Александр Филиппович Крайнев. Путешествие к истокам машиностроения

Александр Крайнев
Путешествие к истокам машиностроения

Начало путешествия

   Прошел год с тех пор, как Дима в обществе сказочных друзей Робика и Магика совершил удивительное путешествие в царство машин,^[1] во время которого он узнал, как работают различные механизмы – от самых простых до сверхсложных устройств. Дима не переставал мечтать о новых путешествиях. Однажды дедушка забрал Магика с Робиком, сказав при этом Диме:
   – Ты не волнуйся, я их отдам на переделку, тем более что мозг Магика (компьютер) пора усовершенствовать и перепрограммировать. Если у тебя есть пожелания – скажи, и я постараюсь их учесть.
   Дима удивился:
   – Какие могут быть пожелания? Хотелось бы еще попутешествовать, например на машине времени.
   – Я же говорил тебе, что машину времени придумали писатели-фантасты. Время течет однонаправленно и непрерывно. Его нельзя остановить, вернуть назад или ускорить. Правда, у нас есть Магик, и его волшебство основано на современных достижениях науки. В его памяти заложено столько информации, что он может воспроизводить картины из настоящего и прошлого, создавать эффект участия в тех или иных событиях.
   – Отлично, тогда запрограммируй путешествие в прошлое. Нам уже говорили, что человек произошел от обезьяны, а вот когда появились машины и кто их придумал, я не знаю.
   – Так и сделаем, думаю, удастся решить наши проблемы достаточно быстро, – ответил дедушка, уложил Робика и Магика в чемодан и куда-то отвез.
   Дима успел привыкнуть к опустевшей тумбочке. Однажды, вернувшись усталый после спортивных занятий, он прилег на постель. Вдруг его взгляд встретился со взглядом Магика. Вместе с Робиком тот опять был на месте – на тумбочке рядом с кроватью. Дима заметил некоторые изменения у Робика: руки и ноги его стали толще, в суставах появились более мощные двигатели, а вот Магик внешне не изменился, хотя был установлен новый компьютер с еще большей памятью. Магик оживился, как только увидел Диму, и предложил отправиться в глубь веков. Дима понял, что речь идет о далеком прошлом, и ничуть не удивился:
   – Так что же мы ждем? Давайте отправимся хоть сейчас. В разговор вмешался молчавший до сих пор Робик:
   – Магик, объясни Диме, как нужно себя вести с людьми из прошлого, ведь мы не должны влиять или вносить своим участием изменения в историю.
   – Робик, я предусмотрел это и могу разрешить Диме задавать любые вопросы и даже сообщать нашим собеседникам сведения о нашем времени. После беседы я сотру в их памяти всю новую информацию, и они забудут о нашем посещении.

Первые технологические процессы и инструменты

   Первобытные люди показывают Диме, как добывать огонь и сверлить отверстия в камне
   Дима не успел обрадоваться, как услышал распоряжение, отданное Магиком:
   – Робик, расчищай заросли в этом направлении, чувствуешь, оттуда идет дым, должно быть, там стоянка первобытных людей (рис. 1).
 

   ^{Рис. 1. Робик, Дима и Магик направляются к стоянке первобытных людей}
 
   Дима удивился неожиданному изменению обстановки, но понял, что они уже отправились в путешествие, и стал помогать Робику в расчистке дороги. Магик, естественно, только думал, но ничего не делал руками, а спокойно ковылял по проторенной тропинке.
   Неожиданно друзья вышли на поляну, в центре которой горел костер, а вокруг сидели полуодетые люди. В стороне под навесом копошились бородатые мужчины вокруг какой-то деревянной установки. Наши герои приблизились к странному обществу, и Магик на понятном для незнакомцев языке объяснил, кто они:
   – Мы пришли с мирными целями и хотим посмотреть, как вы добываете огонь и делаете оружие и орудия труда.
 

