Александр Филиппович Крайнев. Путешествие к истокам машиностроения

 

Рис. 25. Два способа подъема тяжелых каменных блоков при строительстве египетских пирамид

   Диме захотелось побывать там, где каменные блоки укладывали плотно друг на друга. Но, подойдя к основанию сооружения, идти дальше он не отважился – побоялся быть растоптанным сновавшими туда-сюда рабами. Дима рассмотрел стыки между камнями и удивился, увидев, что зазора там практически не было. Он достал из кармана картонную карточку и попытался просунуть ее в зазор между камнями, но это ему не удалось. Грани камней были настолько отполированы и подогнаны одна к другой, что даже самое мелкое насекомое не могло проникнуть внутрь. Да что там насекомое, даже капля воды не могла туда просочиться.

Оказывается, на носилках нечувствуется тряски и без амортизаторов

   Дима окликнул Магика, указав на процессию, приближавшуюся к ним. Несколько рабов несли на своих плечах носилки с роскошным креслом. Над креслом был навес типа зонтика, защищавшего сидевшего там господина от солнца. К креслу по обе стороны были привязаны длинные жерди, концы которых удерживали на плечах носильщики. Они были почти одного роста и не выглядели такими изможденными, как те, что работали с камнями. Бежавшие рядом с носилками рабы придерживали их, чтобы носилки не раскачивались.
   – Магик, что это за безобразие! Если даже это большой начальник, неужели ему нельзя было приехать на коне или на колеснице, зачем заставлять людей нести такое тяжелое сооружение?
   Услышав возмущенное высказывание Димы, Магик рассмеялся и стал объяснять техническую целесообразность носилок:
   – Видишь ли, богатые и знатные господа понимали, что на носилках намного комфортнее, чем на колесницах. Смотри, как плавно прогибаются жерди под тяжестью кресла, как растягиваются ремни, которыми это кресло привязано, и как смягчаются толчки благодаря гибкости тел самих носильщиков. Ведь суставы и мышцы человека – это прекрасные естественные амортизаторы. Да и колебания они хорошо ослабляют – демпфируют. Рассказывают, что первый демпфер изобрел человек после длительного пути в карете, когда он попытался успокоить раскачивание, сидя в карете и держась рукой за перекладину, на которой были установлены вращающиеся колеса.
   Тем временем процессия ступила на насыпанную наклонную дорогу и стала подниматься вверх.
   – Обрати внимание, Дима, что кресло продолжает сохранять горизонтальное положение, несмотря на значительный уклон дороги. Это достигается благодаря специальной подвеске – шарнирному соединению с промежуточной рамой носилок, связанной с продольными жердями. О такой подвеске напишет в свое время итальянский ученый Джеронимо Кардано, жаль, что встреча с ним у нас не запланирована.
   – Не тот ли это Кардано, который изобрел карданную передачу? – Дима вспомнил увиденное в первом путешествии в царство машин.
   Магик не успел ответить. К ним приближался знаменитый архитектор Имхотеп.
   – Он является архитектором и строителем первой египетской пирамиды, и многие способы подъема и перемещения грузов придуманы им. Так что готовься к разговору с ним, – предупредил Диму Магик.
   Рабы по знаку распорядителя остановили носилки как раз напротив наших друзей. Магик подошел к Имхотепу и объяснил ему цель их появления. Имхотеп подозвал жестом Диму, окинул его беглым взглядом и сказал:
   – Насколько я понял, ты интересуешься способами подъема каменных блоков на большую высоту. В этой неразберихе вряд ли можно что-либо понять. Поэтому я объясню основные действия с помощью схем, – из складок своей богатой одежды он достал свернутый в трубочку папирус и развернул его.
   Посмотрев на схемы, Дима многое понял и даже попытался объяснить:

Имхотеп рассказывает о способах подъема каменных блоков при строительстве египетских пирамид

