Текст книги "Путешествие к истокам машиностроения"

Оборонительные машины Архимеда

Дима не заметил, как они очутились на крепостной стене большого древнего города. Солнце светило уже не так ярко, где-то внизу накатывались на стену волны, а море простиралось вдаль. Дул сильный ветер, хотя было довольно тепло. Шум ветра не мог заглушить дикие вопли и грубые ругательства. Стуки и удары сотрясали стену. Дима увидел, что прямо на них летят стрелы и камни, он поспешил пригнуться. Магик успокоил его:

– Хотя мы и попали в гущу сражения, которое происходило более 22 веков назад, нам ничего не угрожает. Я говорил тебе, что создам только эффект присутствия, и эти воины, что атакуют город, не могут причинить нам вреда. Здесь мы увидим оборонительные машины Архимеда в действии. Давай подойдем поближе вон к той каменной башне, что выступает в море (рис. 26). К ней приближается корабль для очередного штурма. Это корабль римлян, которые вот уже два с половиной года осаждают город Сиракузы.

Рис. 26. Оборонительное устройство Архимеда для борьбы с атакующими кораблями

– Магик, а что это за рычаг такой с цепью на конце, которая спускается прямо в воду? – спросил Дима.

– Подожди немного, и поймешь все сам, а ты, Робик, спустись вниз и помоги защитникам города тянуть канат, что подвешен с противоположной стороны рычага, да делай это только по команде того человека, что стоит на башне! – успел сказать Магик, как началась атака.

Корабль, по бортам которого торчали и слаженно двигались ряды весел, уже почти подошел к башне. На его носу была сооружена небольшая деревянная башенка, на которой наготове стояли солдаты с мечами и длинной лестницей с крюком на конце. Вот они уже пытаются зацепить крюк за край башни и даже карабкаться по лестнице.

– Сейчас они захватят башню! – испугался Дима, его симпатии явно были на стороне защитников города.

С помощью полиспаста и рычага защитники города Сиракузы опрокидывают римские корабли

События происходили столь быстро, что Дима не успевал держать в поле зрения и атакующий корабль, и человека, который уже подал команду к действию, и группу людей, ухватившихся за канат. Он увидел, что внизу с внутренней стороны стены были не только люди, упиравшиеся изо всех сил в землю, но и лошади, и быки, которые тоже с помощью веревок тянули канат. Животных подгоняли ударами плетей, но рычаг поворачивался очень медленно. Дима не успел задать вопрос, как увидел, что нос корабля поднимается из воды. Оказалось, что под водой его захватили две громадные клешни, прицепленные к цепи, подвешенной на рычаге. Вот уже сорвалась и полетела вниз лестница, приставленная к башне, посыпались в воду люди вместе со своими доспехами. Крики и стуки усиливали впечатление хаоса на корабле. Когда корабль наклонился настолько, что на нем уже невозможно было удержаться, человек, руководивший защитниками города, подал сигнал отсоединить канат от рычага. Дима не понял, как это было сделано, но увидел, что корабль рухнул вниз, вода быстро затопила его трюмы вместе с гребцами. И только несколько человек безуспешно пытались выбраться из воды. А с другой стороны стены уже поднимались с земли и отряхивались люди, тянувшие канат. Они упали, когда канат был отсоединен от рычага, но это не причинило им особого вреда.

– А теперь, Дима, можешь задавать вопросы, если что-то непонятно, – улыбнулся Магик, глядя на растерянного и взъерошенного Диму.

– Как же так получилось, что несколько человек подняли большой корабль, ведь у рычага плечи почти одинаковы? – последовал вопрос Димы.

– Дело в том, что канат соединен с рычагом не непосредственно, а с помощью полиспаста. Разве ты забыл про полиспаст, действие которого мы изучали в первом путешествии? Ну что же, я напомню. Одна группа круглых блоков (с кольцевой канавкой для каната) соединяется с рычагом, а другая – с якорем, закрепленным в земле (рис. 27). Длинный канат тоже одним концом привязан к якорю, а за другой его можно тянуть. При этом длинный канат многократно огибает блоки, и образуется большое число параллельных ветвей. Натяжение каната по всей длине одинаково и равно силе, с которой его тянут. А вот на группу блоков и соответственно на рычаг действует результирующая сила, равная сумме сил натяжения всех его ветвей. По «золотому правилу» механики: во сколько раз увеличивается сила, во столько раз увеличивается путь перемещаемого конца каната. Вот и ответ на вопрос, почему люди и животные бежали быстро, а рычаг поворачивался медленно.

Рис. 27. Полиспаст и захватное устройство (IV–III вв. до н. э.)

– Я только не понял, как отсоединили канат от рычага, его что, перерубили? – решил уточнить Дима.

– Это не так просто, как может показаться. Можно, конечно, перерубить канат, но тогда его придется выдернуть из полиспаста. Вот если отсоединить блоки от якоря, тогда все произойдет мгновенно, и рычаг быстро повернется. Собственно, так и сделали: выдернули стержень из соединения блоков с якорем, – объяснил Магик и показал еще одно устройство, подобное тому, которым защитники города зацепляли и опрокидывали римский корабль. – Оно очень похоже на щипцы или ножницы. При натягивании каната рычаги щипцов поворачиваются вокруг их общей оси и своими лапками зажимают груз. Причем чем больше сила натяжения каната, тем сильнее зажимается груз, который не может выскользнуть из объятия лапок.

Беседуя, наши герои не обратили внимания, что город атакуют уже с суши. Они спохватились, когда внизу под стеной со стороны защитников города послышалась команда «Приготовить метатели к бою!». Когда Дима выглянул из-за зубца стены на простиравшееся перед ней поле, он ужаснулся. Множество легионеров стройными рядами приближались к городу. Их железные латы сверкали на солнце, а поступь была так тверда, что казалось, их ничто не остановит. Защитники крепости хотя и приготовили луки и стрелы, но понимали, что стрелам достать легионеров не так-то просто. Впереди них двигались деревянные башни, предназначенные для начального штурма стен и защиты шагавшей позади них пехоты. Воины на штурмовых башнях стояли, прикрывшись щитами, а из глазниц выглядывали лучники, готовые поразить любого защитника крепости, как только он проявит неосторожность и выйдет из-за укрытия. Эти движущиеся башни, как догадался Дима, были установлены на больших колесах, закрытых деревянными щитами, и толкают их десятки мускулистых рабов.

Главное в метательных машинах – упругий накопитель (аккумулятор) энергии

Тем временем и башни, и люди приближались к Сиракузам. Защитники крепости на стене ждали подходящего момента. И вот такой момент настал. В небо взлетели громадные камни. Да что там камни, целые глыбы полетели из крепости в сторону движущихся башен. Видимо, камни швыряли опытные бомбардиры, так как первые из них со страшной силой обрушились прямо на движущиеся башни. Послышался треск ломающихся бревен и крики ужаса. Башни одна за другой останавливались, а рабы, толкающие их, топтались на месте, лишь легионеры продолжали свой размеренный ход, как будто ничего не случилось. Лучники, стоявшие на стене, осыпали нападавших воинов стрелами, но доспехи и выставленные впереди щиты представляли собой хорошую защиту от стрел. Когда легионеры подошли к стене достаточно близко, они расступились и пропустили вперед бегущих людей с длинными лестницами. И вот в этот момент из-за стены забил настоящий фонтан, но не брызг, а небольших камней, которые посыпались на головы наступавших воинов. Послышались команды военных начальников, после которых легионеры хотя и с потерями, но довольно организованно отступили. Похоже было, что они вряд ли повторят попытку штурма.

– Ну что же, Дима, пойдем посмотрим на метательные машины, которые позволили выиграть сражение, – предложил Магик, и они стали спускаться вниз по каменной лестнице с внутренней стороны стены.

Спустившись на землю, они увидели Робика, который стоял в окружении бомбардиров и что-то увлеченно рассказывал. Магик едва успел окликнуть Робика, как заметил, что к ним приближается невысокий седой господин. Присутствующие горожане приветствовали его с глубочайшим почтением. Магик подошел к нему и сказал несколько слов, после чего тот благосклонно кивнул ему.

– Дима, тебе представилась возможность познакомиться с великим Архимедом. Это он создал уникальные машины, которые вот уже два года спасают город Сиракузы от захвата. А еще ряд машин сугубо мирного предназначения являются основой для развития техники на два тысячелетия вперед, – с пафосом заявил Магик.

Рис. 28. Древние устройства для метания стрел

Рис. 29. Установка Архимеда для метания камней

Архимед без всяких вступлений начал объяснять устройство метательных машин (рис. 28, 29):

– Главным в этих машинах является накопитель энергии – торсион (рис. 30). Он представляет собой пучок канатов, жил или сплетенных волос, закрепленных с двух концов. Его закручивают и закрепляют в напряженном состоянии, а когда отпускают, он стремительно раскручивается и принимает прежнее положение. При этом он может разогнать метательный рычаг с камнем, а тот, подобно руке, зашвырнет большой камень очень далеко.

Такое устройство способно выпустить по противнику тяжелую и острую стрелу с достаточно большой скоростью. А такая стрела может пробить щит или защитную стенку. В какой-то мере здесь использован принцип обыкновенного лука, но упругое звено дополнено закручиваемыми пучками жил.

– Так это же настоящая пружина, только ее не сжимают, а закручивают, – Дима не утерпел и перебил Архимеда. – Принцип действия понятен, но для закручивания пучка в подобных механизмах требуется значительная сила.

Рис. 30. Упругий аккумулятор энергии, созданный для метательных машин (до IV–III вв. до н. э.)

Архимеда не смутила реплика Димы, хотя он и не привык к тому, чтобы его кто-то перебивал:

– Вообще-то можно поднять или передвинуть предмет любой тяжести, если использовать рычаг, полиспаст, зубчатую передачу и, наконец, винт, возможности которого очень велики. Можно применять эти механизмы не только по отдельности, но и в совокупности.

Вспоминая свое первое путешествие в царство машин, Дима спросил:

– Что вы имели в виду, утверждая, что можете поднять или повернуть всю Землю?

– О, это было образное выражение. Вряд ли можно представить более тяжелый предмет, чем Земля. А вот опору вне Земли никто предоставить не сможет, поэтому этим выражением хотелось подчеркнуть лишь неограниченные возможности машин, – кратко пояснил Архимед свое знаменитое высказывание. – А сейчас я предлагаю пройтись по нашему замечательному городу и посмотреть машины для мирного труда. Хотя город в осаде, жизнь продолжается: мы строим дома и разные сооружения, перекачиваем воду и пополняем запасы продовольствия и материалов.

К Архимеду подошел один из воинов и сообщил, что римляне сворачивают свой лагерь и, видимо, к утру осада будет снята. В городе начали приготовления к празднику по случаю победы: из погребов выкатили бочки вина, и народ уже предчувствует великое веселье.

Архимед только покачал головой и продолжил свой путь. У него появилось некоторое беспокойство после услышанного, но он привык к тому, что каждый должен заниматься своим делом: за обороноспособность отвечают руководители города и армии, а он должен думать лишь о решении технических и научных задач.

Архимед подвел наших героев к небольшой лебедке – вороту, одной из простейших машин (рис. 31), которая может являться составной частью более сложных. В метательных машинах ее используют для закручивания упругого накопителя энергии.

– С помощью поворотных стержней бревно вращают вокруг продольной оси. На бревно наматывается канат, к которому можно подвесить груз. По сути, бревно или барабан вместе со стержнями является рычагом, большое плечо которого равно длине поворотного стержня, малое плечо – радиусу бревна. Вот и получается выигрыш в силе.

Основой ворота является рычаг. Малое плечо равно радиусу круглого бревна, на которое наматывается канат, а большое плечо равно длине поворотного стержня, закрепленного в бревне, радиусу приводного колеса или плечу рукоятки.

Ворот – устройство для подъема грузов, прототип современной лебедки

Рис. 31. Ворот (со старинной гравюры)

Рис. 32. Грузоподъемный кран (III в. до н. э.

Архимед подошел к крану в виде укосины (рис. 32), которую можно наклонять с помощью каната и ворота. Грузовой канат при этом можно тянуть с помощью другого ворота или, как здесь, полиспаста.

Показывая высокую деревянную колонну (башню), которая имела в основании кольцо, опирающееся на вращающиеся катки, Архимед объяснил:

Первые грузоподъемные краны созданы на основе рычага и ворота

– К сожалению, этот кран не достроен, и вы видите лишь опорно-поворотное устройство (рис. 33). Осталось прикрепить к нему консольную стрелу, подвесить полиспаст и установить ворот, и тогда можно будет не только поднимать груз, но и перемещать его по дуге окружности при повороте колонны.

Рис. 33. Опорно-поворотные устройства грузоподъемных кранов

Дима с интересом рассматривал первые в истории грузоподъемные машины и вспоминал, что видел в первом путешествии. Те машины сделаны из стали, а эти почти полностью выполнены из дерева, там используют стальные канаты, а здесь канаты сплетены из волокон растительного происхождения. А вообще-то они имеют много общего, хотя и отличаются по размерам. Вот только катки в поворотном устройстве…

Магик как будто прочитал мысли Димы и продемонстрировал двухрядную шариковую опору в поворотном устройстве XX века, в котором вместо катков были шарики, катящиеся между кольцами. Еще добавилось зубчатое колесо для привода поворота (см. рис. 33). Самое главное, понял Дима, что все эти детали стальные, а их геометрическая форма отличается высокой точностью.

Из задумчивости Диму вывел неутомимый Архимед. Он указал еще на одно устройство (рис. 34) механической передачи движения и продолжил свои пояснения:

– Это зубчатая передача, она тоже основана на рычаге. Но в отличие от рычага здесь каждое колесо можно вращать непрерывно, и угол поворота колеса неограничен.

Дима успел рассмотреть выступы (зубья) на одном колесе, которые взаимодействовали с перекладинами (короткими стержнями – цевками) на другом колесе. А в это время Архимед продолжал:

– Радиус одного колеса меньше радиуса другого, а сила в зацеплении зубьев и цевок одинаково действует на каждое из колес. Вот и получается, что момент силы, создаваемый зубьями большого колеса, превышает момент силы, создаваемый зубьями малого колеса, хотя большое колесо вращается при этом медленнее.

Магик решил немного дополнить Архимеда:

– Кстати, разница в радиусах колес, а следовательно, в числах зубьев может быть очень большой. Во многих первых исполнениях малое колесо имело всего шесть зубьев, которые получали соединением трех пересекающихся стержней. Поэтому его и назвали шестерней.

Дима оживился, он часто слышал слово «шестерня», но не знал, откуда оно взялось.

– А почему бы не сделать колесо с одним зубом? – спросил он.

– Можно, конечно, сделать и один зуб, но тогда он должен взаимодействовать с винтом непрерывно, чтобы осуществить передачу движения. – Архимед показал винтовую передачу довольно непривычного вида. В ней зуб на ползуне перемещался вдоль вращающегося винта. Винт был выполнен из деревянного бревна, с вырезанной винтовой канавкой. К ползуну был привязан канат. При вращении винта ползун тянул канат, перемещая тяжелый груз.

Рис. 34. Механические передачи движения, в которых все детали передачи, кроме шипов и обручей валов, деревянные (III в. до н. э.)

Дима был знаком с винтовой передачей, но такую передачу он увидел впервые, поэтому и задал неожиданный вопрос:

– Это и есть знаменитый винт Архимеда?

Архимед не сразу сообразил, почему знаменитый, но тут Магик, вмешавшись в разговор, пояснил, что винт Архимеда упоминается во многих книжках, но часто не уточняют, что речь идет, прежде всего, о винтовом насосе.

Архимед с удовольствием выслушал Магика и заметил:

– Меня радует, что мое изобретение в далеком будущем назовут знаменитым, тем более что именно оно поможет нам так долго продержаться в осаде. Но прежде чем перейти к винтовому насосу, я хотел бы познакомить вас с другими видами механических передач и их деталями.

Архимед показал винтовую передачу, в которой винт находится в зацеплении с зубчатым колесом, и цевочную передачу с пересекающимися осями колес. Еще он познакомил Диму с конструкцией тяжелого вала. Этот вал был почти полностью выполнен из дерева и только на концах имел металлические шипы.

Винт Архимеда лежит в основе многих современных насосов, конвейеров и турбин

Рис. 35. Винт Архимеда

Тем временем они подошли к резервуару с чистой водой, который непрерывно пополняли с помощью наклонных труб (рис. 35). Ничего удивительного в этом не было бы, если бы вода текла по трубам сверху вниз, здесь же все было наоборот. Вода в резервуар поступала снизу. Для этого каждую трубу вращали. Архимед продолжил свои пояснения:

– Вот эта наклонная галерея (туннель) прорыта под стеной к водоему, который расположен внизу за пределами города. С помощью винтовых насосов воду перекачивают в данный резервуар, а из него жители черпают воду и используют ее для первоочередных нужд. Конечно же без воды мы не смогли бы существовать. Один из наших туннелей римляне нашли и засыпали. С большим трудом мы прорыли другой туннель, и запасы воды продолжают пополняться.

– Как же все-таки работает этот насос? – спросил Дима.

Архимед немного растерялся, так как не знал, как показать, что происходит внутри вращающейся трубы, но ему на помощь пришел Магик и сделал трубу прозрачной.

Дима увидел, что между стенками трубы и винта находится вода и при вращении винта она порциями постепенно перемещается вдоль него, подобно ползуну или гайке в обычной винтовой передаче. Тем временем Магик стал говорить об огромной значимости винта Архимеда:

– Спустя более двух тысяч лет на его основе создадут разнообразные конструкции насосов, компрессоров, гидравлических турбин и моторов, конвейеров для транспортировки сыпучих материалов, погрузчиков и других машин.

Рис. 36. Современный всасывающий винтовой насос

Не ограничившись сказанным, Магик с помощью своего волшебного проектора высветил на гладкой стене конструкцию современного насоса (рис. 36) и стал пояснять его устройство:

– Здесь винты находятся в зацеплении друг с другом. При вращении центрального винта начинают вращаться и боковые винты…

Диме было непонятно, зачем нужны такие сложности:

– Ведь можно же качать воду с помощью одного винта?

– В том-то и дело, что в винте Архимеда, в отличие от современного, вода поступает отдельными порциями и создать высокое давление невозможно. Если бы можно было установить такой насос в туннеле города Сиракузы, то он заменил бы весь каскад насосов, так как смог бы гнать воду по гладким трубам на большое расстояние. – Завершив свои разъяснения, Магик продолжал рассказ о применении и развитии винта Архимеда. – В наши дни трудно найти область техники, где бы не использовали в том или ином виде вашу замечательную идею, – Магик сделал почтительный жест в сторону Архимеда. На импровизированном экране появился, как показалось Диме, обычный винт Архимеда. Тем не менее Магик его несколько озадачил, сказав, что это не что иное, как винтовой пресс (рис. 37).

Рис. 37. Шнековый пресс с переменным шагом (экструдер)

Экструдер – винтовой пресс с переменным шагом, аналогичен винтовому насосу Архимеда. При вращении шнека материал, находящийся между витками, перемещается поступательно. Рифленая внутренняя поверхность трубы удерживает материал от вращения

– Позволь, Магик, мы же знакомились с иным винтовым прессом в первом путешествии, – заметил Дима, а Магик невозмутимо продолжил:

– То был ковочный пресс на основе винтовой передачи, а здесь шнековый пресс непрерывного действия на основе винтового насоса Архимеда, и предназначен он для изготовления деталей из пластмасс или легкоплавких металлов. Особенность этого пресса в том, что в нем одновременно происходит размягчение или плавление материала и проталкивание его (подобно мясу в мясорубке) через отверстие, соответствующее профилю получаемого изделия – длинного стержня, трубы или даже плиты. После отвердевания при охлаждении изделие готово для использования. Прессованием изготовляют детали различной конфигурации, в том числе стержни и плиты сложного профиля (поперечного сечения), а также получают литейные формы из формовочной смеси (рис. 38).

