Наблюдая за тем, как работает движение в природе, древние попытались подчинить его. Результатом этого рвения стало появление удивительных машин и механизмов, изменивших привычный уклад жизни наших предков. В том или ином виде большинство этих механизмов доживут и до наших дней, а их базовые технологии механического движения заложат фундамент человеческой цивилизации.
Перед вами — первая статья цикла, посвященного развитию науки и техники, в которой мы расскажем о самых удивительных технологиях Бронзового века и Античности, и про энтузиастов, стоявших за их появлением.
Колесо и истоки колесного транспорта
Еще в эпоху Палеолита (750 000 — 150 000 лет до н.э.) наши предки понимали, что округлые предметы легче перемещать хотя бы потому, что их можно было катить, а не носить с места на место. Существовало и понимание, что если использовать в качестве подложек округлые бревна равной длины, то на них получается перекатить громоздкие предметы неправильной формы. Впрочем, до непосредственного появления колеса, в том виде, в каком мы его знаем сейчас, минули тысячелетия.
Самые древние из обнаруженных на археологических раскопках колес датируются 3500 годами до н.э. и походят из Месопотамии, древней цивилизации на территориях современных Турции, Сирии и Ирана. Примечательно, что первое найденное колесо вовсе не предназначалось для транспортных целей — его использовали как гончарный круг. Диск приводился в движение при помощи колесно-осевого механизма, постоянное вращение которого позволяло месопотамским керамистам добиваться симметричных форм при изготовлении посуды. Технология не изменилась и за 6000 лет — сегодня все ручное производство гончарных изделий осуществляется на подобных гончарных кругах.
Немногим ранее, вероятно, в V-IV тысячелетии до н.э., люди приручили лошадей. К технологии колесно-осевого механизма решили прибегнуть еще раз. Кочевой образ жизни, завязанный на охоте как основном способе поиска пропитания, вынуждал людей постоянно перемещаться с места на место. Первые простые одноосные повозки (на два колеса) появились в Европе в приблизительно равное с Ближним Востоком время.
С пониманием того, что на повозках можно перевозить всю свою поклажу, им начали придумывать и новые применения. Активное внедрение колесниц происходит в Древнем Египте, приблизительно во II тысячелетии до н.э. Причем они выступали как в качестве транспорта, так и оружия: удивительная маневренность, которую демонстрировали колесницы на поле боя, позволила египтянам завоевать обширные территории юго-восточного Средиземноморья и создать в этом регионе крупнейшую древнюю цивилизацию.
После освоения бронзы древние колесницы стали куда надежнее и эргономичнее
Война на колесницах велась египтянами дистанционно. Экипаж боевой колесницы состоял из двух человек: возницы и покрытого тяжелой броней лучника. Иногда к экипажу был приставлен оружейник, который в зависимости от боевой задачи либо подносил стрелку новые стрелы и дротики, либо же добивал поверженных этими стрелами врагов. Последних, в случае отсутствия у противника кавалерии, было немало. Легкая и быстрая — эта боевая машина была одним из самых грозных оружий своего времени.
Спустя 3000 лет первые легкие танки периода Второй мировой, экипажи которых также состояли из трех человек (водителя, стрелка и наводчика), доминировали на полях сражений по всему миру, оказывая поддержку пехоте и выполняя функцию моторизированной разведки.
Несомненно, все, даже самые кровавые войны древнего мира, рано или поздно заканчивались, а на смену разрушению приходили периоды созидания. С развитием и укрупнением городов людям приходилось расширять застройку, делая свои дома выше, крепче и вместительнее. В этот период времени находится еще одно, до сей поры менее очевидное применение главному механическому принципу колеса — вращательному движению. Именно оно ложится в основу первых подъемных кранов.
Тяни-толкай: первые подъемные механизмы
Несмотря на распространенное заблуждение о том, что египетские пирамиды эпохи Среднего царства были возведены посредством использования сложных подъемных механизмов, в реальности все было не так. Подъемные механизмы того времени не были способны поднимать вес каменных блоков (от 2 до 3 тонн), из которых построены пирамиды. Египетские строители пользовались только примитивными подъемными устройствами, такими как наклонные пандусы и опорные рычаги, поэтому бóльшая часть нагрузки от перемещения гигантских камней ложилась на плечи строителей и рабов.
Первые подъемные краны появляются в античной Греции в начале VI-V веке до н.э. и изначально используются для черпания воды из колодцев и скважин. Примитивная конструкция подъемников состояла из троса, пропущенного через шкив — каменный (а чаще деревянный) плоский округлый вал с углублением в центре. Сам по себе шкив не обладал подъемными свойствами, однако он изменял вектор тяги, позволяя поднимать больший вес при эквивалентно затраченном усилии.
В ІV веке до н.э. шкивы начали совмещать в блоки. Увеличение количества шкивов прямо пропорционально влияло на вес, который мог поднимать человек. Так, при помощи одного шкива средний рабочий мог поднять 50 кг, воспользовавшись механизмом с блоком из трех шкивов — 150 кг, а блоком на пять шкивов он поднимал до 250 кг. Техническими недостатками подъемных механизмов со шкивами была их низкая износостойкость, поэтому блочные механизмы редко когда состояли из более чем пяти шкивов.
