Герон из Александрии (умер, как считается, приблизительно в 70 году до н. э.) оставил потомкам не только трактаты, в которых описываются многие бывшие тогда в употреблении механизмы, но и первое сочинение об автоматах. Фигуры и их элементы двигались по прямой линии, по кругу, по произвольной кривой. Каждое движение производилось при помощи нитей, навёрнутых на барабаны или блоки различного диаметра и натягиваемых грузиками. В некоторых местах нити имели ненатянутые участки (петли) для того, чтобы одно движение запаздывало относительно другого.
С помощью таких автоматов проводились театрализованные и религиозные действия, поскольку наряду с малыми автоматами были и большие, управлявшие движениями статуй. Современный торговый автомат по принципу действия очень напоминает героновский автомат, выдававший святую воду в обмен на монетку. Есть утверждение, что Герон писал и о военных машинах, но это его сочинение до нас не дошло.
Кем он был? Предполагают, что землемером. Основания для такого предположения довольно смутны: якобы одно из его наиболее полезных изобретений напоминает теодолит, а другое - шагомер, прибор для определения пройденного расстояния.
Этот шагомер механически подсчитывал число оборотов вращающегося колеса; его можно уподобить современному счётчику километров на автомашине. Правда, никто этого прибора не видел, есть лишь сообщения, что он имел зубчатую передачу, причём изобретение зубчатой передачи иногда приписывают Архимеду. В своё время Леонардо да Винчи пытался сделать этот шагомер по описанию и понял, что прибор не работоспособен. То есть, это могло быть некоторое теоретическое рассмотрение, которое никогда и не пытались сделать и никогда не применяли, так что вопрос о времени «изобретения» тоже чисто теоретический. Да и сама зубчатая передача для тех случаев, когда была нужна определённая точность, в те времена просто не могла быть сделана, а почему - рассмотрим позже, в главе об истории часов.
Сообщают, что Герон в трудах своих описал насосы, приспособление для автоматической регулировки фитиля и уровня масла в лампах, пожарную помпу и пожарную машину. Другие героновы механизмы в большинстве случаев представляют собой не более, как механические фокусы или игрушки. Опять же, в натуральном виде этих приборов нет. Да и заявление, что их «описал Герон», сделал не сам Герон.
Историки науки пытаются объяснить такое положение дел тем, что ремесло было отделено от изобретательства, называемого «решением теоретических задач». Любой «теоретик» хотел бы видеть воплощение своих идей в практике, и старательно их описывал, желая привлечь внимание ремесленника или спонсора. Но если автор просто фантазирует, его приборы, естественно, не могли быть воплощены в практику. А описания остались.
Герону приписывают изобретение простейшей паровой турбины и ветряной мельницы, хотя существуют некоторые сомнения в правильности перевода текста, упоминающего мельницу. Но нам важно то, что здесь мы встречаемся с двумя устройствами, которые действительно можно было превратить в эффективно действующие первичные двигатели, однако это так и не было сделано до новейшего времени.
Можно предположить, что сам Герон не понял смысла своих собственных изобретений. Такое случается, хоть и редко. Но его работы читали другие, и тоже не сделали никаких выводов. А такое могло быть только в двух случаях: или на самом деле эти изобретения были уже не только известны, но и воплощены в металл, - тогда Герон обычный популяризатор. Или, наоборот, технологии не позволяют создать такой механизм, - и тогда Герон обычный фантазёр. В любом случае, для Герона техника была просто забавой. Турбина вращается сама по себе и ничего не приводит в движение. Ветряные лопасти крутят особое приспособление, но это не мельница, а всего лишь хитроумная безделушка.
В восточных (условно говоря, мусульманских) землях ветряные мельницы появились приблизительно в VII веке, в Западной Европе - ближе к концу XII века. Поскольку Герон жил в Александрии, на византийской территории, то самая, на наш взгляд, возможная хронологическая точка для него - VI век, незадолго до появления мельниц в мусульманских странах, которые, понятно, при Героне ещё не могли быть мусульманскими, поскольку пророк Мухаммед жил позже.