   – Теперь понятно, для чего рабы наклоняли блоки. Они подсыпали песок с одной стороны, затем, опираясь на подложенные острые камни, наклоняли блок в другую сторону и подсыпали песок с другой стороны. Повторяя такие действия не раз и не два, можно поднять блок на большую высоту. А то, что я принял за салазки, которые зачем-то подставляют под наклоненный блок, оказалось качалкой, с помощью которой легко можно наклонять блок то в одну, то в другую сторону и подсыпать песок под блок. Что меня смущает во втором способе, так это прочность деревянной качалки, ведь ее может раздавить тяжелый блок.
   Пока Дима говорил, архитектор смотрел на него с изумлением. Наконец, он смог произнести несколько слов:
   – До чего же сообразительный этот молодой человек, мне бы таких помощников! Вот что значит далекое будущее, а ведь в наши дни юноши даже благородных кровей не понимают элементарных вещей.
   Тут подошел Магик, поблагодарил архитектора за уделенное внимание и стер в его памяти их встречу. Дима только успел увидеть, каким равнодушным стал их новый знакомый.

Оборонительные машины Архимеда

   Дима не заметил, как они очутились на крепостной стене большого древнего города. Солнце светило уже не так ярко, где-то внизу накатывались на стену волны, а море простиралось вдаль. Дул сильный ветер, хотя было довольно тепло. Шум ветра не мог заглушить дикие вопли и грубые ругательства. Стуки и удары сотрясали стену. Дима увидел, что прямо на них летят стрелы и камни, он поспешил пригнуться. Магик успокоил его:
   – Хотя мы и попали в гущу сражения, которое происходило более 22 веков назад, нам ничего не угрожает. Я говорил тебе, что создам только эффект присутствия, и эти воины, что атакуют город, не могут причинить нам вреда. Здесь мы увидим оборонительные машины Архимеда в действии. Давай подойдем поближе вон к той каменной башне, что выступает в море (рис. 26). К ней приближается корабль для очередного штурма. Это корабль римлян, которые вот уже два с половиной года осаждают город Сиракузы.
 

Рис. 26. Оборонительное устройство Архимеда для борьбы с атакующими кораблями

   – Магик, а что это за рычаг такой с цепью на конце, которая спускается прямо в воду? – спросил Дима.
   – Подожди немного, и поймешь все сам, а ты, Робик, спустись вниз и помоги защитникам города тянуть канат, что подвешен с противоположной стороны рычага, да делай это только по команде того человека, что стоит на башне! – успел сказать Магик, как началась атака.
   Корабль, по бортам которого торчали и слаженно двигались ряды весел, уже почти подошел к башне. На его носу была сооружена небольшая деревянная башенка, на которой наготове стояли солдаты с мечами и длинной лестницей с крюком на конце. Вот они уже пытаются зацепить крюк за край башни и даже карабкаться по лестнице.
   – Сейчас они захватят башню! – испугался Дима, его симпатии явно были на стороне защитников города.

С помощью полиспаста и рычага защитники города Сиракузы опрокидывают римские корабли

   События происходили столь быстро, что Дима не успевал держать в поле зрения и атакующий корабль, и человека, который уже подал команду к действию, и группу людей, ухватившихся за канат. Он увидел, что внизу с внутренней стороны стены были не только люди, упиравшиеся изо всех сил в землю, но и лошади, и быки, которые тоже с помощью веревок тянули канат. Животных подгоняли ударами плетей, но рычаг поворачивался очень медленно. Дима не успел задать вопрос, как увидел, что нос корабля поднимается из воды. Оказалось, что под водой его захватили две громадные клешни, прицепленные к цепи, подвешенной на рычаге. Вот уже сорвалась и полетела вниз лестница, приставленная к башне, посыпались в воду люди вместе со своими доспехами. Крики и стуки усиливали впечатление хаоса на корабле. Когда корабль наклонился настолько, что на нем уже невозможно было удержаться, человек, руководивший защитниками города, подал сигнал отсоединить канат от рычага. Дима не понял, как это было сделано, но увидел, что корабль рухнул вниз, вода быстро затопила его трюмы вместе с гребцами. И только несколько человек безуспешно пытались выбраться из воды. А с другой стороны стены уже поднимались с земли и отряхивались люди, тянувшие канат. Они упали, когда канат был отсоединен от рычага, но это не причинило им особого вреда.
   – А теперь, Дима, можешь задавать вопросы, если что-то непонятно, – улыбнулся Магик, глядя на растерянного и взъерошенного Диму.
   – Как же так получилось, что несколько человек подняли большой корабль, ведь у рычага плечи почти одинаковы? – последовал вопрос Димы.
   – Дело в том, что канат соединен с рычагом не непосредственно, а с помощью полиспаста. Разве ты забыл про полиспаст, действие которого мы изучали в первом путешествии? Ну что же, я напомню. Одна группа круглых блоков (с кольцевой канавкой для каната) соединяется с рычагом, а другая – с якорем, закрепленным в земле (рис. 27). Длинный канат тоже одним концом привязан к якорю, а за другой его можно тянуть. При этом длинный канат многократно огибает блоки, и образуется большое число параллельных ветвей. Натяжение каната по всей длине одинаково и равно силе, с которой его тянут. А вот на группу блоков и соответственно на рычаг действует результирующая сила, равная сумме сил натяжения всех его ветвей. По «золотому правилу» механики: во сколько раз увеличивается сила, во столько раз увеличивается путь перемещаемого конца каната. Вот и ответ на вопрос, почему люди и животные бежали быстро, а рычаг поворачивался медленно.
 

