Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)
Основной недостаток фрикционных механизмов — неспособность передавать значительные мощности. Это затруднение было преодолено в так называемой передаче Мехварта. В этом случае два катка, ведущий и ведомый, устанавливаются внутри упругого стального закаленного кольца, а между ними с некоторым напряжением вставляется вспомогательный ролик. Под влиянием трения вращения ведущего катка охватывающее кольцо слегка поднимается вверх и заклинивает все три катка, которые оказываются теперь расположенными не по диаметру, а по хорде кольца: с помощью этого механизма оказывается возможным передавать даже значительные мощности.
Винтовые механизмы. Предполагается, что первый механизм изобрел великий древнегреческий математик и механик Архимед. В простейшей форме этот механизм состоит из двух звеньев — винта и гайки. Одним из первых его применений стал известный римлянам винтовой пресс, служивший для получения оливкового масла, а иногда и вина. Изготовление двух основных деталей винтового механизма сперва было очень сложным делом, и только изобретение токарного станка дало возможность изготовлять винты и гайки правильной формы. Вероятно, поэтому на протяжении многих столетий этот механизм не пользовался популярностью, пока не было найдено новое применение винта в устройствах для подъема тяжестей и в домкратах. Пристроительстве зданий и судов такие грузоподъемные устройства использовались в тех случаях, когда не помогали обычные краны.
По-видимому, Архимед же заменил в зубчатой передаче одно из колес винтом и тем самым создал так называемую червячную передачу. По-иному использовался винт в водоподъемных машинах, где длительное время не претерпевал никаких изменений. Только в XVI в. французский механик Жак Бессон построил горизонтальное водяное колесо для привода мельницы, снабдив его винтообразно изогнутыми лопастями. Прошло еще почти триста лет, и винт был применен для приведения в движение парохода. Затем начиная со второй трети прошлого века винт используется для профилирования лопаток турбин. Так старое изобретение нашло себе новое применение.
Гидравлические и пневматические механизмы. Через винт мы подходим к еще одной группе механизмов — к гидравлическим и пневматическим передачам. Представим себе центробежный насос, который в процессе своего вращения нагнетает жидкость по трубе в гидравлический двигатель, откуда по другой трубе жидкость возвращается в насос. Тем самым поддерживается непрерывный процесс, в котором жидкость служит звеном, передающим движение с тем же числом оборотов, что и у ведущего звена — ротора центробежного насоса. Если же на трубе, ведущей от насоса к двигателю, поставить тройниковый кран, с помощью которого лишь часть жидкости пойдет в двигатель, а другая ее часть от крана через соединительный патрубок направится в трубу отработанной жидкости, то краном можно плавно регулировать скорость двигателя, и мы получаем простейший гидравлический редуктор.
Гидравлические механизмы имеют целый ряд преимуществ перед механическим и сейчас широко применяются в технике. Значительное распространение получили и пневматические механизмы, действующие сжатым воздухом. В некоторых случаях, например в угольных шахтах, т. е. там, где применение электроэнергии может быть опасным, роль пневматики оказывается чрезвычайно важной.
Гидравлические и пневматические механизмы известны с античных времен. Более того, силу воды и ветра человек испытывал едва ли не с самых ранних времен своего существования. Вода и ветер были одними из тех сил природы, к которым людям пришлось длительные столетия и тысячелетия приспосабливаться, пока они не овладели ими хотя бы в малой степени.
Выше мы говорили о Ктесибии, с именем которого связывают изобретение гидравлических и пневматических механизмов. Можно предполагать, что некоторые сведения о подобных механизмах имелись и ранее, в частности, у египетских жрецов. Но они в основном обслуживали храмовые театрализованные представления, тогда как Ктесибии применил их к «делу». Во всяком случае ему принадлежит изобретение кинематической пары: цилиндр — поршень, которую он использовал при построении пожарного насоса и которая с тех пор получила поистине мировое распространение, составляя основной механизм паровой машины, двигателя внутреннего сгорания и многих других.
