1.3. Древняя Греция и Древний Рим Первые целенаправленные

1.3. Древняя Греция и Древний Рим
Первые целенаправленные попытки исследований теоретических аспектов механического
движения пришлись на античный период развития естествознания (IV в. до н.э. − I в. н.э.). Развитие рабовладельческого общества, прежде всего в Греции, предполагало более широкое разделение труда, что не могло происходить без внедрения новых образцов техники и технологий.
Патриции, заставив плебеев заниматься физическим трудом, получили много свободного времени, в течение которого могли предаваться развлечениям, войне и интеллектуальной деятельности, в частности теоретическому осмыслению достижений более ранних цивилизаций.
В Древней Греции и Римской империи успешно развивались наряду с теоретизированием
прикладные науки, не единой геометрией и астрономией жил человек. Его тактические и стратегические интересы требовали использования фундаментальных знаний для создания новых
образцов техники и технологий. Особенно была востребована механика, и, прежде всего, для
создания наступательного и оборонительного вооружения.
Во все известные историкам времена самые передовые достижения фундаментальной и
прикладной науки использовались, прежде всего, для создания устройств, способствующих
уничтожению себе подобных. Такова уж суть человеческого общества. Период античности является ярким тому примером. Первые приложения теоретической механики состоялись при
создании разного рода метательных машин. Соединение достижений в области механики и металлургии железа привели к появлению гестрафета − большого металлического лука, посылавшего на 100 − 150 м стрелы с металлическими наконечниками. Гестафет вскорости был вытеснен катапультами. Тетива, изготавливаемая из сухожилий животных, преимущественно быков,
позволяла посылать стрелы длиной до 185 см и массой до 1,5 кг с железными наконечниками
на расстояние, превышающее 300 м. Поскольку стрелы нужно было изготавливать, а камней
кругом было много, приспособили катапульты
для метания больших булыжников массой 20 −
30 кг, они стали называться баллисты. Маленькие камни массой 2 − 3 кг посылали в ряды
противников полинтонами. Дальнейшей модернизацией наступательного оружия стал
онагр, который можно считать прообразом современных гаубиц (рис. 1.16) потому что он
имел колёса и посылал по баллистической траектории глиняные сосуды с горящей смолой.
Между брусьями из прочной древесины 1
Рис. 1.16. Конструкция онагра
натягивался пучок воловьих высушенных жил
2, который закручивался посредствам ворота3. В середину пучка вставлялся рычаг с ремённой петлёй 4, с заложенным каменным снарядом 5. При скручивании жил
рычаг отклонялся назад и удерживался в таком положении шпонкой, которая при необходимости вышибалась
молотком, освободившиеся жилы раскручивались, перемещая рычаг по круговой траектории, что сообщало
камню начальную скорость, направленную под углом к
горизонту. На раме онагра имелось специальное устройство 6, представляющее собой демпфер, предотвращающий разрушение рамы и рычага [4].
Большое распространение онагры получили в войсках Александра Македонского. Онагр тоже был усовершенствован, стараниями военных инженеров его преобразовали в тяжёлое осадное орудие – франдибол, которое уже было снабжено более сложной рычажной сисРис. 1.17. Франдибол
темой с деревянными шестернями для приведения тети-
14
вы в боевое положение. Это метательное орудие обрушивало на головы врагов, расположенных
за 500 м от орудия, ядра массой до 200 кг. Рычажные конструкции успешно использовались
для транспортировки воинов на стены и башни крепостей, а так же для разрушения укреплений (рис. 1.17).
Первыми «танками», как это ни покажется странным, были живые существа – слоны. Ученик великого Аристотеля, Александр Великий, он же Македонский, посадил вооружённых воинов на спины слонов, превратив такое сочетание в мощное наступательное средство против пехоты врага (рис. 1.18). Обладая существенной массой и высокой проходимостью, слоны буквально сметали пехоту и конницу врага, а воины стрелами, дротиками и копьями подавляли
сопротивление поверженных врагов.
Центром греческой науки на некоторое время стал г. Александрия. Развитие зарождающегося ремесленного производства было
связано с разработкой различных способов перемещения и поднятия тяжестей.