Рис. 27. Полиспаст и захватное устройство (IV–III вв. до н. э.)

   – Я только не понял, как отсоединили канат от рычага, его что, перерубили? – решил уточнить Дима.
   – Это не так просто, как может показаться. Можно, конечно, перерубить канат, но тогда его придется выдернуть из полиспаста. Вот если отсоединить блоки от якоря, тогда все произойдет мгновенно, и рычаг быстро повернется. Собственно, так и сделали: выдернули стержень из соединения блоков с якорем, – объяснил Магик и показал еще одно устройство, подобное тому, которым защитники города зацепляли и опрокидывали римский корабль. – Оно очень похоже на щипцы или ножницы. При натягивании каната рычаги щипцов поворачиваются вокруг их общей оси и своими лапками зажимают груз. Причем чем больше сила натяжения каната, тем сильнее зажимается груз, который не может выскользнуть из объятия лапок.
   Беседуя, наши герои не обратили внимания, что город атакуют уже с суши. Они спохватились, когда внизу под стеной со стороны защитников города послышалась команда «Приготовить метатели к бою!». Когда Дима выглянул из-за зубца стены на простиравшееся перед ней поле, он ужаснулся. Множество легионеров стройными рядами приближались к городу. Их железные латы сверкали на солнце, а поступь была так тверда, что казалось, их ничто не остановит. Защитники крепости хотя и приготовили луки и стрелы, но понимали, что стрелам достать легионеров не так-то просто. Впереди них двигались деревянные башни, предназначенные для начального штурма стен и защиты шагавшей позади них пехоты. Воины на штурмовых башнях стояли, прикрывшись щитами, а из глазниц выглядывали лучники, готовые поразить любого защитника крепости, как только он проявит неосторожность и выйдет из-за укрытия. Эти движущиеся башни, как догадался Дима, были установлены на больших колесах, закрытых деревянными щитами, и толкают их десятки мускулистых рабов.

Главное в метательных машинах – упругий накопитель (аккумулятор) энергии

   Тем временем и башни, и люди приближались к Сиракузам. Защитники крепости на стене ждали подходящего момента. И вот такой момент настал. В небо взлетели громадные камни. Да что там камни, целые глыбы полетели из крепости в сторону движущихся башен. Видимо, камни швыряли опытные бомбардиры, так как первые из них со страшной силой обрушились прямо на движущиеся башни. Послышался треск ломающихся бревен и крики ужаса. Башни одна за другой останавливались, а рабы, толкающие их, топтались на месте, лишь легионеры продолжали свой размеренный ход, как будто ничего не случилось. Лучники, стоявшие на стене, осыпали нападавших воинов стрелами, но доспехи и выставленные впереди щиты представляли собой хорошую защиту от стрел. Когда легионеры подошли к стене достаточно близко, они расступились и пропустили вперед бегущих людей с длинными лестницами. И вот в этот момент из-за стены забил настоящий фонтан, но не брызг, а небольших камней, которые посыпались на головы наступавших воинов. Послышались команды военных начальников, после которых легионеры хотя и с потерями, но довольно организованно отступили. Похоже было, что они вряд ли повторят попытку штурма.
   – Ну что же, Дима, пойдем посмотрим на метательные машины, которые позволили выиграть сражение, – предложил Магик, и они стали спускаться вниз по каменной лестнице с внутренней стороны стены.
   Спустившись на землю, они увидели Робика, который стоял в окружении бомбардиров и что-то увлеченно рассказывал. Магик едва успел окликнуть Робика, как заметил, что к ним приближается невысокий седой господин. Присутствующие горожане приветствовали его с глубочайшим почтением. Магик подошел к нему и сказал несколько слов, после чего тот благосклонно кивнул ему.
   – Дима, тебе представилась возможность познакомиться с великим Архимедом. Это он создал уникальные машины, которые вот уже два года спасают город Сиракузы от захвата. А еще ряд машин сугубо мирного предназначения являются основой для развития техники на два тысячелетия вперед, – с пафосом заявил Магик.
 

