Текст книги "Путешествие к истокам машиностроения"

– А как загружают топливо? – спросил Дима. – На рисунке это не показано.

– Самое интересное заключается в том, что в качестве топлива используются вещества, содержащиеся в жидком сплаве. Важно их сжечь и удалить из сплава и тем самым получить материал с улучшенными свойствами. Обрати внимание, Дима, на эти отверстия в днище конвертера: через них вдувают воздух. Мощные струи воздуха проходят через толщу жидкого металла. Все внутри кипит и бурлит. Процесс сгорания происходит очень быстро. Через каких-нибудь 15–20 минут готовый материал можно уже заливать в формы. А вот при использовании других печей для достижения той же цели требуются часы и даже дни. В конце процесса в горячий сплав вводят необходимые добавки.

Рис. 17. Плавка стали способом Генри Бессемера (Англия, 1856 г.)

Рис. 18. Кузница (кон. XVIII в.)

Дима решил высказать свое мнение:

– Считаю, что нужно использовать только этот способ, если он такой быстрый и удобный.

– На первых порах он не казался таким удобным, ведь наряду с другими веществами выгорает и железо, да и качество полученной стали не лучшее. Потребуется еще лет сто, чтобы данный способ вытеснил остальные. Произойдет это, когда вместо воздуха станут использовать кислород и введут изменения, о которых поговорим в следующем путешествии, – констатировал Магик.

– Все же я не завидую мастерам, которым приходится поворачивать такой громадный конвертер, потом таскать ковши с горячим металлом. А жар здесь, чувствуется, пышет со всех сторон, – вздохнул Дима.

– Действительно, условия работы в литейных цехах всегда были тяжелыми и опасными. Не менее сложной и трудоемкой была работа в кузнечных цехах. Поэтому механизации работ в них уделялось и уделяется большое внимание.

На экране появилось изображение кузнечного молота и мехов, приводимых в движение водяным колесом (рис. 18).

– Этот пример кузницы конца XVIII века, а уж более подробно о развитии кузнечного дела мы поговорим при встрече с известным изобретателем XIX века Джеймсом Несмитом, – продолжил Магик.

Новая эпоха в развитии техники

Робик быстро побежал вперед, не дожидаясь наших друзей, но тут же понял свою оплошность, так как навстречу мчались воины на лошадях. На всякий случай Робик отступил в сторону. Когда воины приблизились, то Дима увидел, что они на колесницах и едут не так быстро, как показалось вначале. Колесницы имели массивные колеса из дерева на деревянных осях. Подошедший в это время Магик пояснил, что они в Месопотамии специально, чтобы посмотреть на первое колесо, ознакомиться с его конструкцией и оценить значение для будущего.

Изобретением колеса начата новая эпоха в развитии техники

– Уж очень мы быстро переносимся из одного места в другое и из одного столетия в другое! – удивился Дима. – Так что, это самое первое колесо? Раньше их не было?

Магик осторожно заметил:

– Скажем так – одно из первых деревянных колес, а встречались еще и каменные колеса, но они, хотя и не изнашивались, были очень тяжелыми.

– Почему же их не делали из металла?

– Металлические изделия пока еще очень дорогие, а дерево как материал широкодоступно и легко обрабатывается. Кстати, мы уже у намеченной цели. Это мастерская, в которой изготовляют колесницы для армии. А вот и готовая колесница (рис. 19).

Рис. 19. Деревянные колеса в древних боевых колесницах

Дима, Робик и Магик стояли вокруг диковинного, хотя и очень простого устройства, которое состояло всего из одного ствола дерева и двух перекладин. На концах одной из перекладин были установлены колеса.

– К этой перекладине привязывают (впрягают) лошадей, – стал пояснять Магик, – а толстый, гладко обработанный комель (нижняя часть ствола) дерева приспособлен под сиденье возницы. Обратите внимание, как соединены детали друг с другом. Колесо выполнено из нескольких досок, скрепленных между собой штифтами. Штифты деревянные, со временем их заменят железные кованые гвозди. Чтобы колесо не болталось на оси, с наружной стороны в отверстие оси вбит клин.

