З моменту краху західної Римської Імперії у 476 році н.е. технологічна думка, хоча й відчула значне сповільнення свого розвитку, проте не зупинилася повністю. Багато інженерів і вчених були змушені миритися з новими реаліями і часто працювати в умовах анонімності, спричиненої переслідуваннями церкви.
Утім, інженерна думка спромоглася подолати Темні віки і наприкінці епохи Ренесансу навіть сформуватися як повноцінна наука — класична механіка. Наша стаття — про винаходи та відкриття, які передували цьому процесу.
Удосконалення технологій мореплавання
Перші корабельні керма, що дозволяють з корми змінювати напрямок руху судна, були відомі ще за часів Римської Імперії. Удосконаленням цієї римської технології в Середньовіччі стали перші суднові керма, що використовували принцип осьового обертання балера — стрижня, з одного боку прикріпленого до пера керма нижче ватерлінії судна, а з іншого виведеного на корму у вигляді важеля руління. Балерні осьові керма з’явилися як відповідь на постійне збільшення розмірів середньовічних кораблів і проявили себе добре навіть при рулінні великими караками і галеонами.
Перші зображення подібного керма можна знайти у церковних рукописах ХІІ століття. Винахід керма на основі балера і вертлюга не приписується одній людині — кермо просто стало найвдалішою і найчастіше використовуваною комбінацією рульових технологій, відомих ще з часів Античності.
Пристрої, які застосовували принцип стрижня і поворотної осі, в тому чи іншому вигляді доживуть і до наших днів. Зокрема, їхню наявність можна побачити в зчіпці для вагонів (аналог вертлюга), велосипедному кермі і навіть у конструкції керованих твердопаливних двигунів (пробка-штифт опускається і виходить із горловини двигуна, дозволяючи керувати тягою).
Доведене до досконалості корабельне кермо стане найбільш впливовою технологією пізнього Середньовіччя і на зорі XIV-XV століть започаткує епоху великих географічних відкриттів, про які згодом буде написано чимало книг. Однак, для того щоб усі ці книги побачили світ, спочатку необхідно було винайти друкарський верстат.
Народження друку
В основі всього друку лежить ксилографія — технологія відбитку на тканинну або паперову поверхню тексту з пофарбованої дерев’яної дощечки з літерами, що випирають. Перед відбитком на дерев’яному блоці виточували текст або зображення, яке потім покривали чорнилом чи фарбою. Підготовлений блок прикладали до паперу або тканини, придавлюючи його. Під дією преса нанесені на блоці чорнила друкувалися на папері, дозволяючи досить просто робити безліч ідентичних копій тексту чи зображень.
Перша згадка про ксилографію зустрічається у Стародавньому Китаї у ІІ столітті н.е. Зростання популярності буддизму вимагало збільшення тиражування священних текстів, які копіювалися в монастирях шляхом техніки блокового друку протягом багатьох століть. Найдавнішою з друкованих пам’яток того часу, що дійшли до нас, є “Діамантова сутра” — релігійний трактат, виявлений дослідником Марком Аурелом Штайном у печері поблизу Дуньхуана (Китай) 1907 року.
Приблизно 1040 року китайський селянин-винахідник Бі Шен (Bi Sheng) винайшов рухомий друк — технологію, яка суттєво прискорила процес тиражування паперових документів. Інновація Шена полягала у використанні компактних рухомих літер, які були вигравірувані на поворотних штампах (печатках). За понад сто років потому подібні матриці будуть застосовувати в Китаї для друку перших грошей (династія Сун, 1161 рік н.е.). До появи першого друкарського верстата в Європі залишалося ще близько 300 років.
Друкарський верстат німецького винахідника Йоганна Гутенберга, що з’явився в 1440-х роках, став квінтесенцією друкованих технологій свого часу. В основі роботи цього ручного верстата лежала вдосконалена технологія перенесення тексту з рухомих літер на папір. Для цього Йоганн Гутенберг переосмислив технологію гвинтового преса, який на той час використовували при виробництві льону, вина та паперу.
Крім удосконаленого преса, друкарський верстат Гутенберга був інноваційний у плані відливання літер завдяки використанню друкарської матриці — металевої дощечки з поглибленнями на місці букв, у які майстер заливав сплав олова, свинцю та сурми. Друкована матриця дозволила відливати цілі сторінки готового тексту і в багато разів збільшила швидкість друку книг, суттєво знизивши собівартість цього процесу.
Імовірно, саме фінансовий мотив підштовхнув Гутенберга до створення друкарського верстата. Іронічно, але бажання монетизувати власну ідею призвело до втрати свого винаходу. Оригінальний друкарський верстат виробництва Йоганна Гутенберга був конфіскований внаслідок програного судового процесу щодо погашення кредиторських позик. Йоханнес Фуст, колега Гутенберга з друкованої справи, який спочатку спонсорував його провадження, згодом відсудив у колишнього колеги верстат, а також весь набір із металевих друкованих матриць і блоків з літерами як компенсацію за непогашений борг. Саме описом всього майна з майстерні Гутенберга закінчується останній запис сучасників про перший у світі друкарський верстат.