Рис. 28. Древние устройства для метания стрел

Рис. 29. Установка Архимеда для метания камней

   Архимед без всяких вступлений начал объяснять устройство метательных машин (рис. 28, 29):
   – Главным в этих машинах является накопитель энергии – торсион (рис. 30). Он представляет собой пучок канатов, жил или сплетенных волос, закрепленных с двух концов. Его закручивают и закрепляют в напряженном состоянии, а когда отпускают, он стремительно раскручивается и принимает прежнее положение. При этом он может разогнать метательный рычаг с камнем, а тот, подобно руке, зашвырнет большой камень очень далеко.
   Такое устройство способно выпустить по противнику тяжелую и острую стрелу с достаточно большой скоростью. А такая стрела может пробить щит или защитную стенку. В какой-то мере здесь использован принцип обыкновенного лука, но упругое звено дополнено закручиваемыми пучками жил.
   – Так это же настоящая пружина, только ее не сжимают, а закручивают, – Дима не утерпел и перебил Архимеда. – Принцип действия понятен, но для закручивания пучка в подобных механизмах требуется значительная сила.
 

Рис. 30. Упругий аккумулятор энергии, созданный для метательных машин (до IV–III вв. до н. э.)

   Архимеда не смутила реплика Димы, хотя он и не привык к тому, чтобы его кто-то перебивал:
   – Вообще-то можно поднять или передвинуть предмет любой тяжести, если использовать рычаг, полиспаст, зубчатую передачу и, наконец, винт, возможности которого очень велики. Можно применять эти механизмы не только по отдельности, но и в совокупности.
   Вспоминая свое первое путешествие в царство машин, Дима спросил:
   – Что вы имели в виду, утверждая, что можете поднять или повернуть всю Землю?
   – О, это было образное выражение. Вряд ли можно представить более тяжелый предмет, чем Земля. А вот опору вне Земли никто предоставить не сможет, поэтому этим выражением хотелось подчеркнуть лишь неограниченные возможности машин, – кратко пояснил Архимед свое знаменитое высказывание. – А сейчас я предлагаю пройтись по нашему замечательному городу и посмотреть машины для мирного труда. Хотя город в осаде, жизнь продолжается: мы строим дома и разные сооружения, перекачиваем воду и пополняем запасы продовольствия и материалов.
   К Архимеду подошел один из воинов и сообщил, что римляне сворачивают свой лагерь и, видимо, к утру осада будет снята. В городе начали приготовления к празднику по случаю победы: из погребов выкатили бочки вина, и народ уже предчувствует великое веселье.
   Архимед только покачал головой и продолжил свой путь. У него появилось некоторое беспокойство после услышанного, но он привык к тому, что каждый должен заниматься своим делом: за обороноспособность отвечают руководители города и армии, а он должен думать лишь о решении технических и научных задач.
   Архимед подвел наших героев к небольшой лебедке – вороту, одной из простейших машин (рис. 31), которая может являться составной частью более сложных. В метательных машинах ее используют для закручивания упругого накопителя энергии.
   – С помощью поворотных стержней бревно вращают вокруг продольной оси. На бревно наматывается канат, к которому можно подвесить груз. По сути, бревно или барабан вместе со стержнями является рычагом, большое плечо которого равно длине поворотного стержня, малое плечо – радиусу бревна. Вот и получается выигрыш в силе.
   Основой ворота является рычаг. Малое плечо равно радиусу круглого бревна, на которое наматывается канат, а большое плечо равно длине поворотного стержня, закрепленного в бревне, радиусу приводного колеса или плечу рукоятки.