Изобретение пневматики историки отдают другому александрийскому механику, Ктесибию (примерно 100 год до н. э.) Он изобрёл двухцилиндровый пожарный насос, который ни в чём существенном не отличается от современного; изобрёл водяные часы, водяной орган, а также аэротрон - военную машину, в которой роль упругого тела играл сжатый воздух. Как и пожарный насос, аэротрон представлял собой цилиндр с движущимися внутри них поршнями, так что в трудах Ктесибия мы имеем первое в истории техники упоминание о кинематической паре «цилиндр - поршень». Но опять не известно, когда это было написано, и опять нечто подобное есть у Леонардо да Винчи.
Далее вспоминают математика и механика Архимеда, который родился в Сиракузах на острове Сицилия, учился в Александрии, а погиб на родине: согласно легенде, во время осады его родного города римлянами он создал новые военные машины, надолго задержавшие врага под стенами Сиракуз. Но всё же город пал, и Архимед был убит. А когда много лет спустя в Сиракузы приехал Цицерон, он так и не сумел убедить местных жителей, что у них жил такой выдающийся механик.
Архимеду приписывают изобретение винта, усовершенствование зубчатого колеса, формулировку закона его имени, а также создание многих новых машин. Если учесть, что в начале XVII века, через 1800 лет после Архимеда, было известно всего лишь около сотни механизмов, то человечество должно быть ему неизбывно благодарно. Правда, само его имя даже в XV веке не было широко известно.
Важным источником, из которой черпают представления об античной технике, стали «Десять книг об архитектуре» римского архитектора и инженера Марка Витрувия Поллиона (считается, что он жил в I веке до н. э.). Десятая книга его сочинения посвящена машинам, и здесь же дано определение машины:
«Машина есть сочетание соединённых вместе деревянных частей, обладающее огромными силами для передвижения тяжестей».
Согласно Витрувию, машины и орудия различаются тем, что машины для выполнения работы требуют большого числа рабочих или применения большой силы (таковы, например, баллисты и давильные прессы), орудия же выполняют задание умелой рукой одного человека.
Здесь мы находим ещё одно историческое противоречие. Раннее Средневековье знало водоподъёмное колесо. Оно было вертикальным, с прикреплёнными к нему черпаками, которые перекачивали воду в оросительный желоб. На первых порах колесо вращал человек посредством топчака или ворота, потом стали использовать вола, затем силу воды. Столетиями применение водяного колеса ограничивалось мукомольным делом, но в конечном итоге оно стало главным источником двигательной силы, на фундаменте которого протекали начальные стадии развития современной цивилизации. Также много позже Витрувия применяли горизонтальное водяное колесо, вращающееся на вертикальном валу под действием потока воды, направляемого желобом.
Между тем у Витрувия описана усовершенствованная разновидность водяной мельницы, с вертикальным колесом и горизонтальным жерновом! Они связаны между собой зубчатым (цевочным) зацеплением, и вся мельница сильно похожа на нашу современную водяную мельницу. К тому же зубчатое зацепление здесь было таким же, как и у водоподъёмного колеса, которое вращал вол, но с передачей усилия в обратном направлении. А вот ввести водяное колесо во всеобщий обиход выпало на долю средневековых механиков, что показывает: если Витрувий и был античным учёным, то эта античность непосредственно предшествовала Средневековью. Можно предположить, что жил он в XI или XII веке.
В одной поэме, которую относят к IV веку, упоминается приводящаяся в движение водой пилорама для резки мрамора. Однако трудно представить себе, чтобы какому-то изобретателю удалось использовать силу воды для сложного процесса резки мрамора задолго до того, как её догадались применить даже для помола зерна!
Многие историки культуры считают Средние века (500–1450 годы) мрачной эпохой: она привела цивилизацию к гибели. Действительно, в рамках традиционной хронологии так оно и выглядит: на протяжении всей этой эпохи не было почти никакого прогресса, пока в период чудодейственного Возрождения люди не открыли повторно изящные искусства и науки древней Греции и античного Рима, чтобы на их основе вернуться в лоно цивилизации. Но могло ли такое быть?
