Пневматика и гидравлика

Наполненный воздухом пузырь, сделанный чаще всего из кожи животного, был первым из всех ныне известных пневматических устройств. С помощью таких пузырей люди переправлялись через реки. Но это было уж в совсем дикую эпоху, а во времена более культурные надувные пузыри понадобились в качестве мехов в железоделательном производстве. Здесь, можно сказать, начало пневматики. В гидравлике же первым шагом стала копка простейших канав, превратившихся со временем в ирригационные сети. Люди на практике использовали закон сообщающихся сосудов, даже не подозревая о существовании столь сложного закона.

А вторым шагом в гидравлике каким-то чудом оказались научные работы Архимеда, как уверяет традиционная история. Считается, что он занимался судостроением, конструированием машин для потопления судов, гидростатическим взвешиванием, создал технические устройства, использующие свойства жидкостей. И что же? Казалось бы, его исследования вызваны запросами практики, но они получили лишь ограниченное применение в технике, преимущественно в сфере его личной конструкторской работы, а затем были на столетия забыты.

Архимедов винт (реконструкция по описанию Витрувия)

Все знают закон Архимеда. Считается, что он вывел его из допущения, что вода состоит из действующих одна на другую частиц жидкости. Те из них, которые сильнее сдавливаются, выталкиваются на поверхность. Такому же воздействию подвергаются погруженные в жидкость тела, обладающие меньшей плотностью, чем окружающие частицы. В изложении М. В. Ломоносова закон Архимеда выглядит так:

Тело, упертое в воду,

Не теряет в весе сроду.

Оно прется оттуды

Весом выпертой воды.

Мы начинали эту часть книги – «История техники» – с античных механиков. Теперь, переходя к технике эпохи Возрождения, мы вынуждены опять говорить об античных механиках!

Ведь и пневматику, сразу же вслед за изобретением первобытных мехов, и сразу на уровне XVI века, развивал античный грек Герон. Он даже написал серьезный труд «Пневматика» – о механизмах, приводимых в действие нагретым или сжатым паром. Но его «Пневматика», как и работы Архимеда в области гидравлики, имела ограниченное хождение, была известна лишь узкому кругу александрийских инженеров. Зато в эпоху Возрождения этот труд был издан типографским способом и получил широкую известность!

По нашей версии, словесные описания античной гидравлической техники если и относятся к эпохе античности, то только такой античности, которая непосредственно предшествовала своему собственному «возрождению». Но, впрочем, тексты – они и есть тексты. Современные фантасты как нечего делать могут описать космический корабль, летящий, например, к Сириусу. Но вот нам говорят, что город Мохенджо-Даро на берегу Инда за 2–3 тысячелетия до нашей эры имел водопровод и канализационную систему, вот это да! Это уже не теория, это практика!

А в Древней Греции за четыре столетия до н. э. строили публичные бани с водопроводом и канализацией, а в Афинах – водопровод в VI веке, а в Сиракузах в V, а в Антиохии и Пергаме во II веке. Все, заметьте, до нашей эры, и все на территории Византийской империи. Уже к концу VI века до н. э. древние греки затеяли строительство судоходного канала на Коринфском перешейке, а во II веке до н. э. вырыли канал между Нилом и Красным морем. Проводились и крупные мелиоративные работы, не говоря уже об управлении разливом рек, орошении полей при помощи каналов, учете распределяемой воды, создании водоподъемных приспособлений и прочем.

В Древнем Риме в I веке н. э. водоснабжением и строительством водопровода занимались особенно интенсивно. Тогда-то, полагают историки, и появилось слово «гидравлика», а Сикст Юлиус Фронтиус написал трактат о сооружении трубопроводной техники. Но опять изобретения имели ограниченное применение и не нашли своего продолжения, и даже более того – довольно скоро земляне загадили свои города и полторы тысячи лет не могли сообразить, что вообще может существовать канализация и водопровод.

Мы тут на выбор можем предложить два коренных изменения в представлениях о цивилизации. Надо или пересмотреть теорию эволюции, признав, что на Земле меняются две расы людей: сначала живут такие умные, что без подготовки и без всякой нужды делают гениальные изобретения, а потом вместо них появляются полные дураки, неспособные заметить очевидного или хотя бы продлить уже сделанное. Или другой выход: пересмотреть хронологию, признав, что вся техника Древней Греции спроектирована и использована в Византии после VI века н. э.