Рис. 2. Ручной лучковый привод в устройствах для добывания огня и сверления отверстий

   Дима отметил про себя, что Магик может говорить на любом языке и делает так, что и Дима с Робиком понимают и его, и собеседников. Он обратил внимание, что кое-кто из встретившихся им людей схватился за оружие, но после слов Магика копья с каменными наконечниками и топоры были отложены в сторону.
   Седой старик, видимо главный, указал на три предмета и велел одному из юношей показать, как они получают огонь. Тот взял доску с небольшими углублениями, вставил в одно из них деревянный стержень и стал его быстро вращать с помощью специального приспособления (рис. 2).
   – Это очень похоже на лук, с помощью которого запускают стрелы, – заметил Дима.
   – Да, упругость дуги здесь также используют для натяжения тетивы, а петля, охватывающая стержень, позволяет привести во вращение стержень при возвратно-поступательном движении дуги. Между стержнем и тетивой происходит такое же взаимодействие, как в канатоведущем шкиве, с которым мы познакомились в первом путешествии. И здесь и там возникает трение сцепления между гибким и жестким телами.
   – Все ясно, Магик, в этом устройстве используется простейшая фрикционная передача, о которой мне кое-что известно, – обрадовался Дима.
   Тем временем юноша так старался, что в месте контакта стержня с доской появился дымок. Туда бросили пушинки, которые тут же вспыхнули.
 

Рис. 3. Первые инструменты для раскалывания, разрезания, вырубки, шлифовки

   – Теперь можно поджечь и щепочки, – сделал вывод Робик, тоже наблюдавший за действиями юноши.
   Внимание Димы переключилось на приспособление, лежащее под навесом. Заметив его интерес, юноша пояснил, что таким приспособлением можно проделать отверстие в камне. Стержень, на конце которого закреплен острый клиновидный камень, вращают, упираясь в другой камень, так же как и при получении огня. Робик попросил разрешения поучаствовать в работе. Он так быстро и без устали перемещал дугу взад-вперед, что вызвал удивление и одобрение окружавших бородачей. В результате в камне было проделано отверстие для деревянной ручки.
   – Можно считать, Дима, – заметил Магик, – что ты познакомился с устройством первого сверлильного станка.
   Диме было непонятно, почему один камень может истирать другой, а сам почти не теряет свою клиновидную форму. Магик предупредил вопрос Димы:
   – Дело в том, что камни бывают разные. Одни, более твердые, используют в качестве инструмента, а из более мягких, хотя и достаточно прочных камней делают различные предметы (рис. 3). Кстати, заостренную форму топора, копья или наконечника стрелы сначала получают ударами одного камня по другому. При этом откалывают ненужные кусочки и постепенно получают требуемую форму изделия. Затем неровную поверхность шлифуют с помощью абразивного камня. От инструмента могут откалываться отдельные кусочки, но при этом в работу вступают новые клиновидные кристаллы.

Совершенствование сверлильных станков

Магик решил в ходе путешествия рассказывать, как преобразовывалась техника за все последующие годы

   После увиденного Диме сразу захотелось узнать, как изменялись механизмы с течением времени.
   – Магик, расскажи хотя бы, как совершенствовались машины для сверления отверстий.
   – Хорошо, Дима, но для этого нам потребуется экран, – ответил Магик.
 

Рис. 4. Сверлильный станок с ручным лучковым приводом (из рукописи А. К. Нартова «Театрумъ махинарумъ, то есть Ясное зрелище махинъ», 1755 г.)

   Тем временем Робик отыскал удобное место для ознакомления с рисунками. Это была небольшая поляна, на которой никого не было. Робик развернул небольшое полотно белой плотной ткани, повесил его на сучке дерева, а Магик с помощью волшебного проектора высветил первый рисунок.
   – Этот станок XVIII века (рис. 4) почти полностью выполнен из дерева. Обрати внимание, здесь используется лучковый привод, подобный тому, что мы видели у первобытных людей. А это удобное приспособление (рис. 5) для сверления вручную называют коловоротом. Обрати внимание, как при этом изменилось сверло – оно стало винтовым. Надеюсь, ты вспомнишь, что об этом мы подробно говорили в первом путешествии.
 

