Страница:
– Из всего того, что ты рассказал, мне не понятно, почему с самого начала люди не могли расплавлять чугун и получать качественные изделия с помощью литья?
– Попробуем вместе найти ответ на этот вопрос, – согласился Магик. – Ты уже видел, что в кузнице для поддержания непрерывного горения в топку подавали воздух с помощью мехов. Это очень трудоемкое занятие. Разработке конструкций мехов придавали большое значение во все времена почти до конца XIX века, пока вместо мехов не стали использовать мощные вентиляторы и компрессоры, а сжатый воздух стали применять для многих целей, – Магик решил подробно остановиться на данном вопросе и с помощью проектора показал Диме несколько старинных рисунков. – На этом рисунке (рис. 13) видно, как тяжело приходится человеку, работающему с мехами. А здесь (рис. 14) уже водяное колесо вращает кулачки, которые с легкостью выполняют ту же работу. – Магик выдержал небольшую паузу, и на экране появился новый рисунок. – Теперь (рис. 15) мы видим одну из первых промышленных печей для выплавки чугуна. Такие печи стали сооружать в XVI веке. По форме печь напоминает глиняный кувшин и имеет толстые теплозащитные стенки, чтобы не расходовать тепло понапрасну. В нее загружают железную руду вперемешку с горючими материалами: дровами, древесным или каменным углем. Руда плавится, и полученный чугун стекает вниз ручейком, направляемым рабочими, в специальные резервуары и там застывает. После чего его отвозят для дальнейшей переработки. Обрати внимание, Дима, что и здесь в самое пекло подают сжатый воздух с помощью мехов. А в качестве привода используют такой же механизм, что был показан на предыдущем рисунке.
– Выходит, что труд рабочих стал очень простым и легким – знай себе направляй ручейки с расплавленным металлом.
Магик возразил:
– Со стороны кажется, что они работают с легкостью, перешагивая через раскаленный металл. Если бы тебе удалось побывать даже возле современной печи хотя бы 10 минут, то ты заговорил бы по-другому. А рабочему приходится не только терпеть жару, но еще и выполнять тяжелую работу.
– Глядя на эту печь, я почти не нахожу отличия от печи, которую мы только что видели у мастеров далекого прошлого. Разве что меха добавились, – сказал Дима.
– Действительно, схема осталась прежней, но главное отличие не в воздуходувке. Размеры печи здесь несравненно больше, да и печь не приходится разрушать. В печи годами поддерживают огонь. Сверху в нее периодически загружают топливо и железную руду, а снизу выпускают жидкий чугун и шлак (отходы). Если процесс прервется, то возобновить его никаким костром не удастся. Остановка загруженной доменной печи – это настоящая катастрофа. Даже разрушить современную печь с застывшим внутри металлом и шлаком очень непросто.
– А почему здесь с одной стороны печь открыта? – продолжал уточнять Дима.
– Это нужно для того, чтобы выгружать расплавленные и выгоревшие материалы. В последующем будут пробивать специальные отверстия, через которые можно выпустить чугун или шлак, а затем снова заделывать их огнеупорной глиной. Кстати, это тоже нелегкая работа, так как отверстие буквально пышет жаром, и в наши дни этот процесс механизирован: специальная пушка пробивает отверстие или заталкивает в него глину.
– Магик, ты говоришь, что в этой печи получают чугун, а как выплавляют сталь? – спросил Дима.
– В промышленных масштабах сталь выплавлять начнут только в конце XVIII – начале XIX века. Для этого процесса тоже требуются громадные печи, в которых нужно расплавить чугун, выдерживать его в таком состоянии определенное время, чтобы уменьшить содержание углерода и дополнить некоторыми добавками, улучшающими качество стали. Кстати, настоящие мастера говорят не «выплавлять», а «варить сталь», если речь идет о ее переработке из чугуна, а не просто о превращении в жидкое состояние. Себя мастера называют сталеварами. Но сталь еще и плавят, например, если нужно придать ей литейные свойства.
– В принципе во всех печах требуется создать достаточно высокую температуру. В зависимости от цели, печи отличаются размерами и возможностями обеспечивать определенный режим процесса. А вот от доменных печей они отличаются тем, что твердое топливо и расплавляемый металл не смешивают в топке. Один из таких способов – это разогрев металла в тигле – сосуде из огнеупорной глины.
Дима увидел спроецированные на стену рисунки, а Магик продолжил пояснения:
– Процесс здесь весьма прост. Тигель с материалом устанавливают на колосники печи. А между стенками печи и тигля укладывают твердое топливо (рис. 16). Следующая задача – продувать сквозь зазоры между кусками топлива воздух. Топливо, сгорая в потоке воздуха, нагревает тигель до температуры плавления. После этого в тигель добавляют вещества, которые при последующем поддержании высокой температуры придают сплаву необходимые свойства.
– Выходит, что тигель может быть рассчитан на малый объем стали, поскольку его надо щипцами доставать из печи, а ведь мы говорим о масштабном производстве, – заметил Дима.
– А как загружают топливо? – спросил Дима. – На рисунке это не показано.
