Константин Рыжов - 100 великих изобретений
Наиболее распространенные железные руды (магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк) представляют собой либо соединение железа с кислородом (оксид железа), либо гидрат окиси железа. Для того чтобы выделить металлическое железо из этих соединений, необходимо восстановить его — то есть отнять у него кислород. Разумеется, древние мастера не имели понятия о сложных химических процессах, которые происходили при восстановлении железа. Однако, наблюдая за «плавкой» руды, они в конце концов установили несколько важных закономерностей, которые и легли в основу простейших методов производства железа. Прежде всего, наши предки заметили, что для получения железа вовсе не обязательно доводить его до температуры плавления. Металлическое железо можно получать и при гораздо меньших температурах, но при этом должно быть больше топлива, чем при выплавке меди, и это топливо должно быть лучшего качества. Необходимо также, чтобы огонь был как можно более «горячим». Все это требовало особого устройства печи и условий плавки.
Как правило, приступая к «плавке» железа, мастера сначала выкапывали круглую яму, стенки которой изнутри обмазывались толстым слоем глины. С наружной стороны к этой яме подводилось отверстие для нагнетания воздуха. Затем над округлой нижней частью сооружали верхнюю в виде конуса. В качестве топлива использовался древесный уголь. Его засыпали в самый низ печи — в яму. Сверху на него укладывали слоями шихту — измельченную руду и уголь. На самый верх засыпали толстый слой угля. После того как топливо внизу поджигалось, начинался сильный разогрев руды. При этом шла химическая реакция окисления углерода (угля) и восстановления железа. В виде мельчайших лепестков тестообразное железо, которое было в три раза тяжелее шлака, опускалось вниз и оседало в нижней части печи. В результате на дне ямы собирался ком мягкого сварного железа — крица, весом от 1 до 8 кг. Она состояла из мягкого металла с пустотами, заполненными твердыми шлаками. Когда «плавка» заканчивалась, печь разламывали и извлекали из нее крицу. Дальнейшая обработка происходила в кузнице, где крицу снова разогревали в горне и обрабатывали ударами молота, чтобы удалить шлак. В металлургии железа ковка на многие века сделалась основным видом обработки металла, а кузнечное дело стало важнейшей отраслью производства. Только после ковки железо приобретало удовлетворительные качества. Чистое железо, впрочем, невозможно использовать из-за его мягкости. Хозяйственное значение имел только сплав железа с углеродом. Если полученный металл содержал от 0, 3 до 1, 7% углерода, получалась сталь, то есть железо, которое приобрело новое свойство — способность к закалке. Для этого изготовленный инструмент нагревали докрасна, а затем охлаждали в воде. После закалки он становился очень твердым и приобретал замечательные режущие качества.
При естественном притоке воздуха температура в печи поднималась не выше 1000 градусов. Уже в древности было замечено, что из той же руды можно получить больше железа и лучшего качества, если в печь искусственно нагнетать воздух с помощью мехов. Меха делались из шкур, снабжались дульцами и приводились в движение вручную. С помощью сопел и мехов в печь нагнетали сырой неподогретый воздух, откуда и пошло название всего процесса. Однако и при этом способе температура могла подниматься только до 1200 градусов, и из руды извлекалось не более половины содержавшегося в ней железа.
Являясь общедоступным и дешевым материалом, железо очень скоро проникло во все отрасли производства, быта и военного дела и произвело переворот во всех сферах жизни. Железный топор и соха с железным лемехом позволили освоить земледелие тем народам, которым до этого оно было совершенно недоступно. Только после распространения железа земледелие у большинства народов превратилось в важнейшую отрасль производства. Железо дало ремесленнику инструменты такой твердости и остроты, которым не могли противостоять ни камень, ни бронза. Они явились той основой, на которой стали бурно развиваться другие ремесла. Эти крупные сдвиги положили конец первобытному обществу. На смену ему пришло более развитое — классовое общество.
15. ПЛУГ
На протяжении нескольких тысячелетий земледелие оставалось мотыжным. В тех областях, где почвы были мягкими (например, в долине Нила или Месопотамии), мотыгой можно было хорошо возделывать поле. Поэтому земледелие здесь стало бурно развиваться еще в глубокой древности. Однако производительность труда земледельца была незначительной. К тому же столь благоприятные условия являлись редким исключением. Обычно крестьянам приходилось поднимать целинные луга, поросшие многолетними травами, с мощным переплетением корней. Для человека, вооруженного одной мотыгой, эти почвы были трудным, часто непреодолимым препятствием. Ощущалась нужда в таком орудии обработки земли, с помощью которого можно было бы не вскапывать, а подрезать пласты дерна снизу. Этим орудием и стал плуг.