Ворот – устройство для подъема грузов, прототип современной лебедки

Рис. 31. Ворот (со старинной гравюры)

Рис. 32. Грузоподъемный кран (III в. до н. э.

   Архимед подошел к крану в виде укосины (рис. 32), которую можно наклонять с помощью каната и ворота. Грузовой канат при этом можно тянуть с помощью другого ворота или, как здесь, полиспаста.
   Показывая высокую деревянную колонну (башню), которая имела в основании кольцо, опирающееся на вращающиеся катки, Архимед объяснил:

Первые грузоподъемные краны созданы на основе рычага и ворота

   – К сожалению, этот кран не достроен, и вы видите лишь опорно-поворотное устройство (рис. 33). Осталось прикрепить к нему консольную стрелу, подвесить полиспаст и установить ворот, и тогда можно будет не только поднимать груз, но и перемещать его по дуге окружности при повороте колонны.
 

Рис. 33. Опорно-поворотные устройства грузоподъемных кранов

   Дима с интересом рассматривал первые в истории грузоподъемные машины и вспоминал, что видел в первом путешествии. Те машины сделаны из стали, а эти почти полностью выполнены из дерева, там используют стальные канаты, а здесь канаты сплетены из волокон растительного происхождения. А вообще-то они имеют много общего, хотя и отличаются по размерам. Вот только катки в поворотном устройстве…
   Магик как будто прочитал мысли Димы и продемонстрировал двухрядную шариковую опору в поворотном устройстве XX века, в котором вместо катков были шарики, катящиеся между кольцами. Еще добавилось зубчатое колесо для привода поворота (см. рис. 33). Самое главное, понял Дима, что все эти детали стальные, а их геометрическая форма отличается высокой точностью.
   Из задумчивости Диму вывел неутомимый Архимед. Он указал еще на одно устройство (рис. 34) механической передачи движения и продолжил свои пояснения:
   – Это зубчатая передача, она тоже основана на рычаге. Но в отличие от рычага здесь каждое колесо можно вращать непрерывно, и угол поворота колеса неограничен.
   Дима успел рассмотреть выступы (зубья) на одном колесе, которые взаимодействовали с перекладинами (короткими стержнями – цевками) на другом колесе. А в это время Архимед продолжал:
   – Радиус одного колеса меньше радиуса другого, а сила в зацеплении зубьев и цевок одинаково действует на каждое из колес. Вот и получается, что момент силы, создаваемый зубьями большого колеса, превышает момент силы, создаваемый зубьями малого колеса, хотя большое колесо вращается при этом медленнее.
   Магик решил немного дополнить Архимеда:
   – Кстати, разница в радиусах колес, а следовательно, в числах зубьев может быть очень большой. Во многих первых исполнениях малое колесо имело всего шесть зубьев, которые получали соединением трех пересекающихся стержней. Поэтому его и назвали шестерней.
   Дима оживился, он часто слышал слово «шестерня», но не знал, откуда оно взялось.
   – А почему бы не сделать колесо с одним зубом? – спросил он.
   – Можно, конечно, сделать и один зуб, но тогда он должен взаимодействовать с винтом непрерывно, чтобы осуществить передачу движения. – Архимед показал винтовую передачу довольно непривычного вида. В ней зуб на ползуне перемещался вдоль вращающегося винта. Винт был выполнен из деревянного бревна, с вырезанной винтовой канавкой. К ползуну был привязан канат. При вращении винта ползун тянул канат, перемещая тяжелый груз.
 

Рис. 34. Механические передачи движения, в которых все детали передачи, кроме шипов и обручей валов, деревянные (III в. до н. э.)

   Дима был знаком с винтовой передачей, но такую передачу он увидел впервые, поэтому и задал неожиданный вопрос:
   – Это и есть знаменитый винт Архимеда?
   Архимед не сразу сообразил, почему знаменитый, но тут Магик, вмешавшись в разговор, пояснил, что винт Архимеда упоминается во многих книжках, но часто не уточняют, что речь идет, прежде всего, о винтовом насосе.
   Архимед с удовольствием выслушал Магика и заметил:
   – Меня радует, что мое изобретение в далеком будущем назовут знаменитым, тем более что именно оно поможет нам так долго продержаться в осаде. Но прежде чем перейти к винтовому насосу, я хотел бы познакомить вас с другими видами механических передач и их деталями.
   Архимед показал винтовую передачу, в которой винт находится в зацеплении с зубчатым колесом, и цевочную передачу с пересекающимися осями колес. Еще он познакомил Диму с конструкцией тяжелого вала. Этот вал был почти полностью выполнен из дерева и только на концах имел металлические шипы.

