Текст книги "История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия"

Глава 6
Фундамент для промышленности

Хотя венецианцы по праву гордились достижениями своей инженерной мысли, самый известный инженер того времени, Леонардо да Винчи, жил во Флоренции. Он родился в 1452 году и стал самой разносторонней фигурой эпохи Возрождения. Он был художник, скульптор, философ, ученый, практикующий военный и гражданский инженер. Свою мать, крестьянку, он знал только в младенчестве. Отец, обеспеченный флорентийский нотариус, дал ему имя и начальное образование в области искусства под руководством Андреа Верроккьо. Очень скоро ученик превзошел своего учителя. Леонардо был левшой и писал справа налево. Более того, он продемонстрировал феномен зеркального письма, который сегодня считается препятствием для интеллектуального развития детей-левшей. Но на Леонардо он не оказывал отрицательного воздействия, скорее даже помогал ему. Наброски на полях его трудов показывают, что его рука творила все, что он хочет, в то время как мозг работал над чем-то другим.

Леонардо да Винчи ни по рождению, ни по воспитанию и способностям не был обычным человеком. Великий флорентиец прославился еще при жизни. Он много лет служил герцогу Миланскому в качестве военного и гражданского инженера. После участия в работах по отводу реки Арно занял лидирующее место среди инженеров. Когда Франциск I вторгся в Италию, он взял Леонардо с собой во Францию в качестве советника. Но гений эпохи Возрождения заслужил славу скорее не как практикующий инженер, а как пророк инженерного будущего. Кроме пулеметов, пушек, заряжающихся с казенной части, танков, подводной лодки и летающей машины, Леонардо сделал наброски токарных станков, насосов, кранов, домкратов, водяных колес, шлюза, подъемных мостов, тачки, водолазного шлема с воздушным шлангом и многого другого. Все его приборы были разнообразными и изобретательными. Его идеи записаны на более чем 5000 листов чертежей и заметок. Но они были разбросаны по европейским частным коллекциям, к которым не имели доступа практикующие инженеры. К тому же они не публиковались еще несколько веков после его смерти. Только сравнительно недавно стали предприниматься попытки собрать их и опубликовать. Но далеко не все они найдены, и, к сожалению, многие наверняка уничтожены.

Другие великие умы эпохи занимались научными исследованиями, несмотря на предостережения церковных властей. Представляется странным, что у христиан возникали проблемы с христианской церковью, когда они опровергали идеи великого язычника Аристотеля. Но так было. Процесс Галилео Галилея (1564–1642) перед семью кардиналами в 1633 году сегодня показался бы абсурдным, не стань он трагической демонстрацией того, что может случиться в любое время в результате конфликта между тем, что человек узнает от других, и тем, что видит сам. Так же он доказал способность могущественного нетерпимого невежества подавлять факты. Галилей доказал ошибочность утверждения Аристотеля о том, что скорость падающего предмета зависит от его веса и что есть два типа движения – «естественное» и «насильственное». Производя наблюдения, Галилей сделал обоснованный вывод, что есть только один тип движения. Силы, вызвавшие это движение, могут быть разными, но не само движение. Тем не менее часто повторяемая история о его экспериментах – наблюдениях за падением предметов разного веса с вершины Пизанской башни – сегодня считается безосновательной.

Научное исследование движения привело Галилея к выводу, что Аристотель также ошибался в отношении движения Земли, а поляк Николай Коперник был прав. В 1543 году Коперник писал, что Земля вращается вокруг Солнца. Но здесь он вступал в противоречие со Священным Писанием относительно физических взаимоотношений небес и земли. Кардиналы объявили гипотезу Коперника «абсурдной, философски ложной и противоречащей вере». Мы не станем говорить о муках, испытанных великим ученым, обвиненным в подрыве основ религии, которую он исповедовал. Галилей публично отказался от своего утверждения относительно движения Земли, хотя после этого сказал, будто самому себе: «И все-таки она вертится». Лучше мы положимся на суждение Леонардо да Винчи о том, что «любой, кто ведет дискуссию, обращаясь к власти, не использует свой интеллект, а использует свою память», и приведем следующую его цитату: «Тот, кто критикует высшую определенность математики, питает беспорядок и никогда не сможет усмирить противоречия сложных наук, что ведет к вечному шарлатанству». Можно сказать со всей определенностью: несмотря на гонения и кровопролитие, в XVI и XVII веках возникали и выражались новые идеи, появлялись новые приспособления, и это, так или иначе, изменило устои общества.