Рис. 5. Простейший ручной сверлильный станок вариантов сверла с винтовой канавкой (XIX в.) коловорот и один из первых

   – Магик, здесь ведь речь идет о сверлении отверстий в дереве, а для сверления отверстий в стальных изделиях не хватит сил и энергии одного человека.
   – Ты прав, Дима, – сказал Магик и высветил на экране совсем необычный станок XVIII века. Скорее, это было громадное сооружение размером с трехэтажный дом.
   Такой станок (рис. 6) предназначен для сверления больших отверстий в твердых материалах. Он приводится в действие лошадьми, которые движутся по кругу. Поднимают сверло вместе с нажимным ползуном вручную с помощью зубчатых передач и полиспаста, а опускается оно, так же как и в станке первобытных людей, под действием веса нажимного устройства.
 

Рис. 6. Сверлильный станок (для крупных заготовок) с ручным и конным приводом (из «Энциклопедии» Дидро и Д'Аламбера, 1751–1776 гг.)

   Не дожидаясь вопросов Димы, Магик показал станок XVI века для рассверливания отверстий в металлических стволах пушек (рис. 7). Ствол с помощью каната, наматываемого на барабан, движется навстречу инструменту с большим сверлильным наконечником. При этом инструмент вращается с помощью водяного колеса. Магик, как обычно, опередил вопросы Димы:
   – Изучить работу всех устройств, изображенных на рисунках, так быстро нельзя. Полиспаст, ворот (лебедку), водяное колесо мы еще раз увидим в нашем путешествии, когда будем встречаться с великими изобретателями машин.
 

Рис. 7. Станок и инструменты для рассверливания каналов в литых орудийных стволах (из книги Вануччо Бирингуччо «Пиротехника», 1540 г.)

   На экране появилось сразу два станка (рис. 8, 9). Хотя по времени создания их разделяли полторы сотни лет, в них было что-то общее. Магик стал давать пояснения:
   – Общим в станках является то, что они напоминают руку человека, о чем я уже говорил тебе. Заготовка здесь должна быть неподвижной. Чтобы просверлить отверстие в нужном месте, сверлильная головка перемещается вдоль консоли, которую можно при этом опускать или поднимать, кроме того, ее можно поворачивать вокруг вертикальной колонны. Таким образом, осуществляются все основные движения руки человека. Только в одном станке вращение сверла осуществляется от общего привода (от паровой машины через ременную передачу), а остальные движения задаются человеком с помощью цепной, реечной или винтовой передачи. В другом станке основные движения могут осуществляться с помощью отдельных электродвигателей. Но предусмотрена также возможность перемещения сверлильной головки и движения подачи сверла вручную. В целом современные станки, в отличие от предшественников, выполнены с более высокой точностью размеров и формы, поэтому они и сами способны изготовлять новые детали быстро и точно, – подытожил Магик.
 

Рис. 8. Сверлильный станок Р. Робертсона (1-я пол. XIX в.)

Рис. 9. Сверлильный станок (кон. XX в.)

   В целом Диме было понятно, но кое-что он решил уточнить:
   – Магик, ты говоришь о каких-то иных материалах. Скорей всего, речь идет о железе?
   – Нет, не только о железе. Да и железо в чистом виде почти не применяют, а детали машин изготовляют из сплавов различных веществ. Они могут быть прочнее железа или обладать другими лучшими свойствами. В наши дни широко используются еще и пластмассы.
   – Что же, эти люди, которых мы недавно посетили, не могли сразу додуматься применять эти сплавы и пластмассы?
   – Пройдет еще много веков, прежде чем потомки этих людей научатся находить и добывать из земли металлы, точнее, их смеси с другими материалами, получать сплавы и обрабатывать их. Наша с тобой задача и заключается в том, чтобы проследить, как все это происходило.
   Дима так увлекся беседой с Магиком, что и не заметил, что они уже покинули уютную поляну и опять пробираются по дикому лесу. Робик, как и положено умной машине, расчищал им дорогу, так чтобы ни одна веточка не коснулась Димы и не дай бог какой-нибудь сучок не поцарапал его. Что касается всяких мелких животных, то они, почувствовав приближение необычного существа, разбегались в разные стороны. Только змеи недовольно шипели, но все же предусмотрительно уползали в свои убежища: кто знает, что может сделать им это железное чудище, ведь ему явно не страшны их укусы. Магику видимо, надоело перешагивать через корневища деревьев, и он решил ускорить их поход: неожиданно перед ними открылась гористая местность. Сначала исчезли большие деревья, потом перестали попадаться даже кусты, а затем Дима почувствовал, что они бредут почти по пустыне. Благо вдали он увидел реку, а на ее берегу явно просматривались признаки обитания людей. Там были сложенные из камней лачужки, а вокруг сновали какие-то люди. Магик после длительного молчания вдруг заговорил:
   – Вот мы и оказались в Ассирии – древнем государстве. От наших дней это государство отделяет всего каких-нибудь 3–4 тысячи лет. Причем у нас только одна цель – посмотреть, как люди начинали работать с металлами (точнее, со сплавами) и изготовлять из них различные вещи.
   Робик бежал впереди и подпрыгивал, ему не терпелось что-нибудь делать. Он подбежал к площадке, в центре которой дымилась печь с установленным на ней ковшом из обожженной глины. Человек, который подкладывал дрова в топку, увидел Робика и на всякий случай спрятался за забор из камня.
   – Неужели я такой страшный, что меня испугался такой большой и сильный человек? – удивился Робик.
   – Скорее всего, он принял тебя за ангела, спустившегося с небес, – рассмеялся Дима, а Магик, как самый умный и серьезный из них, не стал дожидаться, пока мастер литейных дел осмелеет, и сам стал давать пояснения, указывая на необычные изделия из камня и обожженной глины, лежащие рядом с топкой (рис. 10):
 

