Текст книги "История и философия техники"

Термы

В Древнем Риме большое внимание уделялось строительству терм, были даже разработаны специальные рекомендации, по которым возводились эти прекрасные по архитектуре и сложные инженерные сооружения.

Термы – общественные бани – являлись также увеселительными и спортивными учреждениями. В основных чертах этот тип здания сложился в Риме в период республики ко II в. до н. э., но наиболее полное развитие термы получили в период империи.

Обязательной принадлежностью терм, кроме банных залов, с бассейнами и фонтанами, были комнаты для игр и упражнений, крытые коридоры для бега и прыжков, залы для философских бесед и картинные галереи. Тут же посетители любовались состязанием профессиональных атлетов или даже сами принимали участие в не слишком утомительных играх. Все это носило непринужденный домашний характер.

Строительство терм вызывалось необходимостью занять огромные массы римского плебса, требовавшего «хлеба и зрелищ». Обнищавшие римляне большую часть своего времени проводили на форумах, в палестрах, термах и амфитеатрах. Это вынуждало империю устраивать зрелища, даровые раздачи хлеба, строить колоссальные термы, где мог развлекаться римлянин, не имевший собственной виллы с бассейном.

Термы отличались невероятной пышностью отделки и оборудования. Для облицовки зданий применяли дорогостоящий мрамор. Лучшие ваятели Рима украшали помещения терм мраморными скульптурами, уникальной мозаикой. Термы оборудовались водопроводом и теплопроводом. Во времена Нерона на Марсовом поле в Риме воздвигали огромные термы даже со стеклянными окнами.

Термы часто являлись сложным комплексом различных построек с многочисленными помещениями. Основное здание обычно имело симметричный план с расположением по главной оси бань: фригидия (холодной), тепидария (теплой) и кальдария (горячей) и двух одинаковых помещений – вестибюль, раздевальная, залы для омовения, массажа и сухого потения – по сторонам от них. Здесь же помещался зал для спортивных упражнений.

Термы, заложенные при Септилии Севере (206 г.) и завершенные при императоре Каракалле (216 г.), – сложный комплекс сооружений, раскинувшийся на участке в 12 га. Размеры только главноного здания 216 × 112 м. Его руины и сейчас поражают грандиозностью. В просторных залах могли находиться одновременно свыше полутора тысяч человек.

Термы имели сложную систему отопления: в полах оставлялись пустоты, по которым шел теплый воздух. Подобным же образом обогревались стены и своды. Часто в термах использовались термальные воды.

На специальных нагревальнях было три медных бака: один с горячей водой, другой с теплой, третий с холодной. Баки размещались так, чтобы сколько горячей воды выйдет из бака с теплой водой в бак с горячей водой, столько столько же должно втечь воды из бака с холодной водой в бак с теплой водой, а нижние полы под маленькими ваннами должны нагреваться от общей нагревальни, снизу полы делались «висячими». Рекомендации по устройству терм предписывали: «Висячие полы горячих бань следует делать вот каким образом: прежде всего надо земляной грунт замостить полуторафутовыми черепицами и сделать землю покатой по направлению к нагревальне так, чтобы пущенный шар не мог на ней остановиться, но сам собою возвращался снова к топке нагревальной печи, – таким образом огонь легче будет распространяться под висячим полом».

Потовые бани, так называемые «лаконские», должны были соединяться с теплой баней. В середине купола должно быть оставлено отверстие, и к нему цепями привязывался медный щит, поднятием и опусканием которого должна была устанавливаться температура потовой бани. Само отверстие необходимо было делать круглым (по циркулю), чтобы сильный жар и пар равномерно поднимались из середины кругами.