Как видите, колесо получилось тяжелым и не может быстро вращаться на оси. Поэтому, когда люди придумали спицы для колеса, началась новая эпоха развития транспорта и других областей техники. Да ты, Дима, наверняка обращал внимание, как легко ехать на велосипеде, благодаря колесам с тонкими спицами. Что касается деревянных спиц, то в некоторых деревнях можно встретить телеги, колеса которых подобны тем, что устанавливали на телегах и конных колясках последние несколько веков. Такими делали колеса на ручных тачках и даже на вагонетках.

Сейчас я покажу конный скрепер для земляных работ (рис. 20). Его я отыскал в учебном пособии по строительству дорог, написанном в конце XIX века, – Магик направил луч света на пластинку, и перед собравшимися возникло голографическое изображение скрепера рядом с колесницей.

Рис. 20. Скрепер на деревянных колесах с металлическими обручами (XIX в.)

Рабочие, стоявшие поблизости, зацокали языками, выражая явное одобрение увиденного, а один из них даже попытался дотронуться до колеса, но его рука провалилась в пустоту. Магик объяснил, что это лишь изображение того, что будет через несколько веков изготовлено из дерева и металла, и, уже обращаясь к Диме, продолжил:

– Этот скрепер тянули, срезая слой грунта, пока им не заполнялся весь ковш, а затем перевозили в другое место. Обрати внимание, Дима, на конструкцию колеса: ступица и обод выполнены из деревянных секторов, в пазы секторов вставлены деревянные спицы, а детали ступицы и обода стянуты коваными железными обручами. Ступица установлена на стальной оси и зафиксирована гайкой. Пара материалов «дерево – сталь» – это хороший подшипник, а для уменьшения силы трения его смазывали березовым дегтем, который научились получать довольно давно.

Друзья вышли из мастерской. Дима хотя и привык к неожиданностям, но и он был потрясен увиденным: пара красивых гнедых жеребцов была впряжена в роскошную колесницу. Бортик колесницы весь был украшен дивными рельефными узорами, а главное – деревянные детали колес были точеными.

Дима увидел, что все вокруг изменилось; колесничная мастерская исчезла, а дорога, на которой стояла великолепная колесница, оказалась вымощенной камнями.

– Мы уже в другом государстве, а от наших дней нас отделяет две с половиной тысячи лет. Судя по точным формам ступицы и спиц колеса, их наверняка обрабатывали на токарном станке. Со временем я покажу вам первый такой станок. Он изобретен греческим мастером Феодором, – пояснил Магик.

– Магик, давай все-таки изменим программу путешествия и посмотрим этот станок сейчас, – стал уговаривать Дима, и Магик согласился:

Рис. 21. Токарный станок древнегреческого мастера Феодора-Плиния «Естественная история», I в.)

– Ну что же, все в моих силах. Есть у меня рисунок из книги философа Плиния, жившего в I веке (рис. 21). – Он высветил на каменной стене изображение простейшего токарного станка, вокруг которого стояли бородачи атлетического сложения. Один из них нажимал ногой на качающуюся доску (коромысло), соединенную с металлическим стержнем-шатуном, который приводил в движение кривошип. Закрепленная на валу кривошипа (этот вал назвали коленчатым и называют так до сих пор) деревянная заготовка тем самым приводилась во вращение. – Кстати, Дима, механизм, получившийся из коромысла, шатуна и кривошипа, называют кривошипно-коромысловым. Смотри, к вращающейся заготовке подведен стальной резец. Непрерывно передвигая резец вдоль оси вращения, срезают большую или меньшую стружку, получая тем самым фигурное изделие. Я немного изменил рисунок и вместо короткой заготовки поместил длинную спицу для колеса. Обрати внимание, что мастер держит резец в руках. При этом требуется большое напряжение, чтобы воспроизводить точные движения. Пройдет еще много веков, прежде чем будет придумана сначала неподвижная опора (направляющая скольжения) для резца, а затем и винтовой механизм для продольного и поперечного его перемещения.

