Спостерігаючи за тим, як працює рух у природі, стародавні люди спробували підкорити його. Результатом цього прагнення стала поява дивовижних машин і механізмів, що змінили звичний спосіб життя наших предків. У тому чи іншому вигляді більшість цих механізмів доживуть і до наших днів, а їхні базові технології механічного руху закладуть фундамент людської цивілізації.

Перед вами — перша стаття циклу, присвяченого розвитку науки і техніки, в якій ми розповімо про найдивовижніші технології Бронзової доби та Античності, а також про ентузіастів, що стояли за їхньою появою.

Колесо та витоки колісного транспорту

Ще в епоху Палеоліту (750 000 — 150 000 років до н.е.) наші пращури розуміли, що округлі предмети легше переміщати хоча б тому, що їх можна було котити, а не носити з місця на місце. Існувало й розуміння, що якщо використовувати як підкладки круглі колоди однакової довжини, то на них вийде перекотити громіздкі предмети неправильної форми. Але до безпосередньої появи колеса, у тому вигляді, в якому ми знаємо його зараз, минули тисячоліття.

Найдавніші з виявлених на археологічних розкопках колеса датуються 3500 роками до н.е. і походять із Месопотамії, давньої цивілізації на території сучасних Туреччини, Сирії та Ірану. Примітно, що перше знайдене колесо зовсім не призначалося для транспортних цілей — його використовували як гончарне коло. Диск рухався за допомогою колісно-осьового механізму, постійне обертання якого дозволяло месопотамським керамістам домагатися симетричних форм при виготовленні посуду. Технологія не змінилася і за 6000 років — сьогодні все ручне гончарне виробництво здійснюється на подібних гончарних колах.

Дещо раніше, ймовірно, в V-IV тисячолітті до н.е., люди приручили коней. До технології колісно-осьового механізму вирішили вдатися ще раз. Кочовий спосіб життя, зав’язаний на полюванні як основному способі пошуку харчування, змушував людей постійно переміщатися з місця на місце. Перші прості одновісні візки (на два колеса) з’явилися в Європі приблизно в один із Близьким Сходом час.

Транспортне колесо та вісь візка, зразок віком 5150 років
Транспортне колесо та вісь візка, знайдені під Любліном (Словенія) 2002 року. Радіовуглецеве датування оцінило вік цього дерев’яного колеса в 5150 років

З усвідомленням того, що на возах можна перевозити всю свою поклажу, їм почали вигадувати нові застосування. Активно використовували колісниці у Стародавньому Єгипті, приблизно у ІІ тисячолітті до н.е. Причому вони виступали як транспортом, так і зброєю: дивовижна маневреність, яку демонстрували колісниці на полі бою, дозволила єгиптянам завоювати великі території південно-східного Середземномор’я та створити в цьому регіоні найбільшу стародавню цивілізацію.

Колісниця Монтелеоне - Етруська бронзова колісниця
Етруська колісниця (Колісниця Монтелеоне, музей Метрополітен) датована VI століттям до н.е. Після опанування бронзи старовинні колісниці стали набагато надійнішими та ергономічнішими

Війна на колісницях велася єгиптянами дистанційно. Екіпаж бойової колісниці складався з двох осіб: візника та покритого важкою бронею лучника. Іноді до екіпажу долучали зброяра, який залежно від бойового завдання або підносив стрілкові нові стріли та дротики, або ж добивав повалених цими стрілами ворогів. Останніх, за відсутності у противника кавалерії, було чимало. Легка та швидка — ця бойова машина була чи не найвиразнішою зброєю свого часу.

Через 3000 років перші легкі танки періоду Другої світової, екіпажі яких також складалися з трьох осіб (водія, стрільця та навідника), домінували на полях битви у всьому світі, надаючи підтримку піхоті та виконуючи функцію моторизованої розвідки.

Японський легкий танк Type 95 Ha-Go
Японський легкий танк Type 95 Ha-Go виробництва Mitsubishi мало чим скидався на колісницю, проте ідейно повністю наслідував її

Безсумнівно, всі, навіть найкривавіші війни древнього світу, рано чи пізно завершувалися, а на заміну руйнації приходили періоди творення. З розвитком та укрупненням міст людям доводиться розширювати забудову, роблячи свої будинки вищими, міцнішими та більш місткими. У цей час знайдено ще одне, досі менш очевидне, застосування головного механічного принципу колеса — обертального руху. Саме воно лягає в основу перших підйомних кранів.

