Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона

Египте создали водяные часы с равномерным понижением уровня воды!

Леонардо да Винчи – художник, архитектор, инженер, механик – практик и экспериментатор… Это правда, что многие из его экспериментов были выполнены лишь на бумаге. Правда, что его рукописи долгие годы лежали под спудом, и лишь в конце XIX века началась их публикация, но все же они не остались в стороне от главного пути технического прогресса. У Леонардо было много учеников, знакомых с его идеями и сотрудничавших с ним. А если обратиться к публикациям XVI века по технике, то сразу станет видно, что многие авторы были знакомы с проектами и идеями Леонардо.

Гидравлические машины с рисунка Леонардо да Винчи

Изобретательский гений Леонардо был подкреплен обширными техническими знаниями. Он знал практически все разновидности зубчатых зацеплений, кулачковые, гидравлические и винтовые механизмы, передачи с гибкими звеньями. Неизвестно, можно ли было их сделать тогда. Относительно некоторых сразу можно сказать, что они были недоступны для техники той эпохи. Сюда можно отнести центробежный насос, гидравлический пресс, огнестрельное нарезное оружие.

Система шлюзов времен эпохи Возрождения

Есть еще одно выдающееся изобретение Леонардо да Винчи, и в жизнь оно было претворено его трудами. Прежде шлюзовые ворота на каналах делались опускными. Приблизительно в 1495 году он набросал эскиз двух створных щитов, снабженных небольшими отверстиями (с задвижками) для воды, чтобы наполнять или опорожнять шлюз. Этот эскиз вполне можно было бы взять за образец чертежа современного шлюза. А в 1497 году подобные ворота были сооружены на Миланском канале.

Во многих других случаях зарисованные и описанные им машины или приспособления были воплощены на практике лишь спустя пятьдесят лет после его смерти. Например, он предложил пистолет с колесным затвором, по образцу которого в Германии приблизительно с 1500 года стали делать мушкеты. Его роликовые подшипники (о которых он писал как о «чуде механики») были впервые изготовлены в XVI, а получили широкое распространение лишь в XIX веке.

Им были сконструированы спиральные и конические зубчатые передачи. Он изучал шарнирную цепь и многие другие устройства подобного рода. Леонардо лучше своих предшественников понимал разницу между машиной, выполняющей работу, и двигателем, который приводит ее в движение. На эскизах многих его машин указан просто вал, к которому можно подсоединить любой двигатель…

Приведем слова английского ученого Роджера Бэкона, предвосхитившего многие будущие изобретения:

«Прежде всего, я расскажу о чудесных творениях человека и природы, чтобы назвать дальше причины и пути их создания, в которых нет ничего чудодейственного. Отсюда можно будет убедиться в том, что вся сверхъестественная сила стоит ниже этих достижений и недостойна их… Ведь можно же создать первые крупные речные и океанские суда с двигателями и без гребцов, управляемые одним рулевым и передвигающиеся с большей скоростью, чем если бы они были набиты гребцами. Можно создать и колесницу, передвигающуюся с непостижимой быстротой, не впрягая в нее животных… Можно создать и летательные аппараты, внутри которых усядется человек, заставляющий поворотом того или иного прибора искусственные крылья бить по воздуху, как это делают птицы… Можно построить небольшую машину, поднимающую и опускающую чрезвычайно тяжелые грузы, машину огромной пользы… Наряду с этим можно создать и такие машины, с помощью которых человек станет опускаться на дно рек и морей без ущерба для своего здоровья… Можно построить еще и еще множество других вещей, например, навести мосты через реки без устоев или каких-либо иных опор…»

После Леонардо да Винчи развитие техники, и в том числе гидравлики, получило такой размах, что ее достижения намного превзошли то, что наблюдалось в эпоху Возрождения. Это было связано с господствовавшим в XVII и начале XVIII века мануфактурным производством.

Еще одним стимулом для развития физики и механики было проектирование и изготовление водооткачивающих устройств, тепловых двигателей – предшественников паровых машин. Отправным техническим механизмом здесь был насос, изучение принципа действия которого во многом стимулировало разработку проблем пневматики и гидростатики. Естественно, что работы Череди, Делла Порта и других в этой области оказались в сфере пристального внимания ученых XVII века.