Как и рождение греческой науки, подъем современной науки в XVII веке оказал всеобъемлющее влияние на инженерию. Великие научные открытия, которые начали совершаться в XVII веке, были основаны на греческой науке. Между тем в современной науке появился новый ингредиент, экспериментирование, который отличал ее от греческой науки, где практически не было экспериментов, за исключением разве что биологии. Собственно экспериментальная наука началась с работ Роберта Гроссетеста в XIII веке, но в XVI и XVII веках ученые начали эмпирические эксперименты, которые инженеры и ремесленники уже использовали.

Многие ученые того периода посещали инженеров и учились у них. Галилей начал свой «Диалог о двух главных системах мира» следующими словами: «Постоянная деятельность, которую вы, венецианцы, демонстрируете в своем арсенале, предлагает старательному уму обширное поле для исследований. В первую очередь речь идет о той части работ, которая включает механики, потому что именно в этой области новые типы инструментов и машин постоянно создаются множеством мастеров, среди которых найдутся те, кто, отчасти на основе собственных наблюдений, стали настоящими экспертами». Ученые не только переняли экспериментаторское отношение у инженеров и техников, но также стали использовать продукты инженерной мысли, такие как насосы и весы, так же как телескопы и микроскопы. В XVII веке инженеры стали использовать некоторые знания ученых, но только в XIX веке они получили возможность систематически применять науку для ускорения достижений в отдельных областях. Инженерия помогла стимулировать подъем современной науки в XVII веке и, в свою очередь, изменилась благодаря рождению прикладной науки в XIX веке.

Инженерные инструменты

Многие концепции, жизненно важные для современного инженерного искусства, зародились очень давно, еще задолго до Леонардо да Винчи. Автор XIII века Иордан Неморарий в труде De ratione ponderis исследовал вес предмета, помещенного на наклонную плоскость. Его идеи развил фламандец Симон Стевин (1548–1620) в 1586 году, выдвинув гипотезу «параллелограмма или треугольника сил». Тем самым он продемонстрировал, что три силы в равновесии в данной точке могут быть представлены и по величине, и по направлению сторонам треугольника. Стевин, бывший уже старым человеком, когда паломники «Мейфлауэра» еще жили в Лейдене, назвал свой треугольник «чудом, и все же не чудом». С его помощью он установил некоторые принципы в статике, или равновесии твердых тел, которые инженеры должны применять, если заранее знают, что их конструкции экономичны, будут стоять вертикально и в равновесии.

В 1586 году Стевин опубликовал результаты своих экспериментов по падению двух свинцовых шариков, один в десять раз тяжелее другого, с высоты 30 футов на твердую поверхность. Два шарика упали на поверхность вместе, вопреки мнению Аристотеля, который был уверен, что более тяжелый шарик упадет раньше. Используя наклонные плоскости, Галилей дальше развил законы падения тел и сообщил в своих «Диалогах», что, вне зависимости от веса, они получают одинаковое ускорение и их скорость пропорциональна квадрату времени – факты, чрезвычайно важные для инженеров. Впоследствии Гюйгенс вычислил значение ускорения свободного падения. Галилей также исследовал прочность материалов и создал первые элементарные приспособления для испытаний. Он подвешивал грузы на медных стержнях или на консоли, выступающей из стены. Он измерял прочность – почти наверняка сплава – с вполне достойной точностью. Его испытания консоли были не столь успешными, поскольку он не принял в расчет тот факт, что волокна нижней части выступающей консоли сжаты, а верхней части находятся под напряжением, что доказал Эдм Мариотт в 1680 году. Тем временем Роберт Гук определил, что любой материал под нагрузкой в большей или меньшей степени деформируется.

