В. Морозов - История инженерной деятельности
Значительно более полную концепцию механики мы находим в работах великого древнегреческого философа Аристотеля (384-322 гг до н.э.) – «Физика», «Трактат о небе». Аристотель, занимаясь проблемой движений, в это понятие включал собственно не только перемену места, но и качественные изменения. Вместе с тем наука Аристотеля основана не на опыте, а на рассуждении. Он различал естественные и насильственные движения. Движения тела под воздействием силы тяжести считал естественным, ибо в этом случае тело стремится к своему естественному месту. Движение же камня под действием силы, приложенной к нему, есть движение насильственное. Подъем легких тел вверх является примером естественного движения, ибо их местоположение – на орбите Луны, а естественное местоположение тяжелых тел - в центре Вселенной.
Понятия силы, или мощности (оно окончательно прояснится лишь через две с лишнем тысячи лет), у Аристотеля выступает в качестве первопричины движения. Он знает сложение движений по правилу параллелограмма, известны ему понятия скорости и сопротивления среды. Движение он считает вечным, но свойство движения не присуще материи: оно постоянно поддерживается движителем, и существует первичный движитель, который является первопричиной движения.
Таким образом, у Аристотеля мы встречаемся не только с причинами и сущностью движения, но и с некоторыми кинематическими и динамическими характеристиками его. Само по себе кинематическое исследование – донаучного происхождения. Первые же наблюдения небесных тел показали, что существуют неподвижные и подвижные тела; изучение этих тел и их видимых движений и легло в основу астрономии и астрологии (в древности они не различались), эти первоначальные наблюдения послужили также одной из первопричин становления науки механики. Первым сочинением (из числа дошедших до нас), в котором было пояснено равновесие тел и которое, таким образом, явилось основополагающим при создании статики, считается «Механические проблемы», приписанные Аристотелю, но созданные в начале ІІІ в. до н.э., т.е. после его смерти, вероятно, одним из его последователей. В этом сочинении автор, так называемый Псевдоаристотель, исследует простые машины на основании одного принципа, утверждая, что свойства весов приводятся к свойствам круга, свойства рычага – к свойствам весов, а большинство движений механизмов приводится к свойствам рычага, мощность, или силу он определяет как произведение веса, или массы тела (древние не различали этих понятий) на скорость движения.
Здесь чувствуется влияние Аристотеля, но интерес автора к механическим искусствам заставляет предложить, что он был жителем Александрии, где к ІІІ в. до н.э. техника достигла высокого совершенства. Ему принадлежит интересная мысль… «когда нам приходится делать что-нибудь противоположное стремлению природы, задача становится трудной и требует применения технического искусства. Ту часть этого искусства, которая борется с этими затруднениями, мы называем механикой».
На протяжении V-VI вв. механическая техника пополняется еще одним изобретением – возникают машины. Первые машины – простейшие водяные мукомольные мельницы – были построены на горных речках Закавказья и Малой Азии. Возникновение мельниц было обусловлено ростом населения и увеличением спроса на муку. Помол зерна, производившийся вручную на зернотерках и ручных жерновах, был одной из самых трудоемких и тяжелых операций того времени.
Водяная мельница (рассматриваемая как машина) имела в своем составе энергетический агрегат – водяное колесо, передачу – два цевочных колеса, жестко насаженные на валы, и рабочий орган – жернова. В таком виде, с незначительными улучшениями, водяная мельница дожила до ХVІІІ, а кое-где и до ХІХ века.
Второе поле деятельности, ставшее основой для возникновения машин, было обусловлено нуждами войны и обороны. Первоначально простейшие приспособления для метания стрел и камней с течением времени развиваются в довольно сложные военные машины. Древнейшая из них - баллиста - состояла из деревянной рамы и жестко связанных с нею стоек, с которыми были скреплены два пучка, скрученных сухожилий. Камень брошенный баллистой весом 30 кг, пролетал свыше 400 м. В ІІІ в. до н.э. баллисты в разных вариантах были распространены по всему культурному Средиземноморью.
