Текст книги "История и философия техники"

Театры Герона

Далеко в глубину веков уходят истоки театра как зрелища, быть может, в те времена, когда первобытный человек впервые остановился, пораженный красотой солнечного восхода над озером или облака над влажным лугом. В ту пору человек еще не умел организовывать зрелища. Это научились делать народы Античного мира.

В Древней Греции в каждом городе существовал свой театр, который играл большую роль в общественной жизни. Греческие театры достигали больших размеров и могли вместить всех свободных граждан полиса (года-республики). Афинский театр вмещал 17 тыс. зрителей, а самый крупный театр Греции (в Мегаполисе), имеющий в диаметре 144 м, вмещал 44 тыс. зрителей. Нуждающимся гражданам в Афинах выдавали деньги для посещения театра – так называемые зрелищные деньги. Древние греки горячо реагировали на игру актеров, и если игра не нравилась, на сцену летели яблоки, сливы, инжир.

Расцвет греческого театрального искусства прежде всего обязан произведениям великих драматургов, которые выражали духовные интересы своего времени: Эсхилу, Софоклу и Еврипиду. В это время строительство театров в Греции приняло особый размах.

Не удивительно, что одним из лучших изобретений Герона Александрийского, были механические театры. В произведении «Театр автоматов» Герои описывает целый ряд храмовых и театральных автоматов различного назначения. По словам Герона, «представления автоматических театров пользовались в старину большой любовью, во-первых, потому, что в устройстве их проявилось много механического искусства, а затем и потому, что самое представление было поразительно. Ибо как раз при устройстве автоматов для различных деталей их приходится применять все отделы механики».

Из этих слов следует, что уже во времена Герона автоматы не были новинкой: их строили и раньше – «в старину». Следовательно, до нашей эры знали уже многое из механики: ведь для сооружения даже самых элементарных автоматов надо хорошо разбираться в механизмах и их частях, уметь производить вычисления, знать отношения и пропорции.

Герон Александрийский придумал стенды на колесах, которые самостоятельно передвигались по театру и удивительно напоминали самодвижущиеся треножники Гефеста. Их приводила в движение сила тяжести. Тяжелый груз, соединенный веревками и шкивами с колесами, помещали в верхней части емкости с зерном. По мере того как зерно высыпалось через отверстие в дне контейнера в нижний отсек, груз опускался, натягивая веревку и вращая колеса автомата. Приспособление напоминало комбинацию заводной игрушки и гигантских песочных часов, а гениальность конструкции Герона заключалась в удачном сочетании двух элементов.

Герон сконструировал различные виды стендов, способные перемещаться по кругу, по прямоугольнику, по дорожке в форме восьмерки или даже изменять направление и двигаться в обратную сторону, – все они управлялись системой грузов и шкивов, расположенных внутри стендов, которые меняли положение колес или опускали дополнительные наборы колес во время движения. Стенды не только самостоятельно двигались вперед и назад, они также могли перевозить механических кукол, которые, как и весь механизм, приводились в движение опускавшимися грузами.

Одним из самых сложных проектов Герона был миниатюрный театр на колесах, который сам выкатывался на зрительную площадку перед началом спектакля. Двери открывались и закрывались сами, крошечный алтарь загорался, и механические фигуры то появлялись, то исчезали. В конце представления весь механизм сам уезжал с площадки.

Герон сконструировал и стационарные театры, где предусматривалось еще более сложное движение кукол без использования иной силы зубчатых приводов для их перемещения по сцене. Вместо зерна использовали песок: он менее сыпучий и позволял удлинять представление.

Один миниатюрный театр был запрограммирован на постановку целого спектакля под названием «Навилий», рассказывавшего о трагедии и мести, разыгравшихся после Троянской войны. Сын царя Навилия был несправедливо обвинен своим товарищем по оружию Аяксом и забит камнями насмерть. Навилий решил отомстить с помощью богини Афины. Когда занавес поднимался, было видно, как работали молотками и пилами нимфы во время ремонта корабля Аякса. «Стоит очень большой шум, – писал Герои, – словно идет настоящая работа». Через некоторое время двери закрывались и вновь открывались для второй сцены – спуска корабля на воду. Третья сцена начиналась в открытом море, был виден плывущий под парусами в развернутом строю греческий флот, дельфины ныряли в воде, затем спокойное море становилось штормовым, и корабли спускали паруса. Дверь закрывалась и открывалась вновь, корабли исчезали, вся сцена была залита светом от установленного Навилием маяка, который освещал грекам дорогу к своей смерти на скалах. Тем временем Афина, одобрявшая этот поступок, стояла рядом. В заключительной сцене зрители видели потерпевший крушение корабль, Аякс бился в воде, тогда как Афина парила в небесах. Гремел гром, богиня метала молнии прямо в плывущего Аякса, то исчезавшего, то появлявшегося в волнах. Навилий был полностью отомщен. Можно себе представить изумление зрителей.