Между арабской и византийской культурами, при всём сходстве между ними, всё же существовал языковый барьер. Это привело к существенному расхождению в результатах научной работы, прежде всего в теоретических построениях. В то же время невозможно даже предположить, что арабские и византийские учёные не знали о работах друг друга.
Учёные арабского мира совершили немало открытий; принято считать, что в освоении знаний они опережали Запад на несколько веков. При дворе халифа аль-Мамуна в конце VII века было основано специальное учреждение - Дом мудрости, в котором он собрал учёных, владевших различными языками, во главе с известным математиком аль-Хорезми. Но чем же они занимались? Они переводили на арабский язык труды античных авторов по философии, математике, медицине, алхимии, астрономии!
Античные мудрецы в нашей улучшенной хронологии - это учёные Византии, творившие не в VI–I веках до н. э., а в IV–XII веках н. э., а значит, они просто современники арабских учёных. И в самом деле, арабский мир, непосредственно граничащий с землями Византии, вполне мог получать оттуда научные труды и переводить их. Ведь в Византийской империи уровень познаний в области практической механики был достаточно высоким; известно, что в Константинополе был арсенал с большим количеством военных машин.
Одновременно в границах Арабского халифата создавалась новая наука, а её создателями были все народы, населявшие халифат: хорезмийцы, сирийцы, тюрки, египтяне, арабы, испанцы. И ведь все они были недавними подданными Византии, их земли отделились от империи лишь в VII веке, после зарождения ислама. Объединяющим для всех них был арабский язык, язык науки и религии. Поэтому совершенно справедливо считается, что главным источником знаний арабоязычных народов в области практической механики на начальном этапе были сочинения, переведённые с греческого на арабский язык. Но это был язык не мифических «древних греков», а грекоговорящих византийцев.
Полученные знания были не только усвоены арабами, но и развиты ими. Так, в средневековом арабском сочинении IX века «Ключи науки» сообщаются сведения о простых машинах, о водяных и ветряных мельницах, о военных машинах и об автоматах. При чём же тут, спрашивается, «древние греки»?
Название «простые машины» в течение очень длительного времени применялось для обозначения простейших подъёмных приспособлений: рычага, блока, наклонной плоскости, клина и винта. Строго говоря, ни одно из этих приспособлений нельзя в полном смысле назвать машиной, и произошёл этот термин, вероятно, от неправильного перевода того слова, которым Герон Александрийский обозначил эти простейшие приспособления. Вплоть до конца XIX века и само понятие «машина» было неопределённым.
При халифах Харун-ар-Рашиде и аль-Мамуне (VIII–IX века) научная деятельность была на подъёме: строились астрономические обсерватории, здания для научной и переводческой работы, библиотеки. Получило развитие школьное дело, причём в некоторых случаях труд учителей очень хорошо оплачивался; предпринимались даже специальные путешествия учеников с учебными целями.
Было разработано много разных типов водоподъёмных машин, приводимых в движение силой воды или силой животных. В Х–XI веках было повсеместно прекращено производство муки на ручных мельницах: их сменили водяные мельницы, которые устанавливались не только на реках и в устьях каналов, питавшихся водой за счет прилива, но даже были выстроены мельницы, которые приводила в движение вода, отступавшая во время отлива. В Месопотамии на Тигре действовало много плавучих мельниц. Мельницы Мосула висели на железных цепях посредине реки; каждая мельница Багдада имела по сто жернопоставов.