Первый токарный станок изобретен две с половиной тысячи лет назад

Дима попросил Магика вернуться к механизму вращения заготовки на токарном станке:

– Если кривошипный механизм известен с давних пор, то его должны были применять во многих машинах и станках, не так ли?

– В том-то и дело, что он оказался забытым на многие века, так как удобнее было использовать лучковый привод, – ответил Магик, но Дима продолжил:

– Но у токаря должны быть свободны руки, а в лучковом приводе они заняты.

– Сейчас я покажу вариант ножного лучкового привода на станке XV века. – Магик представил на экране станок (рис. 22), который мало чем отличался от станка Феодора, хотя их отделяли друг от друга не менее двух тысячелетий.

Рис. 22. Токарный станок с лучковым приводом (XV в.

Дима сразу понял принцип действия станка: – Теперь все ясно – здесь приводной шнур, намотанный на заготовку, перемещается с помощью доски, на которую токарь надавливает ногой, а в натянутом состоянии шнур все время поддерживается тем же лучковым упругим звеном.

Дима даже потер руки, настолько он был доволен своей сообразительностью.

При движении на древней колеснице не хватает амортизаторов

– Да, а куда же делся Робик и где наша колесница? – спохватился Магик.

Тут послышался шум катящейся колесницы, и веселый Робик осадил коней. Дима несколько огорчился, что Робик без него катался на колеснице, а Магик спросил:

– Ну и как, понравилось тебе кататься?

– Понравиться-то понравилось, но уж очень трясет, так можно расстроить всю мою электронную систему, – признался Робик.

На что Магик заметил:

– В этой колеснице нет устройств, уменьшающих вибрацию, – амортизаторов и демпферов, которые были придуманы намного позднее.

Дима не оставлял без внимания ни одного высказывания Магика:

– Ты только скажи, для чего они нужны, а там видно будет, захочу ли я их изучать.

– Речь идет об устройствах, которые не только смягчают удары, но и уменьшают раскачивание коляски, кареты или другого транспортного средства. Сначала это были рессоры, затем появились другие устройства, без которых не обходятся в наши дни. На этот раз мы не будем забегать вперед и посмотрим, как в далекие времена люди использовали качение колеса для перемещения тяжелых предметов.

Перекатывать тяжелые предметы легче, чем тащить их волоком

За спокойной беседой Дима и не заметил, как изменилась обстановка вокруг. Они подошли к холму, на котором красовалось недостроенное здание с мраморными колоннами вокруг. Опиравшиеся на колонны массивные каменные фронтоны были украшены рельефными картинами, перед широкой лестницей стояли величественные статуи, которые издалека было трудно рассмотреть. Магик начал свои пояснения:

– Мы перенеслись в VI век до н. э. и находимся в городе Эфесе, территория нынешней Турции, на побережье Средиземного моря возле храма богини Артемиды (рис. 23) – покровительницы охоты и живой природы. Этот храм считали одним из чудес света. Но не пройдет и двух веков, как оно сгорит, и в таком виде его уже никто никогда не увидит. Правда, на этом месте построят еще более грандиозный храм, но и он не доживет до наших дней, – тут Магик спохватился: – Все же мы прибыли сюда не для того, чтобы любоваться этим сооружением, а чтобы узнать, как его строили и как перевозили тяжелые круглые части колонн и блоки для стен из каменоломни, где их изготовляли.

Рис. 23. Приспособления для транспортировки тяжелых предметов, применяемые при строительстве храма Артемиды Эфесской (VI в. до н. э.)

