Текст книги "История и философия техники"

Гончарный круг и горн

До того как была изобретена керамика, мясо, рыбу, клубни и т. п. приготовляли непосредственно на огне очага. Их жарили, пекли, обугливали.

По существующим предположениям, изобретение способа изготовления изделий из обожженной глины могло происходить различными путями. Но сама потребность в керамике возникла, скорее всего, вследствие увеличения в пищевом рационе растительной пищи, и прежде всего злаков. С увеличением в хозяйстве значения специализированного собирательства, а затем и появлением земледелия возникла необходимость в более совершенных приемах приготовления пищи, а также в прочных сосудах для хранения воды, урожая.

Из археологических и этнографических данных известен прием варки еды в небольших ямах. В земле делалось отверстие, там разводился огонь. Одновременно рядом на костре разогревались камни. Затем ямка очищалась от золы, углей, несгоревшего дерева, и туда наливалась вода, в которую клали приготовляемую пищу. Туда же бросали раскаленные камни с целью довести воду до кипения и сварить еду. Наблюдение над тем, как огонь обжигал стенки ямы, могло натолкнуть на мысль об изготовлении сосудов.

Тысячелетия изобретались способы применения глины, которая затем на протяжении всей истории человечества применялась в различных видах. Древние гончары освоили различные способы лепки, пока не научились придавать куску сырой глины форму кувшина или простого горшка.

Один из наиболее древних способов изготовления гончарных изделий – производство сосудов из глиняных валиков. Гончарное дело впервые появилось у тех народов, которые уже освоили земледелие. Народы, занимавшиеся гончарным делом, выработали самые разнообразные приемы обработки глины в зависимости от свойств имевшегося в их распоряжении сырья. Глина, очищенная, сушится и из нее при помощи просеивания удаляются инородные тела. Если глина слишком жирна, ее смешивают со связывающими веществами – песком, отрубями, золой, мелкими кусочками дерева или травы. Добавление к глиняной массе кусочков губки является специфическим изобретением южноамериканских индейцев. Когда «тесто» становится достаточно мягким и податливым, можно приступать к собственно гончарной работе.

Безусловно важным шагом в развитии гончарного производства стало освоение приемов вращения. Мастер прилеплял к готовому днищу кусочек глины и, вращая днище левой рукой, правой обводил кусочком по спирали, постепенно вылепляя грани горшка. При этом способе изделие выходило достаточно ровным. В Египте гончарный круг был известен уже в начале III тыс. до н. э. Критские ремесленники пользовались им уже в древнейшие периоды бронзового века. Знали гончарный круг также и во многих районах Индии. В Европе – во Франции и Германии – он появился впервые за 500 лет до н. э. Коренное население американского континента так и не знало гончарного круга вплоть до прибытия туда европейцев.

Позже, вероятно для удобства работы, под глиняную заготовку стали подкладывать деревянный диск, а затем приспособили этот диск вращаться вместе с заготовкой. Это и было изобретением ручного гончарного круга, который произвел настоящий переворот в гончарном деле.

Гончарный круг представлял собой диск, углубленный посередине примерно на половину своей толщины. Своим углублением диск насаждался на выступавший и несколько закругленный конец деревянного стержня, плотно укреплявшегося в земле. Для того чтобы стержень устойчиво удерживался в вертикальном положении, между ним и кругом помещали неподвижную деревянную доску с отверстием посередине. Полученное устройство было достаточно устойчивым.

Одной рукой мастер приводил круг в плавное равномерное вращение, а другой начинал лепку. Глиняные изделия правильной формы выходили очень плотными и однородными.

Во II тыс. до н. э. был изобретен ножной круг. Его преимущество заключалось в том, что он позволил значительно увеличить скорость вращения и освободил мастеру для работы обе руки.

В ножном круге по сравнению с ручным была удлинена ось вращения (веретено), с которой вращающийся диск был жестко соединен. Для укрепления оси использовались две доски. Нижняя служила основой всего устройства – в ней вырезалось углубление, куда вставлялся конец оси. Верхняя доска, имеющая сквозное отверстие, поддерживала ось в вертикальном положении. К нижней части оси было жестко присоединено ножное колесо. Гончар опирался ногой в нижний круг и приводил его в движение. Нижнее колесо было тяжелее и большего диаметра, чем верхнее, оно выполняло роль маховика: сохраняло вращение некоторое время и после того, как гончар снимал с него ногу.

