На главную


2. Античная механика и перпетуум мобиле

  Первое упоминание о вечном двигателе относится лишь к 1150 г. Но означает ли это, что античная наука, и в частности механика, не интересовалась проблемой вечного движения? Ответить на этот вопрос нам поможет беглый взгляд на античное общество, на законы, по которым оно развивалось, а также на практику использования им орудий труда и инженерных знаний при постройке разного рода машин.
  Вечное движение являлось одной из тех традиционных проблем, которым в связи с исследованием физических явлений в окружающей жизни греческая философия уделяла много внимания. Приведем лишь один пример. Пифагорейцы, как и древние греки вообще, были буквально очарованы кругом. Они считали, что по круговым траекториям движутся не только небесные тела, но и человеческие души. Но в отличие от небесных тел, которые движутся по идеальным окружностям, а потому движение их вечно, человек не способен «проследить начало и конец своей дороги» и тем самым осужден судьбой на смерть.
  При исследовании условий, определяющих круговое движение тел, греки пришли к выводам, даже теоретически исключающим всякую возможность существования на Земле искусственно созданного вечного движения, а следовательно, и вечного двигателя. С их точки зрения, движение тел на Земле ускоряется по направлению к ее центру. Правда, эти тела, если их заставить, могут перемещаться и по круговым траекториям, однако это движение не будет «совершенным». О телах, движение которых было бы действительно круговым, Аристотель говорит, что они не могут быть ни тяжелыми, ни легкими, так как эти тела «не способны приближаться к центру или удаляться от него естественным или вынужденным образом». Такому условию, однако, удовлетворяют только небесные тела. Это заключение привело далее Аристотеля к выводу, что движение космоса есть мера всех других движений, поскольку только оно одно является постоянным, неизменным и вечным.
  Оставим в стороне замечательные открытия Пифагора, Фалеса Милетского, Гераклита, Евклида и Апполония в области математики, выдающиеся астрономические труды Гераклида Понтийского, Аристарха Самосского и Эратосфена, философские воззрения Анаксимена и Гераклита относительно первичной материи нашей планеты, заслуги Анаксимандра в отрицании культа божественного в науке, а также первую теорию атомного строения вещества, предложенную Демокритом. Тем не менее нам останется еще для изучения обширная область, в которой существенную роль играют состав и структура основных элементов, использовавшихся античными механиками в своих машинах, а также их эволюция во времени.
  Основные представления о значении слова «машина» точно выражает определение, данное знаменитым римским архитектором Витрувием: «Машина есть взаимно связанное соединение деревянных частей, обеспечивающее наибольшую выгоду при поднятии тяжестей. Она приводится в действие искусственно, а именно круговым движением». Это слишком упрощенное представление античного мира об устройстве машины и ее назнанении трактуется значительно шире в более раннем сочинении «Механические проблемы», приписываемом Аристотелю (В настоящее время принято считать, что «Механические проблемы»-самый давний из дошедших до нас античных трактатов по механике, были написаны в начале III в. до н. э. в эллинистическом Египте. (См.: История механики с древнейших времен до конца XVIII века.-М.: Наука, 1971, с. 17.) - Прим, перев.). В частности, автор этого труда перечисляет и описывает целый ряд простых и сложных механизмов, используемых механикой того времени, а именно: рычаг, колодезный журавль с противовесом, равноплечие весы, неравноплечие весы-безмен, клещи, клин, топор, кривошип, каток, колесо, блок, полиспаст, гончарный круг, пращу, руль, металлические или каменные колеса во взаимно противоположном вращении (под этим, вероятно, имелись в виду зубчатые колеса в зацеплении). Из этого перечня видно, что основными конструктивными элементами античных машин являлись простые механизмы: рычаг, клин, наклонная плоскость, колесо и блок. Более древним египетским механикам были известны только рычаг, клин, полиспаст и, по-видимому, наклонная плоскость.
  Главным и чаще всего используемым механизмом был рычаг, изобретение которого приписывается Кинирасу Кипрскому. Теоретической разработкой соотношений между силами, действующими на плечи рычага, занимался Аристотель, а математическую формулировку этих зависимостей вместе с описанием многочисленных практических примеров предложил •Архимед. Первое применение рычага как основного структурного элемента точных механизмов разнообразных автоматов по праву приписывается Герону Александрийскому, так же как Периклу-первое использование его в боевой машине, которую, согласно Диодору, впервые построил механик Артемон при осаде Самоса в 439 г. до н. э. До конца еще не выяснен и вопрос об использовании наклонной плоскости при строительстве пирамид в III тысячелетии до н. э. Ее бесспорное влияние заметно, однако, у архимедова винта, первоначально служившего исключительно для поднятия воды, а позднее применявшегося в прессах для получения оливкового масла. Блоки использовали уже ассирийцы, а также, по-видимому, и египтяне. Вместе с тем уже Герон Александрийский прибегал к объединению нескольких блоков различного диаметра, в результате чего менялась быстрота движения фигур в его автоматах. Из блока же возник и полиспаст, который нашел самое широкое применение в технике римлян.
  К наиболее древним и чаще всего использовавшимся простым механизмам относится также клин, известный уже у очень старых культур, прежде всего в форме примитивных инструментов-долота и топора, а позднее - в качестве вспомогательного элемента при поднятии тяжестей. Колесо в своем первоначальном виде было призвано служить для замены трения скольжения трением качения при транспортировке крупных и тяжелых грузов. Первоначальные круглые деревянные пластины у первых телег в скором времени превратились в колеса с ободом, которые египтяне, греки, римляне и персы устанавливали на своих одноосных и двухосных повозках. Очень важное применение этот элемент нашел и в качестве педального колеса и колеса с конным приводом. По существу конный привод сделался важнейшей составной частью двигателей различного рода мельниц, в том числе водяных, в то время как основное назначение педального колеса, по Филону Византийскому, состояло в использовании его для привода водяных насосов и поднятия тяжестей.
  Весьма существенным элементом древней механики являлось также зубчатое колесо, развившееся, по всей вероятности, из обычного колеса. И хотя еще до конца не ясно, можно ли упоминание в «Механических проблемах» рассматривать как самое первое сообщение о появлении зубчатого колеса, однако несомненно, что систематически мы начинаем встречаться с зубчатыми колесами только у Герона Александрийского в его знаменитом годометре - приборе для измерения пройденного расстояния - или, в аналогичной форме, в виде цевочных колес в ряде его автоматов (рис. 4).