Вдохновленный Галилеем, его секретарь Эванджелиста Торричелли (1608–1647) сделал большой шаг вперед. Изучая гидростатику Стевина, он обнаружил, что давление воды пропорционально глубине. Торричелли соединил гидростатику и динамику и показал, что под гидростатическим давлением жидкость, такая как вода, течет через отверстие практически с той же скоростью, как если бы она падала с высоты, равной глубине жидкости над отверстием. Следующий шаг был сделан современником Торричелли французом Блезом Паскалем (1623–1662). Он свел все предположения к закону, который носит его имя и известен – или должен быть известен – всем, кто изучает элементарную физику: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку во всех направлениях без изменений. Используя этот принцип, гидравлические прессы сегодняшнего дня могут производить или сокрушительное давление, или легчайшее прикосновение – в зависимости от требований производства.

Торричелли, а впоследствии и Паскаль были ответственны за создание барометра, который уравновешивал вес воздуха с помощью столба жидкости в трубе, запаянной с одного конца. У этого опыта было «побочное явление» – наличие безвоздушного пространства, торричеллевой пустоты. Это был первый случай получения вакуума. Так была доказана ошибочность утверждения Аристотеля, что природа избегает вакуума. В верхней части трубки Торричелли в 1643 году осталось пространство, куда вес атмосферного столба не мог «загнать» ртуть. А в 1648 году Паскаль продемонстрировал, что на уровне моря ртуть поднимается в трубке выше, чем на вершине горы, где вес атмосферного столба меньше. По этой же причине невозможно поднять столб воды больше чем на 33 или 34 фута на уровне моря, выкачивая воздух над ним всасывающим насосом. Такой столб воды является весовым эквивалентом весу столба воздуха над ним. Экспериментируя с давлением воздуха и его отсутствием, немец Отто фон Герике (1602–1686) в 1650 году создал воздушный насос. С его помощью он сумел настолько полно выкачать воздух из знаменитой магдебургской сферы, что шестнадцать лошадей, по восемь с каждой стороны, не смогли разъединить ее полушария. Таким образом, была подготовлена почва для открытий Томаса Севери, Томаса Ньюкомена и других ученых, работавших над инженерными проблемами, касавшимися давлений ниже атмосферного.

Два французских математика, Пьер Ферма (1601–1665) и Рене Декарт (1596–1650), независимо друг от друга открыли аналитическую геометрию, которая имела значительное влияние на инженерию. Поскольку изложение Декартом новой геометрии являлось более систематическим и доходчивым, чем у Ферма, именно Декарту, как правило, приписывается открытие, которое в его честь иногда называется картезианской геометрией. Величайшая заслуга Декарта заключается в том, что он соединил алгебру и геометрию, тем самым привнеся в геометрию аналитический метод представления кривых с помощью алгебраических выражений, и наоборот. Для инженера аналитическая геометрия облегчает анализ отношений между такими переменными, как температура и давление, скорость и сила, и бесчисленных других групп переменных количественных величин.

Четыре человека, родившиеся во второй четверти XVII века, внесли исключительный научный вклад, имевший очень большое значение для инженерии. Двое из них дожили до XVIII века, но работа всех четырех принадлежит к веку Стевина, Галилео, Торричелли, Паскаля и Декарта. Трое из них – британцы, и один – житель Нидерландов. Их имена: Роберт Бойль, Роберт Гук, Кристиан Гюйгенс и Исаак Ньютон. Роберт Бойль (1627–1691) изучал процесс сжатия газов и в 1661 или 1662 году сформулировал закон, носящий его имя. Этот же закон независимо открыл Эдм Мариотт. «При постоянной температуре объем находящегося в замкнутом сосуде идеального газа обратно пропорционален давлению». Иными словами, объем уменьшается, когда давление возрастает, а произведение давления на объем есть постоянная величина. Таким образом, Бойль и Мариотт установили фундаментальный принцип для инженеров – хотя инженеры никогда не работают с идеальными газами. Бойль, работая в своей лаборатории в Оксфорде вместе с Робертом Гуком, создал первый воздушный насос современной конструкции.

Роберт Гук (1635–1703) самостоятельно экспериментировал в лондонском Грешем-колледже с упругими деформациями и сформулировал закон, носящий его имя: «Деформация, возникающая в упругом теле, пропорциональна приложенной к этому телу силе». При растяжении упругое тело удлиняется, при сжатии, соответственно, становится короче. Закон Гука справедлив только для упругой деформации и выполняется при малых деформациях. Кроме того, у каждого тела своя жесткость; чем больше жесткость, тем меньше оно изменяет длину. Некоторые материалы, такие как стекло и некоторые виды стали, имеют точно определенный предел упругости, другие, такие как пластилин или даже медь, нет. В любом случае предел упругости любого материала проверяется опытным путем. Гук проанализировал некоторые силы, действующие в арке, и создал также универсальное соединение – соответствующая идея была предложена еще Леонардо да Винчи. Через него сила в стержне или оси может быть передана другой оси, связанной с первой, но расположенной под углом.

