Лучковый токарный станок
Меж тем педальный механизм претерпевал свою самостоятельную эволюцию - в ткацких станках, в приводах токарных станков и в кузнечном молоте с педальным управлением, который появился в XIV веке. Приблизительно к 1430 году человек соединил педаль, шатун и кривошип воедино в виде привода, знакомого нам по современным ножным швейным машинам. Мукомольные мельницы и на этот раз оказались первой областью его применения. Вот когда появился, наконец, один из практически важных для современных машин механизм! Но внедрение такого привода проходило медленно, вероятно из-за трудностей с изготовлением хороших подшипников. В 1480 году его применяли для вращения точильных камней, а с XVI века стали использовать в прядильных и токарных станках.
Росло и число механизмов, известных техникам. Привод ворота породил рукоятку, изогнутую дважды под прямым углом, отсюда недалеко и до коленчатого вала, который появился в XIII веке в качестве удобного привода для ручной мельницы. Постепенно распространяются шарнирные механизмы.
Набор столярных инструментов изменился по сравнению с древними временами не очень значительно, но и здесь не обошлось без важных сдвигов. Коловорот и сверло пришли на смену смычковой дрели, применявшейся в прошлом. А вот устройство токарного станка изменилось коренным образом.
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.
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.
Начиная с 1526 года и в Толедо неоднократно предпринимались попытки создать небывалую по масштабам систему городского водоснабжения. В городское водохранилище Глочестера воду начала перекачивать с 1542 года ветряная мельница. Водоснабжение Лондона осуществлялось на первых порах приливной мельницей, сооруженной у Лондонского моста в 1582 году немецким инженером Питером Морисом, а затем были реализованы и другие проекты городского водоснабжения города. Первые сооружения по водоснабжению Парижа относятся к 1608 году.
А историки говорят, что проблемы водоснабжения городов решалось без всяких проблем в античных городах задолго до н. э.!
Спрос на силовые установки медленно, но верно обгонял их возможности. Люди начали поиск новых двигателей. Скрытые возможности пара смутно предугадывались отдельными лицами на протяжении уже нескольких столетий, но до середины XVI века так и не было предпринято ни одной серьезной попытки «запрячь» пар. Людям не хватало конкретных знаний о его природе и свойствах: его путали, например, с воздухом.
Лишь начиная с 1550 года приступили к настойчивому изучению свойств пара в поисках способов использования его энергии. Эти исследования особенно широко развернулись в XVII веке. Первоначальные попытки не принесли практических результатов, но на основе накапливавшегося опыта и была в конечном итоге построена действующая паровая машина. Баттиста делла Порта показал в 1606 году, как можно поднять воду под действием давления пара и как «засосать» ее путем конденсации пара в закрытом сосуде в целях создания разрежения. Соломон де Кос в 1615 году описал фонтан, приводимый в движение паром по принципу выталкивания воды из горлышка кипящего чайника с плотно закрытой крышкой.
Инженеры того времени умели сооружать весьма сложные установки, прообразы машин автоматического действия. Одну из таких установок построил в середине XVI века в Соловецком монастыре игумен Филипп (Федор Степанович Колычев), который впоследствии был митрополитом Московским и по приказу Ивана Грозного был задушен Малютой Скуратовым. Сохранилось описание его установки. В нее входили водяные мельницы, для приведения которых в действие копали специальные каналы. Они мололи зерно, просеивали помол и были еще и крупорушками. Мало того, установка имела устройство для приготовления кваса. Раньше этим занималась вся братия, которой помогали слуги из швальни, благодаря же механизации с работой справлялись один инок и пятеро служителей.
В монастыре были организованы соляной промысел, железоделательное и кирпичное производство. Изобретатель поставил несколько солеварен, соорудил сложную водную систему.
Интересно, что в «Механике гидравлико-пневматической» немецкого иезуита Каспара Шотта, опубликованной спустя столетие, описана машинная установка для пивоваренного завода, в целом напоминающая соловецкую.