Плуг развился из особого инструмента древних земледельцев, который современные ученые окрестили «бороздовой палкой». С помощью этой палки земледелец прокладывал в поле борозды, делящие его на гряды. Отличительной чертой этих палок была рабочая часть, направленная под острым углом к рукоятке. Использование их подало мысль древним земледельцам, что почву можно обрабатывать не копанием, как это делалось раньше, а волочением. Тогда, видимо, и появился прообраз плуга — раздвоенная палка с заостренным концом (здесь уже видны в зародыше дышла и лемех). Впрягшись в такое устройство, земледелец тащил его за собой, проделывая борозду. Конечно, использовать такое орудие можно было лишь на очень мягких почвах, уже взрыхленных многолетней обработкой, где не было ни камней, ни дерна. Для того чтобы пахать более твердые почвы, необходимо было усилить давление на лемех. Так была изобретена рукоятка. Дальнейшее усовершенствование этого пахотного орудия можно наблюдать в одном древнеассирийском памятнике. Это был уже в полном смысле плуг, имевший все три его основные части: дышло, лемех и рукоятку. В такой форме он требовал двух работников: один тащил плуг, а другой направлял его и держал в земле. Все первые плуги приводились в движение силой человека. Разумеется, крестьянина тяготила такая работа, и спустя некоторое время он стал запрягать в плуг быков. Поначалу люди просто привязывали плуг к рогам волов, позже появились ярмо и примитивная упряжь. Скорость обработки земли сразу возросла в несколько раз, а сама работа облегчилась.
Первые плуги изготовлялись из корневищ дуба, бука, клена и некоторых других деревьев и представляли собой цельные куски дерева. Затем лемех стали укреплять железом. Прошло много лет, прежде чем в плуге были сделаны дальнейшие усовершенствования. В сочинениях Плиния — римского писателя I века нашей эры — мы находим описание плуга, который, в отличие от предшествующих, снабжен колесом, ножом и отвальными досками. Колесо не давало плугу входить слишком глубоко в землю, нож служил для того, чтобы взрезывать дерн. Важным новшеством был отвал. Назначение отвала — переворачивать дерн, который срезали нож и лемех. Плуг без отвала при движении только разрыхлял землю. Отвал переворачивал дерн таким образом, что сорная трава оказывалась под землей. Изобретение отвала было огромным событием в истории плуга. В таком виде плуг просуществовал вплоть до конца средних веков, когда в него были внесены новые усовершенствования.
Распространение плуга с железным лемехом произвело кардинальный переворот в земледелии. Плужное земледелие преобразовало сельское хозяйство, явилось его высшим достижением и в немалой степени способствовало возникновению многих цивилизаций Старого Света. Преимущество плужного земледелия перед мотыжным настолько очевидно, что в представлении древних людей его изобретение было делом богов. Египтяне считали плуг даром Осириса, греки — Афины-Паллады, индийцы — Агни, а жители Китая — божественного Шенпунгу.
16. РЫЧАГ, БЛОК И НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ
Уже в глубокой древности для подъема тяжестей человек стал применять простые механизмы: рычаг, ворот и наклонную плоскость. Позже к ним прибавились еще блок и винт. Эти несложные приспособления позволяли многократно увеличить мускульные усилия человека и справиться с такими тяжестями, которые при других обстоятельствах были бы совершенно неподъемными. Принцип действия простых механизмов хорошо известен. Например, если нужно втащить груз на определенную высоту, всегда легче воспользоваться пологим подъемом, чем крутым. Причем, чем положе уклон, тем легче выполнить эту работу. Эта связь имеет четкое математическое выражение. Если наклонная плоскость имеет угол d, то втащить груз по ней будет в 1/sin d раз легче, чем поднять его вертикально. Если угол составляет 45 градусов, наше усилие будет в 1, 5 раза меньше, если 30 градусов — в 2 раза меньше, при угле в 5 градусов мы потратим в 11 раз меньше усилий, а при угле в 1 градус — в 57 раз! Правда, все, что выигрывается в силе, теряется в расстоянии, ибо во сколько раз уменьшается наше усилие, во столько же раз возрастает расстояние, на которое придется тащить груз. Однако в тех случаях, когда время и расстояние не играют большой роли, а важна сама цель — поднять груз с наименьшим усилием, наклонная плоскость оказывается незаменимым помощником. Другим простым механизмом — рычагом — наши далекие предки постоянно пользовались для того, чтобы приподнимать и сдвигать с места тяжелые камни и бревна. Рычаг позволяет достигнуть многократного выигрыша в силе самыми простыми и доступными средствами. Положив длинный и крепкий шест на обрубок полена (опору) и подсунув второй конец его под камень, человек превращал шест в простейший рычаг. В этой ситуации на камень начинали действовать два вращающих момента, один от веса камня, а другой — от руки человека. Для того чтобы камень сдвинулся с места, «подталкивающий» момент от мускульной силы человека должен быть больше «прижимающего» от веса камня. Момент, как известно, равен произведению приложенной силы на длину плеча рычага (в данном случае плечо — это расстояние от конца шеста (точки приложения силы) до полена (точки опоры)). Легко подсчитать, что если плечо, на которое давит человек в 15-20 раз длиннее того, которое подсунуто под камень, то сила человека соответственно тоже возрастает в 15-20 раз. То есть человек, не очень напрягаясь, может сдвинуть камень весом в тонну! Неподвижный блок — третий механизм, получивший распространение в древности — представляет собой колесо с желобом, ось которого жестко прикреплена к стене или потолочной балке. Перекинув через колесо веревку и прикрепив ее противоположный конец к грузу, можно поднять его на высоту крепления блока. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но зато предоставляет возможность изменить ее направление, что зачастую при подъеме тяжестей тоже имеет огромное значение.