Диме издалека казалось, что не такие уж большие эти колонны, чтобы для их перевозки применять что-то необычное. Магик, как будто угадав его мысли, продолжил:

– Колонны имеют высоту около 18 метров, а каждый блок весит порядка десяти тонн, так что даже по нынешним временам это не такая уж простая задача, хотя у нас есть мощные грузовики и хорошие дороги. Тогда же ничего подобного не было, и любая повозка в мягком грунте могла так завязнуть, что никакие лошади ее не вытащили бы.

Тут послышались крики погонщиков, и к ним стали приближаться две довольно необычные процессии. Несколько пар быков тянули деревянную раму, внутри которой вращалась и катилась по земле тяжелая часть колонны. Еще больше быков было впряжено в короб с двумя громадными деревянными колесами по бокам. Колеса эти по диаметру раза в два превышали рост человека, да и толщина их была довольно большой. К погонщикам подошел какой-то человек и сказал, что уже становится темно и на сегодня работа завершена. Погонщики распрягли быков и погнали их на пастбище. Наши друзья подошли к оставленным на полпути тяжестям. Человек, отдавший распоряжение погонщикам, ничуть не удивился, увидев подошедших к нему существ, а когда Магик обратился к нему с вопросом, охотно разговорился.

– Скажите, любезный господин, а далеко ли находится каменоломня, – для начала спросил Магик.

– О, здесь не менее 8 тысяч футов, так что без отдыха трудно обойтись, – ответил их новый знакомый.

Магик пояснил Диме, что это означает более двух с половиной километров.

Тут уже Дима осмелел и спросил:

– Кто же изобрел такие интересные устройства?

– Перекатывание круглых частей колонны придумал наш архитектор Херсифрон. При жизни он не успел завершить строительство. А вот блоки перевозить так стали уже по предложению его сына Метагена. Он руководит строительством, и вы с ним можете познакомиться, наверняка он сейчас на стройке, – отвечал доброжелательный собеседник.

– Что же мы ждем, Магик, надо же посмотреть, как такие тяжелые колонны и блоки поднимают и монтируют, – торопился Дима.

Но Магик, подумав, предложил Диме подождать:

– Подъем и монтаж тяжелых блоков я рассчитывал показать на других примерах, сначала нужно посмотреть, с чего начинались такие процессы. Для этого нам придется снова вернуться на два тысячелетия назад и побывать на строительстве первых египетских пирамид.

Простые механизмы

– Магик, а почему стало жарко и так ярко светит солнце, ведь только что наступил вечер? – воскликнул удивленно Дима и увидел, что все вокруг изменилось.

Они стояли посреди пустыни: с одной стороны были бесконечные пески, а с другой – тысячи обнаженных людей, которые копошились вокруг каменных брусьев и бревен, непонятно откуда взявшихся в пустыне. Обожженные солнцем спины людей лоснились от пота. Время от времени на них опускались удары палок, сопровождаемые криками надсмотрщиков. Не дожидаясь ответа, Дима понял, что они уже в Древнем Египте на строительстве одной из гигантских пирамид фараонов и строит эту пирамиду множество рабов.

– Мы перенеслись в XXVIII век до н. э. Это значит, что мы видим то, что было пять тысяч лет назад, – ответил Магик и окликнул Робика, чтобы тот даже не пытался помогать рабам, если не хочет получить палкой по спине.

Клин, наклонная плоскость и катки помогают людям перемещать тяжелые предметы.

Рис. 24. Наклонные плоскости для перемещения тяжелых каменных блоков при строительстве египетских пирамид

Понаблюдав, Дима заметил, что в этой кажущейся неразберихе существует порядок. Вот группа рабов обступила гигантский камень и пытается обтесать его, придать ему форму бруска. Один из рабов вставил в углубление камня клин и стал его забивать. Рядом забили еще один клин, дальше еще один, и вот уже одновременно несколько рабов изо всех сил тяжелыми молотками наносят удары по клиньям. После серии ударов образовалась трещина, и от камня откололась внушительная часть.