– Самое интересное заключается в том, что в качестве топлива используются вещества, содержащиеся в жидком сплаве. Важно их сжечь и удалить из сплава и тем самым получить материал с улучшенными свойствами. Обрати внимание, Дима, на эти отверстия в днище конвертера: через них вдувают воздух. Мощные струи воздуха проходят через толщу жидкого металла. Все внутри кипит и бурлит. Процесс сгорания происходит очень быстро. Через каких-нибудь 15–20 минут готовый материал можно уже заливать в формы. А вот при использовании других печей для достижения той же цели требуются часы и даже дни. В конце процесса в горячий сплав вводят необходимые добавки.
– Считаю, что нужно использовать только этот способ, если он такой быстрый и удобный.
– На первых порах он не казался таким удобным, ведь наряду с другими веществами выгорает и железо, да и качество полученной стали не лучшее. Потребуется еще лет сто, чтобы данный способ вытеснил остальные. Произойдет это, когда вместо воздуха станут использовать кислород и введут изменения, о которых поговорим в следующем путешествии, – констатировал Магик.
– Все же я не завидую мастерам, которым приходится поворачивать такой громадный конвертер, потом таскать ковши с горячим металлом. А жар здесь, чувствуется, пышет со всех сторон, – вздохнул Дима.
– Действительно, условия работы в литейных цехах всегда были тяжелыми и опасными. Не менее сложной и трудоемкой была работа в кузнечных цехах. Поэтому механизации работ в них уделялось и уделяется большое внимание.
На экране появилось изображение кузнечного молота и мехов, приводимых в движение водяным колесом (рис. 18).
– Этот пример кузницы конца XVIII века, а уж более подробно о развитии кузнечного дела мы поговорим при встрече с известным изобретателем XIX века Джеймсом Несмитом, – продолжил Магик.
Новая эпоха в развитии техники
Простые механизмы
– Попробуем вместе найти ответ на этот вопрос, – согласился Магик. – Ты уже видел, что в кузнице для поддержания непрерывного горения в топку подавали воздух с помощью мехов. Это очень трудоемкое занятие. Разработке конструкций мехов придавали большое значение во все времена почти до конца XIX века, пока вместо мехов не стали использовать мощные вентиляторы и компрессоры, а сжатый воздух стали применять для многих целей, – Магик решил подробно остановиться на данном вопросе и с помощью проектора показал Диме несколько старинных рисунков. – На этом рисунке (рис. 13) видно, как тяжело приходится человеку, работающему с мехами. А здесь (рис. 14) уже водяное колесо вращает кулачки, которые с легкостью выполняют ту же работу. – Магик выдержал небольшую паузу, и на экране появился новый рисунок. – Теперь (рис. 15) мы видим одну из первых промышленных печей для выплавки чугуна. Такие печи стали сооружать в XVI веке. По форме печь напоминает глиняный кувшин и имеет толстые теплозащитные стенки, чтобы не расходовать тепло понапрасну. В нее загружают железную руду вперемешку с горючими материалами: дровами, древесным или каменным углем. Руда плавится, и полученный чугун стекает вниз ручейком, направляемым рабочими, в специальные резервуары и там застывает. После чего его отвозят для дальнейшей переработки. Обрати внимание, Дима, что и здесь в самое пекло подают сжатый воздух с помощью мехов. А в качестве привода используют такой же механизм, что был показан на предыдущем рисунке.
Рис. 13. Воздушные меха, приводимые вручную (со старинной гравюры)
Рис. 14. Кулачковый механизм в приводе воздушных мехов (из книги Вануччо Бирингуччо «Пиротехника», 1540 г.)
На что Дима неожиданно ответил:– Выходит, что труд рабочих стал очень простым и легким – знай себе направляй ручейки с расплавленным металлом.
Магик возразил:
– Со стороны кажется, что они работают с легкостью, перешагивая через раскаленный металл. Если бы тебе удалось побывать даже возле современной печи хотя бы 10 минут, то ты заговорил бы по-другому. А рабочему приходится не только терпеть жару, но еще и выполнять тяжелую работу.
– Глядя на эту печь, я почти не нахожу отличия от печи, которую мы только что видели у мастеров далекого прошлого. Разве что меха добавились, – сказал Дима.
– Действительно, схема осталась прежней, но главное отличие не в воздуходувке. Размеры печи здесь несравненно больше, да и печь не приходится разрушать. В печи годами поддерживают огонь. Сверху в нее периодически загружают топливо и железную руду, а снизу выпускают жидкий чугун и шлак (отходы). Если процесс прервется, то возобновить его никаким костром не удастся. Остановка загруженной доменной печи – это настоящая катастрофа. Даже разрушить современную печь с застывшим внутри металлом и шлаком очень непросто.
– А почему здесь с одной стороны печь открыта? – продолжал уточнять Дима.
– Это нужно для того, чтобы выгружать расплавленные и выгоревшие материалы. В последующем будут пробивать специальные отверстия, через которые можно выпустить чугун или шлак, а затем снова заделывать их огнеупорной глиной. Кстати, это тоже нелегкая работа, так как отверстие буквально пышет жаром, и в наши дни этот процесс механизирован: специальная пушка пробивает отверстие или заталкивает в него глину.
– Магик, ты говоришь, что в этой печи получают чугун, а как выплавляют сталь? – спросил Дима.
