Сергей Житомирский - Ученый из Сиракуз. Архимед
И.Н. Веселовский, напротив, доверяет Полибию и отмечает, что создание машин для опрокидывания кораблей могло служить для Архимеда толчком к изучению устойчивости плавающих тел и разработке основ гидростатики.
Идея применения «подъемных кранов» для целей обороны не принадлежит Архимеду. Витрувий приводит, например, следующую историю, произошедшую почти за сто лет до знаменитой осады Сиракуз: «Был в Родосе такой архитектор Диогнет. Ему из казны ежегодно выплачивалось определенное содержание… В ту пору прибыл в Родос еще один архитектор Каллий из Арада, выступил с докладом и представил макет стены: на верху ее установил на вращающейся площадке механизм, при помощи которого он подхватывал «гелеполу» (осадную башню) в момент подхода ее к городским стенам и переправлял ее внутрь города через стену. Когда родосцы увидели этот макет, то пришли в восхищение, отняли у Диогнета установленное ежегодное содержание и эту честь перенесли на Каллия».
Дальше события развивались следующим образом. В 304 г. до н. э. в ходе войн между преемниками Александра Македонского Деметрий Полиоркет осадил Родос. Бывший в его войске афинский архитектор Епимах соорудил осадную машину, «стоившую чудовищных средств, с затратой напряженнейшей изобретательской энергии и труда». Машина имела высоту порядка 40 м, ширину 20 м и весила около 100 т. Когда родосцы попросили Каллия осуществить свой проект и спасти их от врага, перетащив эту машину в город, он честно ответил, что сделать этого не может. Родос спас опальный архитектор Диогнет, к которому горожане явились на поклон. В ночь перед штурмом он велел незаметно вылить перед стеной огромное количество воды и грязи, и утром машина врага намертво завязла в грязи, так и не дойдя до укреплений.
Этот пример наглядно показывает дистанцию от идеи до возможности ее реального воплощения. Заслуга Архимеда как конструктора состоит в том, что он не довольствовался макетами, а доводил свои грандиозные замыслы до полного завершения.
В отрывках сочинения Полибия мы находим следующие характеристики машин Архимеда.
1. Машины были передвижными. Полибий пишет, что они скрывались за стенами и, только когда было нужно, выдвигались за пределы укреплений. Кроме того, их, вероятно, надо было передвигать вдоль стены к тому месту, где в этот момент совершалось нападение.
2. Машина имела стрелу, поворачивавшуюся вокруг вертикальной оси: «Осажденные… поворачивали их вправо или влево… Машинист управлял машиной, словно рулем корабля…»
3. Стрела поворачивалась также вокруг горизонтальной оси: «Этой лапой машинист… захватывал нос корабля и затем опускал вниз другой конец машины, находившейся внутри городских стен».
4. Очень вероятно, что на конце главной стрелы помещалась вспомогательная, как у современных портовых кранов (на это указывает термин «клюв», примененный к описанию конца машины).
Описание машин Архимеда, данное Титом Ливием, в целом совпадает с описанием Полибия: «На те же корабли, которые подходили ближе… Архимед при помощи выступающего за стену рычага набрасывал железную лапу; когда она захватывала нос корабля, то при помощи опускающегося до земли тяжелого противовеса нос корабля поднимался…»
Плутарх в своем описании осады больше стремился к эффектности, чем к точности, но нарисованный им внешний облик машин тоже соответствует их описанию в книге Полибия, хотя слово «клюв» он понял буквально: «Другие (машины) железными лапами или клювами наподобие журавлиных схватывали корабли за носы, поднимали их в воздух, ставили корабль на корму и затем топили. Часто корабль поднимало высоко над поверхностью моря, и, вися в воздухе, он, к ужасу окружающих, качался в разные стороны…»
На рис. 2 показаны возможные схемы машины: 1 — машина с одним рычагом; 2 — машина с дополнительным рычагом (клювом»). В варианте 3 предусмотрен противовес, который можно перемещать по балке, чтобы уравновесить меняющуюся нагрузку. В схеме по варианту 4 задний конец стрелы притягивается к заделанному в землю анкеру. В этом случае основание машины не испытывает опрокидывающих нагрузок, и такое решение представляется наиболее вероятным.
