Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона - Сергей Валянский

Древний токарный станок (насколько можно судить по дошедшим до нас сведениям) был устроен ненадежно. Он состоял из нескольких соединенных между собой и вбитых в землю брусков. Обрабатываемое изделие вращалось попеременно в обоих направлениях подмастерьем, тянувшим за концы веревки, обмотанной вокруг заготовки. Столяр держал режущий инструмент просто руками, не пользуясь опорой или направляющим приспособлением.

В Средние века додумались до жесткого закрепления станины и бабки. Не позднее 1250 года ремень, поворачивающий заготовку, прикрепили внизу к педальному механизму, а наверху — к пружинящему передвижному шесту. Таким образом, у токаря появилась возможность вращать станок ногой через педаль, освободив руки для операций режущим инструментом. С середины XIV века для привода токарных станков начали использовать водяные двигатели. Ременным приводом через колесо с кривошипом стали пользоваться, видимо, уже с 1411 года, во всяком случае, с этого столетия. Первые попытки создать передвижной суппорт были предприняты приблизительно в 1480 году.

В XVI веке Жак Бессон в «Театре инструментов» впервые описал станок для нарезки винтов с суппортом. Только теперь была решена проблема унификации заменяемых частей механизмов; до этого любое изделие носило индивидуальный характер. Изобретение суппорта повторил в начале XVIII века русский механик Андрей Нартов, а в конце XVIII века — английский промышленник Генри Модели.

Итак, в металлообработке мы находим начало той технологии, которая через одно-два столетия привела к промышленной революции. Но путь был долгим! Например, волочильная доска для волочения железной проволоки (прежде ее ковали) была изобретена в Х веке, а с водяным двигателем ее соединили в 1351 году.

На пути к промышленной революции

Во второй половине XV века в Европе резко повысился интерес к науке. Причина понятна: массовый переезд сюда ученых из поверженной турками Византии. Возможно, та же причина привела к повороту от всеобщего языка науки, латинского, к национальным языкам. В самом деле: если вместо латыни языком науки стал греческий, то почему не французский, немецкий или любой другой?..

А греческий был более чем в ходу. Сообщается, что члены венецианской академии Альдо Мапуция беседовали между собой только по-гречески. Писатели подражали «древнегреческим» текстам. Появляется ряд «Всемирных историй» на греческом языке.

Полициано пишет во второй половине XV века:

«Во Флоренции дети лучших фамилий говорят на аттическом диалекте так чисто, так легко, так непринужденно, что можно подумать, будто Афины не были разрушены и взяты варварами, а по собственному желанию переселились во Флоренцию».

Еще одним фактором, ускорившим научные исследования и подготовку лиц, сведущих в инженерном деле, стало книгопечатание. Появляются сочинения по технике, среди них видное место занимают разного рода собрания или «Театры машин», составленные техниками-практиками. Кроме артиллерийских руководств, в эпоху Возрождения выходят книги по таким областям знания, как военное дело (Вальтурио), металлургия (Бирингуччо) и т. п.

Европейские ученые, заинтересованные в развитии науки и техники, начали создавать общества. Первым стала Академия тайн природы (Academia Secretorum Naturae) в Неаполе (1560). В круг интересов подобных обществ входили, конечно, многие вопросы и помимо техники, но они уделяли большое внимание накоплению и систематизации знаний о машинах, способствовали их внедрению и поощряли изобретательство.

С улучшением способов передвижения и ростом торговых связей постепенно исчезало стремление производить все предметы первой необходимости в своей местности. Всякий район мог специализироваться на производстве таких товаров, которые более всего подходили ему, и обменивать свою продукцию в других районах или за границей на необходимые вещи, не производившиеся в своем округе. Это способствовало развитию концентрированной и сравнительно крупной промышленности, допускавшей в свою очередь внедрение механизации во все большем масштабе.

Чугун появился в XIII веке, но поскольку технические затруднения преодолевались очень медленно, в общий обиход он вошел лишь в XV веке. Как и во многих других случаях, считается, что Китай опередил Европу с выплавкой чугуна, что его там получали еще с IV века до н. э., достигая результата переплавкой кричного железа в тиглях в смеси с углем. И как всегда, этот «приоритет» на пользу Китаю не пошел.