– В промышленных масштабах сталь выплавлять начнут только в конце XVIII – начале XIX века. Для этого процесса тоже требуются громадные печи, в которых нужно расплавить чугун, выдерживать его в таком состоянии определенное время, чтобы уменьшить содержание углерода и дополнить некоторыми добавками, улучшающими качество стали. Кстати, настоящие мастера говорят не «выплавлять», а «варить сталь», если речь идет о ее переработке из чугуна, а не просто о превращении в жидкое состояние. Себя мастера называют сталеварами. Но сталь еще и плавят, например, если нужно придать ей литейные свойства.
Рис. 15. Промышленная печь для выплавки чугуна (XVI в.)
– Чем же все-таки одни печи отличаются от других? – спросил Дима.– В принципе во всех печах требуется создать достаточно высокую температуру. В зависимости от цели, печи отличаются размерами и возможностями обеспечивать определенный режим процесса. А вот от доменных печей они отличаются тем, что твердое топливо и расплавляемый металл не смешивают в топке. Один из таких способов – это разогрев металла в тигле – сосуде из огнеупорной глины.
Дима увидел спроецированные на стену рисунки, а Магик продолжил пояснения:
– Процесс здесь весьма прост. Тигель с материалом устанавливают на колосники печи. А между стенками печи и тигля укладывают твердое топливо (рис. 16). Следующая задача – продувать сквозь зазоры между кусками топлива воздух. Топливо, сгорая в потоке воздуха, нагревает тигель до температуры плавления. После этого в тигель добавляют вещества, которые при последующем поддержании высокой температуры придают сплаву необходимые свойства.
– Выходит, что тигель может быть рассчитан на малый объем стали, поскольку его надо щипцами доставать из печи, а ведь мы говорим о масштабном производстве, – заметил Дима.
Рис. 16. Плавление литейного сплава специального чугуна или стали для получения отливок (кон. XIX в.)
– В печь можно установить при необходимости несколько тиглей, а для литья небольших изделий из стали и одного тигля вполне достаточно. Учти, Дима, что наряду с этим разрабатывали и другие способы плавления, – Магик показал печь, в которой используют жидкое топливо. – В емкости, в которой плавится металл, распыляют горящую нефть, и она не только нагревает уже расплавленный металл, но еще и расплавляет твердые куски металла, загруженные в раструб на выходе горячих газов из емкости. Кстати, в этот же раструб можно закладывать и необходимые добавки, – Магик не стал дожидаться реакции Димы и перешел к следующему варианту: – Сейчас я покажу действительно революционное изобретение в выплавке стали. Речь пойдет о способе Генри Бессемера (рис. 17). Здесь жидкий чугун или сталь в жидком состоянии заливают в сосуд, называемый конвертером.– А как загружают топливо? – спросил Дима. – На рисунке это не показано.
– Самое интересное заключается в том, что в качестве топлива используются вещества, содержащиеся в жидком сплаве. Важно их сжечь и удалить из сплава и тем самым получить материал с улучшенными свойствами. Обрати внимание, Дима, на эти отверстия в днище конвертера: через них вдувают воздух. Мощные струи воздуха проходят через толщу жидкого металла. Все внутри кипит и бурлит. Процесс сгорания происходит очень быстро. Через каких-нибудь 15–20 минут готовый материал можно уже заливать в формы. А вот при использовании других печей для достижения той же цели требуются часы и даже дни. В конце процесса в горячий сплав вводят необходимые добавки.
Рис. 17. Плавка стали способом Генри Бессемера (Англия, 1856 г.)
Рис. 18. Кузница (кон. XVIII в.)
Дима решил высказать свое мнение:– Считаю, что нужно использовать только этот способ, если он такой быстрый и удобный.
– На первых порах он не казался таким удобным, ведь наряду с другими веществами выгорает и железо, да и качество полученной стали не лучшее. Потребуется еще лет сто, чтобы данный способ вытеснил остальные. Произойдет это, когда вместо воздуха станут использовать кислород и введут изменения, о которых поговорим в следующем путешествии, – констатировал Магик.
– Все же я не завидую мастерам, которым приходится поворачивать такой громадный конвертер, потом таскать ковши с горячим металлом. А жар здесь, чувствуется, пышет со всех сторон, – вздохнул Дима.
– Действительно, условия работы в литейных цехах всегда были тяжелыми и опасными. Не менее сложной и трудоемкой была работа в кузнечных цехах. Поэтому механизации работ в них уделялось и уделяется большое внимание.
На экране появилось изображение кузнечного молота и мехов, приводимых в движение водяным колесом (рис. 18).
– Этот пример кузницы конца XVIII века, а уж более подробно о развитии кузнечного дела мы поговорим при встрече с известным изобретателем XIX века Джеймсом Несмитом, – продолжил Магик.
Новая эпоха в развитии техники
Робик быстро побежал вперед, не дожидаясь наших друзей, но тут же понял свою оплошность, так как навстречу мчались воины на лошадях. На всякий случай Робик отступил в сторону. Когда воины приблизились, то Дима увидел, что они на колесницах и едут не так быстро, как показалось вначале. Колесницы имели массивные колеса из дерева на деревянных осях. Подошедший в это время Магик пояснил, что они в Месопотамии специально, чтобы посмотреть на первое колесо, ознакомиться с его конструкцией и оценить значение для будущего.
Магик осторожно заметил:
– Скажем так – одно из первых деревянных колес, а встречались еще и каменные колеса, но они, хотя и не изнашивались, были очень тяжелыми.
– Почему же их не делали из металла?