Паровая машина Герона

В предисловии трактата Герона Александрийского по пневматике некоторые его изобретения характеризуются как «пригодные для повседневного применения», другие – как имеющие «достаточно замечательные результаты». Похоже, что паровой двигатель попал у Герона во вторую категорию и характеризовался, судя по описанию, как новое изобретение.

Эолипил – прообраз паровой турбины – относят к наиболее известным изобретениям Герона. Здесь впервые для вращения используется реактивное действие струи пара.

Итак, изобретение парового двигателя, вызвавшее революцию в транспорте и промышленности в XVIII в., на самом деле было известно две тысячи лет назад, если не в прямом виде, то уж точно как понимание потенциала энергии пара.

Изобретателем паровой машины был Герои Александрийский, который детально описал первый работающий паровой двигатель эолипил, названный им «ветряной шар», или, как называют историки – Геронов шар. Это пневмогидравлический прибор, основанный на действии сжатого воздуха на поверхность воды. Его конструкция гениально проста. Широкий свинцовый котел с водой помещался над источником тепла, скажем, над горящим древесным углем. По мере закипания воды в две трубы, загнутые в противоположных направлениях, в центре которых вращался полый шар, поднимался пар. Струи пара били через два отверстия в шаре, заставляя его вращаться с большой скоростью. Шар вращается благодаря реактивной или противодействующей силе вытекающего наружу пара. Такой же принцип лежит в основе современного реактивного движения.

Еще один пневмогидравлический прибор – Теронов фонтан.

Терон знал, какое применение могут иметь различные источники энергии. Например, он сконструировал небольшую ветряную мельницу, заставлявшую звучать музыкальный орган.

Прошли тысячелетия, и специалист по Античности доктор Дж. Г. Лэнделс из университета в Рединге с помощью специалистов инженерного факультета сделал точную модель двигателя по описания Герона. Было любопытно узнать, мог ли первый паровой двигатель использоваться в практических целях? Он обнаружил, что модель развивала большую скорость вращения – не менее 1500 оборотов в минуту. Ученый заявил: «Шар устройства Герона, возможно, был самым быстровращающимся предметом его времени».

Тем не менее у Лэнделса возникли трудности при подгонке соединений между вращающимся шаром и паровой трубой, что не позволяло сделать приспособление эффективным. Возможно, для Герона это было как бы само собой разумеющимся, или он просто забыл описать эту «незначительную» деталь. Свободный шарнир позволял шару быстрее вращаться, но тогда быстро улетучивался пар; тугой шарнир, напротив, означал, что энергия расходовалась на преодоление трения. Лэнделс, не позволяя себе что-либо прибавлять к известным описаниям, посчитал, что эффективность механизма Герона, возможно, была ниже 1 %. Это значит, чтобы произвести одну десятую долю лошадиной силы (силу одного человека), понадобился довольно большой агрегат, потреблявший огромное количество горючего. Энергии бы тратилось на это больше, чем мог произвести сам механизм. Следовательно, паровой двигатель, изобретенный Героном, использоваться в практических целях не мог. Но «теория» была важнее.

Как отмечал Лэнделс, в описаниях Герона были все необходимые элементы для эффективного парового двигателя и, следовательно, ему под силу было изобрести более эффективный способ использования энергии пара. Инженеры его времени сделали цилиндры и поршни с чрезвычайно высоким коэффициентом полезного действия, которые Герон использовал в конструкции водяного насоса для тушения пожара. Подходящий механизм с клапанами для парового двигателя найден в конструкции водяного фонтана, работавшего на сжатом воздухе. Здесь была приспособлена круглая бронзовая камера, более совершенная, чем свинцовый котел, так как могла выдержать высокие давления.

Казалось бы, оставалось скомбинировать все эти детали – бойлер, клапаны, поршень и цилиндр. Говорили, что Герон так и сделал и даже пошел в своих опытах дальше. Но конец этой истории точно неизвестен. То ли изобретатель почему-то оставил эту затею, то ли погиб при испытаниях. Впрочем, все это только предположения. Можно предположить, что он не смог реализовать эту идею из-за колоссальной занятости.