В Средние века, кроме силы животных и воды, начали осваивать, «механизировать» ещё и силу ветра, что позволяло людям не ограничивать свою техническую смекалку лишь теми местами, где можно использовать водный поток. Так, ветряные мельницы впервые появились в Афганистане в IX веке: лопасти ветряного колеса располагались в вертикальной плоскости и были прикреплены к валу, который и приводил в движение верхний жернов. Почти одновременно с ветряными мельницами были изобретены и регулирующие устройства, необходимость в которых диктовалась тем, что крылья мельницы были связаны с жерновом напрямую, и скорость его вращения сильно зависела от силы ветра. В Афганистане все мельницы и водочерпальные колёса приводились в движение господствующим северным ветром, и поэтому ориентированы только по нему. На мельницах были устроены люки, которые открывались и закрывались, чтобы сила ветра была то больше, то меньше, поскольку при сильном ветре мука горит и выходит чёрной; порой даже жернов раскаляется и разваливается на куски.
Подробный перечень химического оборудования, применявшегося арабами при перегонке, возгонке, растворении, кристаллизации веществ, описал в своих трудах учёный ар-Рази (865–925), знаменитый врач и алхимик иранского происхождения, работавший в Багдаде. Ар-Рази упоминает различные типы горнов, а также жаровни, фитильные и пламенные (нефтяные) горелки, литейные формы, мензурки, колбы, тазы и тигли, банки, напильники и шпатели, молотки, щипцы и т. д.
Крупнейшим математиком и астрономом IX века был Сабит Ибн Корра. Именно в его переводах дошли до нас сочинения Архимеда, которые не сохранились в греческом оригинале (если такие были).
Известен трактат «Книга о механике», принадлежавший знаменитым астрономам и математикам Багдадской школы - трём братьям Бану Муса (IX–Х века). Среди прочих механических устройств, в их книге описаны приспособлении для поддержания постоянного уровня воды в сосуде. Трактат братьев Бану Муса породил целый ряд комментариев и трактатов. Механическим устройствам для поднятия воды посвящён трактат Абу-ль-Изза Исмаила аль-Джазари (XII–XIII века) «Книга о познании инженерной механики». Такого же рода устройства рассматриваются в трактате Мухаммеда Ибн Али аль-Хурасани «О водяных колёсах». Многочисленные описания всевозможных механических устройств, применявшихся в разных странах ислама, содержатся в трактатах аль-Кинди Якута и Ибн Халдуна.
Важным районом научно-технического развития была Южная Испания, составлявшая Кордовский эмират Арабского халифата, а с 1-й четверти Х века сделавшаяся особым Кордовским халифатом. В результате взаимодействия культур многонационального местного населения в IX–XV веках там шёл быстрый подъём общей культуры. В высших школах Кордовы, Барселоны, Гранады, Саламанки, Севильи, Толедо и других городов, помимо мусульманских официальных богословско-схоластических премудростей, преподавались философия, математика, астрономия, медицина и другие науки.
В библиотеке кордовского халифа Хакама II (2-я половина Х века) имелось до 400 тысяч рукописей. Здесь же были открыты и общеобразовательные школы. В научных центрах халифата велась большая работа по переводу античных рукописей с греческого на арабский, и с арабского на латинский язык. В Кордовский халифат приезжали учёные не только со всех концов мусульманского мира (в том числе из Средней Азии, Ирака и т. д.), но и из христианских стран Европы. Так, изобретатель часов Герберт учился в школах Барселоны и Кордовы и великолепно знал арабский язык.
Казалось бы, вовлечение в технический прогресс всё больших территорий и количеств людей должны были инициировать подъём изобретательства.
Но нет: историки науки уверяют, что средневековые механики ничего не изобретали, а придуманные в античности машины в их времена почти не изменились. Даже когда появлялись новые машины, они по принципу действия не отличались от старых. Что интересно, как в годы Витрувия, так и тысячу лет после него машины делаются в основном из дерева, металлические детали крайне редки. Число механизмов, используемых при их построении, остаётся одним и тем же.
В странах арабского халифата большое распространение получило ткацкое искусство. В Египте производились льняные и шерстяные ткани, и это мастерство перешло затем в Персию. Хлопок совершил обратное движение; его начали ткать в Индии, откуда он перешёл в страны Средней Азии и Египет. В Х веке хлопчатобумажные ткани из Кабула вывозили в Китай и в Персию. Центром шелкопрядения была Византия; шерстяные ковры ткали в Армении, Персии и Бухаре, причём армянские ковры считались лучшими.