– Металлические изделия пока еще очень дорогие, а дерево как материал широкодоступно и легко обрабатывается. Кстати, мы уже у намеченной цели. Это мастерская, в которой изготовляют колесницы для армии. А вот и готовая колесница (рис. 19).
– К этой перекладине привязывают (впрягают) лошадей, – стал пояснять Магик, – а толстый, гладко обработанный комель (нижняя часть ствола) дерева приспособлен под сиденье возницы. Обратите внимание, как соединены детали друг с другом. Колесо выполнено из нескольких досок, скрепленных между собой штифтами. Штифты деревянные, со временем их заменят железные кованые гвозди. Чтобы колесо не болталось на оси, с наружной стороны в отверстие оси вбит клин.
Как видите, колесо получилось тяжелым и не может быстро вращаться на оси. Поэтому, когда люди придумали спицы для колеса, началась новая эпоха развития транспорта и других областей техники. Да ты, Дима, наверняка обращал внимание, как легко ехать на велосипеде, благодаря колесам с тонкими спицами. Что касается деревянных спиц, то в некоторых деревнях можно встретить телеги, колеса которых подобны тем, что устанавливали на телегах и конных колясках последние несколько веков. Такими делали колеса на ручных тачках и даже на вагонетках.
Сейчас я покажу конный скрепер для земляных работ (рис. 20). Его я отыскал в учебном пособии по строительству дорог, написанном в конце XIX века, – Магик направил луч света на пластинку, и перед собравшимися возникло голографическое изображение скрепера рядом с колесницей.
– Этот скрепер тянули, срезая слой грунта, пока им не заполнялся весь ковш, а затем перевозили в другое место. Обрати внимание, Дима, на конструкцию колеса: ступица и обод выполнены из деревянных секторов, в пазы секторов вставлены деревянные спицы, а детали ступицы и обода стянуты коваными железными обручами. Ступица установлена на стальной оси и зафиксирована гайкой. Пара материалов «дерево – сталь» – это хороший подшипник, а для уменьшения силы трения его смазывали березовым дегтем, который научились получать довольно давно.
Друзья вышли из мастерской. Дима хотя и привык к неожиданностям, но и он был потрясен увиденным: пара красивых гнедых жеребцов была впряжена в роскошную колесницу. Бортик колесницы весь был украшен дивными рельефными узорами, а главное – деревянные детали колес были точеными.
Дима увидел, что все вокруг изменилось; колесничная мастерская исчезла, а дорога, на которой стояла великолепная колесница, оказалась вымощенной камнями.
– Мы уже в другом государстве, а от наших дней нас отделяет две с половиной тысячи лет. Судя по точным формам ступицы и спиц колеса, их наверняка обрабатывали на токарном станке. Со временем я покажу вам первый такой станок. Он изобретен греческим мастером Феодором, – пояснил Магик.
– Магик, давай все-таки изменим программу путешествия и посмотрим этот станок сейчас, – стал уговаривать Дима, и Магик согласился:
– Если кривошипный механизм известен с давних пор, то его должны были применять во многих машинах и станках, не так ли?
– В том-то и дело, что он оказался забытым на многие века, так как удобнее было использовать лучковый привод, – ответил Магик, но Дима продолжил:
– Но у токаря должны быть свободны руки, а в лучковом приводе они заняты.
– Сейчас я покажу вариант ножного лучкового привода на станке XV века. – Магик представил на экране станок (рис. 22), который мало чем отличался от станка Феодора, хотя их отделяли друг от друга не менее двух тысячелетий.
Дима даже потер руки, настолько он был доволен своей сообразительностью.
Тут послышался шум катящейся колесницы, и веселый Робик осадил коней. Дима несколько огорчился, что Робик без него катался на колеснице, а Магик спросил:
– Ну и как, понравилось тебе кататься?
– Понравиться-то понравилось, но уж очень трясет, так можно расстроить всю мою электронную систему, – признался Робик.
На что Магик заметил:
– В этой колеснице нет устройств, уменьшающих вибрацию, – амортизаторов и демпферов, которые были придуманы намного позднее.
Дима не оставлял без внимания ни одного высказывания Магика:
– Ты только скажи, для чего они нужны, а там видно будет, захочу ли я их изучать.
– Речь идет об устройствах, которые не только смягчают удары, но и уменьшают раскачивание коляски, кареты или другого транспортного средства. Сначала это были рессоры, затем появились другие устройства, без которых не обходятся в наши дни. На этот раз мы не будем забегать вперед и посмотрим, как в далекие времена люди использовали качение колеса для перемещения тяжелых предметов.
– Мы перенеслись в VI век до н. э. и находимся в городе Эфесе, территория нынешней Турции, на побережье Средиземного моря возле храма богини Артемиды (рис. 23) – покровительницы охоты и живой природы. Этот храм считали одним из чудес света. Но не пройдет и двух веков, как оно сгорит, и в таком виде его уже никто никогда не увидит. Правда, на этом месте построят еще более грандиозный храм, но и он не доживет до наших дней, – тут Магик спохватился: – Все же мы прибыли сюда не для того, чтобы любоваться этим сооружением, а чтобы узнать, как его строили и как перевозили тяжелые круглые части колонн и блоки для стен из каменоломни, где их изготовляли.