Тягни-штовхай: перші підйомні механізми

Попри поширену хибну думку про те, що єгипетські піраміди епохи Серединного царства зведені шляхом використання складних підйомних механізмів, насправді все було не так. Підйомні механізми на той час були нездатні піднімати вагу кам’яних блоків (від 2 до 3 тонн), з яких побудовані піраміди. Єгипетські будівельники користувалися лише примітивними підйомними пристроями, такими як похилі пандуси та опорні важелі, тому більша частина навантаження від переміщення гігантських каменів лягала на плечі будівельників та рабів.

Перші підйомні крани з’являються в античній Греції на початку VI-V століття до н.е. та спершу використовуються для черпання води з колодязів і свердловин. Примітивна конструкція підйомників складалася з троса, пропущеного через шків — кам’яний (а частіше дерев’яний) плоский круглий вал із заглибленням у центрі. Сам шків не мав підйомних властивостей, проте він змінював вектор тяги, дозволяючи піднімати більшу вагу за еквівалентно затраченого зусилля.

Принцип роботи шківа був простий: прикладати зусилля для підняття ваги вниз було набагато легше, ніж намагатися виштовхнути його нагору

У ІV столітті до н.е. шківи почали поєднувати у блоки. Збільшення кількості шківів прямо пропорційно впливало на вагу, яку могла піднімати людина. За допомогою одного шківа середній робітник міг підняти 50 кг, скориставшись механізмом з блоком із трьох шківів — 150 кг, а блоком з п’яти шківів він піднімав до 250 кг. Технічними недоліками підйомних механізмів зі шківами була їхня низька зносостійкість, тому блокові механізми рідко складалися з більш ніж п’яти шківів.

Наступним етапом стала поява лебідки з горизонтальною віссю барабана та кабестана (або шпиля) — з вертикальною віссю барабана. Принцип їхньої дії полягав у наявності барабанного блока з ручками-тримачами. На вісь барабанного блока намотувався трос, який тягнувся до блока зі шківів. Лебідковим механізмам частіше знаходили застосування у будівництві та транспортуванні вантажів, тоді як кабестани використовувалися переважно на суднах як перші підйомні механізми для якорів. Простий механізм кабестана і сьогодні наявний на більшості якорів, звісно, його ручне піднесення вже понад сто років як замінено автоматичним. Просте влаштування лебідки також зустрічається повсюдно: від рибальських котушок до аварійних лебідок на автомобілях.

Вантажопідйомний кран 515 року до н. е.
Механізми на основі лебідки та блока зі шківів могли у 12 разів збільшити вантажопідйомність людини

Наступним етапом еволюції підйомних механізмів епохи Античності, що працюють на принципі лебідки, стає римське ступальне колесо — вантажопідйомний механізм, перша згадка про який датується 230 роком до н.е. Головною перевагою даного підйомника був великий діаметр колеса (4-5 м), що позначилося на суттєвому збільшенні вантажопідйомності крана.

Реконструкція римського ступального колеса
Реконструкція римського ступального колеса, розташована в німецькому Бонні

Це давало величезну механічну перевагу у процесі розподілу сил підйомного навантаження. Крім цього, ступальне колесо дозволяло збільшити кількість енергії, що виробляється однією людиною, оскільки в процесі роботи на колесі робочий задіяв як силу рук, так і ніг. В результаті цього людина, яка працювала на колесі, могла в 70 разів збільшити свою вантажопідйомність. Незважаючи на те, що під час тертя троса об шківи та барабан втрачалося до 20% ККД підйомного крана, різні його варіації дожили аж до епохи пізнього Середньовіччя.

Вантажні підйомники на основі шківа та лебідки пройшли довгий шлях модернізації та вдосконалення. До кінця ХІХ століття вантажні портові крани дозволяли одному робітнику за допомогою важелів переміщати вже вагу у декілька тонн.

Перший космічний хронограф

В епоху Античності за основу опису світобудови була взята арістотелівська теорія про геоцентризм, згідно з якою Земля була центром світобудови, а всі інші небесні тіла оберталися навколо неї. Попри помилковість цієї гіпотези, грецькі мореплавці мали унікальні механізми, які детально описували цикли і рухи космосу, що спостерігався з Землі.