Много гидравлических и пневматических механизмов описаны в древнегреческих сочинениях. Благодаря великим ученым Средней Азии и Ближнего Востока их описание (зачастую в арабском переводе) попало в Европу и стимулировало интерес к той группе механизмов. Ведь, в сущности, и водяное колесо, и колесо ветряной мельницы можно считать гидравлическими и пневматическими механизмами, если смотреть на них лишь с кинетической точки зрения.
Гидравликой и пневматикой интересовались и механики эпохи Возрождения. Интересно еще одно обстоятельство: когда врачи начали изучать тело животных и человека (что было сопряжено с большим риском), они обнаружили некое подобие между системой кровеносных сосудов и известными им очень несовершенными гидравлическими системами. В анатомических эскизах Леонардо да Винчи рядом с чертежами сердца и кровообращения художник изобразил схемы гидравлических механизмов. И совершенно несомненно, что теория Рене Декарта, увидевшего в животных лишь высокоорганизованные машины, в основной своей части базировалась на сходстве кровообращения и гидравлического механизма. Интересно, что основоположник гидродинамики петербургский академик Даниил Бернулли одну из своих первых работ посвятил исследованию течения крови в живом организме.
Другие виды механизмов. Мы уже говорили о том, что еще два столетия назад механизмы не отличались особым разнообразием, правда, некоторые из них уже были известны техникам того времени в разных вариантах. Несколько механизмов изобрел куратор Лондонского королевского общества замечательный английский ученый Роберт Гук. Особую известность приобрел изобретенный им шарнир, который позволил управлять телескопом, т. е. направлять его на произвольную точку неба.
В связи со становлением и развитием машиностроения изобретение механизмов для передачи и преобразования движений убыстряется. В особенности этот процесс ускорился в последней четверти прошлого века. Появляются новые виды устройств, включающие механизмы комбинированные (с рычажными и зубчатыми элементами), механизмы движения с остановками, механизмы с упругими звеньями, механизмы переменной структуры и др. В новых механизмах применяются электромагнитные и электронные элементы.
Таким образом, оказалось возможным, получив «движение», передать его в нужном направлении, а если это необходимо, то и преобразовать его так, чтобы выполнить необходимую работу. Тем не менее следует вспомнить, что машина состоит не только из тех механизмов, которые управляют движением: движение нужно еще получить и использовать. Еще Леонард Эйлер установил на основании изучения машин своего времени, что они обязательно должны включать двигатель или приемник, который производит или воспринимает движение и посредством Механизмов передает его дальше, к рабочему органу, который и производит необходимую полезную работу.
На протяжении почти двух с половиной тысячелетий вплоть до начала прошлого века основным двигателем было водяное колесо, и лишь в XI в. таковым стала также ветряная мельница. Правда, одновременно с ними роль двигателя доставалась также человеку и животным, но в этом случае следовало бы включить в состав машины не двигатель, а приемник. Другими словами, на протяжении многих лет основой двигателя служил гидравлический или соответственно пневматический механизм.
Как упоминалось выше, рабочий орган, для которого, собственно, и строилась та или иная мельница, находился в соответствии с технологическим процессом. Сперва это были жернова, т. е. мельница выполняла свою первоначальную функцию, затем толчея, пила, молот и т. д. Но все это составляло единое целое, и поэтому мельница первоначально составляла одну машину. Но с течением времени к одному двигателю начали присоединять несколько механических устройств, приводившихся в движение одним валом. Можно ли и в этом случае считать мельницу единой машиной? Представляется, что да. Действительно, если мы рассмотрим какой-либо современный автомат, снабженный несколькими рабочими органами, исполняющими различные операции, то от этого он не становится совокупностью машин. Поэтому мельницы в том виде, в котором они строились механиками прошлых столетий, следует также считать едиными машинами.
Водяные колеса не оставались неизменными. Было замечено, что те колеса, лопатки которых поворачиваются под влиянием потока текущей воды, дают меньшее количество работы, чем те, на которые вода падает сверху (так называемые верхнебойные колеса). В середине XVIII в. английский инженер Джон Смитон изменил во втором случае форму лопаток, придав им форму сосудов, и получил еще большую эффективность. Дальнейшее совершенствование двигателя привело к изобретению турбин, первой из которых была турбина Фурнейрона. Но это произошло уже после выделения двигателя в отдельную машину.
