Эволюция машин

По мнению большинства археологов и палеонтологов, человекоподобные (гоминиды) впервые появились в Восточной Африке более десяти миллионов лет назад. Около четырех миллионов лет назад на арену жизни вышли гоминиды — австралопитеки. Еще через полтора миллиона лет эти существа пришли к использованию обломков камней, костей животных и рыб в качестве простейших орудий труда. Гоминиды этой эпохи были довольно развитыми прямоходящими существами, и по биологическим признакам резких отличий между ними и современными людьми не обнаружено.

Каменные орудия, которые изготовлял древний человек, прошли чрезвычайно длительную эволюцию. Эпоха первоначального овладения камнем и навыками его примитивной обработки носит название палеолита. Основные занятия — охота и собирание плодов — определили типы орудия: нож, топор, скребок, игла, наконечники копья и стрелы — все это модификации клина. Палка как орудие и как рычаг также относится к древнейшим приобретениям человека. Поддержание и использование огня, рожденного стихийными силами природы, начались около четырехсот тысяч лет назад (освоение огня и изобретение средств для его добывания произошли значительно позже).

Около ста тысячелетий назад возникает изобразительное искусство, очевидно, как один из способов запоминания и ориентирования на местности. Техника изготовления орудий совершенствуется, убыстряется освоение новых умений. Изобретается лук, т. е. орудие для метания стрел, для изготовления которого человек оценивает относительную гибкость и упругость дерева. Для охоты на зверей изобретаются и ловушки, иногда уже довольно сложной конструкции, которые срабатывают, когда зверь наступает на одно из звеньев.

Но если описывать лишь материальную часть ранней техники, то получается, что многие насекомые, животные и птицы превзошли человека с его силками, ловушками, копьями и загонами. Ульи пчел, плотины бобров, сложнейшие муравейники представляют собой изобретения куда более сложные, чем дубина (интересно, отмечает американский ученый Л.Мамфорд., что это легендарное оружие древнего человека никто никогда не находил, и оно ни разу не было изображено в наскальной живописи).

Позже осуществляется переход к производству продуктов питания — выращиванию злаков и иных растений, одомашниванию животных. В истории человечества это была вторая важнейшая хозяйственная революция после освоения огня. Человек получил более обильный и надежный источник пищи и начал переходить к оседлому образу жизни. Следствием был рост народонаселения. Этот период, длившийся около пяти тысяч лет и закончившийся к VI—VII вв. до н. э., был назван неолитом.

Период неолита характеризуется все более сложной обработкой камня, осваивается шлифовка. Орудия труда умножаются качественно и количественно. Для хранения пищи изготавливаются глиняные горшки. Кости и раковины служат для изготовления рыболовных крючков, гарпунов. Из шкур вырабатываются кожи, из растительных волокон — нити. Появляются и первые ручные мельницы — два отшлифованных камня, с помощью которых растираются зерна. Осваивается вращательное движение: изобретается колесо, гончарный круг, круговая ручная мельница. Все это — путь к изобретению простейших машин.

Основные занятия племен — земледелие или скотоводство, охота и рыболовство — доступны любому из его членов. Все умеют растирать зерно, готовить пищу, шить одежду. Но рядом со всеми уже появляется кузнец, гончар, ткач. Начинается обмен изделиями, т. е. изделия становятся товаром. Первобытное общество теряет свое имущественное равенство. Пленных, захваченных в борьбе за новые территории, не убивают, а заставляют выполнять тяжелую работу, в первую очередь для старейшин племени. Возникновение частной собственности связано, таким образом, с общественным разделением труда: первобытное общество порождает рабовладельческое. Затем появляются государства-города, государства-империи. В больших государствах возможно сложное разделение труда, выше профессиональное мастерство ремесленников, запас орудий и технических средств растет быстрее. Наконец, появляются и машины.

Машина заменяет живую силу. Около 30 тыс. лет назад смена культур убыстряется, как и скорость изобретений. Между 30 тыс. и 15 тыс. до н.э. человек изобретает первую настоящую машину - лук со стрелами.Это первое оружие, являющееся результатом абстрактного мышления - аналогов ему нет ни в животном мире, ни в теле человека. Тогда же появляется и первый музыкальный инструмент - дудка.

Пожалуй, одной из первых машин 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.

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.

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.

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 и 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. Ни одно из этих приспособлений нельзя в полном смысле назвать машиной, и произошел этот термин, вероятно, от неправильного перевода того слова, которым Герон Александрийский обозначил эти простейшие подъемные приспособления. На протяжении многих столетий вплоть до конца XIX в. и само понятие «машина» было неопределенным.