Если же вернуться к более или менее достоверной истории, то мы обнаружим, что в VII–IX веках прямо продолжили античные исследования (а во многом их и выполнили) ученые стран Ближнего Востока и Испании. Арабам (аль-Гацини и аль-Бируни) принадлежит заслуга уточнения таких понятий физики, как удельный вес, плотность, установление влияния на эти характеристики температуры. Рассматривались не только твердые тела, но и жидкие. Кроме того, аль-Гацини дал объяснение функционирования артезианских колодцев, связанное с принципом действия сообщающихся сосудов. В Европе такие колодцы появились лишь в XII веке.

Арабы уделяли большое внимание вопросам мелиорации, орошения, водоподъема и сооружения каналов. Но эти задачи, говорят, «решались без использования научных знаний и не повлекли за собой разработку теории». Итак, в эмпирическом плане в гидравлику в это время было внесено мало нового; поскольку, как известно всем историкам, подобные гидротехнические сооружения были известны и египтянам и ассирийцам за тысячелетия до н. э., – и теория тоже осталась в «античности». Вот и получается, что в Средние века жили одни дураки.

В Западной Европе арабские достижения получили развитие начиная с XII века. В XV и XVI веках появились инженеры, пришедшие «на смену античным механикам». Они были знакомы с архитектурой, фортификацией, артиллерией, а иногда и с сооружением каналов. Первые технические учебные заведения, артиллерийские школы, создаются в начале XVI века в Италии (Сицилия, Венеция) и в Испании (Бургос). Печатается значительное число руководств по артиллерии, принадлежащих, например, Коладо, Капо-Бианки, Диего Уфано, Тартальи и др.

В это время происходит интенсивное развитие мореплавания, идут большие работы по расширению судоходства по рекам и специально сооружаемым каналам, возводятся плотины, строятся шлюзы, устраивается большое число водяных мельниц, ведутся большие ирригационные работы. Естественно, все это не могло не пробудить интереса к вопросам гидростатики.

И наконец в середине XVI века Тарталья публикует трактат Архимеда по гидростатике, а также приводит таблицу удельных весов различных минералов, главное же – предлагает способ подъема затонувших судов, обращаясь в сущности к положениям гидростатики древнего грека. Тут может быть три варианта. Первое: Тарталья перевел Архимеда и на основе его работ сделал свои предложения. Второе: Тарталья работал над этой темой, узнал о трудах Архимеда и привел его работу в доказательство своей правоты. Третье: Тарталья сам сделал всю работу, но для придания ей авторитета приписал основополагающие ее части известному ученому.

Продолжая его работу, наиболее важных практических результатов достиг Леонардо да Винчи. Он принимал участие в мелиорации в Ламелинне, в устройстве гидросооружений в Наварре. Занимался осушением Понтийских болот, проектировал отвод русла реки Арно у Пизанского моста, изучал гидроустройства на Адде и на Картезианском канале. Важнейшие судоходные каналы Италии также были сооружены им. Он составил проект улучшения судоходства на реке Луаре (Франция), в частности предусмотрел ее шлюзование. Правда, если следовать официальной истории, то непонятно, в чем его заслуга, ведь «в глубокой древности» эти проблемы решались с легкостью необыкновенной.

А Леонардо для своей работы пришлось изучать закономерности течения жидкости в каналах, определять причины появления волн и вихрей, исследовать водосливы, заниматься вопросом возникновения наносов на дне рек… Эти проблемы и сейчас являются основными в русловой гидравлике.

Он предположил существование закона сообщающихся сосудов и описал парадокс равенства давления на дно сосудов различной формы, в дальнейшем эти результаты были обобщены Паскалем и Торричелли и получили известность под их именами. В трактате «О движении и измерении воды» Леонардо да Винчи определял скорость истечения воды из отверстия сосуда в зависимости от высоты его уровня над горизонтом, но сделал это не совсем точно, ведь это сложнейшая задача. А нам говорят, что еще в Древнем Египте создали водяные часы с равномерным понижением уровня воды!

Леонардо да Винчи – художник, архитектор, инженер, механик – практик и экспериментатор Это правда, что многие из его экспериментов были выполнены лишь на бумаге. Правда, что его рукописи долгие годы лежали под спудом, и лишь в конце XIX века началась их публикация, но все же они не остались в стороне от главного пути технического прогресса. У Леонардо было много учеников, знакомых с его идеями и сотрудничавших с ним. А если обратиться к публикациям XVI века по технике, то сразу станет видно, что многие авторы были знакомы с проектами и идеями Леонардо.

Гидравлические машины с рисунка Леонардо да Винчи

Изобретательский гений Леонардо был подкреплен обширными техническими знаниями. Он знал практически все разновидности зубчатых зацеплений, кулачковые, гидравлические и винтовые механизмы, передачи с гибкими звеньями. Неизвестно, можно ли было их сделать тогда. Относительно некоторых сразу можно сказать, что они были недоступны для техники той эпохи. Сюда можно отнести центробежный насос, гидравлический пресс, огнестрельное нарезное оружие.