– Колонны имеют высоту около 18 метров, а каждый блок весит порядка десяти тонн, так что даже по нынешним временам это не такая уж простая задача, хотя у нас есть мощные грузовики и хорошие дороги. Тогда же ничего подобного не было, и любая повозка в мягком грунте могла так завязнуть, что никакие лошади ее не вытащили бы.
Тут послышались крики погонщиков, и к ним стали приближаться две довольно необычные процессии. Несколько пар быков тянули деревянную раму, внутри которой вращалась и катилась по земле тяжелая часть колонны. Еще больше быков было впряжено в короб с двумя громадными деревянными колесами по бокам. Колеса эти по диаметру раза в два превышали рост человека, да и толщина их была довольно большой. К погонщикам подошел какой-то человек и сказал, что уже становится темно и на сегодня работа завершена. Погонщики распрягли быков и погнали их на пастбище. Наши друзья подошли к оставленным на полпути тяжестям. Человек, отдавший распоряжение погонщикам, ничуть не удивился, увидев подошедших к нему существ, а когда Магик обратился к нему с вопросом, охотно разговорился.
– Скажите, любезный господин, а далеко ли находится каменоломня, – для начала спросил Магик.
– О, здесь не менее 8 тысяч футов, так что без отдыха трудно обойтись, – ответил их новый знакомый.
Магик пояснил Диме, что это означает более двух с половиной километров.
Тут уже Дима осмелел и спросил:
– Кто же изобрел такие интересные устройства?
– Перекатывание круглых частей колонны придумал наш архитектор Херсифрон. При жизни он не успел завершить строительство. А вот блоки перевозить так стали уже по предложению его сына Метагена. Он руководит строительством, и вы с ним можете познакомиться, наверняка он сейчас на стройке, – отвечал доброжелательный собеседник.
– Что же мы ждем, Магик, надо же посмотреть, как такие тяжелые колонны и блоки поднимают и монтируют, – торопился Дима.
Но Магик, подумав, предложил Диме подождать:
– Подъем и монтаж тяжелых блоков я рассчитывал показать на других примерах, сначала нужно посмотреть, с чего начинались такие процессы. Для этого нам придется снова вернуться на два тысячелетия назад и побывать на строительстве первых египетских пирамид.
Изобретением колеса начата новая эпоха в развитии техники
– Уж очень мы быстро переносимся из одного места в другое и из одного столетия в другое! – удивился Дима. – Так что, это самое первое колесо? Раньше их не было?Магик осторожно заметил:
– Скажем так – одно из первых деревянных колес, а встречались еще и каменные колеса, но они, хотя и не изнашивались, были очень тяжелыми.
– Почему же их не делали из металла?
– Металлические изделия пока еще очень дорогие, а дерево как материал широкодоступно и легко обрабатывается. Кстати, мы уже у намеченной цели. Это мастерская, в которой изготовляют колесницы для армии. А вот и готовая колесница (рис. 19).
Рис. 19. Деревянные колеса в древних боевых колесницах
Дима, Робик и Магик стояли вокруг диковинного, хотя и очень простого устройства, которое состояло всего из одного ствола дерева и двух перекладин. На концах одной из перекладин были установлены колеса.– К этой перекладине привязывают (впрягают) лошадей, – стал пояснять Магик, – а толстый, гладко обработанный комель (нижняя часть ствола) дерева приспособлен под сиденье возницы. Обратите внимание, как соединены детали друг с другом. Колесо выполнено из нескольких досок, скрепленных между собой штифтами. Штифты деревянные, со временем их заменят железные кованые гвозди. Чтобы колесо не болталось на оси, с наружной стороны в отверстие оси вбит клин.
Как видите, колесо получилось тяжелым и не может быстро вращаться на оси. Поэтому, когда люди придумали спицы для колеса, началась новая эпоха развития транспорта и других областей техники. Да ты, Дима, наверняка обращал внимание, как легко ехать на велосипеде, благодаря колесам с тонкими спицами. Что касается деревянных спиц, то в некоторых деревнях можно встретить телеги, колеса которых подобны тем, что устанавливали на телегах и конных колясках последние несколько веков. Такими делали колеса на ручных тачках и даже на вагонетках.
Сейчас я покажу конный скрепер для земляных работ (рис. 20). Его я отыскал в учебном пособии по строительству дорог, написанном в конце XIX века, – Магик направил луч света на пластинку, и перед собравшимися возникло голографическое изображение скрепера рядом с колесницей.
Рис. 20. Скрепер на деревянных колесах с металлическими обручами (XIX в.)
Рабочие, стоявшие поблизости, зацокали языками, выражая явное одобрение увиденного, а один из них даже попытался дотронуться до колеса, но его рука провалилась в пустоту. Магик объяснил, что это лишь изображение того, что будет через несколько веков изготовлено из дерева и металла, и, уже обращаясь к Диме, продолжил:– Этот скрепер тянули, срезая слой грунта, пока им не заполнялся весь ковш, а затем перевозили в другое место. Обрати внимание, Дима, на конструкцию колеса: ступица и обод выполнены из деревянных секторов, в пазы секторов вставлены деревянные спицы, а детали ступицы и обода стянуты коваными железными обручами. Ступица установлена на стальной оси и зафиксирована гайкой. Пара материалов «дерево – сталь» – это хороший подшипник, а для уменьшения силы трения его смазывали березовым дегтем, который научились получать довольно давно.