  Как отдельную главу в истории развития античной механики можно рассматривать эволюцию гидравлических и пневматических машин и механизмов. Используя архимедов закон о выталкивающей силе, действующей на погруженное в жидкость тело, два наиболее известных механика и инженера древности Ктезибий и Герои Александрийский построили целый ряд оригинальных устройств. К ним относятся, например, изобретенный Ктезибием двухцилиндровый распылитель однократного действия и предложенный Героном автоматический механизм для открывания храмовых дверей, схема которого изображена на рис. 5. Гидравлика стала играть значительную роль и в измерениях времени, особенно когда (начиная с 422 г. до н. э.) увеличилось число использовавших для этого водяных часов - клепсидр, из которых наиболее совершенные и наиболее сложные в конструктивном отношении разработал все тот же Ктезибий. Из машин - двигателей римлянам было известно только водяное колесо, приводимое в действие силой падающей воды, - важный элемент привода прежде всего для работы водяных мельниц.

  Весьма существенными для античного мира являлись и открытия в области аэромеханики. Кроме эолипила (парового шара) Герона - предшественника современных паровых турбин и реактивных двигателей - следует обязательно упомянуть также о построенном Ктезибием органе и особенно о его пневматическом самостреле (рис. 6), в котором действие аэромеханических элементов переносится на иную область приложений - создание военных машин. Поскольку античности не был известен порох, убойная сила оружия того времени зависела от упругости или гибкости дерева, кости и других материалов, из которых изготавливались дуги луков и самострелов. Замена Ктезибием дуги - классического элемента лука - пневматическим метательным механизмом несомненно свидетельствует о высоком техническом уровне его изобретений.

  В заключение этого краткого обзора состояния и уровня развития античной механики стоит хотя бы упомянуть о строительстве пирамид, оросительных каналов, акведуков, церковных храмов и амфитеатров. Античная наука, к которой наряду с математикой следует с полным правом причислить и механику, достигла весьма высокой ступени совершенства. Ведь только изобретений Ктезибия и Герона оказалось бы вполне достаточно для того, чтобы первая паровая машина появилась на две тысячи лет раньше. Тем не менее она так и не была изобретена даже несмотря на то, что древние с их развитой культурой хорошо представляли себе роль железа в технике и умели его добывать и обрабатывать. Анализ определения машины, данного Витрувием, создает, однако, впечатление, что античное общество почти не было заинтересовано в доведении новых открытий и изобретений до практического использования. Очевидно, большую роль играла здесь дешевизна рабочей силы, поскольку труд рабов в рабовладельческом обществе того времени оказывался более выгодным, чем создание новых, подчас мало кому понятных устройств. В силу этого в античный период значительного развития достигали лишь некоторые достаточно примитивные формы машин.
  Только отсутствием интереса к практическому использованию выдающихся открытий в естественных науках, и в частности в механике, можно объяснить, почему Ктезибий, Герои Александрийский и другие механики древности не оставили каких-либо упоминаний о механическом вечном двигателе. Быть может, подобное устройство имел в виду римский поэт Клавдиан, когда писал, что легендарный математик и механик древности Архимед якобы изобрел оригинальный прибор в виде сферы из стекла с изображением небесного свода, на котором воспроизводилось движение всех известных к тому времени небесных светил. Этот прибор, по свидетельству поэта, представлял собою некое автоматическое устройство, непрерывно вращавшееся само по себе.
  В упоминании об архимедовом стеклянном глобусе, содержащемся в одной из поэм Клавдиана, написанной около 400 г., говорится также о «запертом внутри духе», который поддерживает глобус в постоянном движении. Значение слова «дух», имеющего здесь, вероятнее всего, смысл движущей силы, объяснялось учеными по-разному. Так, например, польский иезуит Коханьский, современник Яна Амоса Коменского, принимал его за «парацельсов астральный газ» (о Парацельсе см. ниже). Более правдоподобные сведения об этом глобусе приводятся Цицероном в его сочинении «О государстве». Современные же исследователи античной техники считают, что для вращения архимедова глобуса использовалась сила падающей воды.


предыдущая страница

оглавление

следующая страница