Дима перевел взгляд на другую группу рабов, которые обвязали уже готовый каменный блок веревками, плотно обступили его вокруг и, подобно муравьям, пытаются его сдвинуть с места. Причем это им удалось, и камень пополз по наклонной дороге, все время поднимавшейся вверх. Присмотревшись, Дима увидел, что рабы подкладывают под блок катки, которые хотя и вдавливаются в дорогу, но все же существенно облегчают работу по перемещению камня. А впереди этой группы не меньше сотни рабов насыпают и утрамбовывают наклонную дорогу (рис. 24). Дима удивился, что пройденный участок дороги рабы уже разрушают, а песок и мелкие камни перетаскивают к вновь строившейся дороге. Сначала Дима счел эти действия бессмысленными, но потом понял, что дороги носят временный, вспомогательный характер и, как только они сослужат требуемую службу, их разрушат.

Тяжелые каменные блоки намного легче втаскивать по наклонной плоскости, чем поднимать их вертикально.

Послышался крик «Посторонись!», и Дима едва успел отскочить в сторону, как мимо пробежали рабы, тащившие чан с густой жидкостью. Диме показалось, что от нее исходил весьма неприятный запах. Он проследил взглядом, как рабы пробежали по наклонной дороге, затем с легкостью стали, как по ступенькам, взбираться выше, перепрыгивая с одного блока на другой, пока не добрались до места, где несколько человек пытались передвинуть один из блоков на другое место. Они упирались голыми ступнями в поверхности других блоков, но ноги скользили и истирались до крови, а блок не сдвигался.

По смазанной поверхности можно с легкостью тащить тяжелые блоки волоком

При перемещении тяжелых каменных блоков по горизонтальной или наклонной плоскости строители египетских пирамид для уменьшения силы трения использовали ил в качестве смазочного материала или подкладывали под камни катки.

Рабы, притащившие чан, вылили часть его содержимого на поверхность перед блоком, который нужно было передвинуть. Затем один край слегка приподняли, забив под него клин так, чтобы жидкость затекла в зазор между опорой и нижней поверхностью. Клин выбили, и теперь всего несколько рабов смогли сдвинуть блок. Так, одни толкали, а другие поливали жидкостью из чана поверхность на его пути, и блок легко скользил по образовавшейся луже. Дима понял, что благодаря смазыванию поверхности уменьшилась сила трения, препятствующая движению. Магик также пояснил, что жидкость в чане – это ил со дна реки – слизь, образовавшаяся от гниения органических веществ. Ноги рабов зачастую не могли найти опору и скользили, рабы падали, но поднимались с земли под ударами палок надсмотрщиков. Дима с горечью отвернулся, и его внимание привлекла группа рабов вдалеке. Те для чего-то наклоняли блок, подкладывали под него камни и подсыпали песок. В другом месте под такой же наклоненный блок подводили деревянное устройство, похожее на сани с изогнутыми полозьями (рис. 25).

Рис. 25. Два способа подъема тяжелых каменных блоков при строительстве египетских пирамид

Диме захотелось побывать там, где каменные блоки укладывали плотно друг на друга. Но, подойдя к основанию сооружения, идти дальше он не отважился – побоялся быть растоптанным сновавшими туда-сюда рабами. Дима рассмотрел стыки между камнями и удивился, увидев, что зазора там практически не было. Он достал из кармана картонную карточку и попытался просунуть ее в зазор между камнями, но это ему не удалось. Грани камней были настолько отполированы и подогнаны одна к другой, что даже самое мелкое насекомое не могло проникнуть внутрь. Да что там насекомое, даже капля воды не могла туда просочиться.