Друзья вышли из мастерской. Дима хотя и привык к неожиданностям, но и он был потрясен увиденным: пара красивых гнедых жеребцов была впряжена в роскошную колесницу. Бортик колесницы весь был украшен дивными рельефными узорами, а главное – деревянные детали колес были точеными.
Дима увидел, что все вокруг изменилось; колесничная мастерская исчезла, а дорога, на которой стояла великолепная колесница, оказалась вымощенной камнями.
– Мы уже в другом государстве, а от наших дней нас отделяет две с половиной тысячи лет. Судя по точным формам ступицы и спиц колеса, их наверняка обрабатывали на токарном станке. Со временем я покажу вам первый такой станок. Он изобретен греческим мастером Феодором, – пояснил Магик.
– Магик, давай все-таки изменим программу путешествия и посмотрим этот станок сейчас, – стал уговаривать Дима, и Магик согласился:
Рис. 21. Токарный станок древнегреческого мастера Феодора-Плиния «Естественная история», I в.)
– Ну что же, все в моих силах. Есть у меня рисунок из книги философа Плиния, жившего в I веке (рис. 21). – Он высветил на каменной стене изображение простейшего токарного станка, вокруг которого стояли бородачи атлетического сложения. Один из них нажимал ногой на качающуюся доску (коромысло), соединенную с металлическим стержнем-шатуном, который приводил в движение кривошип. Закрепленная на валу кривошипа (этот вал назвали коленчатым и называют так до сих пор) деревянная заготовка тем самым приводилась во вращение. – Кстати, Дима, механизм, получившийся из коромысла, шатуна и кривошипа, называют кривошипно-коромысловым. Смотри, к вращающейся заготовке подведен стальной резец. Непрерывно передвигая резец вдоль оси вращения, срезают большую или меньшую стружку, получая тем самым фигурное изделие. Я немного изменил рисунок и вместо короткой заготовки поместил длинную спицу для колеса. Обрати внимание, что мастер держит резец в руках. При этом требуется большое напряжение, чтобы воспроизводить точные движения. Пройдет еще много веков, прежде чем будет придумана сначала неподвижная опора (направляющая скольжения) для резца, а затем и винтовой механизм для продольного и поперечного его перемещения.Первый токарный станок изобретен две с половиной тысячи лет назад
Дима попросил Магика вернуться к механизму вращения заготовки на токарном станке:– Если кривошипный механизм известен с давних пор, то его должны были применять во многих машинах и станках, не так ли?
– В том-то и дело, что он оказался забытым на многие века, так как удобнее было использовать лучковый привод, – ответил Магик, но Дима продолжил:
– Но у токаря должны быть свободны руки, а в лучковом приводе они заняты.
– Сейчас я покажу вариант ножного лучкового привода на станке XV века. – Магик представил на экране станок (рис. 22), который мало чем отличался от станка Феодора, хотя их отделяли друг от друга не менее двух тысячелетий.
Рис. 22. Токарный станок с лучковым приводом (XV в.
Дима сразу понял принцип действия станка: – Теперь все ясно – здесь приводной шнур, намотанный на заготовку, перемещается с помощью доски, на которую токарь надавливает ногой, а в натянутом состоянии шнур все время поддерживается тем же лучковым упругим звеном.Дима даже потер руки, настолько он был доволен своей сообразительностью.
При движении на древней колеснице не хватает амортизаторов
– Да, а куда же делся Робик и где наша колесница? – спохватился Магик.Тут послышался шум катящейся колесницы, и веселый Робик осадил коней. Дима несколько огорчился, что Робик без него катался на колеснице, а Магик спросил:
– Ну и как, понравилось тебе кататься?
– Понравиться-то понравилось, но уж очень трясет, так можно расстроить всю мою электронную систему, – признался Робик.
На что Магик заметил:
– В этой колеснице нет устройств, уменьшающих вибрацию, – амортизаторов и демпферов, которые были придуманы намного позднее.
Дима не оставлял без внимания ни одного высказывания Магика:
– Ты только скажи, для чего они нужны, а там видно будет, захочу ли я их изучать.
– Речь идет об устройствах, которые не только смягчают удары, но и уменьшают раскачивание коляски, кареты или другого транспортного средства. Сначала это были рессоры, затем появились другие устройства, без которых не обходятся в наши дни. На этот раз мы не будем забегать вперед и посмотрим, как в далекие времена люди использовали качение колеса для перемещения тяжелых предметов.
Перекатывать тяжелые предметы легче, чем тащить их волоком
За спокойной беседой Дима и не заметил, как изменилась обстановка вокруг. Они подошли к холму, на котором красовалось недостроенное здание с мраморными колоннами вокруг. Опиравшиеся на колонны массивные каменные фронтоны были украшены рельефными картинами, перед широкой лестницей стояли величественные статуи, которые издалека было трудно рассмотреть. Магик начал свои пояснения:– Мы перенеслись в VI век до н. э. и находимся в городе Эфесе, территория нынешней Турции, на побережье Средиземного моря возле храма богини Артемиды (рис. 23) – покровительницы охоты и живой природы. Этот храм считали одним из чудес света. Но не пройдет и двух веков, как оно сгорит, и в таком виде его уже никто никогда не увидит. Правда, на этом месте построят еще более грандиозный храм, но и он не доживет до наших дней, – тут Магик спохватился: – Все же мы прибыли сюда не для того, чтобы любоваться этим сооружением, а чтобы узнать, как его строили и как перевозили тяжелые круглые части колонн и блоки для стен из каменоломни, где их изготовляли.