В Европе в XIV веке многие процессы обработки железа переводили на приводы от водяного колеса. Соединение кузнечных мехов с подобным источником двигательной силы для дутья позволило выплавлять к концу Средних веков чугун. Раньше вагранка не обеспечивала высокого нагрева, достаточного для расплавления металла; она позволяла выплавлять только кричное железо (иногда со стальной поверхностью). По мере укрупнения печей более мощное дутье способствовало полному расплавлению металла, — сначала чисто случайно, а позднее уже в специально регулируемых условиях.

Способ отливки в песчаных формах был разработан, по-видимому, тоже в XIV или XV веке. Чугун отличается от кричного железа по своему составу и, следовательно, по своим свойствам (в частности, он более хрупкий, чем железо), и не всегда может заменить крицу. Тем не менее, освоение выплавки более дешевого металла, чрезвычайно в некоторых случаях полезного, стало крупным вкладом в технический прогресс в последующие столетия. С приходом чугуна человек получил в свое распоряжение все основные материалы, которые обеспечили его нужды до середины XIX века.

Тяжелое машиностроение развивалось главным образом применительно к нуждам горного дела и металлургии. Развитие торговли и промышленности порождало все больший спрос на металлы, благодаря чему эти две отрасли развивались быстрее остальных. Чтобы удовлетворить растущий спрос, особенно спрос на руду, которую приходилось добывать гораздо глубже под землей, были нужны тяжелые машины с механическим приводом.

Подробное описание машины, применявшиеся в горном деле в XVI веке и ранее, оставил немецкий врач, минералог и металлург Георг Бауэр, известный под латинским именем Агрикола. Согласно его сведениям, в горнозаводских машинах применялось железо для изготовления рам, зубчатых колес, подшипников. Ему уже было известно, как от одного водяного колеса можно привести в действие шесть насосов, несколько толчей. Идея привода нескольких механизмов от одного источника энергии тогда еще не имела значительного распространения и была одной из технических новинок.

Самой трудной задачей в горнорудном деле была откачка воды, которая всегда создавала угрозу затопления выработок, причем, чем глубже залегал горизонт, тем больше становилась подобная опасность. Самые передовые тяжелые машины того времени предназначались для откачки воды из рудников.

Вот одна из схем. Круглые мешки из конского волоса, насаженные с интервалами на кольцевую цепь, плотно входят в вертикальную трубу, нижний конец которой опущен в водосборник. Когда цепь тянут кверху, мешки тянут за собой воду по трубе. В насосе с мешками на цепи значительная часть напора на трубу воспринимается, как нагрузка цепью, а не каждым отдельным мешком. При этом насос приводится в движение людьми или лошадьми через колесо-топчак.

Агрикола описывает установку в Хемнитце, состоявшую из трех насосов, последовательно соединенных с подобными мешками на цепи, самый нижний из которых находился под землей на глубине около 200 метров. Вся установка приводилась в движение 24 лошадьми в четыре смены, то есть была довольно мощной.

Современником Агриколы был выдающийся итальянский врач, математик и механик Джероламо Кардано, имя которого сохранилось в названии известного механизма. Кардано — один из основоположников кинематики механизмов. К вопросу о передаче и преобразовании движения он подходил как теоретик, стремясь глубоко разобрать теорию и практику зубчатых зацеплений. Тем не менее, при описании изготовления часов он с грустью заметил, что «часовые механизмы нашего века проводят больше времени у часовщиков, чем у владельцев».

Развитие торговли и промышленности сопровождалось быстрым ростом городов, что требовало решения новых задач по их водоснабжению, в частности путем сооружения крупных насосных установок. В этой области, равно как и в горно-инженерном деле, ведущая роль принадлежала Германии. Некоторые города Германии уже к 1500 году располагали крупными водонасосными станциями. В 1550 году сообщалось, что в Аугсбурге существует очень сложная система городского водоснабжения. Установка приводилась в движение водяными колесами, подававшими воду через совокупность архимедовых винтов на водонапорную башню, откуда вода распределялась по трубопроводам.