Тем временем Кристиан Гюйгенс (1629–1695), более невозмутимый человек, чем Гук, и более разносторонний, преобразовал часовую пружину в спираль, изобрел маятник и использовал его для измерения ускорения свободного падения. Маятник данной длины раскачивается, как заметил еще Галилей, с одинаковым периодом, независимо от веса и амплитуды колебания. Гюйгенс применил математический гений к изучению механики. Именно он вывел формулу определения радиальной или центростремительной силы, необходимой, чтобы заставить тело двигаться по криволинейной траектории, – бесценный вклад и в науку, и в инженерное искусство. Кольбер, всесильный министр финансов Франции и покровитель искусств, пригласил голландского ученого на открытие Французской академии наук в 1666 году.

Последним и самым выдающимся из великолепной четверки был Исаак Ньютон (1642–1727). Возможно, лишь немногие инженеры вдумчиво читали его труд Principia, но профессия потеряла бы очень многое без его фундаментальных положений. Его германский современник Готфрид Вильгельм Лейбниц тоже заслуживает величайшего уважения за участие в разработке дифференциального исчисления, или того, что Ньютон называл фдюентами и флюксиями. Ньютон, скромный англичанин, которому было на роду написано стать фермером, разработал три основных закона движения, которые не может игнорировать ни один инженер. 1. В инерциальных системах отсчета тело движется равномерно прямолинейно или находится в покое, если на тело не действуют другие силы или действие всех сил скомпенсировано. 2. В инерциальных системах отсчета ускорение, приобретаемое материальной точкой, прямо пропорционально вызывающей его силе, совпадает с ней по направлению и обратно пропорционально массе материальной точки. 3. Материальные точки взаимодействуют друг с другом с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению.

Инструменты для измерений в XVII веке мало чем отличались от римских. Диоптра использовалась с небольшими изменениями – около 1616 года к ней была добавлена градуированная астрономическая дуга с подвижным визиром. Деревянные шесты продолжали использовать для измерения коротких расстояний. Размеры поля или длину дороги часто получали, используя мерное колесо. Этот метод был пригоден на ровной местности, но отличался неточностью для картографии. Проволочная цепь из девяти звеньев, появившаяся в Англии около 1600 года, после 1620 года была заменена мерной цепью Гюнтера из 100 звеньев длиной 66 футов. Компас, используемый с XVII века (вероятно, в Китае еще раньше), продолжал помогать и мореплавателям, и землемерам.

Молодой голландский математик Виллеброрд Снелл ван Ройен (1581–1626) первым применил систему триангуляции в измерениях земной поверхности. В 1615 году он использовал серию треугольников на расстоянии около 80 миль. Таким образом, он первым применил на практике геодезические или сферические измерения, в отличие от плоскостных измерений. Пьер Вернье (1580–1637) в 1630 году изобрел приспособление, настолько полезное для инженеров, что оно долгое время носило его имя. Верньер представляет собой две шкалы, установленные рядом. Вспомогательная шкала скользит вдоль основной, что позволяет точнее определить число долей делений основной шкалы. Телескоп, изобретенный в 1608 году и использованный в 1669 году Жаном Пикаром (1620–1682) для триангуляции региона между Парижем и Амьеном, начал систематически использоваться в измерениях только после 1800 года.