Суммарная мощность гидравлических машин Англии к концу XVIII века составляла примерно столько же, сколько и суммарная мощность людей и животных, занятых в промышленности.
Дальнейший прогресс коснулся и текстильных машин. На ручной прялке, процессы прядения и наматывания пряжи на шпулю вели поочередно. Введение рогульки, вращавшейся вокруг веретена с другой скоростью, позволило совместить две эти операции. Первый эскиз рогульки, относящийся приблизительно к 1480 году, свидетельствует о таком совершенстве ее конструкции, которое дает основания полагать, что она была изобретена, видимо, на несколько лет раньше. Леонардо да Винчи принадлежит эскиз уже усовершенствованной рогульки, снабженной приспособлением для автоматической намотки, но она не получила практического воплощения, так что ее в XVIII веке пришлось изобретать заново. Применение рогульки позволяло пряхе сидеть за работой. А сидячий характер работы позволил снабдить прядильную машину педальным приводом.
Лентоткацкий станок - это особая разновидность ткацкого станка, приспособленная для одновременного ткания нескольких лент, на котором выполняемая ткачом операция над одной лентой воспроизводится на всех лентах. Это довольно сложная машина, ознаменовавшая большой шаг вперед в области текстильного машиностроения. По свидетельству одного венецианского писателя от 1629 года, станок был изобретен в Данциге в 1579 году, но муниципальный совет, опасаясь безработицы среди ткачей, скрыл это изобретение, а самого изобретателя тайно задушили. Вновь этот станок появился в 1621 году в Лейдене, проникнув к концу столетия в Голландию, Германию, Швейцарию, Англию и во Францию.
Вязальный станок изобрел в 1589 году Уильям Ли, приходский священник из деревни близ Ноттингема. Это весьма замечательное изобретение, если учесть большую сложность выполняемых им операций по сравнению, скажем, с ткацким станком. Даже в своем первоначальном виде операции этой машины были автоматизированы гораздо больше (хотя и не полностью), чем у любой другой машины такой же сложности.
Частные ремесленники и владельцы мелких мастерских видели, что внедрение машин ведет к расширению капиталистического способа производства за счет их промыслов, и поэтому пытались мешать использованию машин. Об одном таком случае репрессии в отношении данцигского изобретателя лентоткацкого станка в 1579 году мы уже упоминали. Подобным же образом кёльнским портным запретили в 1397 году пользоваться станком для насадки головок на английские булавки. Английский парламент под давлением ремесленных цехов был вынужден запретить в 1552 году пользование ворсильной машиной с приводом. А в 1623 году Чарльз I издал указ об уничтожении машины, производившей иглы.
Подобная оппозиция не была способна приостановить технический прогресс, но она настолько задерживала ход развития, что для преодоления сопротивления потребовались коренные политические перемены.
ИСТОРИЯ ХИМИИ
«Я хотел бы сообщать вам здесь не сухой набор фактов из истории химии прошлого, но и дать вам понятие о психологии тех пионеров этой науки, которые расчищали для нас наудачу первые извилистые тропинки в темном лесу неведомого. Мне хотелось бы сделать для вас ясным, почему наука о строении вещества, после своего возникновения неизбежно должна была пройти сначала через стадию магии, а затем стадию Алхимии».
У разных народов, как известно, разная кухня. Причем дело не в экзотических блюдах; достаточно посмотреть на самые обычные, повседневные. Даже они оказываются весьма специфическими в разных местах. Неужели же это разнообразие появилось из-за знания биохимических процессов? Нет, это результат огромного числа проб и ошибок. Так родилось, то, что называется кулинарией.
Скажем, в горах вода кипит при более низкой температуре, чем в низинах. И в горской кухне мы обнаруживаем в основном жареные блюда. А ведь горцы и не задумывались об этом законе природы. Просто, если в условиях пониженного давления варить продукты, еда будет жесткой. А если жарить, за счет образовывающейся внешней корочки внутри продукта повышается давление и процесс идет успешней. И они знают, что если делать так, то будет хорошо. И все.