Обжиг глины производился на открытом воздухе при температуре в 300–400 °C. Позже появились специальные печи. Гончарный горн – печь для обжига керамических изделий появился – в странах Древнего Востока (Двуречье, Египет) примерно в III тыс. до н. э. – существовали одно-, двух– и трехъярусные гончарные горны открытого и закрытого типов.

Изобретение печей положило начало сооружениям высокотемпературных устройств, получивших в древности распространение в различных отраслях хозяйства (прежде всего, в металлургии).

Печь представляла собой каркас из тонких стволов деревьев, который обмазывался толстым слоем глины, с небольшими отверстиями. Сооружение устанавливалось над углублением, представлявшим собой место для разжигания костра. От сильного огня деревянные части сгорали, а глина обжигалась, образовывая плотный ком с отверстиями. Благодаря концентрации тепла при обжиге внутри печи температура достигала 800 °C и даже 900 °C. Это позволило древним людям изготавливать глиняные изделия с тончайшими стенками – до 3 мм.

Первые иллюзионные автоматы

Египетские и вавилонские жрецы, опираясь на свои познания в области физики, математики, астрономии, механики и химии, изобрели немало трюков, основанных на применении грандиозной аппаратуры.

При ослепительном блеске молний и раскатах грома двери святилища распахивались сами собой и из-под земли вырастали статуи богов. Эти статуи плакали, простирали вперед благословляющие руки. Перед ними сам собой вспыхивал жертвенный огонь. В пустынных залах раздавались таинственные голоса, предсказывавшие будущее. Неведомые музыкальные инструменты звучали без прикосновения к ним рук человека.

Для «иллюзионов» применялись поразительные по тому времени технические новшества. Водяные часы, изобретенные египетским жрецом Аменемхетом за пятнадцать веков до нашей эры, показывали точное время, регулируя явления «чудес».

Археолог Лайярд нашел в развалинах Ниневии хрустальную плоско-выпуклую линзу с фокусным расстоянием 10,7 см. Она служила для зажигания священного огня на жертвеннике с помощью божественной силы.

Статуя вавилонского бога, установленная в святилище перед жертвенником, благословляла молящихся, поднимая и опуская руки, как только на жертвеннике загорался огонь. Чем обильнее было жертвоприношение, тем больше подливали масла на жертвенник, жарче горел огонь и усерднее благословлял бог. Принцип действия этого иллюзиона в том, что над жертвенником помещался закрытый котел с кипящей водой. Пар проходил по трубке к поршню цилиндра, скрытого под полом храма. Рычаги, соединенные с поршнем, приводили в движение механизм внутри фигуры бога. Секрет этой простой паровой машины тщательно охранялся жрецами. Он был утрачен с окончательным исчезновением вавилонской культуры.

В одном из храмов Египта была установлена статуя прорицательницы Сивиллы, которая изливала из своих грудей теплое молоко в подставленные сосуды. Устройство этого автомата сегодня кажется несложным. На четырех колоннах держался герметически закрытый купол. Из него потайная труба шла в постамент, на котором высилась фигура Сивиллы. В постаменте был скрыт бак с теплым молоком. Как только под куполом зажигались два жертвенных светильника, внутри купола расширявшийся от нагревания воздух шел по трубке, давил на молоко в баке, и молоко поднималось по другой трубке до уровня груди статуи.

Механические диковинки

В Древнем мире при дворах некоторых властителей любимым развлечением была демонстрация механических диковинок. Александр Македонский видел в Малой Азии дерево, на котором жили искусственные птицы. Их пение отличалось поразительной красотой. Птицы пели и умолкали по приказу, повелитель разговаривал с ними, и они тоже как бы отвечали ему.

Аристотель рассказывает о деревянной Афродите, жестами отвечавшей на вопросы благодаря заключенной внутри ее ртути.

Анаксимандр изобрел гномон, указывающий солнцестояния и равноденствия, а также соорудил солнечные часы, а возможно, и небесный глобус, нарисовав на нем очертания Земли и моря.