Водяные мельницы

Широкое распространение в Древней Греции и Риме получила ручная мельница – довольно простое, но чрезвычайно полезное для хозяйства изобретение. Люди и раньше умели измельчать зерна в муку при помощи каменной ступки и пестика. Позднее перешли к более лучшему способу – перетиранию зерна вместо толчения. Но и это было весьма утомительное нудное занятие. Тогда попробовали вращать «терку», заменив пестик на плоский камень, который двигали по плоской же поверхности другого камня. Отсюда уже было недалеко до жернова, прошло еще сколько-то сотен лет и люди догадались заставить один камень скользить при вращении по другому, немного выпуклому посередине, одновременно подсыпая зерно в отверстие, проделанное в середине верхнего камня. Зерно, оказавшись между двумя камнями, растиралось, превращаясь в муку. У этого механизма, кроме двух плоских камней, были и другие необходимые детали. В частности, железный штифт, расположенный наверху, а также железная полоса, вставленная в отверстие.

Первые мельницы были самых разных размеров: от маленьких, вроде ручных кофемолок, до внушительных, которые в движение привести было под силу только двум рабам или ослу.

Потом изобрели водяную мельницу – механизм, который мог работать без применения мускульной силы человека или животного, правда, и здесь сначала мельничные колеса вращали вручную.

По тому же принципу, что и механизмы для подъема воды, устанавливались на реках (водочерпательные) колеса. По внешней их окружности прикрепляются лопатки, которые под ударами речного напора своим поступательным движением заставляют вращаться колесо. И таким образом, забирая воду черпаками и поднимая ее кверху, такие колеса без помощи людского упора ногами, будучи приводимы во вращение напором самого речного течения, дают тот эффект, который и требуется для дела.

По тому же принципу работают и водяные мельницы. У них элементы механизма все те же, за исключением следующего. В ось на одном ее конце вделывается перпендикулярно зубчатое колесо, вращающееся равномерно с лопатчатым колесом, зацепляя за него, устанавливается в горизонтальном положении другое колесо, тоже зубчатое, большого размера, которое и составляет всю суть. Таким образом, зубцы того колеса, которое надето на ось, толкая зубцы горизонтального колеса, заставляют вращаться жернова. Над этой машиной свисающий зерноприемник (infundibulum) мерно подает жерновам зерно. И в результате этого самого вращения из помола выходит мука.

Сперва мельницы применялись по своему прямому назначению для помола зерна, однако уже в 1086 г. в Нормандии была мельница-сукновальня. В XII в. такие мельницы распространяются по всей Франции, затем попадают в Англию, а 1212 г. сукновальня с водяным приводом сооружается в Польше.

Принцип действия таких мельниц заключался в следующем: главный вал, приводимый во вращение водяным колесом, нес жестко закрепленные кулачки, которые поочередно поднимали колотушки, валявшие сукно в чанах.

В 1040 г. в Дофине появились мельницы для изготовления пеньки, а в XIII в. они распространяются по Европе. В 1104 г. в Каталонии уже работала железоделательная мельница: кулачок, закрепленный по главному валу, опускался на главном валу, опускал вниз меньшее плечо неравноплечего рычага; молот, закрепленный на конце большого плеча, падал затем на наковальню. Мельницы такого типа в течение XII–XIII вв. распространяются повсеместно, в XIV в. их начинают сооружать в Польше. Несколько позже начали устраивать пильные мельницы для распиловки досок, первые упоминания о них относятся к 1337 г.

Знаменитый немецкий механик Георг Андреас Беклер опубликовал в 1686 г. в Нюрнберге замечательное сочинение – «Театр новых машин», очерки о развитии инженерного искусства. В соответствии с обычаями того времени Беклер на титульном листе латинизировал свое имя и стал Георгиус Андреас Беклерус, «архитектор и инженер». Подзаголовок уточнял содержание книги: «Мельницы: водяные, ветряные, ручные, приводимые в действие домашними животными или с помощью поворотных механизмов». В те времена люди еще плохо представляли себе, что такое трение, хотя и использовали это явление в мельничном деле для транспортировки мешков с мукой. Подъемник, например, был устроен наподобие корабельной лебедки: вокруг вращающегося вала натягивалась веревка со свободно закрепляющейся петлей.