Рис. 23. Приспособления для транспортировки тяжелых предметов, применяемые при строительстве храма Артемиды Эфесской (VI в. до н. э.)
Диме издалека казалось, что не такие уж большие эти колонны, чтобы для их перевозки применять что-то необычное. Магик, как будто угадав его мысли, продолжил:– Колонны имеют высоту около 18 метров, а каждый блок весит порядка десяти тонн, так что даже по нынешним временам это не такая уж простая задача, хотя у нас есть мощные грузовики и хорошие дороги. Тогда же ничего подобного не было, и любая повозка в мягком грунте могла так завязнуть, что никакие лошади ее не вытащили бы.
Тут послышались крики погонщиков, и к ним стали приближаться две довольно необычные процессии. Несколько пар быков тянули деревянную раму, внутри которой вращалась и катилась по земле тяжелая часть колонны. Еще больше быков было впряжено в короб с двумя громадными деревянными колесами по бокам. Колеса эти по диаметру раза в два превышали рост человека, да и толщина их была довольно большой. К погонщикам подошел какой-то человек и сказал, что уже становится темно и на сегодня работа завершена. Погонщики распрягли быков и погнали их на пастбище. Наши друзья подошли к оставленным на полпути тяжестям. Человек, отдавший распоряжение погонщикам, ничуть не удивился, увидев подошедших к нему существ, а когда Магик обратился к нему с вопросом, охотно разговорился.
– Скажите, любезный господин, а далеко ли находится каменоломня, – для начала спросил Магик.
– О, здесь не менее 8 тысяч футов, так что без отдыха трудно обойтись, – ответил их новый знакомый.
Магик пояснил Диме, что это означает более двух с половиной километров.
Тут уже Дима осмелел и спросил:
– Кто же изобрел такие интересные устройства?
– Перекатывание круглых частей колонны придумал наш архитектор Херсифрон. При жизни он не успел завершить строительство. А вот блоки перевозить так стали уже по предложению его сына Метагена. Он руководит строительством, и вы с ним можете познакомиться, наверняка он сейчас на стройке, – отвечал доброжелательный собеседник.
– Что же мы ждем, Магик, надо же посмотреть, как такие тяжелые колонны и блоки поднимают и монтируют, – торопился Дима.
Но Магик, подумав, предложил Диме подождать:
– Подъем и монтаж тяжелых блоков я рассчитывал показать на других примерах, сначала нужно посмотреть, с чего начинались такие процессы. Для этого нам придется снова вернуться на два тысячелетия назад и побывать на строительстве первых египетских пирамид.
Простые механизмы
– Магик, а почему стало жарко и так ярко светит солнце, ведь только что наступил вечер? – воскликнул удивленно Дима и увидел, что все вокруг изменилось.
Они стояли посреди пустыни: с одной стороны были бесконечные пески, а с другой – тысячи обнаженных людей, которые копошились вокруг каменных брусьев и бревен, непонятно откуда взявшихся в пустыне. Обожженные солнцем спины людей лоснились от пота. Время от времени на них опускались удары палок, сопровождаемые криками надсмотрщиков. Не дожидаясь ответа, Дима понял, что они уже в Древнем Египте на строительстве одной из гигантских пирамид фараонов и строит эту пирамиду множество рабов.
– Мы перенеслись в XXVIII век до н. э. Это значит, что мы видим то, что было пять тысяч лет назад, – ответил Магик и окликнул Робика, чтобы тот даже не пытался помогать рабам, если не хочет получить палкой по спине.
Клин, наклонная плоскость и катки помогают людям перемещать тяжелые предметы.
Дима перевел взгляд на другую группу рабов, которые обвязали уже готовый каменный блок веревками, плотно обступили его вокруг и, подобно муравьям, пытаются его сдвинуть с места. Причем это им удалось, и камень пополз по наклонной дороге, все время поднимавшейся вверх. Присмотревшись, Дима увидел, что рабы подкладывают под блок катки, которые хотя и вдавливаются в дорогу, но все же существенно облегчают работу по перемещению камня. А впереди этой группы не меньше сотни рабов насыпают и утрамбовывают наклонную дорогу (рис. 24). Дима удивился, что пройденный участок дороги рабы уже разрушают, а песок и мелкие камни перетаскивают к вновь строившейся дороге. Сначала Дима счел эти действия бессмысленными, но потом понял, что дороги носят временный, вспомогательный характер и, как только они сослужат требуемую службу, их разрушат.
Тяжелые каменные блоки намного легче втаскивать по наклонной плоскости, чем поднимать их вертикально.
Послышался крик «Посторонись!», и Дима едва успел отскочить в сторону, как мимо пробежали рабы, тащившие чан с густой жидкостью. Диме показалось, что от нее исходил весьма неприятный запах. Он проследил взглядом, как рабы пробежали по наклонной дороге, затем с легкостью стали, как по ступенькам, взбираться выше, перепрыгивая с одного блока на другой, пока не добрались до места, где несколько человек пытались передвинуть один из блоков на другое место. Они упирались голыми ступнями в поверхности других блоков, но ноги скользили и истирались до крови, а блок не сдвигался.