Такое массовое производство тканей для рынка явилось результатом совершенствования техники прядения и ткачества. Преобразование поступательного движения во вращательное с помощью педального механизма, первоначально освоенное в гончарном производстве, вошло в конструкцию прядильного механизма, а это улучшило качество пряжи и ускорило производство.
Была усовершенствована конструкция ткацкого стана, который в античные времена (легко предположить, что незадолго до изобретения этого ткацкого механизма) представлял собой примитивную деревянную раму с простейшими механическими приспособлениями. Теперь станок с подвижными шнурами для поднятия и опускания нитей после каждого пролёта челнока был освоен ткачами Средней Азии и Ближнего Востока.
Крупнейшим учёным был руководитель Константинопольского университета (с 863 года) Лев, получивший прозвище Математика. Он изобрёл систему световой сигнализации, с помощью которой сообщалось во дворец о событиях, происходивших в государстве. Также с именем Льва связано изобретение «рычащих львов» и «поющих птиц», приводимых в движение струёй воды. Огромное значение имело применение Львом букв как арифметических символов: так он, по существу, подошёл к основам алгебры. Лев составил медицинскую энциклопедию, включавшую выписки из старых книг.
К сожалению, нашествия внешних врагов нанесли византийской культуре огромный урон. В 1204 году крестоносцы взяли Константинополь и варварски разграбили его. Хотя через 60 лет Михаилу Палеологу удалось восстановить Византийскую империю, но её экономика была подорвана, ремесло стало отставать от западноевропейского, а византийское купечество должно было уступить позиции купцам Венеции и Генуи. Вот почему византийские научно-технические достижения предшествовавшего периода приходится в значительной степени отнести к безрезультатно исчезнувшим, либо приписанным другим странам.
Западная Европа черпала свои технические знания из трёх источников. Первым было развитие собственной техники. Второй источник - исламские сочинения XI–XIII веков. Третий - труды византийцев, попавшие в Западную Европу несколькими путями. Сначала, в XIII веке они были привезены сюда в результате грабежа крестоносцами византийских ценностей, в том числе и культурных. В XV веке после захвата Константинополя турками многие учёные бежали на Запад, прихватив с собой своё наиболее ценное достояние - рукописи на греческом языке. Историки прямо сообщают, что эти византийские иммигранты привезли с собой в Европу целые библиотеки античных трудов!
Применение техники в Европе началось с использования водяного колеса. Оно упоминается почти во всех письменных свидетельствах VI и VII веков; видимо, новинка потрясла воображение летописателей. Затем шло постоянное внедрение колеса в практику. Например, на юге Трента и Северна (Англия) в 1086 году работали 5624 водяные мельницы, по одной приблизительно на каждые пятьдесят хозяйств. Этого, несомненно, было достаточно, чтобы коренным образом изменить условия жизни людей. Новая разновидность мельницы, приводимая в движение силой прилива, появилась на побережье Адриатического моря в 1044 году, а в Довере между 1066 и 1086 годами.
На первых порах водяное колесо, как и якобы в Древнем Риме, только мололо зерно. Но уже в XI веке кому-то пришла в голову мысль заменить рабочие органы мельницы - жернова - органами, предназначенными для выполнения другой работы. В простейшем случае на главном валу мельницы вместо цевочного колеса был жёстко закреплён кулак, он «управлял» рабочим органом. Его стали применять для самых разнообразных нужд, например на сукноваляльном производстве для отбивания сукна в воде, чтобы становилось плотнее и прочнее. Прежде валяли руками, ногами и даже палками, но теперь это стали делать силой воды, которая поднимала падающие молоты посредством кулачков, установленных на валу колеса.
В XIII веке подобные мастерские уже перестали быть редкостью. По такому же принципу в XI и XII веках стали строить кузнечные молоты и кузнечные мехи, в XIII веке появились бумажные фабрики, а в XIV - рудодробилки.