В книге Беклера многочисленные мельницы тщательно нарисованы и подробно описаны. Беклер без ложной скромности провозглашал себя единственным и неповторимым гением-теоретиком, да и практиком тоже.

В XIII в. на реках и речках Руси появляются первые водяные мельницы. Сперва они применялись исключительно для помола зерна, но, по-видимому, уже в XV в. начинается и технологическое применение гидросиловых установок. Известны сложные системы машин, работающих с помощью гидропривода, которые построил в середине XVI в. в Соловецком монастыре игумен Филипп Колычев (1507–1569), один из самых замечательных инженеров Московской Руси.

В том же XVI в. в районе Вычегды действовала железоделательная мельница, в 60-х гг. XVI в. под Москвой заработала первая в стране бумажная мельница, во Львове работали дубильные, маслобойные и иные мельницы.

Водяные мельницы ставились не только на реках: в Бастре в устьях каналов, питавшихся водой за счет прилива, были выстроены мельницы, которые приводила в движение вода, отступавшая во время отлива. В Месопотамии на Тигре действовало много плавучих мельниц. Мельницы Мосула висели на железных цепях посредине реки; каждая мельница Багдада имела по сто жернопоставов.

Улитка», винт для подъема воды

В древние времена было известно устройство «улитка» – винтовой механизм, который зачерпывает большую массу воды, но совершает подъем ее не на такую высоту, как колесо.

Устройство этого механизма осуществлялось таким образом: берется деревянный брус; длина этого бруса исчисляется во столько же футов, во сколько дюймов определяется его толщина. Брус округляется по циркулю. Округление плоскости на концах бруса делятся на четверти и осьмушки, всего на восемь равных частей. При этом линии должны быть проведены настолько четко, чтобы при горизонтальном положении бруса линии на каждом из концов соответствовали друг другу точь-в-точь. Затем соответственно величине одной восьмой части окружности бруса должны быть намечены такого же размера деления по его длине. Далее, при горизонтальном положении бруса надо провести параллельно друг другу линии от одного конца (бруса) к другому. Следовательно, и в окружности, и в длине образуются совершенно равные деления. Таким образом, в том месте, где проведены линии в длину, образуются пересечения и в местах пересечения – определенные точки.

Когда все это будет безукоризненно точно начерчено, тогда берут тоненькую рейку из ивы или же из расщепленного прутняка. Эта рейка, пропитанная жидкой смолой, прикрепляется к первой точке пересечения, а затем наискось проводится до следующих точек пересечения как в длину, так и в обхват (вала). И так, переходя по порядку от точки к точке, в длину и в обхват окружности, рейка закрепляется в каждой точке пересечения. В итоге, переходя от первой до восьмой точки, она доходит и возвращается к той линии, где была прикреплена ее исходная часть. Таким образом, на какое расстояние она продвигается наискось и через восемь точек, на такое же расстояние она продвигается и в длину до восьмой точки. Таким же путем через все пространство в длину и в обхват прикрепленные рейки, проходя по точкам пересечения, наискось образуют собою (на вале) винтообразные канальцы в обхват через восемь делений, т. е. настоящую натуральную имитацию улитки.

Таким образом по данной наметке прикрепляются одна рейка к другой, пропитанные жидкой смолой, и так накладывают их одну на другую до тех пор, пока наибольшая толщина (глубина канальца) будет равна восьмой части длины. Поверх этих реек, в обхват окружности, кладутся и закрепляются доски, которые образуют покров описанного винта. Тогда эти доски тоже насыщаются смолой, связываются железными обручами, чтобы под действием воды они не рассыпались. Концы бревенчатого вала – железные. Справа же и слева «улитки» – винтового механизма – вставлены балки, имеющие в головах своих и с той, и с другой стороны надетые на них поперечные балки. В них вделаны железные муфты, а в муфты введены оси («улитки»). И эта «улитка», таким образом, производит свои вращательные движения при помощи людей, действующих ногами (топчаком).

