Сторінка
4
Основні уявлення про значення слова «машина» точно виражає визначення, дане знаменитим римським архітектором Витрувієм:
«Машина є взаємно пов'язане з'єднання дерев'яних частин, що забезпечує найбільшу вигоду при піднятті тяжкості. Вона наводиться в дію штучно, а саме круговим рухом».
Це занадто спрощене уявлення античного світу про облаштування машини і її призначення трактується значно ширше у більше ранньому творі «Механічні проблеми», приписуваному Аристотелю. Зокрема, автор цієї праці перераховує і описує цілий ряд простих і складних механізмів, використовуваних механікою того часу, а саме: важіль, колодязний журавель з противагою, рівноплечі ваги, нерівноплечі ваги – безмін, кліщі, клин, сокира, кривошип, каток, колесо, блок, поліспаст, гончарний круг, праща, кермо, металевий або кам'яний колесо у взаємно протилежний обертання (під цим, ймовірно, малися на увазі зубчасті колеса в зачепленні). З цього переліку видно, що основними конструктивними елементами античних машин були прості механізми: важіль, клин, площина похилої, колесо і блок. Древнішим єгипетським механікам були відомі тільки важіль, клин, поліспаст і, мабуть, площина похилої.
Головним і найчастіше використовуваним механізмом був важіль, винахід якого приписується Кінірасу Кіпрському. Теоретичною розробкою співвідношень між силами, діючими на плечі важеля, займався Аристотель, а магматичне формулювання цих залежностей разом з описом численних практичних прикладів запропонував Архімед. Перше застосування важеля як основного структурного елементу точних механізмів різноманітних автоматів по праву приписується Герону Олександрійському, так само як Периклу – перше використання його у бойовій машині, яку, згідно Діодору, уперше побудував механік Артемон при облозі Самоса в 439 р. до н.е. До кінця ще не з'ясований і питання про використання похилої площини при будівництві пірамід в III тисячолітті до н.е. Її безперечний вплив помітний, проте, у архімедова гвинта, що спочатку служив виключно для підняття води, а маслинової олії, що пізніше застосовувалася в пресах для отримання. Блоки використали вже ассирійці, а також, мабуть, і єгиптяни. В той же час вже Герон Олександрійський прибігав до об'єднання декількох блоків різного діаметру, внаслідок чого мінялася швидкість руху фігур в його автоматах. З блоку ж виник і поліспаст, який знайшов найширше застосування в техніці римлян.
До найбільш древніх і найчастіше простим механізмам, що використалися, відноситься також клин, відомий вже у дуже старих культур, передусім у формі примітивних інструментів – долота і сокири, а пізніше в якості допоміжного елементу при піднятті тяжкості. Колесо у своєму первинному виді було покликане служити для заміни тертя ковзання тертям кочення при транспортуванні великих і важких вантажів. Первинні круглі дерев'яні пластини у перших возів незабаром перетворилися на колеса з ободом, які єгиптяни, греки, римляни і перси встановлювали на своїх одновісних і двовісних возах. Дуже важливе застосування цей елемент знайшов і в якості педального колеса і колеса з кінним приводом. По суті кінний привід зробився найважливішою складовою частиною двигунів різного роду млинів, у тому числі водяних, тоді як основне призначення педального колеса, по Філону Візантійському, полягало у використанні його для приводу водяних насосів і підняття тяжкості.
Дуже істотним елементом древньої механіки було також зубчасте колесо, що розвинулося, ймовірно, із звичайного колеса. І хоча ще до кінця не ясно, чи можна згадка в «Механічних проблемах» розглядати як найперше повідомлення про появу зубчастого колеса. Проте поза сумнівом, що систематично ми починаємо зустрічатися із зубчастими колесами тільки у Герона Олександрійського в його знаменитому годометрф – приладі для виміру пройденої відстані – або, в аналогічній формі, у вигляді цівкових коліс у ряді його автоматів.
Як окрему главу в історії розвитку античної механіки можна розглядати еволюцію гідравлічних і пневматичних машин і механізмів. Використовуючи Архімедів закон про виштовхуючу силу, діючу на занурене в рідину тіло, двох найбільш відомих механіків і інженера старовини Ктезібій і Герон Олександрійський побудували цілий ряд оригінальних пристроїв. До них відносяться, наприклад, винайдений Ктезібієм двоциліндровий розпилювач одноразової дії і запропонований Героном автоматичний механізм для відкривання храмових дверей. Гідравліка стала грати значну роль і у вимірах часу, особливо коли (починаючи з 422 р. до н.е.) збільшилося число тих, що використали для цього водяних годинника-клепсидр, з яких найбільш досконалі і найбільш складні в конструктивному відношенні розробив усе той же Ктезібій. З машин-двигунів римлянам було відомо тільки водяне колесо, приведене в дію води, що силою падає, — важливий елемент приводу передусім для роботи водяних млинів.
Дуже істотними для античного світу були і відкриття в області аеромеханіки. Окрім еоліпіла (парової кулі) Герона – попередника сучасних парових турбін і реактивних двигунів – слід обов'язково згадати також про побудований Ктезібієм орган і особливо про його пневматичний самострілі, в якому дія аеромеханічних елементів переноситься на іншу область додатків – створення військових машин. Оскільки античності не був відомий порох, забійна сила зброї того часу залежала від пружності або гнучкості дерева, кістки і інших матеріалів, з яких виготовлялися дуги луків і самострілів. Заміна Ктезібієм дуги (класичного елементу лука) пневматичним метальним механізмом поза сумнівом свідчить про високий технічний рівень його винаходів.
Також варто хоч би згадати про будівництво пірамід, зрошувальних каналів, акведуків, церковних храмів і амфітеатрів. Антична наука, до якої разом з математикою слід з повним правом зарахувати і механіку, досягла дуже високого ступеня досконалості. Адже тільки винаходів Ктезібія і Герона виявилося б цілком досить для того, щоб перша парова машина з'явилася на дві тисячі років раніше.
Проте вона так і не була винайдена навіть попри те, що древні з їх розвиненою культурою добре уявляли собі роль заліза в техніці і уміли його добувати і обробляти. Аналіз визначення машини, цього Витрувієм, створює, проте, враження, що античне суспільство майже не було зацікавлене в доведенні нових відкриттів і винаходів до практичного використання. Очевидно, велику роль грала тут дешевизна робочої сили, оскільки праця рабів в рабовласницькому суспільстві того часу опинялася вигіднішою, ніж створення нових, часом мало кому зрозумілих пристроїв. В силу цього в античний період значного розвитку досягали лише деякі досить примітивні форми машин.
Тільки відсутністю інтересу до практичного використання видатних відкриттів в природних науках, і зокрема в механіці, можна пояснити, чому Ктезібій, Герон Олександрійський і інші механіки старовини не залишили яких-небудь згадок про механічний вічний двигун. Можливо, подібний пристрій мав на увазі римський поет Клавдіан, коли писав, що легендарний математик і механік старовини Архімед нібито винайшов оригінальний прилад у вигляді сфери із скла із зображенням небесного склепіння, на якому відтворювався рух усіх відомих на той час небесних світил. Цей прилад, за свідченням поета, представляв собою деякий автоматичний пристрій, що безперервно обертався саме по собі.