История элементов
В 1880 году Фрэнк Уиглсуорт Кларк, главный химик Геологического комитета США, опубликовал результаты своих долголетних исследований состава земной коры. С тех пор подобные исследования, каждый раз все более точные, проводились неоднократно. Числа, выражающие процентное содержание элементов в коре, стали называть кларками. Вот кларки двадцати элементов, оказавшихся наиболее распространенными (% по массе):
1) кислород - 49,50
2) кремний - 25,80
3) алюминий - 7,57
4) железо - 4,70
5) кальций - 3,38
6) натрий - 2,63
7) калий - 2,41
8) магний - 1,95
9) водород - 0,88
10) титан - 0,41
11) хлор - 0,19
12) фосфор - 0,09
13) углерод - 0,087
14) марганец - 0,085
15) сера - 0,048
16) азот - 0,030
17) рубидий - 0,029
18) фтор - 0,028.
19) барий - 0,026
20) цирконий - 0,021
Еще до знакомства с металлами человек научился распознавать некоторые минералы, особенно по внешним признакам и прежде всего по привлекающим цветам, - ярко-красным, зеленым, синеватым. Он использовал серпентин, бирюзу, малахит, азурит, гематит, реальгар, аурипигмент, галенит и т. д. Это можно утверждать уверенно, поскольку изделия из этих минералов обнаруживаются в древнейших человеческих захоронениях. Известно также, что некоторые минералы красных цветов, как, например, ярко-красный реальгар (As 4S 4), наделялись магическими свойствами.
Несмотря на полное отсутствие конкретных сведений о том, кто, где и когда открыл простые вещества, относительно одного из них можно утверждать, что именно оно было обнаружено и использовано первым. Русское слово угольи латинское карбообразованы от древнейшего корня кар, которым обозначалось горение. Только у славян этот карпревратился в жар, гол(уголь) и гор(горение).
Огонь первобытных людей оставил после себя вещественный след в виде слоев окаменевшей золы и окаменевшего пепла. В карстовой пещере в окрестностях Пекина толщина такого слоя достигала нескольких метров.
Сначала жгли дерево, затем обнаружили, что если из дерева выжечь все лишнее, кроме того, что мы нынче называем углем, получится топливо, дающее значительно больше тепла, и в обращении более удобного, чем дрова. Технология производства угля изложена в «Естественной истории» Плиния Старшего, и она ничем не отличается от той, какой углежоги пользуются и по сей день: дрова складывают неплотной кучей, как для костра, затем засыпают землей, оставляя отверстия, достаточные, чтобы шло обугливание, но недостаточные для полного сгорания углерода.
Почему именно углерод - в виде угля - оказался первым элементом, который удалось найти и использовать? Не мог ли в принципе опередить его какой-нибудь другой элемент? Дело в том, что углерод повсеместно имеется в виде угля. Было бы просто невероятно, чтобы люди уже на заре цивилизации не встречались с ним чуть ли не на каждом шагу, как встречаются, кстати, до сих пор.
Слово сералингвисты производят от цира, санскритского слова, означающего светло-желтый цвет. Однако, судя по тому, что серой называют и другие горючие вещества, например смолу, главной особенностью серы очень давно стала для человека ее горючесть и способность образовывать при горении сильно пахнущий дым.
Не существует каких-либо сведений о том, когда именно люди начали использовать серу. Но можно предположить, что это произошло еще до ознакомления с металлами. Во всяком случае, ничто не мешало человеку сделать это еще тогда, когда он вел пещерный образ жизни. Случайно попав в очаг, светло-желтый камешек загорался и наполнял пещеру удушливым дымом, вынуждая ее обитателей бежать прочь. А когда через некоторое время дым рассеивался, они, вернувшись, бывали приятно поражены исчезновением всех насекомых. Вероятно, такое случалось не раз, пока люди не распознали, в чем тут дело, и не стали разыскивать и сжигать серу специально, развешивая над очагом одежду. При этих процедурах могли обнаружить и отбеливающее действие сернистого газа на ткани.