Рис. 10. Первые формы для литья и образцы отливок

   – На этом плоском камне выбиты углубления с рельефными рисунками. Когда бронза полностью расплавится, – Магик указал на ковш, стоявший на огне, – ею можно будет заполнить углубления в камне. А когда бронза остынет и отвердеет, можно будет вынимать готовые украшения или иные вещи, повторяющие форму. Достаточно немного отшлифовать неровные края, и полученные изделия готовы к употреблению.
   Робик с Димой, решив, что все так просто, подошли к ковшу с расплавленной бронзой, но Магик остановил их:
   – Не стоит заниматься делом, к которому вы не готовы. Для работы с горячим сплавом требуются определенные навыки и знания, так что лучше пока только наблюдать. Робик, принеси-ка литейные формы, лежащие в углу. Используя свои возможности, я решил доставить их сюда из древней Грузии, раз уж мы начали знакомиться с литейным делом, то не будем терять время на собственное перемещение и рассмотрим, не покидая этой мастерской, как люди делали из бронзы не только мелкие украшения, но и топоры.
   Тем временем Робик притащил несколько камней с углублениями, сложив их так, что внутри образовалась полость в форме топора. Еще Робик вложил внутрь деревянный стержень для образования отверстия в топоре.
   – Магик, можно теперь заливать расплавленный металл? – Диме очень хотелось действовать самому. – Только вот деревянный стержень может сгореть!
   Магик успокоил Диму:
   – Не волнуйся. После заливки металла в форму доступ воздуха к деревянному стержню будет затруднен. Поэтому стержень не сгорит, а просто обуглится. Металл остынет и затвердеет, в топоре будет отверстие для насаживания его на деревянное топорище. Думаю, для первого знакомства с литейным делом достаточно, а нам еще предстоит побывать в кузнице, что находится здесь неподалеку. Нас отделяет от нее всего сотня метров и несколько веков, – так шуткой Магик завершил беседу.
   Робик побежал вперед, Дима поплелся за ним, Магик едва успел предупредить Робика, чтобы тот не распугал кузнецов, так как на этот раз без них не обойтись.
 

Рис. 11. Одна из первых кузнечных мастерских, в которой ассирийские мастера изготовляли для армии железное оружие, доспехи воинов и части осадных машин (ок. 1100 г. до н. э.)