Были усовершенствования в вычислениях. Если не считать введение мусульманами и индусами зеро и появления арабских числительных, методы вычислений почти не изменились со времен древних египтян. Сдвиг произошел, когда Стевин в 1586 году написал трактат о десятичных дробях. Тем самым он помог инженерам повысить скорость и точность вычислений и заложил фундамент для метрической системы, появившейся двумя веками позже. Джон Напье (Непер), строгий протестант и шотландский лэрд, около 1594 года изобрел логарифмы и в 1614 году впервые опубликовал таблицу логарифмов. Генри Бриггс (1561–1630), друг и ученик Непера и первый профессор математики в Грешем-колледже, разработал десятичные логарифмы. Логарифм данного числа – это показатель степени, в которую надо возвести основание, чтобы получить данное число. В системе Бриггса 3 – это логарифм 1000 (10 х 10 х 10). Уильям Отред (1574–1660), священнослужитель английской церкви, но в значительно большей степени математик, в 1622 году изобрел логарифмическую линейку. Отред также был учителем Кристофера Рена, архитектора собора Святого Павла, и писал книги, которые изучал Исаак Ньютон. Паскаль и Лейбниц изобрели вычислительные машины.

Сегодняшние инженеры составляют планы быстро и эффективно, потому что точно знают, как измерять и вычислять. Заслуга в этом в значительной степени принадлежит ученым рассматриваемого периода. Расстояние и вес измерялись еще с 3000 года до н. э. Надежные и точные измерения времени начались с Гюйгенса и его маятника и Гука с его часовой пружиной. Наука о прочности материалов берет начало от Галилея и Мариотта. Стевин показал, как складывать силы. Измерения давления воды и воздуха начались со Стевина, Торричелли и Бойля. Среди многих других Непер, Бриггс, Отред, Декарт, Паскаль, Ньютон и Лейбниц внесли важный вклад в сложную систему вычислений, от которой зависит современная инженерия.

Эти европейцы, горожане западного мира, жили в постоянном контакте друг с другом. Они свободно встречались и переписывались. Их идеи быстро менялись, обогащались друг от друга, часто вызывая зависть и возмущение, однако в противоречиях рождались новые идеи. Эти люди создавали научные общества по образу и подобию Академии Платона, Лицея Аристотеля и Александрийского музея. Утверждают, что Леонардо основал академию. Джованни Баттиста делла Порта в 1560 году открыл академию в Неаполе и назвал ее Академией тайн природы, но быстро закрыл ее под давлением церкви. Академия деи Линчеи (Рыси) появилась в 1603 году. Ее создатели поклялись изучать природу глазами зоркими, как у рыси. Ее закрывали, но тем не менее она существует до сих пор. Ее членами были делла Порта и Галилео. Лондонское Королевское общество оформилось в 1662 году. Его членами были Бойль, Гук, Ньютон, Гюйгенс, один из основоположников микроскопической анатомии растений и животных Мальпиги, конструктор микроскопов Левенгук, создатель парового двигателя Дени Папен и другие выдающиеся личности. Французская академия начала работать в 1666 году, Берлинская академия – в 1700-м. Основателем последней стал Лейбниц.

Не отставало и книгопечатание. После Библии Гуттенберга стали выходить книги по самым разным предметам. Несмотря на неодобрение церковнослужителей, широко публиковались научные труды. В 1485 году вышел труд флорентийского архитектора Леона Баттиста Альберти о зодчестве. Также были напечатаны некоторые труды Витрувия. Основываясь на них, Джон Шут в 1563 году выпустил первую книгу по архитектуре на английском языке. Книга Бирингуччо о металлургии Pirotechnia была опубликована в 1540 году, а шестнадцатью годами позже увидел свет более известный труд о горных работах и металлургии De re metallica, написанный Агриколой. Обе эти публикации стали посмертными.

Работа Стевина о статике вышла в 1585 году, Гилберта о магнетизме – в 1600 году, труды Непера и Снелла – в 1614 и 1617 годах. Декарт опубликовал свои «Рассуждения о методе» в Лейдене в 1637 году. «Диалоги» Галилея увидели свет там же в 1638 году. До 1687 года были напечатаны труды Бойля, Паскаля, Гюйгенса, Лейбница и Ньютона. Только заметки и рисунки Леонардо да Винчи не были напечатаны ни при жизни гения, ни вскоре после его смерти. Начали печататься иллюстрированные книги о машинах, одни фантастические, другие вполне практические. Среди них можно назвать Cos-mographiae universalis Мюнстера, 1550 год, Theatrum instru-mentorum et machinarum Бессона, 1578 год, Le diverse et artificiose machine, Рамелли, 1588 год и другие. В наше время эти книги почти не переиздаются, но многие оригинальные издания можно видеть в крупнейших библиотеках мира.