Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)
Машина заменяет живую силу. Пожалуй, первой машиной в современном понимании следует назвать водяную мельницу, т. е. не что иное, как преобразователь энергии водяного потока в энергию вращения. Это простейшее устройство состоит из основного колеса, двух цевочных колес и рабочего органа — двух жерновов, неподвижного и подвижного. Первые мельницы появились на горных речках и быстро распространились повсюду, где можно было создать перепад воды. Это изобретение было революционным событием: на машину был переложен тяжелый труд. Можно только представить себе, сколько людей должны были работать вручную, чтобы накормить население даже небольшого города.
Изобретение мельниц было встречено с восторгом: о мельницах слагались песни, поэты посвящали им оды—так машина входила в жизнь человека. Не лишен интереса и тот факт, что одновременно с изобретением мельниц появились и зачатки научных знаний.
Другими областями человеческой деятельности, в результате которой возникли машины, были строительство и водоснабжение. Появляются устройства для подъема и перемещения тяжестей, принцип работы которых сохранился и в современных грузоподъемных механизмах.
Совершенствование лука и пращи привело к изобретению военных машин. Были созданы два основных типа таких машин — катапульты, которые метали стрелы, и баллисты, метавшие камни. Движителем была упругая сила канатов, свитых из воловьих жил или из волос. Военные машины — первые приспособления, размеры которых рассчитывались. Расчетным модулем служила величина отверстия, через которое пропускался канат. Были малые машины, метавшие камни по два фунта весом, но строились и машины внушительных размеров, которые метали камни по двести—триста фунтов. При закручивании каната перед броском камня обе его ветви настраивались по слуху на один тон. В противоположность непрерывно действующим мельницам военные, а также грузоподъемные и водоподъемные механизмы действовали как бы дискретно.
Трудно установить время изобретения тех или иных машин, возможно, что они изобретались неоднократно, в результате эволюционного развития простейших механических приспособлений. Их можно было бы назвать приспособлениями динамическими, так как они создавались для экономии человеческой силы. Но почти одновременно с такими машинами появляются и иные приспособления, которые можно было бы назвать кинематическими, потому что они служили для преобразования не силы, а движения. Их можно назвать автоматами, происхождение которых весьма древнее и, несомненно, генетически связанное с теми звериными ловушками, о которых уже шла речь.
Сочинение об автоматах написал ученый эпохи позднего эллинизма Герон Александрийский, но можно предполагать, что описанные им автоматы были изобретены намного раньше. Движение фигур и их элементов осуществлялось в автоматах по прямой линии, по кругу, по произвольной кривой. Каждое движение производилось при помощи нитей, навернутых на барабаны или блоки различного диаметра и натягиваемых грузиками. В некоторых местах нити имели ненатянутые участки (петли) для того, чтобы одно движение запаздывало относительно другого. Со временем система привода у автоматов усложняется: у них уже есть что-то общее с современными автоматами (главный вал) и манипуляторами (поэлементный привод). Но первые и последние разделяет около двух с половиной тысяч лет! С помощью таких автоматов проводились театрализованные и религиозные действия; наряду с малыми автоматами были и большие, управлявшие движениями статуй. Замечено как-то, что по принципу действия современный торговый автомат очень напоминает древнеегипетский автомат, выдававший воду в обмен на монетку.
Изобретение пневматики связывается с именем александрийского механика Ктесибия. В рабовладельческой Греции III в. до н. э. отношение к механике было пренебрежительным, занятие ею считалось недостойным свободного человека. Не то в Александрии: этот космополитический город, столица эллинистического Египта, был тогда центром прикладной науки. Здесь Ктесибий занимался пневматическими и гидравлическими приборами. Он изобрел двухцилиндровый пожарный насос, который ни в чем существенно не отличается от современного, водяные часы, водяной орган, а также аэротрон — военную машину, в которой руль упругого тела играл сжатый воздух. Как пожарный насос, так и аэротрон представлял собой цилиндр с движущимися внутри них поршнями. Это первое в истории техники упоминание о кинематической паре цилиндр—поршень.