   Друзья подошли к кузнице, которая представляла собой каменное помещение с большим проемом для входа (рис. 11). Дима понял, что распугать работавших там людей не так-то просто. Они настолько были увлечены делом, что даже не заметили приблизившуюся к ним компанию необычных существ. В глубине помещения Дима увидел печь, в которой вовсю полыхало пламя. Было нестерпимо жарко, несмотря на то, что в стенах имелись большие проемы для воздуха и света. Среди рабочих можно было сразу отличить пожилых бородатых мужчин и сильных, подвижных молодых людей, почти юношей. Один из юношей без устали накачивал в печь воздух с помощью устройства, которое Дима видел впервые. Две деревянные пластины были соединены гибким кожаным кожухом. Когда юноша поднимал верхнюю пластину, кожух заполнялся воздухом, а при нажатии воздух мощной струей вырывался из отверстия в стенке и раздувал огонь. И опять при подъеме пластины пространство внутри кожуха заполнялось новой порцией воздуха, который тут же направлялся в топку последующим нажатием на пластину. Так поддерживалось непрерывное горение, способное разогреть целую груду заготовок – металлических болванок и бесформенных металлических кусков.
   По одному из кусков двое молодых людей без устали колотили тяжелыми молотками.
   – На этот раз мы имеем дело с железом, точнее, со сталью, в которой кроме железа есть и другие вещества. Их очень мало, но благодаря им сталь намного прочнее и тверже железа, хотя обрабатывать ее труднее, – пояснил Магик.
   Им пришлось посторониться, так как мимо них пробежал юноша с тяжелым черным куском металла. Подбежав к топке, он бросил кусок в огонь и стал хлопотать у топки, подкладывая в нее дрова.
   – Это и есть сталь? Как же ее получают? И откуда такой большой железный кусок? – Дима просто засыпал вопросами Магика, которому пришлось подробно рассказывать о начальном процессе получения металла:
   – В недрах земли находятся различные вещества. Есть места, где среди песка, глины и других материалов встречаются кусочки руды. Вон там, у подножия горы, копошатся землекопы. Они нашли как раз такое место, и теперь загружают эту смесь в специальную печь вперемежку с топливом. Топливо поджигают и горение долго поддерживают непрерывным.
   – Что-то я не вижу никакой печи, кроме нескольких земляных холмиков, из которых идет дым, – удивился Дима.
   Магик, сделав один из холмиков прозрачным (рис. 12), продолжил пояснения:
   – Действительно, печи здесь под землей. Сначала выкапывают круглую яму диаметром около 1 метра, затем обмазывают ее толстым слоем глины. Сбоку делают вентиляционный канал для поступления в топку воздуха. В яму закладывают топливо – древесный уголь, на него насыпают раздробленную железную руду. Таким образом топливо и железную руду укладывают в несколько слоев. Получается конический холмик, который обкладывают дерном. Делать это нужно быстро, так как в начале загрузки печи нижний слой топлива поджигают. После того как печь сложена, ждут, пока все топливо выгорит, а выплавленное из руды железо тоненькими струйками стечет на дно печи. Там образуется кусок железа массой от 1 до 8 килограммов, называемый «крица», с примесями и пустотами. Чтобы его достать, печь полностью разрушают.
   Железо (сплав на его основе) в качестве материала для изготовления оружия и инструментов вошло в обиход в I веке до н. э. Получать железо из руды научились намного раньше. Племена, населявшие Армению, умели это делать уже в III веке до н. э. Сначала осуществляли процесс выплавки при естественном притоке воздуха, затем стали нагнетать воздух в топку с помощью мехов. При этом обычно удавалось получать ком мягкого железа, который затем подвергался нагреву и ковке для достижения однородной структуры и улучшения других свойств.
 

