Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)
Несмотря на свое древнее происхождение, рычажные механизмы развивались чрезвычайно медленно. С известной степенью приближения к ним можно отнести ось с коленом — привод ворота. От этого колена, как уже отмечалось, ведет свое начало коленчатый вал, нашедший применение в двигателях внутреннего сгорания.
Нужно сказать, что все механизмы, и в первую очередь рычажные, выполняли какую-то определенную задачу: они воспроизводили те движения, которые умел выполнять человек. Но не просто воспроизводили (если бы это было так, то в них не было бы нужды), а придавали этим движениям новое качество — либо увеличивали, либо, наоборот, уменьшали скорость, а зато приумножали силу... К понятию работы ученые пришли путем многих и длительных размышлений в течение последних столетий, но сущность закона: то, что «выигрываем в силе, проигрываем в пути», была известна еще с античных времен, а возможно, и раньше.
В составе машин рычажные механизмы появляются относительно поздно. Во второй четверти XIII в. архитектор Виллар де Оннекур собрал в своей «записной книжке» эскизы различных строительных и механических конструкций, с которыми ему пришлось иметь дело. Здесь есть, в частности, чертеж лесопильной мельницы с водяным приводом, основным механизмом которой является шарнирный четырехзвенник. На протяжении следующих четырех столетий было изобретено всего несколько шарнирных механизмов.
Лишь в конце XVIII в. оживляется работа над созданием рычажных механизмов, и связано это было с изобретением паровой машины. В первой части книги уже говорилось о том, что Уатт для своей машины изобрел механизм параллелограмма, благодаря которому возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось в движение рабочих машин. Говорилось и о том, что еще до параллелограмма Уатта был изобретен кривошипно-ползунный механизм для преобразования движения поршня во вращательное движение кривошипа. Так, в состав машин вошли кривошипно-ползунный механизм, основной механизм первых универсальных энергетических машин, и параллелограмм Уатта, одно из самых гениальных изобретений в истории техники. Сам изобретатель писал о нем так: «... хоть я и не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем любым другим моим изобретением».
Названный механизм работает следующим образом: шток ползуна шарнирно сочленен с серединой тяги, концы которой также шарнирно связаны с двумя рычагами, из которых один шарнирно сочленен с рамой машины, а второй — с балансиром. В конечном счете концы тяги движутся по дугам окружностей, а ее средняя точка приближенно описывает прямую линию. Уникальность этого изобретения заключается в том, что впервые был синтезирован механизм для приближенного преобразования движения. Кроме того, и это весьма существенно, оно послужило отправным пунктом весьма многих теоретических и практических работ, в результате которых стержневые механизмы вышли на одно из первых мест среди органов машин.
В начале второй половины прошлого века великий русский математик Пафнутий Львович Чебышев в ряде статей заложил основы синтеза рычажных механизмов для точного и приближенного преобразования движения. Среди многих изобретенных им механизмов был и первый шагающий механизм. С этого времени начинается быстрое развитие рычажных механизмов: к концу века они насчитываются уже сотнями.
Все рычажные механизмы состоят из рычагов — звеньев, сочлененных между собой шарнирами, кинематическими парами. Правда, в механизмах этого типа шарнир встречается не только в «чистом» виде, но и в виде ползунка, поступательно движущегося по прямой линии звена (например, поршня). Но поскольку движение по прямой линии равнозначно движению по окружности бесконечно большого радиуса, то и этот случай можно рассматривать как движение шарнира (точнее, отрезка шарнира). И шарнир, и сферический шарнир встречаются как в строении органов человека и животных, так и в структуре механизмов. Можно найти некоторую аналогию и для движения ползунка: очень многие технологические операции, выполняемые вручную, включают поступательное движение по прямой, некоторые из них имеют чрезвычайно древнее происхождение, например строгание дерева. Но развитие рычажных механизмов пошло в сторону умножения числа звеньев и кинематических пар, ведь изучались в основном замкнутые кинематические цепи, а разомкнутые цепи привлекли внимание лишь во второй половине XX в.