В древности люди использовали в основном самородную серу. Народы Средиземноморья получали ее из Сицилии; «рудником» служил кратер вулкана Этна.
Получали серу и из руд. У Агриколы так написано про этот процесс:
«Если руда очень богата серой, ее зажигают на широком железном листе с множеством отверстий, через которые сера вытекает в горшки, наполненные доверху водой».
Открытие металла произошло во времена каменного века. Занимаясь поиском подходящих пород камней, а затем наблюдая за изменением формы самородков под ударами твердых камней, люди пришли к мысли использовать их для изготовления мелких украшений путем холодной ковки. Позже начали ковать самородки меди с предварительным отжигом. Поэтому общепринято мнение, что с древности и до начала широкого использования железа наибольшее значение в материальной культуре человечества играли медь и ее сплавы с другими цветными металлами.
Но холодной ковкой можно было придать форму лишь малым по величине предметам - шилам, булавкам, проволоке, крючкам, наконечникам стрел, ножам, требовавшим лишь небольшой ковки и шлифовки. Получение же листов из самородной меди таким способом невозможно, она просто растрескивается. Нам здесь важно, что в древнейших слоях, где были найдены первые медные предметы, не оказалось никаких гончарных черепков. Следовательно, хорошими печами тогда еще не располагали, плавить и тем более выплавлять медь из руды не могли. Легко сделать вывод, что медные орудия и украшения были изготовлены из найденных самородков.
Большинство имевшихся на поверхности земли медных самородков было превращено в изделия за тысячи лет до нас, однако и в новые времена попадались многотонные самородки меди.
Одним из ранних названий металла было эс - слово, родственное индийскому айас, что означало руду. Между прочим, и теперь по-немецки руда обозначается сходным словом эрц. Поскольку первые рудники нашли на Кипре, и оттуда развозили готовый продукт в разные страны, медь стали называть эс киприум, металл с Кипра. Потом слово киприумв произношении заменилось на купрум, потом отбросили эс, и стали всякую медь называть просто купрум. Очевидно, что эти наименования-переименования произошли тогда, когда было уже не просто мореплавание, а торговое мореплавание.
Следующим этапом освоения металлов стал отжиг меди, а позже - восстановление ее из руд. Первым металлургическим горном мог быть костер, но температура древесного огня около 700°C, а для восстановления меди из карбонатной руды - малахита, требуется температура не ниже 700–800°C. А при отжиге меди плавление происходит при температуре не ниже 1084°C.
Таким образом, гипотеза открытия металлургии меди в результате случайного попадания кусков руды в костер не верна. Для любой, пусть самой примитивной металлургии нужна печь с искусственным дутьем. А первые такие печи были созданы для гончарного производства. И вот, не найдено ни одного культурного слоя - ни в Африке, ни в Азии, ни в Европе, ни в Америке, - где были бы остатки металлургического производства в виде шлаков, но не было черепков. Напротив, есть множество находок керамики, датируемых более ранними веками, где нет и следов металлургии.
Мы уже говорили, что путь узнавания нового сложен и случаен. Ну, не было у людей знаний! Какие же случайности встречаются в гончарном производстве, использующем печь, настолько часто, что это могло привести к обнаружению плавки металла? Это - восстановление металла из веществ, нанесенных на стенки гончарного изделия для их раскраски. Мы знаем, что это за вещества. Прежде всего, основные карбонаты меди - малахит и лазурит, а также сульфид ртути, киноварь. Все это яркие минеральные краски: зеленая, синяя, красная. А нанесение цветных узоров на изделия из керамики - один из древнейших видов искусства.