Платону приписывают изобретение водяного будильника. Этот будильник должен был собирать ранним утром учеников академии на лекции и занятия с учителем. Конструкция будильника была следующей. Объемистая клепсидра вмещает количество воды, достаточное на 6 часов. Она покрыта крышкой, в верхней части ее имеется вкладыш с ситом для задержания земляных примесей. Клепсидра вставлена в треножник, покоящийся на подставке. Трубка, через которую вытекает вода, сквозь доску подставки проходит в нижнее помещение, которое может быть закрыто, но нарисовано открытым, чтобы показать обе воздушные камеры, стоящие одна на другой. Вода, капающая из клепсидры, постепенно собирается на дне верхнего сосуда и поднимается вверх здесь и одновременно в узком промежутке между внешней и внутренней трубками. Количество воды рассчитано так, чтобы вода, достигнув высоты внутренней трубки, перелилась через ее край, который сверху открыт, и с силой, сплошным током, обрушилась в нижний ящик с клапаном. Сдавленный воздух не находит другого выхода, кроме верхней левой трубки, которая по телу флейтиста поднимается до флейты, где трубы, устроенные внутри, начинают звучать под действием силы выходящей струи воздуха.

С древнейших времен дошли до нас описания механизмов, которые воспроизводили различные движения животных и человека. Так, например, в IV в. до н. э. тарентский философ и математик Аркит изготовил деревянного голубя, который был похож на настоящего и мог даже летать, приводя в изумление вельможных зрителей.

По утверждениям летописцев, египетский фараон Птолемей Филадельфийский (III в. до н. э.) располагал устройством, подражавшим действиям человека.

Для того чтобы яснее увидеть отличие современной инженерной деятельности от ремесленной технической деятельности периода Античности, ученые считают необходимым рассмотреть понятие techne (это слово не имеет точного эквивалента в современном языке), которым древние греки называли любое человеческое мастерство: как ремесло, так и художественное искусство, например, искусство риторики, и вообще любую человеческую деятельность, требующую профессионального мастерства.

В «Воспоминаниях о Сократе» Ксенофонта Сократ спрашивает изготовителя воинских доспехов о принципах его «техне». Он спрашивает, почему его доспехи стоят больше, чем у других ремесленников, если тот не делает их более прочными или из более дорогих материалов. И ремесленник отвечает, что его цены больше потому, что он делает отдельные части доспехов лучше соотносящимися.

Далее выясняется, что он не следует какому-то единому стилю или правилу пропорциональности, а подгоняет доспехи к каждому заказчику. Тем не менее он делает доспехи в соответствии с неким общим принципом: доспехи не должны действовать угнетающе на их владельца, а их совокупный вес должен распределяться по отдельным частям тела пропорционально их способности нести тяжесть. В то же время должна быть предусмотрена свобода перемещения владельца доспехов так, чтобы, когда он выпрямляется или сгибается, эти доспехи не беспокоили его.

Покупая же разукрашенные и позолоченные доспехи, если они соответственно не подогнаны, владелец их приобретает позолоченные и разукрашенные неприятности. Итак, общий принцип этого изготовителя доспехов – максимальная защита с минимальными помехами и ограничениями движению воина. Этот пример хорошо иллюстрирует тот род практического мышления, которым должен обладать человек «техне».

Примерно о том же говорил и Аристотель в своей «Политике»: «В некоторых случаях не один только мастер является единственным и наилучшим судьей, именно там, где дело понимают и люди, не владеющие искусством; например, дом знает не только тот, кто его построил, но о нем еще лучше будет судить тот, кто им пользуется, т. е. домохозяин; точно так же руль лучше знает кормчий, чем мастер, сделавший руль, и о пиршестве гость будет судить правильнее, нежели повар».

Ученые не перестают удивляться тому явлению, что ремесло, решение ряда инженерных задач, строительное дело в Греции уже в VI в. до н. э. было на довольно высоком уровне, в то время как наука была тогда еще в самом зачаточном состоянии. Зато в последующие три столетия греческие науки бурно развиваются. Особенных успехов достигли к началу III в. до н. э. математика и астрономия. Но обе эти науки, чисто теоретические, никак не отразились на развитии техники. Они и не ставили перед собой сколько-нибудь серьезных практических задач, за исключением, может быть, календаря. О великих успехах философии, логики, медицины не говорим, так как по существу своему они не могли иметь технических выходов. Только во времена Архимеда зародилась та отрасль науки, которая могла бы оказать положительное воздействие на технический прогресс, т. е. теоретическая механика. Даже Аристотель, бесспорный гений, имел лишь примитивные представления о естественных и насильственных движениях или о роли воздуха при движении брошенных тел.