Рис. 12. Способы получения железа из руды в древние века

   – Получается, что из-за каких-то восьми килограммов нужно каждый раз сооружать новую печь. Когда же люди научатся делать настоящие печи? – удивился Дима.
   Магик тут же высветил на стене кузницы старинную гравюру и продолжил:
   – Таким способом выплавляли железные сплавы на протяжении многих веков. Немного менялась конструкция печей, но принципиально почти все оставалось прежним. Вот и на этом рисунке XVI века изображены печи, в которых кроме горения внутри самой ямы еще поддерживается огонь в верхней части холмика. Кроме того, здесь сделано отдельное углубление для расплавленного металла. Достаточно пробить отверстие в стенке печи и выпустить готовый материал. После остывания полученный кусок металла можно извлечь и подвергнуть дальнейшей обработке.
   Куют железо в горячем состоянии для того, чтобы очистить от вредных газовых примесей и исключить в нем поры-пустоты. Из полученной таким образом болванки затем выковывают мечи, топоры и копья.
   – Магик, мы же видели, как отливают различные детали из бронзы, а нельзя таким же образом их делать из железа? – решил уточнить Дима.
   Магик продолжил:
   – Собственно, так и делают, но в отличие от бронзы чугун (сплав железа с углеродом) или сталь (сплав железа с меньшим содержанием углерода, чем в чугуне) труднее довести до жидкого состояния и длительно поддерживать высокую температуру, чтобы добиться свойств, приемлемых для литья. Вот и приходилось отдавать предпочтение ковке. В наши дни широко используют литые детали из чугуна или стали. Только для тонких, упругих и прочных изделий типа ножей или мечей литьем нельзя добиться желаемого результата. Поэтому такие предметы получают ковкой и последующей закалкой.
   – Закалкой? – удивился Дима. – Меня все время заставляют закаливаться и умываться холодной водой. Так что же, металл тоже надо опускать в холодную воду?
   – Я уже говорил, что при каждом нагреве и охлаждении свойства материала меняются. В расплавленный металл мастера добавляли еще некоторые вещества и добивались получения очень прочных изделий. Многочисленными опытами они определяли, насколько надо нагревать материал и как быстро охлаждать его. Может, ты слышал, Дима, о кинжалах из дамасской стали. Их делали так давно, а они до сих пор не ржавеют, и даже в наши дни их считают чуть ли не самыми лучшими. Кстати, ковкой не только придают нужную форму, но и существенно улучшают свойства материала. В кованом изделии практически не остается пор, трещин или неметаллических включений. Но мы что-то увлеклись разговорами, а времени у нас для пребывания в кузнице осталось мало, так что, Дима, понаблюдаем молча за работой мастеров.
   В это время бородатый рабочий ухватился большими щипцами за раскаленный кусок металла (заготовку) и положил его на наковальню. Затем, перехватив щипцы одной рукой, в другую взял молоток. Слегка постукивая молотком по заготовке, он одновременно передвигал и поворачивал ее. Диме казалось, что такими легкими ударами вряд ли можно расплющить заготовку. Но тут вступил в работу юный геркулес с большим молотком. После каждого направляющего удара мастера он наносил сильный удар своим молотком в указанное место. На глазах у Димы заготовка преображалась, она делалась тоньше и длиннее, пока не превратилась в настоящий изогнутый меч. В процессе работы мастер несколько раз подогревал заготовку, так как она остывала и переставала быть пластичной. После этого удары повторялись с той же частотой. Дима нарушил молчание и задал неожиданный вопрос:
   – А что будет, если молотобоец промахнется и ударит по наковальне, а не по заготовке?
   – Хвалю тебя, Дима, за наблюдательность, так как ты заметил одну из возможных причин травматизма: при ударе по твердому предмету последует такая сильная отдача, что молотобоец может повредить мышцы рук. Но обычно рабочие настолько тренированы, что не ошибаются и не промахиваются. А вот начинающие мастера, иногда указав место удара, выхватывают заготовку буквально из-под молотка и наносят ущерб здоровью молотобойца.
   – А зачем же выхватывать заготовку из-под молотка, пусть себе ударяет!
   – Бывает так, что лишний удар по заготовке портит изделие, а мастер понимает это в последний момент. Но с давних пор у настоящих мастеров существует правило, что, какой бы дорогой ни была заготовка, здоровье человека дороже и подобные действия должны быть исключены, – разъяснил Магик.
   Тем временем бородач последний раз разогрел уже почти готовое изделие и опустил его в чан с холодной водой. Из чана послышалось шипение, и поднялся пар.
   – Это и называется закалкой, после чего меч становится прочным и твердым, – подвел итог Магик.
   Диму такой ответ не убедил:
   – Почему же меч такой черный и тупой?
   – О, его еще нужно отшлифовать до блеска и наточить, а как это делалось, ты уже знаешь, – закончил Магик и всем своим видом показал, что они слишком долго задержались в кузнице, а их ждут и другие дела.

Главное при горячей обработке металла – получение высокой температуры в печи и механизация тяжелых работ

   Дима настаивал на своем: