Текст книги "100 великих чудес инженерной мысли"

Роботы – дело… прошлого?

Робот – один из самых любимых персонажей научно-фантастической литературы. Между тем роботы – это не столько дело будущего, сколько дело прошлого. Практическая автоматика возникла, по крайней мере, 2,5 тыс. лет назад.

В древности автоматы изготовлялись изобретателями-одиночками и, как правило, в единственных экземплярах. Архит Тарентский (VI–V вв. до н. э.) изготовил «летающего голубя», Дмитрий Фалерский (III в. до н. э.) – «ползающую улитку». Страстью к различным автоматическим механизмам был одержим Герон Александрийский (I в. н. э.). Ряд хитроумных приспособлений описан им подробно в его трудах. В их числе – работающий при опускании денег автомат, предназначавшийся для сбора пожертвований в храмах. Идея механизма заключалась в том, что верующему следовало опустить 5-драхмовую монету в щель и взамен получить немного воды для ритуального омовения лица и рук перед входом в храм. В конце дня жрецы могли забрать из автомата пожертвования.

Аппарат работал следующим образом. Монетка падала в небольшую чашечку, которая подвешивалась к одному концу тщательно отбалансированного коромысла. Под ее тяжестью поднимался другой конец коромысла, открывал клапан, и вода вытекала наружу. Как только чашечка опускалась, монетка соскальзывала вниз, край коромысла с чашечкой поднимался, а другой опускался, перекрывая клапан и отключая воду.

Другая конструкция, описанная в трудах Герона, – рожок, автоматически звучавший при открытии дверей храма. Он играл роль дверного звонка и сигнала тревоги при взломе.

Зачем в древности были нужны роботы-автоматы? Побудительные мотивы были самые разные: игра ума, заказ богача, искавшего развлечений, или жреца, который шел на подделку «чудес». Например, около 2000 лет назад тот же Герон Александрийский изобрел автоматически открывающиеся двери для храмов Александрии. Это стало подарком египетским жрецам, которые столетиями использовали механические или иные чудеса, чтобы укрепить свою власть и престиж. Применив относительно простые принципы механики, Герон создал устройство, при помощи которого словно невидимыми руками открывались двери небольшого храма, когда жрец зажигал огонь на жертвеннике напротив него. В скрытом под жертвенником металлическом шаре огонь нагревал воздух. Тот, расширяясь, проталкивал воду через сифон в огромную бадью. Последняя была подвешена на цепях системы весов и шкивов, которые поворачивали двери на осях, когда бадья наполнялась и становилась тяжелее. Когда огонь на жертвеннике угасал, происходила еще одна удивительная вещь. В результате быстрого охлаждения воздуха в шаре вода засасывалась в сифон другим путем. Опустевшая бадья возвращалась вверх, приводя в обратное движение систему шкивов, и двери торжественно закрывались.

Известно, что у трона византийских императоров стояли два золотых павлина, вертящих головами и хлопающих крыльями. Автоматы, воспроизводившие действия живых существ, появлялись и в Средние века. Альберту Великому (XIII в.) приписывают создание «железного человека», подобно привратнику отпиравшего на стук дверь и приветствовавшего входящих кивком головы. Леонардо да Винчи пять столетий назад для встречи гостившего в Милане короля Людовика XII смастерил льва, который шел по тронному залу и у подножия трона открывал лапами грудь, высыпая к ногам короля лилии. Известны описания «говорящей головы», созданной Роджером Бэконом, «укротительницы змей», построенной механиком Гастоном Дешаном.

В XVII–XVIII вв. в Европе были очень популярны весьма совершенные и дорогие механические пианистки, писцы, художники. Пианистка, например, исполняла, перебирая пальцами, музыкальную пьесу на клавесине, поворачивала голову и следила глазами за движением рук, у нее, как бы дыша, мерно вздымалась грудь. Эти удивительные механизмы уже делались в коммерческих целях: их возили по Европе, показывая за плату. Позднее, в эпоху промышленной автоматики, такого рода автоматы не исчезли совсем, а выродились в более простые и дешевые механические игрушки.

Существовали даже целые механические театры. Еще на рубеже двух эр Герон Александрийский построил театр марионеток, исполнявших пятиактную пьесу о возвращении троянских героев. Позднее «театрами автоматов» украшались настольные часы, покупавшиеся богатыми людьми, и башенные часы, сооружавшиеся по заказам городских властей. Сегодня в Праге до сих пор можно видеть знаменитые часы Староместской ратуши, на которых куклы-автоматы ежечасно разыгрывают целое представление.

Однако автоматы предназначались не только для развлечений. С давних времен изготавливались и автоматы другого типа, которые стороннему наблюдателю могут показаться примитивными и неинтересными. Они на первый взгляд вроде бы предназначались для второстепенных целей и не выставлялись создателями напоказ. Так, арабские мастера в I в. придумали поплавковый регулятор уровня воды в резервуаре, питавшем водяные часы. На это устройство никто не обращал особого внимания, но без него работа часов не была бы точной.

Широко использоваться автоматические регуляторы стали в годы промышленного переворота в Европе на рубеже XVIII и XIX столетий. К таким механизмам относятся поплавковый регулятор питания котла И.И. Ползунова в его «огнедействующей» (паровой) машине (1765 г.) и центробежный регулятор скорости вращения вала в паровой машине английского механика Дж. Уатта, патент на которую он получил в 1784 г.

Алюминий в древности?

Алюминий – самый распространенный в природе металл. Он составляет 8,1 % веса земной коры. Однако в качестве свободного металла алюминий не встречается нигде – его можно найти только в рудах. И чтобы извлечь алюминий из этих руд, требуется приложить немало усилий.

Еще в V в. до н. э., по свидетельству Геродота, древние народы применяли при крашении тканей минеральную породу, которую они называли «алюмен», т. е. «вяжущая», «связующая». Этой породой были квасцы. Но о том, что в состав квасцов входит некий неизвестный элемент, стало впервые известно лишь в XVI столетии. Знаменитый немецкий врач и естествоиспытатель Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенхайм, более известный под именем Парацельс, исследуя квасцы, установил, что они «есть соль некоторой квасцовой земли», в состав которой входит окись неизвестного металла. Эту «квасцовую землю» (глинозем) в 1754 г. сумел выделить немецкий химик Маргграф. Однако прошло еще несколько десятков лет, прежде чем англичанин Дэви попытался с помощью электролиза получить таинственный металл, скрывающийся в квасцах. Но ни ему, ни шведу Берцелиусу, спустя несколько лет повторившему опыт, выделить этот металл в чистом виде так и не удалось. Несмотря на это, ученые все же решили дать «неподдающемуся» металлу имя. Берцелиус назвал его «алюмием» – от латинского «alumen» («квасцы»), а затем Дэви изменил это название на «алюминий».

Первым, кому удалось выделить металлический алюминий, стал датский ученый Ганс Христиан Эрстед. В 1825 г. он опубликовал свою статью, в которой писал, что в результате проведенных им опытов удалось получить «кусок металла, с цветом и блеском, несколько похожим на олово». Спустя два года немецкий химик Фридрих Вёлер опубликовал свой метод получения алюминия. А в 1855 г. на Всемирной выставке в Париже впервые были представлены слитки «серебра из глины», ставшие настоящей сенсацией.

В те годы алюминий ценился дороже золота и серебра. При дворе французского императора Наполеона III лишь члены монаршей семьи и наиболее почетные гости были удостоены чести есть алюминиевыми ложками и вилками. Однако поиски новых методов получения алюминия продолжались, и в 1886 г., независимо друг от друга, американский студент Чарльз Мартин Холл (1863–1914) и французский инженер-металлург Поль Луи Туссен Эру (1863–1914) разработали электролитический способ производства этого металла. Этот метод, мгновенно обесценивший «серебро из глины» (в 1854 г. 1 килограмм алюминия стоил 1200 рублей, но уже к концу XIX в. цена на него упала до 1 рубля), до сих пор остается основным в процессе промышленного производства алюминия. И сегодня, спустя сто лет, получение этого металла без электролиза немыслимо…

Но как люди обходились без электролиза две тысячи лет назад? Ведь некоторые цивилизации древности, судя по всему, были… знакомы с алюминием!

Древнеримский историк и географ Плиний Старший (Плиний. «Естественная история», книга 36, параграф 195) рассказывает об одном чрезвычайно интересном событии, которое произошло почти два тысячелетия назад. Однажды к римскому императору Тиберию пришел незнакомец и преподнес ему чашу из блестящего, как серебро, но чрезвычайно легкого металла. Мастер рассказал, что этот металл он сумел получить из глинистой земли. Быстро поняв опасность этого изобретения – ведь новый металл мог обесценить хранившиеся в императорской казне золото и серебро! – Тиберий приказал отрубить изобретателю голову, а его мастерскую разрушить. Так на долгие столетия рецепт изготовления алюминия был забыт…

Правильнее сказать – забыт в Европе. Потому что в другой части планеты – в Китае – одиночки-изобретатели продолжали каким-то неизвестным нам методом получать алюминий и изготавливать из него различные предметы.

В 1959 г. китайские археологи нашли в одном из древних погребений поясные застежки, сделанные из алюминия тысячу лет назад. А в 1978 г. всю мировую печать обошла сенсационная новость о том, что гробницу полководца Чжоу Чжу, умершего в начале III в., украшает… алюминиевый орнамент!

Ученые подвергли спектральному анализу некоторые элементы металлического декора гробницы. Результат оказался настолько ошеломляющим, что анализы пришлось несколько раз повторить. И всякий раз данные анализа неопровержимо свидетельствовали: сплав, созданный древними умельцами, содержит 10 % меди, 5 % марганца и… 85 % алюминия!

Но каким же образом китайским мастерам удалось получить этот металл в III в.? Ясно, что не с помощью электролиза. Правда, известен другой способ получения алюминия, разработанный в 1860-х гг. русским химиком Н.Н. Бекетовым, по которому алюминий выделяется из природного минерала креолита с помощью магния. Но тогда получается, что древние, помимо алюминия, знали еще и магний? Или в те далекие времена существовал какой-то другой способ получения алюминия, затерявшийся в веках?

Железная колонна в Дели

Мечеть Кувват-уль-Ислам со всемирно известным минаретом Кутб-Минар – старейший мусульманский храм в Индии. Внимание его посетителей неизменно приковывает странная, целиком изготовленная из железа колонна, одиноко высящаяся во дворе мечети. Она намного старше, чем сама мечеть, – ее возраст насчитывает более полутора тысяч лет. Казалось бы, что за пятнадцать столетий влажный климат Индии, затяжные ливни в период муссонов должны были превратить железо в труху. Однако на колонне нет… ни малейшего признака ржавчины!

Считают, что Железная колонна может являться, например, продуктом порошковой металлургии. Но была ли порошковая металлургия известна в Индии в IV в. н. э.? А если нет, то каким образом древние металлурги умудрились получить железо, практически нечувствительное к атмосферным воздействиям? Если они действительно обладали такой продвинутой технологией, то почему не сохранились другие подобные изделия?

Множество мифов и легенд окружает загадочный столб. В средние века индусы считали, что это знаменитый силач Бхим, один из героев «Махабхараты», снял столб со своей правой руки и воткнул его в землю. Позже, уже в наше время, свою лепту в создание ореола таинственности вокруг Железной колонны внесли всевозможные любители «непознанного». Так, иногда можно встретить утверждения, что возраст столба составляет 2300 лет, и что его изготовили космические пришельцы – то ли отковали прямо в местных условиях, то ли доставили на Землю со своей инопланетной родины. Другие говорят, что индийские умельцы якобы изготовили колонну из огромного метеорита, некогда упавшего в окрестностях Бомбея…

Что же на самом деле мы знаем и чего не знаем о загадочной Железной колонне?

Очевидно, что первоначально Железная колонна была посвящена богу Вишну – об этом свидетельствует надпись на столбе, сделанная старинным письмом пали. Как установил британский историк Персиваль Спир, некогда колонна стояла перед одним их храмов на востоке Индии и увенчивалась некоей скульптурой – возможно, изображением мифической птицы Гаруды. Позднее мусульманские завоеватели перенесли ее во двор мечети Кувват уль-Ислам – очевидно, как символ победы и превосходства ислама над древнеиндийскими верованиями. Ведь разительный контраст между небольшой Железной колонной и в десять раз превосходящим ее по высоте монументальным минаретом Кутб Минар бросается в глаза, так что вряд ли можно считать близость этих двух выдающихся памятников случайной.

Высота колонны составляет 6,7 м, ее нижняя часть уходит в землю приблизительно еще на полметра. Раскопки, проводившиеся в 1871 г., показали, что в основании колонны сделано утолщение, напоминающее луковицу, от которого отходят в стороны восемь коротких толстых прутьев, отдаленно напоминающих корни дерева. Диаметр колонны изменяется от 42 см у основания до 30 см на вершине. Вес столба – около 6,5 тонн.

Поверхность колонны в нижней части довольно шершава, но выше, приблизительно на уровне глаз, она выглядит гладкой и хорошо отполированной. Верхняя часть колонны имеет желтоватый оттенок и иногда ошибочно воспринимается как бронза. Бронзовый цвет колонне придает тонкий слой ферритовой окиси, рассматриваемой под наклонным углом.

Когда была изготовлена колонна? Большинство исследователей склонно считать, что не ранее V в. н. э. Во всяком случае, именно к этому времени относится надпись на колонне, прославляющая военные подвиги короля Чандрагупты II из династии Гуптов (381–414). Однако британский историк Винсент А. Смит в 1897 г. обнаружил на столбе другую надпись, расположенную внизу и менее бросающуюся в глаза. В то время как надпись наверху указывает, что это памятник победам короля Чандрагупты, другая, внизу, упоминает о подвигах короля Ананг Пала, который правил в Дели в XI столетии нашей эры, то есть на полтысячелетия позже (по одной из версий, именно Ананг Пал привез Железную колонну в Дели).

Но, независимо от того, каков реальный возраст Железной колонны, она, без сомнения, представляет собой выдающийся памятник мастерству древних металлургов и наглядно демонстрирует, что как минимум 1000 лет назад индийские мастера уже владели секретами изготовления такого высококачественного железа, какое европейцы научились делать лишь столетия спустя. В 1963 г. Национальная Металлургическая лаборатория в Джамшедпуре (Индия) провела международный семинар по проблеме Железной колонны. Исследования показали, что поразительная антикоррозионная стойкость столба – не просто результат случайного стечения обстоятельств, но изделие мастеров, проявивших исключительную изобретательность.

Индийские металлурги еще в древности добились значительных успехов. Так, уже в IV–III столетиях до н. э. они научились получать металлический цинк. В Европе цинк впервые был получен лишь в XVIII в. (правда, по свидетельству Страбона, этот металл умели получать древние римляне, но позже это искусство было утеряно). Ярче всего мастерство индийцев проявилось в сфере обработки железа. Ктесий, врач персидского царя Артаксеркса (ок. 400 г. до н. э.), упоминает о мечах из индийской стали, полученных им в подарок при персидском дворе. Квинт Курций Руф, автор «Истории Александра Македонского», пишет о том, что в 326 г. до н. э. правители северо-западной Индии прислали Александру в качестве дани 100 талантов индийской стали в виде слитков, наряду с золотом и другими драгоценными вещами. Другой античный хронист, Арриан, сообщает об импорте индийской стали купцами из Абиссинии. Таким образом, из греческих и римских источников следует, что индийское железо весьма высоко ценилось в древнем мире и пользовалось большим спросом. Исследователи считают, что особый вид высококачественной стали, позже названной «дамасской» или булатной, был первоначально получен в Индии в самом начале нашей эры или, возможно, даже ранее. В древности из дамасской стали, как известно, производилось знаменитые мечи и сабли. Лезвия этих сабель были способны гнуться на 90 градусов и возвращаться в исходное положение без структурной деформации. Сабля, сделанная из дамасской стали, была настолько остра, что почти невесомый шелковый платочек, легко парящий в воздухе, без труда рассекался пополам, если на своем пути встречал ее лезвие.

Таким образом, к V в. н. э. железное производство в Индии было достаточно развито и хорошо организовано, и индийским мастерам вполне было по плечу решение многих сложных задач – таких, например, как создание Железной колонны. Кстати сказать, этот памятник – вовсе не единственный в своем роде. В разных районах Индии сохранилось еще несколько массивных изделий из нержавеющего железа.

Один из таких памятников находится в Дхаре, древней столице королевства Малава (штат Мадхья-Прадеш). Здесь возле мечети Джами лежит разбитый на три части железный столб, весьма похожий на делийский. Разница лишь в том, что столб из Дхары… почти в два раза выше Железной колонны! Другой железный столб установлен в Маунт-Абу (штат Раджахстан). Его высота – около 4 м.

Сухой климат Дели и Раджастхана помогает металлу сопротивляться коррозии, но вот пример совершенно другого рода. Возвышенность Кодачадри (штат Карнатака) лежит на высоте приблизительно 1450 метров над уровнем моря. Горы покрыты густыми, влажными тропическими лесами. В год здесь выпадает от 500 до 750 см осадков, дождь непрерывно идет шесть-восемь месяцев подряд. Но в здешнем храме богини Мукамбики в Коллуре тоже высится нержавеющий железный столб! Установленный на холме перед входом в храм, он достигает высоты 9,76 м при основании 10×13 см.

Другой классический пример – железные балки, использованные строителями храма Джаганнтах в Пури и храма Солнца в Конараке (оба датируются IX–X вв.). Правда, в отличие от железных колонн из Дели, Дхара и Коллура, они довольно сильно подверглись разрушительному воздействию ржавчины. Здесь впечатляет другое: огромные размеры этих конструкций. Так, балки храма в Конараке имеют длину приблизительно 7,2 м и толщину от 22 до 26 см. Самая большая балка достигает 12 м в длину при толщине 27 см. Помимо высокого качества железа, эти изделия наглядно свидетельствуют о весьма значительных масштабах железоделательного производства в средневековой Индии. Сегодня почти с уверенностью можно сказать, что делийский железный столб был не отлит, а кропотливо «построен» методом кузнечной сварки, а железо для него получено по традиционной кричной технологии, в горнах с применением древесного угля.

Особенностью Железной колонны является необычайная чистота металла, он на 99,7 % состоит из чистого железа с незначительными примесями углерода, серы и фосфора. В этом и кроется одна из причин высокой коррозионной устойчивости делийского столба.

Впрочем, феномен коррозионной устойчивости Железной колонны – вещь довольно спорная. Дело в том, что еще в 1871 г. ученые, проводившие раскопки у основания колонны, обратили внимание на то, что та часть колонны, что находится под землей… ржавая, подобно обычному железу! Позже этот факт был забыт, и на него обратили внимание лишь сто лет спустя, когда шведские материаловеды, изучавшие колонну, вновь добрались до ее подземной части и убедились, что она проржавела на глубину до 16 мм по всему диаметру.

Но почему не ржавеет верхняя часть колонны? Может быть потому, что этому способствует сравнительно сухой климат Дели? Известно, что серьезный процесс коррозии железа начинается лишь после того, как уровень относительной влажности превысит отметку в 80 %. В Дели такой уровень влажности отмечается лишь приблизительно 20 дней в году. Еще 65 дней в году уровень влажности колеблется на отметке 70–80 %, все остальное время он существенно ниже критического.

Помимо сухой окружающей среды, определенную роль в сохранении памятника могла сыграть защитная пленка окислов, покрывающих колонну и образовавшаяся в результате отжига. Другой важный фактор – большая масса железного столба. Она действует как стабилизатор температуры, предотвращая конденсацию влаги на колонне. Из-за высокой теплоемкости столб остается теплым на протяжении почти всей ночи. Только под утро атмосферная влага способна конденсироваться на остывший металл, но капли воды мигом испаряются в лучах взошедшего солнца…

Вот уже много столетий делийская Железная колонна, это великолепное творение мастеров далекого прошлого, продолжает стоять во дворе мечети Кувват-уль-Ислам назло всем капризам природы. В народе Железную колонну называют «столбом счастья». По поверью, каждый, кто, прислонившись к нему спиной, обхватит его руками, будет счастлив. Но слишком толст знаменитый столб…