отличие от Архимеда, Герон не боялся прослыть за «техника» и не гнушался писать о прикладной механике. Его теоретический и практический опыт получил закрепление в его многочисленных трудах.

В дошедшем до нас труде «Пневматика» Герон рассматривает силы сжатого и нагретого воздуха, воды, пара и ветра. Он широко иллюстрирует свои теоретические положения разнообразными физическими приборами, игрушками, механическими приспособлениями, где остроумно комбинируются принципы рычага, блока, ворота и зубчатого колеса. Сила пара им используется для вращения шаров с коленчатыми трубками, обращенными своими концами в противоположные стороны (рис. 4).

В паровом шаре Герона, называемом «эолипил», мы имеем зародышевый прототип паровой турбины так наз. реактивного типа. Эолипил состоит из нижнего котла, перекрытого крышкой, в котором подогревается вода. Пар из котла через коленчатую вертикальную открытую трубку, вставленную в крышку котла, поступает в паровой шар, выполненный из металла. Верхний горизонтальный конец трубки вставлен в шар и служит для него осью. Вторая ось, в виде закрытой коленчатой трубки с коническим окончанием, прикреплена с другой стороны шара. Из шара пар выходит через 2 радиальные трубки, концы которых отогнуты в противоположные стороны, благодаря чему и осуществляется вращательное движение шара благодаря реакции вытекающей струи пара.

На ряду с двигательной силой пара Герон знает ветряный двигатель. В одной из его игрушек, водяном органе, воздушный нагнетательный насос приводится в движение не человеческой силой, а ветряным колесом.
Театр автоматов, подробно описанный Героном, представляет собою ящик, который автоматически движется на колесах по деревянным рельсам при помощи свинцового груза. Груз заключен в полый, вертикально поставленный цилиндр, расчлененный внутри на две части. Верхняя его половина заполнена песком, который медленно высыпается через небольшое отверстие горизонтальной перегородки в нижнюю половину цилиндра. Груз, опускаясь по мере высыпания песка, приводит в движение, через систему шнуров и блоков, ящик на колесах и заключенные в нем марионетки.

На ряду с автоматами, движущимися взад и вперед по прямой линии, по кругу и по прямоугольнику, Герон разработал систему неподвижных автоматов. Насколько сложны были те действия, которые удалось воспроизвести Герону через перевод вертикального движения в горизонтальное и ротационное? можно видеть по описанному Героном театральному действию: «Представление Навплия1 происходит так. Когда первый раз открывается сцена, видно на картине 12 фигур, распределенных в три ряда. Они изображают данайцев2 после взятия Трои,3 которые чинят свои корабли и приготовляются стащить их в море. Эти фигуры движутся: одни пилят, другие рубят топорами, третьи бьют молотами и сверлят дыры; они производят соответствующий действительности шум. Затем двери закрываются, и когда они вновь открываются, мы видим, что ахейцы тянут свои корабли в море. Двери снова закрываются, и при новом их открытии на сцене сперва ничего не видно, кроме нарисованных моря и воздуха (неба). Но вскоре идут под парусами корабли один за другим Одни скрываются, и другие появляются. Возле них несколько раз ныряют дельфины, то погружаясь вводу, топоявляясьна вид, как в действительности. Понемногу море становится бурным, и кораблей не видно, но виден Навплий, стоящий с поднятым факелом, и возле него Афина. Затем над сценой загорается огонь, как будто бы светит факел своим пламенем. После нового закрытия и открытия дверей видно кораблекрушение и плавающий в воде Аякс;5 Афина появляется на машине вверху сцены, гремит гром, молния ударяет прямо в Аякса, и он исчезает; этим кончается представление» (Герон, Театр автоматов, XX).

В театре автоматов, на практике осуществившем идею автоматизма в самодвижущейся повозке, получила свое выпуклое отображение трагедия античной изобретательской мысли. Герон был вынужден ограничивать свои изобретения экспериментом ради эксперимента, или же, в лучшем случае, применять их в пределах игры и забавы для придворных кругов, без надежды оказать заметное влияние на практику античного производства.
В отличие от своих греческих предшественников, римский архитектор Витрувий придает своим трудам значительно большую практическую направленность. Его работа «Об архитектуре» носит характер не столько теоретического пособия, сколько практического руководства. Во времена Витрувия, в обстановке только что сформировавшейся Римской империи, строительное дело и архитектура, техника наступательной и оборонительной войны нуждались в использовании технического опыта Греции. Основные достижения этого опыта Витрувий подытожил, но сравнительно мало продвинул его вперед. Новым в работах Витрувия является описание водяной мельницы, уточнения, введенные в вопрос о водопроводах, о грузоподъемных машинах,
В заколдованном кругу производственной бесперспективности замыкалась, таким образом, не только теоретическая разработка законов механики, осуществлявшаяся Демокритом, Аристотелем и Архимедом, но даже прикладная механика Ктесибия и Герона Александрийского.
и в особенности вопрос о военных метательных машинах. О мельнице и водяном колесе Витрувия мы уже говорили в § 7. О подъемных механизмах и военных «машинах» подробно будет сказано в гл. VI и VII.
Из изложенного мы видим, что основными простыми механическими средствами, вошедшими в структуру античных орудий, являются наклонная плоскость, клин, рычаг и, в меньшей мере, ворот. Блок получает применение главным образом в эллинистическое и римское время и то, по преимуществу, в пределах строительной техники и морского транспорта. Винт и зубчатое колесо, появившиеся в ту же эпоху, получили еще более ограниченное применение (водяной винт, водяная мельница и т. д.). Комбинирование этих механических элементов в практике производства ограничивалось системой ручных орудий.

Богатая идеями техническая мысль античных механиков и изобретателей, додумавшихся до зубчатого колеса, ветряного и водяного двигателя и принципов турбины, представляет собой одну из ценнейших сторон наследия античной техники. Другой ее, не менее ценной, стороной является высокое качество античной продукции.