Развитие техники в арабоязычных странах определялось многими условиями: необходимостью создания системы орошения, ростом городов и связанных с ним строительством зданий, увеличением горной выработки, развитием торгового и военного судоходства, в частности ростом пиратского флота (ибо пиратство было тогда одним из важных занятий прибрежного населения Средиземноморья). Возникает много разных типов водоподъемных машин, приводимых в движение силой воды или силой животных.

Ветряные мельницы впервые появились в Афганистане в IX в.: лопасти ветряного колеса располагались в вертикальной плоскости и были прикреплены к валу, который и приводил в движение верхний жернов. Почти одновременно с ветряными мельницами были изобретены и регулирующие устройства. Необходимость в таких устройствах диктовалась тем, что крылья мельницы были связаны с жерновом практически напрямую, и, следовательно, скорость его вращения сильно зависела от «капризов» ветра. В Афганистане все мельницы и водочерпальные колеса приводились в движение господствующим северным ветром, и поэтому ориентированы только по нему. На мельницах были устроены люки, которые открывались и закрывались, чтобы сила ветра была то больше, то меньше, поскольку при сильном ветре «мука горит и выходит черной, порой даже жернов раскаляется и разваливается на куски».

Преобразование поступательного движения во вращательное с помощью педального механизма, освоенное в конструкции гончарного круга, вошло затем в конструкцию прядильного механизма, что улучшило качество пряжи и ускорило ее производство. Была усовершенствована конструкция ткацкого стана, который в античные времена представлял собой примитивную деревянную раму с простейшими механическими приспособлениями. Техники арабского Востока внесли в него ряд усовершенствований. По- видимому, около II в. до н. э. в Китае был изобретен станок с подвижными шнурами для поднятия и опускания нитей после каждого пролета челнока. Этот станок был затем освоен ткачами Средней Азии и Ближнего Востока.

Так было в средние века. Машины уже прожили полторы тысячи лет, но мало в чем изменились. Кроме силы животных и воды, начали осваивать еще и силу ветра. Возникали новые машины, но они по принципу своего действия не отличались от старых: они, как и раньше, создавались ради экономии человеческого труда и вовлечения в работу мощных сил природы, превосходящих силу человека и животных. Как в годы Витрувия, так и тысячу лет после него машины делаются в основном из дерева, металлические детали крайне редки. Число механизмов, используемых при построении машин, остается одним и тем же, несмотря на то что еще Герону были известны многие остроумные машины.

Западная Европа могла черпать технические знания из трех источников. Первым было римское наследство, зачастую переработанное на местах. Второй источник — исламские сочинения XI—XIII вв. Третий— труды древних греков, которые сохранялись в Византии, а затем попали в Западную Европу несколькими путями: в XIII в. в результате грабежа крестоносцами византийских ценностей, в том числе и культурных, или в XV в. после падения Константинополя, когда многие византийские ученые, бежавшие на Запад, принесли с собой свое наиболее ценное достояние — греческие рукописи.

Страны Западной Европы получили в наследство от Римской империи отличные дороги и акведуки, водяные мельницы, военную технику и самые элементарные строительные приспособления. Ветряные мельницы, очевидно, распространялись через Испанию.

О конструкциях первых европейских ветряных мельниц ничего не известно, но, по-видимому, ветряное колесо сразу же начали располагать в вертикальной плоскости. Скорее всего, по своей конструкции ветряки отличались от водяных мельниц лишь положением движителя и главного вала. К концу XII в. они получили распространение во Франции и Англии, в основном в тех районах, где рек было недостаточно. В XI в. в Англии насчитывалось более пяти тысяч водяных мельниц. В то же время ветряные мельницы появились в Голландии, в XIII в.— в Германии, в XIV в.— в Польше и на Украине.

Основное назначение мельниц — помол зерна. Однако уже в XII в. кому-то пришла в голову мысль заменить рабочие органы мельницы — жернова — другими органами, предназначенными для выполнения другой работы. Зодчий Виллар де Оннекур из Пикардии, о котором известно, что он занимался строительством соборов, оставил после себя записную тетрадь, заполненную эскизами. Один из эскизов изображал мельницу, которая вместо жерновов имела… пилу, приводимую в движение с помощью шарнирного четырехзвенника.

Именно в это время жил великий английский естествоиспытатель и философ Роджер Бэкон, считавший, что истинное знание должно основываться на изучении природы и что основой каждой науки должна быть математика. Его мысли о будущем похожи на предвидения: он писал о том, что возможны такие орудия, при помощи которых «большие корабли, управляемые только одним человеком, будут двигаться по морю с большей быстротой, чем на всех парусах, что можно будет построить экипажи, которые помчатся с невероятной скоростью без помощи животных», что будут созданы такие машины, при помощи которых «человек, сидя спокойно и наблюдая различные окружающие предметы, рассекал бы воздух искусственными крыльями, наподобие птицы», что с помощью небольшого орудия можно будет поднимать величайшие тяжести, что можно построить и такие машины, которые дадут людям возможность ходить по дну морей и рек, не подвергаясь опасности.