Рис. 2. Возможные схемы оборонительной машины Архимеда
Во всех вариантах «лапа» прикреплена на короткой цепи к концу стрелы. Может показаться, что слова Полибия: «…опускалась железная лапа, привязанная цепью» — нужно понимать в том смысле, что с неподвижной машины висящая на цепи «лапа» опускалась при «стравливании» цепи. Однако вероятность такого решения мала. Чтобы захватить нос корабля, стреле нужно подвести «лапу» точно к нужному месту. Сделать это при большой длине цепи намного труднее, чем при малой. Кроме того, механизмы вытягивания цепи сложны и их применение без крайней необходимости сомнительно. Зато построить механизм сбрасывания «лапы» с использованием цепи очень просто: последнее звено цепи должно висеть на стержне, который можно из-под него выдернуть.
Зная о свойствах центра тяжести, Архимед мог совместить оси поворота «клюва» с его центром тяжести и то же самое сделать с главной стрелой, уравновесив ее с «клювом». В таком случае механизм будет находиться в состоянии безразличного равновесия, какие бы положения ни занимала стрела. Это свойство очень важно для легкости управления машиной. Без такого уравновешивания управление стрелой, вес которой должен был составлять несколько тонн, оказалось бы невозможным. А ведь Полибий пишет, что машиной управлял один машинист! Так что в этой машине должны были найти применение теория центра тяжести и глубокое знание законов рычага.
Если «камнесбрасыватель» и «железная лапа» были одной машиной, но с разным сменным «вооружением», вес каменного снаряда и вес «лапы» должны были быть близкими (чтобы машина в момент наведения оставалась уравновешенной). По-видимому, такое требование выполнить нетрудно.
Попытаемся теперь представить себе технические характеристики машины. Они, конечно, во многом должны зависеть от размеров и веса кораблей, с которыми велась борьба.
Основными типами античных судов были галеры (беспалубные суда с одним ярусом весел), триремы (суда, имевшие три ряда весел) и пентеры (с пятью ярусами весел). Галеры несли команду около 80 человек и имели водоизмещение до 100 т. Команда трирем состояла примерно из 200 человек, а их водоизмещение превышало 200 т; это был наиболее распространенный тип военного корабля той эпохи. Наконец, пентеры весили больше 500 т и имели экипаж из 350…400 человек.
Как мы видим, суда уже в ту эпоху обладали внушительным весом. Поэтому правдивость приведенного Полибием описания действия «железных лап» действительно может вызвать сомнения. Чтобы поднимать корабли на воздух, эта машина должна была обладать грузоподъемностью в сотни тонн. Однако в действительности Полибий не пишет, что корабли вытягивались из воды (кстати, для целей обороны это и не нужно). Согласно описанию Полибия машины Архимеда лишь переворачивали корабли. А для этого требуется сила, гораздо меньшая веса корабля. Достаточно было приподнять нос корабля настолько, чтобы погрузить в воду корму или часть весельных люков. (Нижние весла у многоярусных судов располагались так низко, что во время волнения их люки приходилось задраивать кожаными щитами.) Вода хлынет внутрь, корабль начнет погружаться и переворачиваться сам. Проделанные расчеты показывают, что для этого достаточна сила, составляющая приблизительно 10 % веса корабля. Грузоподъемность архимедовых машин могла составлять 10…15 т, и создание таких машин — задача, вполне разрешимая для античной техники. Такую силу вполне могут создать объединенные действия нескольких сотен человек. Известный норвежский путешественник Тур Хейердал для разгадки методов транспортировки гигантских статуй на острове Пасхи, провел следующий опыт. Лежащую на земле статую весом 12 т обмотали канатом, и 180 человек, взявшихся за канат, сравнительно легко протащили ее по земле.