Силу воды применяли для толчения вайды (растения, дающего синюю краску) и дубовой коры. К концу XI века водяное колесо пришло в мелиорацию, в XIII - на лесопилки. Тогда же его стали использовать для затачивания ножей, а в XIV веке для волочения проволоки, растирания красок и привода токарных станков. Зодчий Виллар де Оннекур из Пикардии, о котором известно, что он занимался строительством соборов, оставил эскиз с изображением мельницы, которая вместо жерновов имела пилу, приводимую в движение с помощью шарнирного четырехзвенника.
Итак, за триста-четыреста лет реального использования, а не в фантазиях историков, водяное колесо претерпело эволюцию от устройства, пригодного исключительно для размола зерна, до универсального двигателя, повсеместно используемого в различных отраслях промышленности.
Вслед за тем и ветряные мельницы, появившиеся в Европе к концу XII века, совершили быстрый количественный и качественный прогресс. Мы писали уже, что в странах ислама ветряные мельницы встречаются уже с VII века. Но устроены они были совсем иначе, нежели европейские: к ободу горизонтального колеса с жерновом, вращавшегося на вертикальном валу, крепили лопасти. Европейская же конструкция походила на современную ветряную мельницу, её крылья отходили от горизонтального вала, вращение которого передавалось жернову парой зубчатых колес. По сути дела, это была водяная мельница Витрувия, в которой двигатель подняли наверх, и с лопастями для улавливания ветра вместо водяного колеса. Вряд ли она была простой копией восточной мельницы. Возможно, это был отклик людей, уже знакомых с водяными колесами, на рассказы, скажем, крестоносцев о том, что сарацины «запрягли ветер».
О ветряной мельнице в Европе впервые упоминается приблизительно в 1180 году в одном документе из Нормандии. До конца столетия она уже применяется от Йоркшира до Леванта. Конечно, приспособить ветряной двигатель для обслуживания каких-либо процессов, кроме мукомольного, было не так легко, но приблизительно с 1400 года она становится основой водоподъёмных работ при осушении в Нидерландах. Иногда её использовали как привод различных механизмов, например, для рудничного подъёмника в Чехии в XV веке.
Самые первые ветряные мельницы в Европе были козловыми, то есть весь корпус поворачивался на козлах для наведения колеса с лопастями на ветер. Это очень жёстко ограничивало размеры мельниц. Затем появились шатровые мельницы, в которых ходовая часть помещена в неподвижный корпус, а поворотный шатёр несёт лопасти и шестерни. Её мощность была уже в два-три раза больше, чем у козловых. По-видимому, такая мельница появилась к концу XIV века, но широкого распространения не получала вплоть до XVI века, пока голландские инженеры не усовершенствовали её, использовав все потенциальные возможности механизмов. После этого стало возможным применение её для многих производственных нужд.
На протяжении многих столетий, вплоть до появления парового двигателя, только животные обеспечивали человеку скорость передвижения и перевозку грузов. Ясно, что разработка приспособлений для использования скота была очень актуальной.
Древняя упряжь была придумана для запряжки быков. Её главным элементом было ярмо, покоящееся на холке быков, - к счастью, форма бычьей шеи позволяла сделать эту упряжь весьма рациональной. Однако она не годилась для онагра (это дикий осёл), и в особенности для лошади. Шея у них неподходящая. Поэтому ярмо, когда оно лежало на холке лошади, прихватывали ремнём или хомутом вокруг шеи. По сравнению с современной упряжью, в которой хомут покоится на лопатках, эта упряжь была очень неудобной. Когда лошадь тянула повозку или плуг, ремень давил ей шею и душил, вынуждая становиться на дыбы или закидывать назад голову.
Кроме того, лошадей не умели ковать, а кожаные накопытники надевали им только на сбитые ноги. В результате по меньшей мере две трети энергии лошадей тратилось впустую. Лошадиной тягой люди пользовались только для перевозки лёгких грузов, а тяжёлые грузы продолжали перетаскивать вручную ценой неимоверных страданий.