Система шлюзов времен эпохи Возрождения

Есть еще одно выдающееся изобретение Леонардо да Винчи, и в жизнь оно было претворено его трудами. Прежде шлюзовые ворота на каналах делались опускными. Приблизительно в 1495 году он набросал эскиз двух створных щитов, снабженных небольшими отверстиями (с задвижками) для воды, чтобы наполнять или опорожнять шлюз. Этот эскиз вполне можно было бы взять за образец чертежа современного шлюза. А в 1497 году подобные ворота были сооружены на Миланском канале.

Во многих других случаях зарисованные и описанные им машины или приспособления были воплощены на практике лишь спустя пятьдесят лет после его смерти. Например, он предложил пистолет с колесным затвором, по образцу которого в Германии приблизительно с 1500 года стали делать мушкеты. Его роликовые подшипники (о которых он писал как о «чуде механики») были впервые изготовлены в XVI, а получили широкое распространение лишь в XIX веке.

Им были сконструированы спиральные и конические зубчатые передачи. Он изучал шарнирную цепь и многие другие устройства подобного рода. Леонардо лучше своих предшественников понимал разницу между машиной, выполняющей работу, и двигателем, который приводит ее в движение. На эскизах многих его машин указан просто вал, к которому можно подсоединить любой двигатель…

Приведем слова английского ученого Роджера Бэкона, предвосхитившего многие будущие изобретения:

«Прежде всего, я расскажу о чудесных творениях человека и природы, чтобы назвать дальше причины и пути их создания, в которых нет ничего чудодейственного. Отсюда можно будет убедиться в том, что вся сверхъестественная сила стоит ниже этих достижений и недостойна их… Ведь можно же создать первые крупные речные и океанские суда с двигателями и без гребцов, управляемые одним рулевым и передвигающиеся с большей скоростью, чем если бы они были набиты гребцами. Можно создать и колесницу, передвигающуюся с непостижимой быстротой, не впрягая в нее животных… Можно создать и летательные аппараты, внутри которых усядется человек, заставляющий поворотом того или иного прибора искусственные крылья бить по воздуху, как это делают птицы… Можно построить небольшую машину, поднимающую и опускающую чрезвычайно тяжелые грузы, машину огромной пользы… Наряду с этим можно создать и такие машины, с помощью которых человек станет опускаться на дно рек и морей без ущерба для своего здоровья… Можно построить еще и еще множество других вещей, например, навести мосты через реки без устоев или каких-либо иных опор…»

После Леонардо да Винчи развитие техники, и в том числе гидравлики, получило такой размах, что ее достижения намного превзошли то, что наблюдалось в эпоху Возрождения. Это было связано с господствовавшим в XVII и начале XVIII века мануфактурным производством.

Еще одним стимулом для развития физики и механики было проектирование и изготовление водооткачивающих устройств, тепловых двигателей – предшественников паровых машин. Отправным техническим механизмом здесь был насос, изучение принципа действия которого во многом стимулировало разработку проблем пневматики и гидростатики. Естественно, что работы Череди, Делла Порта и других в этой области оказались в сфере пристального внимания ученых XVII века.

Стевину, инспектору плотин Голландии, принадлежит заслуга формулировки важнейших законов гидростатики, теории гидростатического давления и положений, связанных с определением остойчивости судов. В 1632 году Галилей изложил теорию, доказывающую равновесие жидкости в сообщающихся сосудах и равновесие плавающего на воде тела. Кроме того, он изучал течение рек, сооружение и работу плотин и искусственных каналов. Это были начальные предпосылки для построения не только научной гидравлики, но и гидродинамики. Аналогичная проблематика нашла отражение в труде ученика Галилея, Кастелли, – «О движении воды в реках и каналах» (1628). В частности, в нем говорилось о влиянии поперечного сечения русла на скорость движения воды. Для первых шагов в развитии гидродинамики существенным явились высказывания Галилея о значении гидродинамического сопротивления.

Торричелли в 1644 году вывел формулу для скорости истечения водяной струи из отверстия сосуда, что было крайне важно для создания водяных часов. Для этого он воспользовался результатом Галилея по определению ускорения свободно падающего тела применительно к жидкости. Что касается Паскаля, то он в том же 1644 году показал принцип передачи давления в сообщающихся сосудах, продвинув вперед известную ранее теорию.

А нам говорят: Архимед, Герон…