Вспомним, что великий математик и механик Архимед, один из самых замечательных ученых в истории человечества, родился в Сиракузах на острове Сицилия, но учиться поехал в ту же Александрию. Он добился очень многого. В математике он дошел до изобретения интегрального исчисления, намного опередив свое время. Он изобрел винт, усовершенствовал зубчатое колесо, нашел закон, носящий его имя, изобрел много новых машин. Во время осады родного города римлянами он создал новые военные машины, которые надолго задержали превосходящие силы римлян под стенами Сиракуз. Но все же город пал, и некий римский солдат убил Архимеда. Сохранилось предание, что последними словами великого ученого были: «Не трогай моих чертежей!»
К сожалению, до нас дошло мало сведений об инженерах древности: некоторые из них оставили написанные ими книги, у других известны лишь имена. Так, выше мы упоминали Герона Александрийского. До сих пор не совсем ясно, когда он жил: может быть, в первом веке нашей эры, а быть может, двумя веками раньше. Некоторые даже считают его учеником Ктесибия. Но зато сохранилось несколько его сочинений, по которым мы можем судить об уровне античной механики.
В своем сочинении «Театр автоматов» Герон описывает храмовые и театральные автоматы. По его словам, «представления автоматических театров пользовались в старину большой любовью, во-первых, потому, что в устройстве их проявлялось много механического искусства, а затем и потому, что самое представление бывало поразительным, ибо как раз при устройстве автоматов для различных их деталей приходится пользоваться всеми познаниями механики». Писал Герон и о военных машинах, но это его сочинение до нас не дошло.
Сейчас мы знаем, что в Древней Греции военные машины были очень распространены, и некоторые города имели целые арсеналы таких машин. Впрочем, подобная военная техника возникла и в других странах. Исходные метательные приспособления, лук и праща, независимо появились в разных уголках земного шара, и совершенствование их шло параллельными путями, которые, возможно, где-то и пересекались. Так, около пятисот лет до нашей эры в Китае древнейший камнемет представлял собой упругий шест, вкопанный в землю, к которому крепилась праща, несущая «снаряд» — камень.
В Римской империи были изобретены некоторые сельскохозяйственные и строительные машины. В конце I в. до н. э. римский архитектор и инженер Марк Витрувий Поллион написал «Десять книг об архитектуре». Его сочинение прожило долгую и славную жизнь: им пользовались как руководством по крайней мере полторы тысячи лет. Десятая книга сочинения посвящена машинам, и здесь же дано, вероятно, первое определение машины: «Машина есть сочетание соединенных вместе деревянных частей, обладающее огромными силами для передвижения тяжестей». Согласно Витрувию машины и орудия различаются тем, что машины для выполнения работы требуют большего числа рабочих или применения большей силы (таковы, например, баллисты и давильные прессы), орудия же выполняют задание умелой рукой одного человека.
Механики последующих двух столетий почти ничего не добавили к учениям древних в отношении машин. Правда, были введены некоторые усовершенствования. Так, в водяных мельницах у одного колеса появилось несколько приводов. Кое-какие улучшения внесли и в устройство военных машин, но все это было делом практиков, а не ученых.
В Византийской империи уровень познаний в области практической механики был относительно высоким. Известно, что в Константинополе был арсенал с большим количеством военных машин. Одновременно в границах Арабского халифата создавалась новая наука, причем ее создателями были все народы, населявшие халифат,— хорезмийцы, сирийцы, тюрки, египтяне, арабы, испанцы. Объединяющим для всех них был арабский язык, язык науки и религии.
Главным источником знаний арабоязычных народов в области практической механики были сочинения греческих ученых, переведенные на арабский язык. Но эти знания были не только усвоены, но и развиты. Так, в средневековом арабском сочинении IX в. «Ключи науки» сообщаются сведения о простых машинах, о водяных и ветряных мельницах, о военных машинах я об автоматах.
Мы упомянули здесь о «простых машинах». Этот термин в течение очень длительного времени применялся для обозначения простейших подъемных приспособлений — рычага, блока, наклонной плоскости, клина и винта. Как мы увидим дальше, ни одно из этих приспособлений нельзя в полном смысле назвать машиной, и произошел этот термин, вероятно, от неправильного перевода того слова, которым Герои Александрийский обозначил эти простейшие подъемные приспособления. Ниже мы еще раз коснемся этого вопроса. Впрочем, на протяжении многих столетий вплоть до конца XIX в. и само понятие «машина» было неопределенным.