Заметный след в механике оставил Архимед (287-212 гг. до н.э.). Не все его работы дошли до нас, но и то, что сохранилось, является громадным вкладом в сокровищницу человеческой культуры. Он занимался арифметикой и геометрией, вплотную подошел к созданию интегрального исчисления, чем опередил свой век на два тысячелетия, много сделал в механике. Он выяснил принцип центра тяжести, создал строгую систему статики, заложил основы гидростатики. В области практической механики он сделал много изобретений, в том числе планетарий – прибор, показывающий движение небесных светил, винт, усовершенствовал зубчатые колеса, на принципе винта построил водоподъемное приспособление («архимедов винт»), применив его впервые для осушки долины, залитой Нилом. Им было создано много машин, в том числе военных. Кстати, «сам Архимед, - пишет о нем Плутарх, - считал сооружение машин занятием, не заслуживающим ни трудов, ни внимания…»
Знаменитому и многими любимому искусству построения механических орудий положили начало Эвдокс и Архит, стремившиеся «…разрешить те вопросы, доказательство которых посредством одних лишь рассуждений и чертежей затруднительно…»
В результате завоеваний Александра Македонского (356-323 гг. до н.э.) образовалась огромная империя, где греческий язык стал государственным, возникает культура, получившая название эллинистической (от слова Ellas – Греция). Главным центром эллинистической культуры стала Александрия, новая столица Египта. Механика эпохи эллинизма развивается в основном в прикладном направлении: бурное строительство потребовало создания новых, более мощных строительных машин и более пристального внимания к оценке прочности архитектурных конструкций. Развивается практическая гидравлика и пневматика, создаются новые механические приспособления, новые военные машины. Наследники Александра Македонского ведут междусобные войны. В этой связи особое внимание обращается на строительство укреплений, обращается внимание на прочность стен. Самым крупным зданием в Афинах становится Арсенал, в котором были собраны военные машины и корабельное вооружение.
Возрастание роли механики заставило изменить отношение к этой профессии. Механикой «по совместительству» начинают заниматься архитекторы и военные инженеры. Высокого развития достигла военная техника в Александрии, где Птолемеи, правившие Египтом, тратили большие средства на сооружение боевых машин. В середине ІІІ в. до н.э. в Александрии учился Филон Византийский, который написал «Свод механики» – одно из первых сочинений по практической механике. Свод состоял из девяти книг (до нас дошли лишь четвертая и пятая): 1) Общие принципы механики; 2) Учение о рычагах; 3) О постройке гаваней; 4) О построении метательных машин; 5) Пневматика; 6) О построении автоматов; 7) Военное снаряжение; 8) О фортификации и осаде городов; 9) Тактика. Этот перечень свидетельствует о многообразии направлений в развитии механики, многообразии практических интересов.
Из александрийских механиков наибольшую известность получили Ктесибий и Герон. Ктесибий (ІІ-І вв. до н.э.) был по-видимому, самоучкой. Основные интересы его лежали в области гидравлики и пневматики; он изобрел поршневой насос, счетчик оборотов, занимался устройствами с применением сжатого воздуха. Герон Александрийский (около І в. до н.э.) написал едва ли не больше всех античных ученых по вопросам механики. Его перу принадлежали «Механика», «Книга о подъемных механизмах», «Пневматика», «Книга о военных машинах», «Театр автоматов» и ряд других. До нас дошли лишь немногие из его сочинений. Кстати, личность Герона не выяснена до настоящего времени. Существует мнение, что он был учеником Ктесибия, некоторые авторы думают, что Герон жил не в І в. до н.э., а на 100 лет позже – в первом столетии нашей эры.
В «механике» Герон изучает простые машины и их комбинации. При этом он пользуется понятием момента, но неизвестно, принадлежат ли ему открытие этого понятия или он заимствовал его у других ученых. Кроме простых машин, он описывает также и некоторые механизмы: систему зубчатых колес, системы блоков, полиспасты. Ему известно влияние силы трения, и он рекомендует при работе со сложными механизмами несколько увеличивать прилагаемые к машинам силы по сравнению с расчетными. Однако численно силу трения он не определяет.
К наиболее известным изобретениям, описанным Героном, относится эолипил – прообраз паровой турбины, в котором впервые для вращения используется реактивное действие струи пара; «геронов шар» - пневмогидравлический прибор, основанный на действии сжатого воздуха на поверхность воды; еще один пневмогидравлический прибор – «геронов фонтан». Из героновых «Пневматики» и «Театра автоматов» видно, что гидравлика и пневматика в эпоху эллинизма достигли высокой степени развития. Еще, как видим, в древности знали уже многое из механики: ведь для сооружения даже самых элементарных автоматов надо хорошо знать статику простых машин, разбираться в механизмах и их частях, уметь производить вычисления, знать отношения и пропорции, т.е. применять знания всех отделов механики. Нужно было хорошо разбираться в гидравлике и пневматике, знать свойства сжатого воздуха и пара, а также уметь работать с упругими и гибкими телами, иметь большую инженерную выдумку и развитое пространственное воображение.