Что же качается установки этой «улитки» – винтового механизма – под известным наклоном, то она должна быть поставлена следующим образом. Именно так, как описывается прямоугольный треугольник у Пифагора, т. е. чтобы длина «улитки» была поделена на пять частей и чтобы три части служили для подъема головы «улитки». Тогда расстояние от перпендикуляра треугольника до низа ноздрей «улитки» будет равно четырем из тех частей.

Механизм Ктесибия

Теоретические труды самого Ктесибия до нас не дошли, но сведения о его изобретениях содержатся в сочинениях других авторов – Филона, Витрувия, Афинея, Плиния и Герона. Из этих источников мы узнаем, что Ктесибий был изобретателем двухцилиндрового водяного насоса, снабженного всасывающими и нагнетательными клапанами; водяного органа, управление которым осуществлялось с помощью сжатого воздуха; водяных часов, отличавшихся от древней клепсидры тем, что в них имелся поплавок, движение которого передавалось фигурке, указывавшей время на специальной шкале, и некоторых других устройств. В военных метательных машинах, изобретенных Ктесибием, использовалась сила сжатого воздуха.

Машина, которую древние авторы называли ктесибиевой, поднимала воду высоко вверх. Она должна быть из бронзы (меди), и в основе ее лежат два цилиндрических сосуда (modioli gemelli), на незначительном расстоянии друг от друга имеющие трубы вилообразной формы и симметрично сходящиеся в особый сосуд, расположенный между ними. В этом сосуде должны быть сделаны клапаны, помещенные у верхних ноздрей (концов) труб путем тонкого приспособления. Таковые клапаны, затыкая отверстия ноздрей (концов) спереди, не дают выходить обратно тому, что давлением воздуха было раз вкачено в сосуд.

Поверх этого сосуда плотно приделан наподобие опрокинутой воронки колпак, который посредством фибулы, пробитой заклепками (cuneo), соединяется с сосудом, чтобы сила выпираемой воды не вызывала поднятия колпака вверх. Поверх колпака в высоту приделывается труба, называемая насосом (tuba). Что касается цилиндрических сосудов, то они имеют внизу у нижних ноздрей (концов) труб клапаны, помещенные над их отверстиями, которые находятся в основаниях труб.

Далее, вверху в цилиндрические сосуды вводятся в действие посредством подъемных штанг и рычагов прочные поршни (emboli masculi), отшлифованные токарным станком (tornus) и смазанные маслом. Поршни, нагнетая воздух, который будет находиться в цилиндрах вместе с водой, в силу закрытия отверстий клапанами будет выпирать своим напорным давлением воду через ноздри труб в серединный сосуд, а оттуда колпак, получая толчки воды, вгоняет ее по своей трубке вверх. И таким образом из более низкого места при помощи устроенного резервуара вода подается для того, чтобы бить фонтаном.

Это не единственное изобретение, что приписывается Ктесибию. Кроме того, было много других различных механизмов: как они под сжатием этой воды, нагнетаемой постоянным напором (pressionibus) воздуха, проявляют действия сил, взятых у природы. Так, например, звукоподражание действием воды голосам дроздов, ангабаты – фигурки, которые движутся, вбирая в себя воду, а также и другие предметы, которые ласкают чувства приятными впечатлениями через зрение и слух.

Водяной орган

Принципы устройства водяных органов в описании античного автора следующие. Из дерева сколачивается основание, на нем устанавливается сделанный из меди резервуар; над основанием справа и слева воздвигаются стойки, связанные между собой в виде переплета, в которые вставлены медные цилиндрические сосуды с подвижными днищами; эти днища тонко обработаны на токарном станке, имеют в своей середине железные лапы и соединены коленчатыми стволами с рычагами; и все это обернуто лохматыми шкурами.

Далее, на верхней ровной крышке (цилиндрических сосудов) делаются отверстия приблизительно по три дюйма. Около этих отверстий совсем близко вставлены в вертикулы (стволы) бронзовые дельфины, которые имеют на цепях кимволы, спускающиеся из их пасти в глубь отверстий сосудов.