Странно, правда, почему другие инженеры не разрабатывали в дальнейшем идею парового двигателя, ведь в Александрии было много знающих инженеров. Может быть, все дело в экономике? Паровой двигатель, как о том можно было догадаться, выполнявший работу сотен человек, не вызвал бы интереса у промышленников, поскольку рабочая сила многочисленных рабов, в отличие от механизма, ничего не стоила. А ведь мог бы быть построен и паровоз, ведь известно, что греки уже изобрели железную дорогу.

Витрувий

«Машина есть система связанных между собой частей из дерева, обладающая наибольшей мощностью для передвижения тяжестей, – писал в конце I в. до н. э. римский архитектор Марк Витрувий Поллион в своем знаменитом трактате «Об архитектуре». – Сам же этот механизм приводится в действие посредством круговых вращений искусным приемом…»

Первый экземпляр трактата «Об архитектуре» был найден в библиотеке монте-кассинского монастыря; первое его издание появилось в Венеции в 1497 г., т. е. через полторы тысячи лет после того, как трактат был написан.

Книга X этого трактата посвящена теоретической и прикладной механике, описанию машин и механических приспособлений и их действию. Витрувий рассматривает подъемные машины, применяемые в строительстве, водоподъемные машины, водяную мельницу. Сравнивая, например, работу мельницы с работой водоподъемного колеса, он пишет: «Таким же способом вертятся водяные мельницы, в которых все то же самое, кроме зубчатого барабана, насаженного на один конец оси. Вертикально поставленный на ребро, он вращается в одной плоскости с колесом. К этому большому барабану примыкает меньший, лежачий, тоже зубчатый, с которым соединены жернова. Так, зубцы барабана, насаженного на ось, толкая зубцы лежачего, приводят жернова во вращение. Из висящего над этой машиной ковша на жернова сыплется зерно, из которого посредством того же вращения получается мука».

По представлениям того времени первый род механизмов – это чисто подъемный; второй – духовой (давлением воздуха); третий – род механизмов тяги.

Что касается механизмов для восхождения наверх, то они строились следующим образом. Устанавливаются балки вертикально, причем связываются между собой перекладинами горизонтально для безопасного восхождения по ним на высоту в целях обозрения всего, что делается вокруг. Духовые механизмы получаются тогда, когда нагнетаемый воздух своим давлением вызывает через инструмент и отдельные звуки и певучие тона.

Наконец, механизм тяги имеет место тогда, когда механически перевозятся тяжести для перемещения в другое место путем предварительного подъема их на высоту.

Применение чисто подъемных механизмов выделяется не сколько каким-нибудь особым искусством, но больше простой смелостью. Это такие подъемные приспособления, которые держатся на системе сцеплений, на переплете поперечных связей и опорных стоек.

А механизм, который исходным началом имеет действие нагнетаемого воздуха, приводит к достижению эстетических эффектов благодаря тонкой конструкции своих частей.

Что же касается механизмов тяги, то они имеют важнейшее и величайшее практическое приложение в различных областях, при умелом использовании их раскрывая необыкновенно большую силу действия.

Одни приводятся в действие как механизмы, другие – как инструменты. Между машинами и инструментами разница, по-видимому, заключается в том, что машины пускаются в ход большим количеством рабочих рук и с большей затратой энергии, как, например, баллисты и давильные прессы; инструменты же выполняют требуемую работу умелым движением одного человека, как, например, вращение скорпионов и анизокиклов.

Таким образом, и инструменты, и системы машин практически необходимы, ибо без них ничего не может беспрепятственно осуществляться.

Всякая же механика, как замечает Витрувий, создается природой вещей и находит своего назидателя и свой прообраз в круговращении мира. В самом деле, взглянем на систему связей в природе Солнца, Луны и пяти планет: если бы они действием некоего механизма не приводились во вращение, тогда не имели бы мы ни дневного света, ни созревания плодов.

Таким образом, наши предки, писал Витрувий, обратив внимание на эти явления природы, взяли с них примеры и, подражая им, под божественным наитием создали целесообразное применение к жизни их принципов. Следовательно, предки устроили так, что получилось облегчение труда: в одних случаях благодаря машинам и их вращениям, а в ряде других – благодаря применению инструментов; затем, по мере того как приметили, что именно на практике оказывается полезным для прогресса наук, искусств и общеполезных начинаний, постепенно все это они направили по пути дальнейшей научно-технической разработки.

В первую очередь обратим наше внимание на изобретение, вызванное нуждой, например, на то, как с помощью ручной техники обработки нитей образующаяся путем взаимодействия утка и основы ткань служит не только для покрытия тела в целях его предохранения, но и придает, кроме того, подобающее положению украшение.