Винт Архимеда лежит в основе многих современных насосов, конвейеров и турбин

Рис. 35. Винт Архимеда

   Тем временем они подошли к резервуару с чистой водой, который непрерывно пополняли с помощью наклонных труб (рис. 35). Ничего удивительного в этом не было бы, если бы вода текла по трубам сверху вниз, здесь же все было наоборот. Вода в резервуар поступала снизу. Для этого каждую трубу вращали. Архимед продолжил свои пояснения:
   – Вот эта наклонная галерея (туннель) прорыта под стеной к водоему, который расположен внизу за пределами города. С помощью винтовых насосов воду перекачивают в данный резервуар, а из него жители черпают воду и используют ее для первоочередных нужд. Конечно же без воды мы не смогли бы существовать. Один из наших туннелей римляне нашли и засыпали. С большим трудом мы прорыли другой туннель, и запасы воды продолжают пополняться.
   – Как же все-таки работает этот насос? – спросил Дима.
   Архимед немного растерялся, так как не знал, как показать, что происходит внутри вращающейся трубы, но ему на помощь пришел Магик и сделал трубу прозрачной.
   Дима увидел, что между стенками трубы и винта находится вода и при вращении винта она порциями постепенно перемещается вдоль него, подобно ползуну или гайке в обычной винтовой передаче. Тем временем Магик стал говорить об огромной значимости винта Архимеда:
   – Спустя более двух тысяч лет на его основе создадут разнообразные конструкции насосов, компрессоров, гидравлических турбин и моторов, конвейеров для транспортировки сыпучих материалов, погрузчиков и других машин.
 

Рис. 36. Современный всасывающий винтовой насос

   Не ограничившись сказанным, Магик с помощью своего волшебного проектора высветил на гладкой стене конструкцию современного насоса (рис. 36) и стал пояснять его устройство:
   – Здесь винты находятся в зацеплении друг с другом. При вращении центрального винта начинают вращаться и боковые винты…
   Диме было непонятно, зачем нужны такие сложности:
   – Ведь можно же качать воду с помощью одного винта?
   – В том-то и дело, что в винте Архимеда, в отличие от современного, вода поступает отдельными порциями и создать высокое давление невозможно. Если бы можно было установить такой насос в туннеле города Сиракузы, то он заменил бы весь каскад насосов, так как смог бы гнать воду по гладким трубам на большое расстояние. – Завершив свои разъяснения, Магик продолжал рассказ о применении и развитии винта Архимеда. – В наши дни трудно найти область техники, где бы не использовали в том или ином виде вашу замечательную идею, – Магик сделал почтительный жест в сторону Архимеда. На импровизированном экране появился, как показалось Диме, обычный винт Архимеда. Тем не менее Магик его несколько озадачил, сказав, что это не что иное, как винтовой пресс (рис. 37).
 

Рис. 37. Шнековый пресс с переменным шагом (экструдер)

Экструдер – винтовой пресс с переменным шагом, аналогичен винтовому насосу Архимеда. При вращении шнека материал, находящийся между витками, перемещается поступательно. Рифленая внутренняя поверхность трубы удерживает материал от вращения

   – Позволь, Магик, мы же знакомились с иным винтовым прессом в первом путешествии, – заметил Дима, а Магик невозмутимо продолжил:
   – То был ковочный пресс на основе винтовой передачи, а здесь шнековый пресс непрерывного действия на основе винтового насоса Архимеда, и предназначен он для изготовления деталей из пластмасс или легкоплавких металлов. Особенность этого пресса в том, что в нем одновременно происходит размягчение или плавление материала и проталкивание его (подобно мясу в мясорубке) через отверстие, соответствующее профилю получаемого изделия – длинного стержня, трубы или даже плиты. После отвердевания при охлаждении изделие готово для использования. Прессованием изготовляют детали различной конфигурации, в том числе стержни и плиты сложного профиля (поперечного сечения), а также получают литейные формы из формовочной смеси (рис. 38).