Еще один интересный мыслитель XIII в. жил в Каталонии. Это был Раймунд Луллий. Желая ввести в метафизические спекуляции точные методы расчета, он полагал, что все знания являются лишь частными случаями всеобщей науки, названной им великим искусством. Существует мнение, что именно он первым высказал идею создания вычислительной машины.

В X—XI вв. были изобретены механические часы. Их изобретение приписывается разным лицам. В частности, изобретателем часов называют математика Герберта Орийякского, который ввел в Европе «арабские» цифры и слыл «чернокнижником». Избранный римским папой и принявший имя Сильвестра II, он вскоре умер. Предполагают, что он был отравлен. В качестве изобретателей механических часов называют и других лиц. Во всяком случае схемы первых башенных часов были различными. С течением времени часы стали сложнее. Можно считать, что изобретение и изготовление часов определенным образом способствовали становлению механики. Очевидно, например, что зубчатые колеса столь широко распространились в технике во многом благодаря изобретению часов.

Итак, мы не знаем точно, когда и как были изобретены часы. Согласно некоторым документам около 1286 г. они были в Англии, около 1300 г. — во Франции, около 1335 г. — в Италии. До нашего времени дожил часовой механизм собора в Солсбери, построенный в 1386 г. Он состоит из двух серий колес, приводимых в движение гирями: одной — для указания времени, другой — для боя.

Самое существенное в конструировании машин заключалось в том, что оно сопровождалось постоянным обменом идеями. Изобретения, рожденные на Востоке, вскоре обнаруживаются в западных странах, и наоборот. Конечно, каждый лучше знал своего ближайшего соседа, а то, что делали в отдаленных странах, знали лишь понаслышке, если вообще знали. Поэтому китайское или индийское изобретение доходило до Европы через одно-два столетия, не короче по времени был и обратный путь. Так, в III—V вв. в Китае был «изобретен» прибор для измерения расстояний — копия изобретения Герона Александрийского. В Китай он попал, по-видимому, через Индию. Водяная мельница появилась в Китае во II или III вв., а технологические мельницы — в XIII столетии, одновременно с западноевропейскими.

«Обмен идеями» проявился в развитии военных машин. Средневековые метательные машины строились по тем же принципам, что и античные, но менялись их типы, габариты, метаемые объекты, скорострельность. В частности, фрондибола была той же метательной машиной, только снабженной противовесом: к короткому плечу рычага, вращавшегося около оси, закрепленной в раме, подсоединялся противовес, а к длинному плечу подвешивалась праща. Аркбаллиста была комбинацией мощного лука с лебедкой для натягивания тетивы (представляла собой большой станковый арбалет на колёсном лафете; приспособлена для стрельбы как стрелами, так и каменными или свинцовыми пулями). Более тяжелой машиной для метания стрел была бриколь — в ней использовалась упругость дерева (метательная машина средних веков, применявшаяся для прицельного бросания тяжелых стрел, укладываемых в желобе на вертикальной стойке. Ударный механизм состоит из упругого бруса иди доски, прикрепленной нижним концом вертикально к стойке; верхний конец доски с помощью канатов, блоков и ворота может быть оттянут назад, вследствие чего изгибается. После спуска конец бруса или доски резко ударяет по хвосту стрелы, которая с силой устремляется вперед. Бриколь бросала стрелы на 1300 шагов, а на дистанция 300 шагов ее металлические стрелы пробивали бревно толщиной 15 см).

В Китае к VII—X вв. также были выработаны основные типы военных машин, наибольшего расцвета они достигли в X—XII вв. В VII в. китайские метательные машины попали в Корею и Японию, а также в Среднюю Азию. Но, по-видимому, среднеазиатские страны уже имели метательные машины греческого происхождения. Позже проявляется обратное влияние: некоторые типы камнеметов, построенные в Китае, назывались мусульманскими.

В самом начале XIII в. с китайской военной техникой ознакомились монголы. В середине XIII в. монгольский богдыхан Хубилай начал войну за захват всего Китая. Его войска осаждали китайские крепости, при этом монголы впервые применили так называемые мусульманские метательные машины. В западных походах монголы пользовались и китайскими, и мусульманскими военными машинами. Известно, что с их помощью в XIII в. хан Батый овладел Киевом.

Конструкция китайских камнеметов была иной, чем западных метательных машин. Основным упругим элементом в них был деревянный шест, лафеты были стационарными и передвижными, на колесах. Аркбаллисты имели иногда поворотное устройство, с помощью которого можно было вести круговой обстрел. Для натягивания тетивы применялся ворот.