Подібний археологічний артефакт був знайдений 4 квітня 1900 року поблизу грецького острова Антикітера і отримав назву Антикітерський механізм. Підняті з затонулого грецького судна залишки механізму, що збереглися, були класифіковані як деталі складного механічного комп’ютера, що приводився у рух системою мідних шестерень. Механізм мав передню та задню бронзові пластини, на циферблатах яких відображалися цикли руху космічних об’єктів. Велику частину механізму займав вигравіруваний опис Місяця, Сонця та ще п’яти відомих на той момент планет Сонячної системи.

З дна була піднята лише третина механізму — у вигляді розбитих на множинні уламки складових частин. Утім, і цих даних вистачило, щоб через 105 років, використовуючи методи рентгенівської мікрофокусної томографії, побудувати повноцінну 3D-модель пристрою.

основні елементи Антикитерського механізму
Фрагменти Антикітерського механізму, що збереглися, і його 3D-модель, відтворена за допомогою методів мікрофокусної рентгенівської томографії

Кожна з більш ніж 30 шестерень Антикітерського механізму описувала рух небесних сфер. Деякі частини механізму працювали синхронно та об’єднувалися у складні цикли, які описували залежності руху планет одна від одної.

Відтворена 3D-модель Антикитерського механізму
Відтворена 3D-модель Антикітерського механізму багато в чому схожа на механічний годинник, проте описує набагато складніші процеси, ніж добовий хід часу

Радіовуглецеве датування оцінило вік Антикітерського механізму приблизно у 2200 років. Як бачимо, вже у ці часи людство мало зародкове уявлення про космос та гравітаційну взаємодію небесних об’єктів, нехай і отримане емпіричним шляхом та не до кінця усвідомлене. Скрупульозне та вдумливе спостереження за космосом дозволило стародавнім грекам створити перший аналог космічного навігатора в режимі реального часу. Щось схоже сьогодні ми можемо спостерігати на онлайн-мапах зоряного неба, проте давнім грекам для цієї реалізації не знадобились ані надпотужні телескопи, ані інтернет з електрикою.

Античний геній шукав нові сфери для застосування своїх дивовижних механічних машин. Наступним етапом, де їм знайшлося застосування, стала автоматизація процесу торгівлі. Перший торговий автомат був здатний не лише проводити фінансові розрахунки, які не вимагали участі продавця, але й у прямому розумінні цього слова благословляти своїх покупців.

Автоматизація процесу торгівлі: машина Герона Олександрійського

Одним із перших задокументованих аналогів торговельного автомата стала машина Герона Олександрійського (приблизно 10-70 рік н.е.). Винахіднику вдалося створити механічний торговельний автомат, який систематизував роздачу освяченої води, кількість якої була суворо дозована. Внаслідок нововведення у храмі Олександрії з’явилася дивовижна рівність: віруючі вносили однакову плату, за яку завжди отримували однакову кількість благодаті.

Древній торговельний автомат, Олександрія, 1 століття нашої ери
Реконструкція торгового автомата Герона Олександрійського

Пристрій Герона Олександрійського являв собою вазу, наповнену святою водою, що стояла на нерухомому п’єдесталі. У вазі був кран, через який здійснювалася подача святої води. Як тільки парафіянин опускав необхідну кількість драхм у вазу, вага його пожертв сприяла відкриттю крана, розташованого в основі глека. У конструкції під вазою також була встановлена противага, яка з часом повертала кран у вихідне положення, перекриваючи потік святої води.

Автомат, створений Героном Олександрійським, суттєво полегшував роботу олександрійським священикам, які до появи машини були змушені самі здійснювати збір коштів і контролювати, щоб парафіяни не відливали собі занадто багато води. Через 2000 років одна американська компанія знову звернулася до машини Герона Олександрійського. Втім, замість святої води нові покоління торговельних автоматів постачали своїм покупцям звичайну газировку.

Vendo Coca-Cola Bottle Decapper Один з перших автоматів Кока-кола
Один із перших автоматів Coca-Cola та його задоволений клієнт

Короткі історії, наведені вище, доводять, що ще тисячі років тому люди почали замислюватися про необхідність часткової автоматизації процесів транспортування, будівництва, навігації (і навіть космічної!) та торгівлі. Багато з відлуння цих воістину дивовижних механізмів продовжують присутність у нашому сучасному житті. Але в історії розвитку інженерії це був тільки перший розділ.