Далее, у нас не было бы обилия предметов питания, если бы не были изобретены ярмо и плуг для использования волов и других вьючных животных. Точно так же если бы не существовало давильное приспособление, состоящее из ворота, пресса и рычагов, мы не могли бы иметь ни блеска оливкового масла, ни продукта виноградных лоз для своей услады; не существовало бы и транспорта этих продуктов, если бы не были изобретены механизмы телег и повозок для тяги по суше и барок для перевозок по воде.

Факт изобретения точного взвешивания на весовых приборах, гиревых и безменных, ограждает от злоупотреблений житейские интересы путем установлений законных общепринятых норм. В таком же роде есть еще бесчисленный ряд различных механизмов, о которых, по-видимому нет нужды распространяться, ибо они находятся под рукой в повседневном обиходе, как, например, мельницы, кузнечные меха, четырехколесные повозки, двухколесные коляски (одноколки), верстаки и прочие приспособления, которые служат для общих удобств по заведенным обычаям и практической жизни.

Таким образом, в трактате Витрувия можно выделить пять групп механизмов.

К первой группе относятся различного рода подъемные приспособления (machina scansoria et machina tracto rio). В первых двух главах 10-й книги трактата не только описываются эти механизмы для подъема и передвижения тяжестей, но и подробно, в деталях излагаются способы их конструирования.

Вторая группа приспособлений, описанных Витрувием, – главным образом рычаги. Здесь раскрываются первые попытки сформулировать некоторые вопросы теоретической механики в связи с изучением принципов механического движения на примере работы рычагов.

К третьей группе механизмов относятся так называемые водоподъемные и нагнетательные устройства. Это тимпаны, водоподъемные колеса различных конструкций, машина Ктесибия и др.

Четвертую группу механизмов составляют военные механизмы: скорпионы, баллисты и катапульты.

Пятая группа – осадные сооружения, способы их возведения. К ним относятся «черепахи», или деревянные прикрытия, тараны для разрушения крепостных сооружений и различного рода оборонительные приспособления

Древнеримским архитекторам были хорошо знакомы тонкости числовых закономерностей, они знали три вида чертежей – ихнографию, ортографию и скенографию. Например, ихнография – это надлежащее и последовательное применение циркуля и линейки для получения очертания плана на поверхности земли. О необходимости соблюдения при строительстве точности проекта, разработанного ранее, читаем у Тита Лукреция Кара (I в. до н. э.).

 
Как при постройке домов, коль начальное криво правило,
Коль наугольник фальшив и от линий прямых отступает,
Если хромает отвес и хотя бы чуть-чуть он неровен,
Все непременно тогда выйдет здание криво и косо,
Будет горбато, вперед и назад отклоняясь нескладно,
Точно готово сейчас завалиться; и валится часто
Дом, если он пострадал от ошибок в начальном расчете.
 

Античные архитекторы обладали значительными познаниями в практической механике. Индусские храмы, египетские пирамиды, вавилонские зикурраты и греческие колонны всегда суживаются кверху, как это и положено для сооружений, материал которых работает на сжатие. Историк архитектуры Огюст Шуази (XIX в.) вычислил допущенное напряжение в камнях храма в Карнаке (Египет): в потолочных плитах оно составляет 4 кг/см², в архитравах – 5 кг/см².

На допуск таких напряжений не решаются и в наше время. Инженер А.И. Сидоров в 1925 г. писал: «Многие египетские обелиски опрокинуты и разрушены людской злобой, но один из них не опрокинут бурей, и некоторые стоят до сих пор. Следует заметить, что обелиск стоит на своем цоколе совершенно свободно, не будучи прикреплен фундаментальными болтами, которых египтяне не знали, без всякого раствора и т. п… Я произвел расчет некоторых обелисков на опрокидывание сильнейшей бурей и нашел коэффициент устойчивости от 2,5 до 2, как раз то, что допускаем мы и теперь».

Египетские и греческие колонны строились высотой не более девяти диаметров. Сейчас мы знаем, что за этим пределом начинается опасность продольного изгиба. Древние архитекторы соблюдали это условие. По-видимому, тоже не случайно.

Механика постройки античных кораблей также дает современным инженерам много материала для раздумий. Египтяне, например, не знали шпангоутов, а сшивали корабль, как коробку из досок. Такой корабль в нагруженном состоянии мог переломиться. Поэтому они укрепляли его шпренгелем – толстым канатом из женских волос, прикрепленным к носу и корме корабля и поддерживаемым подпорками. При загрузке носа и кормы (в середине корабля размещались гребцы) шпренгель работал на растяжение и предохранял корабль от поломки. Но так было не всегда. При перевозке обелисков наибольшей нагрузке подвергалась средняя часть корабля. В этом случае шпренгель ставился не сверху корабля, а под грузом, и так как он работал не на растяжение, а на сжатие, то делался жестким, из деревянных брусьев. Следовательно, египетские механики прекрасно разбирались в действии сил.