Переход к огнестрельному оружию поставил перед механиками новые задачи: улучшение техники изготовления стволов, обеспечение их прочности и точности стрельбы. Само открытие пороха — нового источника энергии дискретного действия явилось, по-видимому, результатом деятельности техников разных стран. Так, в последней четверти VII в. византийцы впервые применили «греческий огонь». Почти одновременно в китайском алхимическом сочинении был описан горючий состав из серы, селитры и древесного угля. К началу X в. порох в Китае начали применять в военных целях — ранее пороховые смеси имели не метательное, а зажигательное назначение. Порох совершенствовался, и к началу XV в. было изобретено огнестрельное оружие.

Параллельно шло совершенствование пороховых смесей в Западной Европе. Изобретателями пороха считали естествоиспытателя Роджера Бэкона, монаха Бертольда Шварца, а также некоторых алхимиков. Так же, как и на Востоке, здесь в начале XIV в. появляется огнестрельное оружие. Уже в середине XIV в. англичане под предводительством короля Эдуарда III обстреляли город Кале. Одновременно огнестрельное оружие попадает и на Русь, сперва с Запада, а затем и с Востока. Соответственно образуются и военные термины «гарматы» и «тюфяки».

Тюфя́к (из др.-вост.-тюрк. tüfäk, тур. tüfenk, tüfäk — «трубка, ружьё, арбалет») — один из ранних типов огнестрельного оружия. Термин имеет восточное происхождение и на западе не известен, однако подобное оружие применялось не только на Востоке, но и в Европе. Первое упоминание о тюфяках, наряду с пушками, относится к обороне Москвы от войск Тохтамыша в 1382 году и является наиболее ранним свидетельством о применении огнестрельного оружия на Руси. С этого времени и до XVII века они применялись в качестве городской артиллерии. Они имели ствол конической формы для веерного разлёта дроба. Стволы тюфяков, изготовленных около 1610 года в Соловецком монастыре, в длину достигают 92—107 см, а их диаметр у дульного среза — 22—30 см.

Спустя столетие строились пушки весом до 300 кг из железных полос, сваренных в полый цилиндр и скрепленных обручами. Однако результативность нового оружия была небольшой. Первые пушки если и убивали кого- либо, то в первую очередь пушкарей. Все это привело к необходимости создания новой технологии: от сварки полос перешли к отливке и к сверлению заготовок. Таким образом, можно считать, что рядом с поршневым насосом именно пушка стоит у колыбели паровой машины.

Так в жизнь человека вошли машины непрерывного и дискретного действия. Казалось бы, между ними нет точек соприкосновения, однако это не так. Обработка орудийных и ружейных стволов стимулировала развитие металлообработки и подъемной техники. Повысилась роль металла: части машин начинают делать не только из дерева, но и из металла.

Какие же события определили начало эпохи, получившей название Ренессанса, или Возрождения. В конце XIV в. в Италии появляется новая форма производственного объединения, основанного на ремесленном труде, — мануфактура. На протяжении следующего века мануфактуры распространяются в других странах Европы. В середине XV в. бежавшие от завоевателей – турок из Византийской империи ученые принесли с собой в Италию рукописи творений греческих писателей и ученых. В конце XV в. Христофор Колумб после длительного путешествия через Атлантический океан увидел землю, позже ее назвали Америкой. Начинается постепенный отход от всеобщего языка науки — латинского к новым языкам. Появляются сочинения по технике, среди них видное место занимают разного рода собрания или «Театры машин», составленные техниками - практиками. «Театры машин» представляют собой описание известных автору машин, иногда собственных его изобретений. Так в XVI в. Жак Бессон в своем «Театре инструментов» впервые описал станок для нарезки винтов с суппортом.

Одним из самых выдающихся изобретателей эпохи Возрождения был Леонардо да Винчи — художник, архитектор, инженер, механик-практик и экспериментатор, хотя многие из его экспериментов были выполнены лишь на бумаге. Правда, его рукописи долгие годы лежали под спудом, и лишь в конце прошлого 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 в. по технике, то сразу станет видно, что многие авторы были знакомы с проектами и идеями Леонардо.

Изобретательский гений Леонардо был подкреплен обширными техническими знаниями. Он как бы сразу, во всех ее составляющих видел будущую машину. Он знал практически все разновидности зубчатых зацеплений, кулачковые, гидравлические и винтовые механизмы, передачи с гибкими звеньями… Он изобрел несколько типов экскаваторов и продумал организацию земляных работ одновременно на нескольких горизонтах. Он изобрел несколько гидравлических машин, в том числе тангенциальную турбину, прядильный и волочильный станки, станок для насечки напильников, приспособления для нарезки винтов, прокатный стан, станок для свивки канатов. Некоторые из его изобретений настолько опередили свое время, что остались недоступными для техники той эпохи. Сюда можно отнести центробежный насос, гидравлический пресс, огнестрельное нарезное оружие.