Внутри медного резервуара, в пространстве, омываемом водой, имеется пнигей – колпак наподобие опрокинутой воронки, в нижней части которого подведены подпорки, высотою приблизительно каждая по три пальца, поддерживают нижние края пнигея на одинаковом расстоянии от основания резервуара.

Над шейкой этого пнигея сколочен ящик, который поддерживает верхнюю часть всей машины, называемую у греков «музыкальным каноном». В длину последнего проводятся четыре канала (желобка); если этот инструмент о четырех тонах (струнах), то делают четыре канала; если же о шести – то шесть; если о восьми – то восемь.

У каждого отдельного канала вделывается свой кран, снабженный железной ручкой. Эти ручки, стоит их только повернуть, открывают ноздри (проход) из резервуара в каналы; исходя же от конца каналов (ex canalibus) музыкальная трубка (канон) имеет ряд расположенных поперек отверстий соответственно ноздреватым проходом, находящимся в верхней доске, которая у греков называется «пинакс». Между этой доской и каноном вставлены деревянные пластинки (regulae) с такого же рода просверленными отверстиями (foratae) и протертые маслом, чтобы их легче можно было выдвигать вперед и опять отводить назад; и так как они собою задвигают отверстия, то называются плинтадами (заслонками). Их передвижка взад и вперед то задвигает, то открывает просверленные отверстия.

Эти деревянные пластинки имеют прибитые железные пружины (choragia), соединенные с лопатками (крыльями), прикосновение к которым вызывает в силу сцепления движение этих пластинок. Над отверстиями верхней доски, там, где струи воздуха имеют выходы из каналов, есть приделанные ободки, в которые включаются язычки всех труб органа. От боковых же сосудов (modioli) проходят трубки на всем протяжении до соединения с шейкой пнигея – колпака – и доходящие до ноздреватых проходов (nares) малого ящика. В данном месте трубок находятся отточенные на токарном станке клапаны, именно здесь помещенные для того, чтобы с напором воздуха в малый ящик закупорить отверстия и не дать воздуху выйти обратно.

Так вот, когда поднимаются рычаги, коленчатые стволы опускаются до конца боковых сосудов (modiolorum) вниз, и дельфины, которые вставлены в вертикулы, опускают в них (сосуды) кимвалы; тогда воздухом они наполняют всю емкость сосудов; а когда же коленчатые стволы, заставляя днища внутри сосудов подниматься вверх путем сильных и частых толчков, закрывают верхние отверстия кимвалами, тогда воздух, который здесь заключен, под действием сжатия загоняется в трубы, через которые он устремляется в пнигей – колпак, а через его шейку – в малый ящик. Итак, благодаря сильному движению рычагов нагнетаемый воздух подвергается сжатию и устремляется к отверстиям кранов и заполняет далее каналы воздухом.

Таким образом, когда лопатки прикосновением рук двигают вперед и возвращают назад силой сцепления деревянные пластинки, последовательно то задвигая отверстия, то их открывая, тогда они сообразно законам музыкального искусства издают многоразличными вариациями звонкозвучащие голоса.

Таксометр

Речь пойдет об остроумном приборе, благодаря которому, по словам античного историка, «в пути, сидя в экипаже или плывя по морю, можем узнать, какое число миль пути мы проделали».

Способ этот заключается в следующем.

Пусть колеса экипажа будут в ширину по линии диаметра по 4 фута так, чтобы колесо, если на нем отметить определенный пункт и от этого пункта начать производить его обороты вперед при движении по дорожному грунту, то это колесо, достигая отмеченного пункта, с которого оно начало вертеться, могло бы пройти определенное пространство около 12,5 футов.

Когда все это будет приготовлено, тогда следует к ступице колеса с внутренней стороны вделать прочно барабан (тимпан), имеющий один зуб, который выделяется из пределов окружности барабана.

Поверх этого у козел экипажа должен быть крепко вделан ящичек, имеющий вращающееся зубчатое колесо, поставленное ребром и надетое на ось. На окружности этого колеса необходимо сделать на основе равного деления четыреста зубцов, которые будут подходить к зубцу нижнего тимпана. Кроме того, к верхнему тимпану на его боку должен быть укреплен еще зубец, выступающий за линию других зубцов.