Рис. 38. Вид изделий, получаемых с помощью шнекового пресса

Диме было жалко, что таким способом можно изготовить далеко не все детали, и он попросил Магика продолжить разговор на данную тему:

– Ты же говорил, что машин на основе винта Архимеда множество, так что же еще ты можешь показать?

– Почти все корабли и даже маленькие лодки передвигаются с помощью гребного винта, основанного на том же принципе действия, что и винт Архимеда. Только здесь вода и винт поменялись ролями. Вода неподвижна, и винт как бы вворачивается в нее и толкает корабль вперед (рис. 39). Да что там корабль, подобные винты устанавливают на самолетах и вертолетах… – вспомнив, где они находятся, Магик решил отложить рассказ о воздухоплавании, тем более что Дима уже летал на самолете и на вертолете, а для Архимеда потребовалась бы подробная лекция. Он решил показать с помощью своего волшебного экрана несколько вариантов использования гребного винта для судов. Архимед был явно озадачен:

– Где же весла? Ведь ты, мой юный мыслитель, назвал винт гребным, но я не вижу ни гребцов, ни рабов, которые хотя бы вращали винт! – удивился он.

Рис. 39. Судовой движитель – гребной винт

– В том-то и дело, что всю работу здесь выполняет паровой двигатель, а до изобретения его еще очень далеко. Занимая сравнительно немного места на судне, он позволяет заменить труд тысяч людей.

Архимед, с интересом выслушав ответ, хотел попросить Магика поподробнее рассказать о некоторых устройствах.

Но время было позднее, уставшему Архимеду нужен был отдых, и они решили отложить беседу до утра. Архимед предложил встретиться на пляже:

– Уже осень, и нам никто не будет мешать, да и рисовать на песке мне очень нравится – в любой момент можно все стереть и начать сначала.

Приглашенные в гости к Архимеду, друзья устроились в одной из комнат в его доме. Дима долго не мог уснуть под впечатлением от новых встреч, от увиденного и услышанного в течение дня. Рано утром Дима с Робиком поспешили на пляж – на встречу с Архимедом. На улице творилось что-то невообразимое: шум, грохот, беготня. Один из горожан прокричал, что защитники города потеряли бдительность, выпили слишком много вина и уснули. Тем временем римляне ночью захватили город и жестоко расправились с его жителями.

Первый гребной винт запатентовал в 1827 г. Йозеф Рессель (Чехия). Дж. Эрикссон (Швеция) в 1837 г. первым построил судно с гребным винтом и пересек на нем Атлантический океан. Первый в мире гребной трехзаходный винт изобретен Литтлтоном в 1794 г.

Увидев, что Архимед жив, здоров и что-то с увлечением рисует на песке, Дима обрадовался и хотел поприветствовать своего нового учителя, как увидел, что с другой стороны приближается легионер. Поравнявшись с Архимедом, воин остановился и прокричал:

– Если ты тот Архимед, из-за машин которого нам пришлось так долго сражаться, чтобы захватить этот несчастный город, то приказываю тебе немедленно явиться к нашему полководцу Марку Марцеллу!

На это великий ученый и изобретатель ответил:

– Не загораживай мне солнце и не порть мои чертежи!

Дима увидел, что легионер сначала оцепенел от неожиданности, а затем выхватил меч.

– Магик, сделай что-нибудь, ведь ты же волшебник!

Магик не успел ничего ответить, как меч римлянина опустился на голову Архимеда, а убийца, стерев рисунок на песке, зашагал прочь.

Дима сначала не мог произнести ни слова, затем обратился к Магику с просьбой:

– Раз тебе не удалось спасти Архимеда, давай отправимся туда, где нет войн и убийств.

В его словах слышался укор: ведь Магик не спас Архимеда. Магик, поняв Диму с полуслова, напомнил ему о том, что нельзя вносить изменения в историю:

– Для нас важно только проследить, как развивалась техника раньше, чтобы понять, каким образом стоит совершенствовать ее в будущем. Но хватит об этом, мы уже перенеслись на несколько веков вперед и находимся в знаменитом городе Александрия.