Основателем александрийской школы
прикладной механики был современник
Архимеда, Ктезибий. Самыми распространёнными в Александрии разделами
механики были гидродинамика и пневматика. Катезибию приписывают создание первого органа, построенного на основе резонансных трубок, продуваемых
сжатым посредствам столба воды воздухом. Кроме того, под руководством Катезибия были разработаны оригинальные
конструкции водяных часов и пневматических метательных орудий. Картезибию
так же принадлежит и изобретение пожарного водяного насоса.
Один из механиков, прославивших
александрийскую школу, был Филон Византийский (середина III века до н.э.),
Рис. 1.18. Первые «танки» армии Македонского царя
который оставил после себя, сохранившийся до наших дней трактат «Механика» в арабском переводе. После краткого вступления
Филон подробно излагает устройство боевых машин, действие которых основано на свойствах
рычага. В книге Филона много внимания уделено описанию пневматических игрушек и забав:
кривые зеркала, сосуды, извергающие разноцветные жидкости, автоматические устройства для
подачи святой воды к входу в храм. В этих развлекательных механизмах использовались эффекты механического движения, создаваемые сжатым воздухом и парами нагретой воды.
Филоном была описана впервые в египетской и греческой практике конструкция подвеса, который сейчас называется «кардановым».
Рычажные конструкции успешно использовались для транспортировки
воинов на стены и башни крепостей, а
так же для разрушения укреплений
(рис. 1.19).
Наряду с военным применением знаний о
механическом движении в милитаристических целях возникала насущная потребность их внедрения в хозяйственную деятельность. Добыча металлических руд,
ткацкое и гончарное производство, мукомольное производство, сельское хозяйстРис. 1.19. Осадные орудия
во, строительство, производство наземных
и водных транспортных средств требовали новых машин и механизмов, работающих на вновь
открывающихся возможностях механического движения. В практику начинали внедряться
подъёмные краны, снабжённые воротами и блоками. Для разгрузки и погрузки судов использо-
15
вались краны, расположенные на поворотных платформах.
Во все времена в сельскохозяйственном производстве наиболее трудоёмким процессом был
полив растений. В Древней Греции, правда, несколько позже, чем в Древнем Китае появились
специальные устройства для подъёма воды выше уровня водоёма. На рис. 1.20 показано устройство водочерпального колеса, принцип действия которого основан на циклических свойствах вращательного движения. Деревянное колесо, снабжённое черпалками, погружалось в воду
и приводилось в движение одним или несколькими рабами, которые, переступая с одной ступеньки на другую, вращали колесо. Черпалки, расположенные в периферийных областях барабана, захватывали воду и поднимали её на высоту, соизмеримую с диаметром колеса, выливая
на распределительный жёлоб [4]. Следует заметить, что до изобретения подобных устройств
роль барабана выполнялась несколькими людьми, стоящими на разновысоких ступеньках, на
берегу водоёма. Вода в деревянных ёмкостях попросту передавалась по цепочке и выливалась в
накопительную ёмкость или распределительное ирригационное устройство. Вручную осушались и шахтные разработки, когда требовалось удалять грунтовые воды, мешающие добычи
руд. Стараниями великого Архимеда из Сиракуз для таких работ была сконструирована и внедрена «египетская улитка», описанная
автором во время работы в египетской
столице Александрии во время стажировки в Муссейоне [1,2]. Принцип действия устройства (рис. 1.21) основывался
на использования винта особой конструкции, который в последствии назовут
винтом Архимеда, а в наши дни это называется шнеком.
Римляне, судя по имеющимся историческим
данным, впервые предприняли
Рис. 1.21. Египетская улитка Архимеда
успешные попытки использования энергии водных течений. На реках устанавливались водяные колёса с лопастями, которые, в частности вращали
жернова для помола зерна (рис. 1.22). Двигатели подобного типа положили начало устремлениям человечества снабдить свои потребности источниками механической энергии. Трудно переоценить значение римского изобретения для эволюции нашей цивилизации,
историю развития которой можно представить как непрерывное освоение всё новых энергетических источников. Вслед за использованием механической энергии
воды, стали «приручать» ветер, поставив на его пути
крылья ветряных мельниц. Водяные и ветряные источники энергии использовались длительный промежуток
времени, вплоть до изобретения машин, движимых
энергией пара.
Рис. 1. 22. Механическая мельница
16