Стевину, инспектору плотин Голландии, принадлежит заслуга формулировки важнейших законов гидростатики, теории гидростатического давления и положений, связанных с определением остойчивости судов. В 1632 году Галилей изложил теорию, доказывающую равновесие жидкости в сообщающихся сосудах и равновесие плавающего на воде тела. Кроме того, он изучал течение рек, сооружение и работу плотин и искусственных каналов. Это были начальные предпосылки для построения не только научной гидравлики, но и гидродинамики. Аналогичная проблематика нашла отражение в труде ученика Галилея, Кастелли, – «О движении воды в реках и каналах» (1628). В частности, в нем говорилось о влиянии поперечного сечения русла на скорость движения воды. Для первых шагов в развитии гидродинамики существенным явились высказывания Галилея о значении гидродинамического сопротивления.

Торричелли в 1644 году вывел формулу для скорости истечения водяной струи из отверстия сосуда, что было крайне важно для создания водяных часов. Для этого он воспользовался результатом Галилея по определению ускорения свободно падающего тела применительно к жидкости. Что касается Паскаля, то он в том же 1644 году показал принцип передачи давления в сообщающихся сосудах, продвинув вперед известную ранее теорию.

А нам говорят: Архимед, Герон…

Преобразование движения

В Средние века встала задача так соединить между собой механические элементы, чтобы суметь движение одного вида преобразовать в другое. Особенно важными были способы преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, и возвратно-поступательного во вращательное. При преобразовании первого вида основным механизмом стал кулачок, который был известен раньше, – например он описан в тексте, приписываемом Герону, но использовался в античном мире лишь для «механических забав», а в Средние века стал приносить пользу в машинах.

Основным механизмом для превращения поступательного движения во вращательное служит кривошип, о котором нет сведений в древности. Даже кажущаяся нам столь простой мысль о том, чтобы вращать ручную мельницу, взявшись за укрепленную у края верхнего камня вертикальную рукоятку, видимо, не приходила никому на ум. Большие мельничные жернова вращали рабы или животные, ходившие по кругу. Менее же крупные жернова приводились в движение с помощью выступавших сбоку радиальных рукояток. Вертикальная рукоятка, позволяющая осуществлять непрерывное вращение благодаря кривошипному устройству, появилась очень поздно.

Пожалуй, это было одним из изобретений, принадлежавших варварам. Но даже и тогда людям было трудно уяснить себе принцип действия и распространить его на другие сферы, поскольку о дальнейшем использовании кривошипа ничего не было известно приблизительно до 850 года, когда им стали вращать точильные камни. Затем кривошипом начали оснащать шарманку, возможно в Х веке, но не позднее XII. В XIV или в начале XV века кривошипом закручивали пружины самострелов. К этому времени его стали использовать и для других целей, например в катушках для наматывания мотков пряжи и в таком крайне важном, хотя и простом инструменте, как столярный коловорот.

Во всех перечисленных случаях кривошип вращали вручную. Но приблизительно в 1430 году мы впервые встречаемся с кривошипно-шатунным механизмом, приводившим в движение мукомольную мельницу.

Меж тем педальный механизм претерпевал свою самостоятельную эволюцию – в ткацких станках, в приводах токарных станков и в кузнечном молоте с педальным управлением, который появился в XIV веке. Приблизительно к 1430 году человек соединил педаль, шатун и кривошип воедино в виде привода, знакомого нам по современным ножным швейным машинам. Мукомольные мельницы и на этот раз оказались первой областью его применения. Вот когда появился, наконец, один из практически важных для современных машин механизм! Но внедрение такого привода проходило медленно, вероятно из-за трудностей с изготовлением хороших подшипников. В 1480 году его применяли для вращения точильных камней, а с XVI века стали использовать в прядильных и токарных станках.

Лучковый токарный станок

Росло и число механизмов, известных техникам. Привод ворота породил рукоятку, изогнутую дважды под прямым углом, отсюда