Греческие корабли были иной конструкции: они имели усиленное днище. Строили их однорядными (на 50 пар весел), двухрядными и с большим числом гребцов. Самый большой из греческих кораблей «Александрия», построенный в 264 г. до н. э. для сиракузского царя Гиерона, имел длину около 125 м и приводился в движение силой 2000 гребцов. Скорость греческого корабля достигала 4 узлов, т. е. 7,4 км/ч.

Механический календарь

Календарная система была выработана в Китае еще в эпоху Шан (с середины II тыс. до н. э.). Ее отличительной чертой является стремление соединить ритмы Луны и Солнца. В китайском календаре начало месяца непременно совпадает с новолунием, а середина – с полнолунием. 12 лунных месяцев образуют год.

В Древнем Риме календарем сначала называли книги, в которые кредиторы записывали проценты, вносящиеся ежемесячно в дни календ (отсюда название). Календы – это название первого дня месяца в древнеримском календаре, так же как ноны и иды, календы служили для счета дней в месяцах. Счет велся от этих дней назад. Например, «6-й день перед мартовскими календами»; «3-й день перед январскими нонами». Выражение «в греческие календы» означает срок, который никогда не наступит, так как счет по календам применялся только в древнеримском календаре. Позднее календарями стали именовать книги, расписывающие культовые празднества, дни рождения императоров, дни собраний сената.

Наиболее древний из дошедших до нас римских календарей относится к 354 г. н. э.

В 1900 г. внезапно налетевший шторм выбросил корабль, на котором возвращались домой греческие ловцы губок, на почти необитаемый скалистый остров Андикитира, расположенный северо-западнее Крита. Здесь они обнаружили остов затонувшего древнего судна, груженного бронзой и мраморными статуями.

Больше всего археологов, которые почти целый год работали на этом корабле, поразили крошечные бронзовые осколки с надписью на греческом языке, нашли целый набор зубчатых колес с надписями.

Андикитирский механизм был настолько сложен, что некоторые археологи настаивали на том, что корабль не может принадлежать к I в. до н. э., хотя об этом и свидетельствовали гончарные изделия, обнаруженные здесь же. Эксперты не смогли разгадать назначение загадочного механизма. Одни из них утверждали, что найденные детали принадлежат астролябии, инструменту для измерения долготы и широты в астрономии, другие – что они относятся к планетарию, устройству для проецирования движения и орбит планет.

В 1951 г. профессор Йельского университета Дерек де Солла Прайс проявил интерес к андикитирской тайне, но и ему потребовалось 20 лет скрупулезного изучения предметов при помощи рентгеновских лучей, прежде чем выявить истинное назначение механизма.

Это было очень сложное счетное устройство для вычисления календаря Солнца и Луны. Один оборот главного колеса соответствовал солнечному году, в то время как маленькие колеса показывали положение Солнца и Луны и появление самых важных звезд. Колеса находились в деревянном ящике, отверстия в котором открывались с целью наблюдения за находившимся внутри механическим чудом. Прибор, как полагают исследователи, был частью груза корабля и не служил навигационным средством для капитана.

Римский правовед Цицерон (106–43 гг. до н. э.) писал, что его друг и наставник философ Посидоний «недавно сделал глобус, который при вращении показывает движение Солнца, звезд и планет днем и ночью точно так, как они появляются на небе». Он также заметил, что великий Архимед еще раньше изобрел модель, «имитирующую движения небесных светил». Кстати, высказывалась даже мысль, что именно механизм Архимеда был найден среди обломков затонувшего корабля

Известно описание «Золотого дома» Нерона, построенного архитекторами Севером и Целером (возможно, это были прозвища» «север» – строгий, «целер» – скорый). Внутри гигантского дворца была помещена модель окружающего мира с городами, пашнями, садами. Над главным зданием дворца был сооружен вращающийся сферический потолок с нарисованными на нем звездами, над обеденным залом – передвигающиеся плиты с отверстиями для распространения аромата и разбросанных по их верху звезд.

Изучая андикитирский механизм, профессор де Солла Прайс пришел к выводу, что это открытие «требует от нас полностью переосмыслить наше отношение к древнегреческой технологии». Люди, которые сделали такой прибор, могли бы построить почти все, что желали. У них была техника, но она не сохранилась в отличие от огромных мраморных зданий, скульптур и постоянно переписывавшихся литературных трудов о высокой культуре.