Сверху же этого пусть будет помещено горизонтально другое колесо, таким же образом снабженное зубцами и помещенное в другой ящичек, причем так, чтобы зубья сходились с тем зубцом, который был сделан на боку второго колеса. В горизонтально расположенном колесе следует делать столько отверстий, сколько миль можно проехать в течение дневного пути. Меньше или больше миль – это не создает препятствий. И во все эти отверстия должны быть вложены круглые камешки, а в полости этого колеса, т. е. в его особом вместилище, должно быть сделано одно отверстие с желобком, чтобы камешки, которые вложены в вышеописанное колесо, дойдя до этого места, могли падать один за другим в козлы экипажа и в медный сосуд, который будет там подставлен.

Таким образом, раз экипажное колесо поступательным движением будет увлекать за собою нижнее зубчатое колесо (тимпан), и зубчик последнего при каждом полном обороте тимпана путем захватывания (impulsu) зубьев верхнего тимпана будет заставлять его оборачиваться, то в результате, когда нижний тимпан совершит 400 оборотов и один оборот в это время сделает верхний тимпан, тогда и зубец, приделанный на боку последнего, продвинет на один зубчик тимпан, расположенный горизонтально, следовательно, 400 оборотов нижнего тимпана будут давать один оборот верхнего, и это продвижение образует расстояние в 5000 футов, или в одну милю. По этому расчету камешки при своем падении звуком будут давать знать о проходе полных миль. А число камешков, собранных со дна, покажет своей суммой число миль дневного пути.

Равным образом и при плавании кораблей измерение пути может быть организовано таким же способом с небольшими лишь соответствующими изменениями. Именно – через стенки корабельных бортов продевается ось с выходящими наружу концами, в которые вдеваются диаметром в четыре фута и 1/16 особые колеса, имеющие по своей окружности приделанные лопатки (крылья), которые касаются воды.

Точно так же на середине оси, в самой середке корабля, имеется тимпан с одним зубцом, несколько выходящим из окружности тимпана.

В этом месте помещается ящичек, который имеет вставленный в него другой тимпан с равными зубьями числом 400, сходящимися с зубом того тимпана, который вставлен в ось. Сверх того, на боку колеса (тимпана) прикреплен еще один зуб, который выделяется за периферию.

Сверху, в другом ящичке, в смычке с этим колесом (тимпаном) включен другой тимпан, расположенный горизонтально, с подобного же рода зубьями. Путем толчков в окружность тот самый зубок, который прикреплен сбоку тимпана, расположенного ребром по отношению к зубцам, которые принадлежат горизонтальному тимпану, приводит во вращение отдельными оборотами вышеназванные зубцы горизонтального колеса (тимпана). В горизонтальном тимпане следует сделать отверстия, в каковые будут помещены круглые камешки.

В полости, т. е. во вместилище, этого тимпана должно быть выдолблено одно отверстие с желобком, по которому высвободившийся от преград камешек в момент своего падения в медный сосуд давал бы знать это звуком.

Таким образом, при разгоне корабля силой ли весел или дуновения ветров лопатки колес, касающиеся встречной воды, приведут в движение колеса назад под действием сильных толчков. Эти колеса своим вращением приведут в движение ось, а ось в свою очередь – тимпан, зуб которого при полном обороте тимпана будет вызывать путем схватывания зубьев мерное вращение второго тимпана. Так, следовательно, когда колеса сделают действием своих лопаток 400 оборотов, тогда один полный оборот тимпана своим зубом, который находится на его боку, продвинет и зуб тимпана, расположенного горизонтально. В результате полный оборот горизонтального колеса (тимпана) всякий раз как будет доводить камешки до отверстия, будет спускать их по желобку. Таким образом, и звуком, и числом это будет давать знать в милях о расстоянии, пройденном кораблем.