Нужно отметить еще одно важное положение, которое относится не только к рычажным механизмам, но и ко всем другим: в первом приближении звенья считаются абсолютно жесткими и неизменяемыми, неизменными считаются и расстояния между центрами шарниров. На самом же деле все обстоит не так. Механизмы сооружаются из реальных материалов, поэтому звенья имеют большую или меньшую упругость, а в результате износа размеры их меняются. Как бы точно мы ни старались выполнить их размеры, абсолютная точность остается недостижимой. Благодаря трению, которое обязательно возникает во время относительного движения звеньев, меняются размеры самой кинематической пары и зазор в ней растет. Все это приводит к определенному искажению формы движения, и инженер, проектирующий механизм, должен учесть все эти обстоятельства.
Может случиться, что одно звено связано не с одним звеном, а с несколькими. В этом случае считается, что существует не одна кинематическая пара, а несколько, по числу подсоединенных к исходному звену звеньев.
Как мы увидим далее, рычажные механизмы имеют очень важное значение при анализе и синтезе любых механизмов, поэтому на этот вид механизмов обращают особенное внимание.
Фрикционные механизмы. Далее мы рассмотрим другой вид механизмов, а именно механизмы, основанные на принципе колеса. Сюда относятся фрикционные, зубчатые и кулачковые механизмы (кроме того, колесо входит в состав и иных групп механизмов).
Использование вращательного движения человеком начинается относительно поздно. Вероятно, древнейшие постройки вынудили человека при транспортировке тяжелых глыб камня использовать бревна, очищенные от веток, в качестве катков. Произошло это между IV и Х тысячелетиями до н. э., причем это изобретение, равно как и многие другие, принадлежало разным племенам и народам и относится поэтому к разным временам.
Колесо появляется не ранее этого времени. Сперва колеса для повозок представляли из себя деревянные диски, жестко насаженные на ось. Можно сказать, что они были прообразом фрикционного механизма, который служит для передачи движения за счет сил трения между его звеньями. Очевидно, ремесленник имел уже в своем распоряжении металлическую пилу, с помощью которой он и выделывал из ствола диски — колеса. Спустя тысячелетие было изобретено колесо со ступицей, насаживающееся на неподвижную ось. Несколько позже появились колеса со спицами. Это дало возможность создать боевую колесницу с колесами большого диаметра. Почти одновременно с появлением повозки на колесах с небольшим опозданием появляется гончарный круг, в начале I тысячелетия до н. э. появляются блоки и в середине тото же тысячелетия — полиспасты. Изобретение этих подъемных приспособлений знаменовало также расширение функций колеса и создание на его базе новой группы механизмов с гибкими звеньями (впрочем, об этом речь пойдет ниже).
Зубчатые механизмы. Со временем изобретения мукомольных мельниц—первых машин в истории человечества, связано появление зубчатого колеса как важнейшего элемента многих механизмов. Первые передачи этого типа были цепочными — зубья произвольной формы врезались в обод. Позже зубья стали вырезать вручную из тела заготовки — деревянного или металлического диска. На рубеже новой эры механики знали о зубчатых колесах довольно много. Так, уже были известными сложные зубчатые механизмы — редукторы, включающие несколько пар зубчатых колес и червячную пару. Естественно, что никакой разницы между обычным и «червячным» колесом пока еще не замечали.
Как уже говорилось, использование водоподъемного колеса не ограничивалось только первоначальной задачей. Оно не только служило двигателем для мукомольных мельниц, но и приобрело новое качество универсального промышленного двигателя. В связи с этим усложняются системы передач и создаются новые. Так, в частности, возник кулачковый механизм, основной деталью которого остается все то же колесо, но с единственным зубцом — кулачком. Так создается привод мельниц, механизмы которых работают ударным действием, как, например, различные толчеи, кузнечные молоты и т. п.
Кулачковый механизм сохраняет свои элементарные формы на протяжении пяти веков — с XIV по XVIII в. Объясняется это тем, что скорости движения машин, в состав которых входил этот механизм, были крайне малыми и кулак, сделанный в полном смысле этого слова «из-под топора», функционировал вполне удовлетворительно.