Существовали лишь две области техники, развитие которых в классическую эпоху греческой цивилизации были отмечены более или менее заметными успехами.

Первая – театральная техника, одним из элементов которой были подъемные механические устройства. Именно для обозначения этих механизмов стало применяться греческое слово machina (сооружение).

Второе – военное дело, приведшее к созданию метательной артиллерии и новых типов военных судов.

Специфической отраслью техники являлась возникшая в III в. до н. э. пневматика, под которой понималось использование давления воздуха для создания различного рода механических устройств. Основателем этой отрасли считается Ктесибий, современник Архимеда. Другим «пневматикой» был Филон из Византии, возможно, ученик Ктесибия. И Ктесибий, и Филон были прежде всего изобретателями-практиками.

Первой попыткой теоретического осмысления действия различного рода механизмов считают трактат «Механические проблемы», ранее приписывавшийся Аристотелю и до сих пор включаемый в свод аристотелевских сочинений, но на самом деле написанный в более позднюю эпоху, скорее всего, в Александрии в III или II в. до н. э. Этот трактат для историков механики представляет значительный интерес.

Автоматы Герона Александрийского

Первый в мире автомат, работающий при опускании в него денег, был сконструирован в Александрии местным изобретателем Героном Александрийским и предназначался для использования в храмах. Идея механизма состояла в том, что верующему следовало опустить пятидрахмовую бронзовую монету в щель и взамен получить немного воды для ритуального омовения лица и рук перед входом в кран. В конце дня жрицы собирали пожертвования. Нечто подобное делается в некоторых современных римских католических соборах, где люди опускают мелочь в автоматы, чтобы зажглись электрические свечи. Примерно такие же автоматы действуют в некоторых музеях и даже на малолюдных улицах.

Автомат Герона Александрийского 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 святая вода вытекала наружу. Как только чашечка опускалась, монетка соскальзывала вниз, край коромысла с чашечкой поднимался, а другой опускался, перекрывая клапан и отключая воду.

Впрочем, нечто подобное было изобретено тремя столетиями раньше Филоном Византийским. Это был сосуд со встроенным внутрь довольно загадочным механизмом, позволявшим гостям мыть руки. Над водопроводной трубой была вырезана рука, державшая шар из пемзы. Когда гость брал его, чтобы вымыть руки перед обедом, механическая рука исчезала внутри механизма и из трубы текла вода. Через какое-то время вода переставала течь и появлялась механическая рука с новым куском пемзы, приготовленным для гостя. Можно предположить, что механическое чудо, изобретенное Филоном, работало на тех же принципах, что и автомат; Филон не оставил детального описания своего исключительного изобретения.

Древнегреческий механик Герои Александрийский (конец I – начало II в. до н. э.) был продолжателем давней традиции инженерного искусства, особенно в пневматике и связанных с ней областях. По работам Герона Александрийского можно судить о развитии механики в эпоху поздней Античности. Сам Герои представляет собой фигуру в высшей степени загадочную, никаких биографических сведений о нем неизвестно. Перечень его изобретений ошеломляет – ручные приспособления, такие как самозаправляющаяся масляная лампа, первый паровой двигатель, механические кукольные театры, пожарная машина, новый вид шприца, геодезического инструмента, ставшего прототипом современного теодолита, водяной орган, звучащий при работе ветряной мельницы, и т. д. Хитроумные приспособления, описанные им подробно в серии учебников в I в. н. э., поразительны.

Герои Александрийский написал едва ли не больше всех античных ученых по вопросам механики. Его перу принадлежали «Механика», «Книга о подъемных механизмах», «Пневматика», «Книга о военных машинах», «Театр автоматов» и ряд других. До нас дошли лишь немногие из его сочинений. В книгах Герона «Пневматика» и «Механика» описано множество изобретений такого рода. Основное научное сочинение Герона «Механика» дошло до нас в арабском переводе. Оно состоит из трех книг.