Релігійні тексти та богословські трактати, які переважали у пресі на момент винаходу верстата Гутенберга, поступово зрівнялися у кількості зі світськими та науковими публікаціями. Саме широке поширення книг дозволило вченим, дослідникам та винахідникам з усього світу обмінюватися інформацією та розвивати наукові теорії своїх попередників.
Винахід друкарського верстата здійснив справжню революцію у процесах організації суспільного життя, збереження та передачі інформації. Саме розвиток технології друку дозволив суттєво здешевити виробництво книг, зробивши їх надбанням ширшого кола людей. Це зі свого боку вплинуло на поступове підвищення рівня грамотності та освіченості жителів Старого світу.
Механізми для спостереження за космосом та часом
Достовірно відомо, що одна із перших моделей пісочного годинника в середньовічній Європі з’явилася у французькому монастирі Шартре (Франція) приблизно у VIII столітті. Творцем механізму виступив чернець на ім’я Ліутпранд. Сама ж технологія обліку часу за допомогою двох рівномірних скляних колб та піску, засипаного всередину, була відома ще в сенаті Стародавнього Риму. Пісочним годинником там відміряли рівні інтервали для того, щоб у всіх римських сенаторів був однаковий запас часу на ораторські виступи.
Однак до початку XIV століття технологія пісочного годинника була явно кулуарною і не використовувалася повсюдно. Нове життя пісочним годинникам подарував початок епохи мореплавання, коли вони почали з’являтися на більшості суден. Причина збільшення попиту мореплавців на годинник була проста: морська хитавиця мінімально впливала на його справну роботу, хоча безпосередній контроль обліку часу (нагляд за переворотами колби та фіксація часових інтервалів у бортовому журналі), як і раніше, вимагали від екіпажу великої кількості зусиль. Пісочний годинник мав і інші недоліки, зокрема похибку у вимірі часу, яка зростала пропорційно терміну його експлуатації. За впливом постійного тертя піщинки в основі годинника дрібнились, а скляна шийка, через яку вони проходили, навпаки, розширювалася.
У ХІ столітті буддійський монах Су Сонг (Su Song, 1020-1101), який жив у Китаї за часів династії Хань, розробив годинниковий механізм для водяної армілярної сфери, яка була здатна вимірювати хід астрономічного часу та відображати розташування зір, які можна спостерігати у колі горизонту. Мірилом часу в механізмі водяної армілярної сфери виступала вода, а саме її рівномірна інтервальна течія.
Для реалізації своєї ідеї Су Сонг ініціював будівництво вежі з водяною армілярною сферою у її вершині. В основі вежі Су Сонга було приховане дерев’яне колесо діаметром 3,35 м (11 футів), навколо ободу якого кріпилося 36 ковшів. У ковші була організована безперервна подача води зі спеціального резервуара. Рівень води у резервуарі завжди був фіксованим, аби забезпечувати постійний тиск водяного струменя, що на практиці збільшувало точність ходу механізму.
Сфера була аналогом тривимірного космічного циферблата, який міг надати інформацію про механічний рух небесних сфер (orbis coelestis). Тобто, водяна вежа Су Сонга мала не тільки прообраз одного з перших годинних механізмів, а й інтерактивну карту космічних об’єктів, яка дозволяла розраховувати їхні координати, не спостерігаючи за ними безпосередньо.
Попри знищення астрономічного водного годинника Су Сонга, саме його механізм стає прообразом для першого механічного годинника, який з’явився в Європі наприкінці ХІІІ століття. Найбільш відомим з екземплярів цих годинникових механізмів є годинник собору в Солсбері, перші згадки про який зустрічаються в 1384 році. Годинник приводився в дію за допомогою граничного спуску — першого з відомих механічних спусків, який здійснював рух двома невеликими вантажами-противагами.
Найімовірніше, годинник у Солсбері не мав циферблата, а інтервали часу вимірювалися за допомогою ударів у дзвін. Саме винахід граничного спуску відкрив дорогу до появи першого повністю механічного годинника, проте й досі залишається загадкою, хто саме його вигадав.
Історія розвитку середньовічних механізмів та інженерії — це здебільшого історія збереження та удосконалення античних технологій, що існували раніше. Прогрес справжніх технологічних інновацій намітився лише на початку епохи Ренесансу, коли в людини, крім емпіричного уявлення про фізику природних процесів, з’явилася сильна теоретична база, багато в чому зумовлена розвитком математики.