Следующим этапом стало появление лебедки с горизонтальной осью барабана и кабестана (или шпиля) — с вертикальной осью барабана. Принцип их действия заключался в наличии барабанного блока с ручками-держателями. На ось барабанного блока наматывался трос, который тянулся к блоку из шкивов. Лебедочные механизмы чаще находили применение в строительстве и транспортировке грузов, в то время как кабестаны использовались преимущественно на судах в качестве первых подъемных механизмов для якорей. Простой механизм кабестана и сегодня присутствует на большинстве якорей, но его ручной подъем уже более ста лет как заменен автоматическим. Простое устройство лебедки тоже встречается повсеместно: от рыбацких катушек до аварийных лебедок на автомобилях.
Следующим этапом эволюции подъемных механизмов эпохи Античности, работающих на принципе лебедки, становится римское ступальное колесо — грузоподъемный механизм, первое упоминание о котором датируется 230 годом до н.э. Основным преимуществом данного подъемника являлся большой диаметр колеса (4-5 м), что сказалось на существенном увеличении грузоподъемности крана.
Это давало огромное механическое преимущество в процессе распределения сил подъемной нагрузки. Помимо этого, ступальное колесо позволяло увеличить количество энергии, вырабатываемой одним человеком, так как в процессе работы на колесе он задействовал как силу рук, так и ног. В результате этого человек, работающий на колесе, мог в 70 раз увеличить свою грузоподъемность. Несмотря на то, что во время трения троса о шкивы и барабан терялось до 20% КПД подъемного крана, различные его вариации дожили вплоть до эпохи позднего Средневековья.
Грузовые подъемники, работающие на основе шкива и лебедки, прошли долгий путь модернизации и совершенствования. К концу ХІХ века грузовые портовые краны позволяли одному рабочему при помощи рычагов перемещать вес в несколько тонн.
Первый космический хронограф
В эпоху Античности за основу описания мироздания была взята аристотелевская теория о геоцентризме, согласно которой Земля была центром мироздания, а все остальные небесные тела вращались вокруг нее. Несмотря на ошибочность этой гипотезы, греческие мореплаватели обладали уникальными механизмами, детально описывающими циклы и движения наблюдаемого с Земли космоса.
Подобный археологический артефакт был найден 4 апреля 1900 года вблизи греческого острова Андикитира и получил название Антикитерский механизм. Сохранившиеся остатки механизма, поднятые с затонувшего греческого судна, были классифицированы как детали сложного механического компьютера, который приводился в движение системой медных шестерней. Механизм имел переднюю и заднюю бронзовые пластины, на циферблатах которых отображались циклы движения космических объектов. Обширную часть механизма занимало выгравированное описание Луны, Солнца и еще пяти известных на тот момент планет Солнечной системы.
Со дна была поднята лишь треть механизма — в виде разбитых на множественные осколки составных частей. Впрочем, и этих данных хватило, чтобы спустя 105 лет, используя методы микрофокусной рентгеновской томографии, построить полноценную 3D-модель устройства.
Каждая из более чем 30 шестерен Антикитерского механизма описывала движение небесных сфер. Некоторые части механизма работали синхронно и объединялись в сложные циклы, которые описывали зависимости движения планет друг от друга.
Радиоуглеродное датирование оценило возраст Антикитерского механизма приблизительно в 2200 лет. Как видим, уже в это время у человечества существовало зачаточное представление о космосе и гравитационном взаимодействии небесных объектов, пускай и полученное эмпирическим путем и не до конца осознанное. Скрупулезное и вдумчивое наблюдение за космосом позволило древним грекам создать первый аналог космического навигатора в режиме реального времени. Нечто похожее сегодня мы можем наблюдать на онлайн-картах звездного неба, но древним грекам для этой реализации не понадобились ни сверхмощные телескопы, ни интернет с электричеством.
Античный гений искал новые области для применения своих удивительных механических машин. Следующим этапом, где им нашлось применение, стала автоматизация процесса торговли. Первый торговый автомат был способен не только производить финансовые расчеты, не требующие участия продавца, но и в прямом смысле этого слова благословлял своих покупателей.
Автоматизация процесса торговли: машина Герона Александрийского
Одним из первых задокументированных аналогов торгового автомата стала машина Герона Александрийского (приблизительно 10-70 год н.э.). Изобретателю удалось создать механический торговый автомат, который систематизировал раздачу освященной воды, количество которой было строго дозировано. В результате нововведения в храме Александрии появилось удивительное равенство: верующие вносили одинаковую плату, за которую всегда получали одинаковое количество благодати.
Устройство Герона Александрийского представляло собой вазу, наполненную святой водой, стоявшую на неподвижном пьедестале. В вазе имелся кран, через который осуществлялась подача святой воды. Как только прихожанин опускал необходимое количество драхм в вазу, вес его пожертвований способствовал открытию крана, расположенного в основании кувшина. В конструкции под вазой также был установлен противовес, который с течением времени возвращал кран в исходное положение, перекрывая поток святой воды.
Автомат, созданный Героном Александрийским, существенно облегчал работу александрийским священникам, которые до появления машины были вынуждены сами осуществлять сбор средств и контролировать, чтобы прихожане не отливали себе чрезмерно много воды. 2000 лет спустя одна американская компания вновь обратилась к машине Герона Александрийского. Однако вместо святой воды новые поколения торговых автоматов стали снабжать своих покупателей обычной газировкой.
Короткие истории, приведенные выше, доказывают, что еще тысячи лет назад люди начали задумываться о необходимости частичной автоматизации процессов транспортировки, строительства, навигации (и даже космической!) и торговли. Множество из отголосков этих поистине удивительных механизмов по-прежнему присутствуют в нашей современной жизни. Но в истории развития инженерии это была лишь первая глава.