Рабы, притащившие чан, вылили часть его содержимого на поверхность перед блоком, который нужно было передвинуть. Затем один край слегка приподняли, забив под него клин так, чтобы жидкость затекла в зазор между опорой и нижней поверхностью. Клин выбили, и теперь всего несколько рабов смогли сдвинуть блок. Так, одни толкали, а другие поливали жидкостью из чана поверхность на его пути, и блок легко скользил по образовавшейся луже. Дима понял, что благодаря смазыванию поверхности уменьшилась сила трения, препятствующая движению. Магик также пояснил, что жидкость в чане – это ил со дна реки – слизь, образовавшаяся от гниения органических веществ. Ноги рабов зачастую не могли найти опору и скользили, рабы падали, но поднимались с земли под ударами палок надсмотрщиков. Дима с горечью отвернулся, и его внимание привлекла группа рабов вдалеке. Те для чего-то наклоняли блок, подкладывали под него камни и подсыпали песок. В другом месте под такой же наклоненный блок подводили деревянное устройство, похожее на сани с изогнутыми полозьями (рис. 25).
Они стояли посреди пустыни: с одной стороны были бесконечные пески, а с другой – тысячи обнаженных людей, которые копошились вокруг каменных брусьев и бревен, непонятно откуда взявшихся в пустыне. Обожженные солнцем спины людей лоснились от пота. Время от времени на них опускались удары палок, сопровождаемые криками надсмотрщиков. Не дожидаясь ответа, Дима понял, что они уже в Древнем Египте на строительстве одной из гигантских пирамид фараонов и строит эту пирамиду множество рабов.
– Мы перенеслись в XXVIII век до н. э. Это значит, что мы видим то, что было пять тысяч лет назад, – ответил Магик и окликнул Робика, чтобы тот даже не пытался помогать рабам, если не хочет получить палкой по спине.
Клин, наклонная плоскость и катки помогают людям перемещать тяжелые предметы.
Рис. 24. Наклонные плоскости для перемещения тяжелых каменных блоков при строительстве египетских пирамид
Понаблюдав, Дима заметил, что в этой кажущейся неразберихе существует порядок. Вот группа рабов обступила гигантский камень и пытается обтесать его, придать ему форму бруска. Один из рабов вставил в углубление камня клин и стал его забивать. Рядом забили еще один клин, дальше еще один, и вот уже одновременно несколько рабов изо всех сил тяжелыми молотками наносят удары по клиньям. После серии ударов образовалась трещина, и от камня откололась внушительная часть.Дима перевел взгляд на другую группу рабов, которые обвязали уже готовый каменный блок веревками, плотно обступили его вокруг и, подобно муравьям, пытаются его сдвинуть с места. Причем это им удалось, и камень пополз по наклонной дороге, все время поднимавшейся вверх. Присмотревшись, Дима увидел, что рабы подкладывают под блок катки, которые хотя и вдавливаются в дорогу, но все же существенно облегчают работу по перемещению камня. А впереди этой группы не меньше сотни рабов насыпают и утрамбовывают наклонную дорогу (рис. 24). Дима удивился, что пройденный участок дороги рабы уже разрушают, а песок и мелкие камни перетаскивают к вновь строившейся дороге. Сначала Дима счел эти действия бессмысленными, но потом понял, что дороги носят временный, вспомогательный характер и, как только они сослужат требуемую службу, их разрушат.
Тяжелые каменные блоки намного легче втаскивать по наклонной плоскости, чем поднимать их вертикально.
Послышался крик «Посторонись!», и Дима едва успел отскочить в сторону, как мимо пробежали рабы, тащившие чан с густой жидкостью. Диме показалось, что от нее исходил весьма неприятный запах. Он проследил взглядом, как рабы пробежали по наклонной дороге, затем с легкостью стали, как по ступенькам, взбираться выше, перепрыгивая с одного блока на другой, пока не добрались до места, где несколько человек пытались передвинуть один из блоков на другое место. Они упирались голыми ступнями в поверхности других блоков, но ноги скользили и истирались до крови, а блок не сдвигался.
По смазанной поверхности можно с легкостью тащить тяжелые блоки волоком
При перемещении тяжелых каменных блоков по горизонтальной или наклонной плоскости строители египетских пирамид для уменьшения силы трения использовали ил в качестве смазочного материала или подкладывали под камни катки.Рабы, притащившие чан, вылили часть его содержимого на поверхность перед блоком, который нужно было передвинуть. Затем один край слегка приподняли, забив под него клин так, чтобы жидкость затекла в зазор между опорой и нижней поверхностью. Клин выбили, и теперь всего несколько рабов смогли сдвинуть блок. Так, одни толкали, а другие поливали жидкостью из чана поверхность на его пути, и блок легко скользил по образовавшейся луже. Дима понял, что благодаря смазыванию поверхности уменьшилась сила трения, препятствующая движению. Магик также пояснил, что жидкость в чане – это ил со дна реки – слизь, образовавшаяся от гниения органических веществ. Ноги рабов зачастую не могли найти опору и скользили, рабы падали, но поднимались с земли под ударами палок надсмотрщиков. Дима с горечью отвернулся, и его внимание привлекла группа рабов вдалеке. Те для чего-то наклоняли блок, подкладывали под него камни и подсыпали песок. В другом месте под такой же наклоненный блок подводили деревянное устройство, похожее на сани с изогнутыми полозьями (рис. 25).