В «Механике» Герои изучает простые машины и их комбинации. При этом он использует понятие момента, но неизвестно, принадлежит ли оно ему или он заимствовал его у других ученых. Кроме простых машин, он описывает также и некоторые механизмы: системы зубчатых колес, системы блоков, полиспасты. Ему известно влияние силы трения, и он рекомендует при работе со сложными механизмами несколько увеличивать прилагаемые к машинам силы по сравнению с расчетными. Однако численно силу трения он не определяет.

Изобретения Герона включают разнообразные автоматы и механизмы для использования в театре и для хитроумных приспособлений в египетских храмах.

Он сконструировал, например, очень любопытный механизм: маленькая певчая птичка сидела напротив огромной совы и была с ней как бы во враждебных отношениях, едва лишь сова отворачивалась от птички, певунья весело, словно бы с чувством освобождения начинала свистеть, но как только сова вновь поворачивалась к ней, птичка сразу же умолкала.

Действие своего механизма Герои осуществил с помощью очень остроумной конструкции. Певчая птичка помещалась на крышке сосуда. В сосуд стекала вода и постепенно вытесняла собою воздух, который, удаляясь по трубочке, издавал свистящий звук. Это и было пение птицы; заполнив сосуд до определенного уровня, вода начинала переливаться и с помощью веревки, перекинутой через блок и прикрепленной концом к валу, поворачивал ось, на которой сидела сова. Поскольку уровень воды в сосуде в это время понижался, воздух по трубке не выходил, и свиста не было. После того как ведро опорожнялось, ось, а вместе с ней и сова возвращалась на исходное положение. Потом игра начиналась сначала: уровень воды в сосуде опять повышался, сова отворачивалась, певчая птичка начинала свистеть.

Гениальному изобретателю Герону Александрийскому принадлежит также самая древняя паровая машина – «эолипил», действовавшая по принципу турбины. Пар из котла поступал по трубке в шар, укрепленный на горизонтальной оси. Вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться. К сожалению, Геронова паровая турбина в древности осталась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но самый принцип не заброшен техникой: он применяется при устройстве турбин.

Свойство воды расширяться от нагревания Герои применил также для конструкции автомата, который открывал двери алтаря при зажигании жертвенника.

Герои был выдающимся изобретателем иллюзионных автоматов. Он придумал водяной орган, создал фигуры, делавшие сложные взаимосвязанные движения под аккомпанемент «музыкального ящика».

Герои Александрийский – изобретатель фонтана, носящего его имя, оставил нам описание двух остроумных способов, с помощью которых египетские жрецы обманывали народ, внушая ему веру в чудеса.

Под пустотелым металлическим жертвенником находился скрытый в подземельях механизм, приводящий в движение двери храма. Жертвенник стоял снаружи его. Когда разводили огонь, воздух внутри жертвенника вследствие нагревания сильнее давит на воду в сосуде, скрытом под полом; из сосуда вода вытесняется по трубке и выливается в ведро, которое, опускаясь, приводит в действие механизм, вращающий двери. Изумленные зрители, ничего не подозревающие о скрытой под полом установке, видят перед собой «чудо»: как только на жертвеннике запылает огонь, двери храма, «внемля молитвам жреца», растворяются словно сами собой…

Другое «чудо». Когда на жертвеннике запылает огонь, воздух, расширяясь, выдавит масло из нижнего резервуара в трубки, скрытые внутри фигур жрецов, и тогда масло чудесным образом само подливается в огонь. Но стоило жрецу, заведующему этим жертвенником, незаметно вынуть пробку из крышки резервуара – и излияние масла прекращалось (потому что избыток воздуха свободно выходил через отверстие). К этой уловке жрецы прибегали тогда, когда приношение молящихся было слишком скудно.

Гениальный Герои изобрел для храмов египетского города Александрия автоматически открывающиеся двери – в подарок египетским жрецам.

Двери «сами» открывались, 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, подвешенную на цепях системы весов и шкивов. Когда бадья становилась тяжелее, двери, установленные на осях, поворачивались. Еще одна удивительная вещь происходила, когда огонь на жертвеннике угасал. 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.