Оказывается, на носилках нечувствуется тряски и без амортизаторов

Дима окликнул Магика, указав на процессию, приближавшуюся к ним. Несколько рабов несли на своих плечах носилки с роскошным креслом. Над креслом был навес типа зонтика, защищавшего сидевшего там господина от солнца. К креслу по обе стороны были привязаны длинные жерди, концы которых удерживали на плечах носильщики. Они были почти одного роста и не выглядели такими изможденными, как те, что работали с камнями. Бежавшие рядом с носилками рабы придерживали их, чтобы носилки не раскачивались.

– Магик, что это за безобразие! Если даже это большой начальник, неужели ему нельзя было приехать на коне или на колеснице, зачем заставлять людей нести такое тяжелое сооружение?

Услышав возмущенное высказывание Димы, Магик рассмеялся и стал объяснять техническую целесообразность носилок:

– Видишь ли, богатые и знатные господа понимали, что на носилках намного комфортнее, чем на колесницах. Смотри, как плавно прогибаются жерди под тяжестью кресла, как растягиваются ремни, которыми это кресло привязано, и как смягчаются толчки благодаря гибкости тел самих носильщиков. Ведь суставы и мышцы человека – это прекрасные естественные амортизаторы. Да и колебания они хорошо ослабляют – демпфируют. Рассказывают, что первый демпфер изобрел человек после длительного пути в карете, когда он попытался успокоить раскачивание, сидя в карете и держась рукой за перекладину, на которой были установлены вращающиеся колеса.

Тем временем процессия ступила на насыпанную наклонную дорогу и стала подниматься вверх.

– Обрати внимание, Дима, что кресло продолжает сохранять горизонтальное положение, несмотря на значительный уклон дороги. Это достигается благодаря специальной подвеске – шарнирному соединению с промежуточной рамой носилок, связанной с продольными жердями. О такой подвеске напишет в свое время итальянский ученый Джеронимо Кардано, жаль, что встреча с ним у нас не запланирована.

– Не тот ли это Кардано, который изобрел карданную передачу? – Дима вспомнил увиденное в первом путешествии в царство машин.

Магик не успел ответить. К ним приближался знаменитый архитектор Имхотеп.

– Он является архитектором и строителем первой египетской пирамиды, и многие способы подъема и перемещения грузов придуманы им. Так что готовься к разговору с ним, – предупредил Диму Магик.

Рабы по знаку распорядителя остановили носилки как раз напротив наших друзей. Магик подошел к Имхотепу и объяснил ему цель их появления. Имхотеп подозвал жестом Диму, окинул его беглым взглядом и сказал:

– Насколько я понял, ты интересуешься способами подъема каменных блоков на большую высоту. В этой неразберихе вряд ли можно что-либо понять. Поэтому я объясню основные действия с помощью схем, – из складок своей богатой одежды он достал свернутый в трубочку папирус и развернул его.

Посмотрев на схемы, Дима многое понял и даже попытался объяснить:

Имхотеп рассказывает о способах подъема каменных блоков при строительстве египетских пирамид

– Теперь понятно, для чего рабы наклоняли блоки. Они подсыпали песок с одной стороны, затем, опираясь на подложенные острые камни, наклоняли блок в другую сторону и подсыпали песок с другой стороны. Повторяя такие действия не раз и не два, можно поднять блок на большую высоту. А то, что я принял за салазки, которые зачем-то подставляют под наклоненный блок, оказалось качалкой, с помощью которой легко можно наклонять блок то в одну, то в другую сторону и подсыпать песок под блок. Что меня смущает во втором способе, так это прочность деревянной качалки, ведь ее может раздавить тяжелый блок.

Пока Дима говорил, архитектор смотрел на него с изумлением. Наконец, он смог произнести несколько слов:

– До чего же сообразительный этот молодой человек, мне бы таких помощников! Вот что значит далекое будущее, а ведь в наши дни юноши даже благородных кровей не понимают элементарных вещей.

Тут подошел Магик, поблагодарил архитектора за уделенное внимание и стер в его памяти их встречу. Дима только успел увидеть, каким равнодушным стал их новый знакомый.