Проблема прочности машин

Как уже говорилось, средневековые техники начали с копирования древних образцов.
Архитекторы не задумывались над толщиной стен и балок, над величиной пролетов сводчатых покрытий и арок мостов. Перед их глазами были античные сооружения, уже доказавшие свою прочность, простояв сотни лет.
В Риме и других городах сохранились древние купольные храмы, мосты, акведуки (водопроводы на арках). Они изучались и копировались выдающимися архитекторами средневековья.
Построенные по таким образцам сооружения и здания, конечно, были очень надежны. Их недостатком была только большая стоимость: древние строители имели в своем распоряжении бесплатную силу рабов и дешевые материалы, поэтому они не считались с затратой времени и труда. В средние же века рабов не было, и материалы стоили значительно дороже. От архитекторов поэтому требовали строить не только прочно, но и дешево.
Подобно архитекторам поступали и конструкторы. Они воспроизводили подъемные краны и другие машины по описаниям Витрурия. Но они не имели чертежей и брали размеры деталей на глазок. В стремлении к прочности преувеличивалась толщина частей машин, которые выходили грубыми, неуклюжими и неудобными в обращении.
В средние века нужда в металлических изделиях сильно возросла. Потребовались новые машины — рудничные подъемники, водоотливные насосы, ковочные молоты, механические мехи, невиданные в древнее время.
Как же определять размеры их деталей?
Чтобы решить эту задачу, конструкторы стали предварительно изготовлять модели своих машин. Если модель работает хорошо, без поломок, значит можно пропорционально увеличить все ее части и получить надежную рабочую машину, — так рассуждали средневековые изобретатели и конструкторы.
На практике, однако, они столкнулись с неразрешимой загадкой: модель действует исправно, а у построенного по ней погрузочного крана при работе то вдруг изогнется стрела, то ломаются части передаточного механизма от водяного колеса к рудничному подъемнику, мельничным жерновам или к станкам;
Конструкторы недоумевали: в чем причина поломок? Почему детали увеличенной модели не оказывают и пропорционально большего сопротивления?
Но кто мог разгадать эту загадку в средние века?
Университетские ученые-схоласты не интересовались ни математикой, ни физикой и не знали техники. Доктора и магистры наук в длинных мантиях вели бесполезные богословские публичные споры-диспуты. Опытами никто из них не занимался, потому что физический опыт близок к технике, а техника — к ремеслу, которое презиралось схоластами.
Техники, ремесленники были предоставлены самим себе. Никто не оказывал им помощи в решении возникавших задач, в разъяснении загадок. Эти практики-самоучки не имели ни школьного образования, ни книг, в которых рассматривались бы технические вопросы.
Откуда же выходили в те времена архитекторы, инженеры, артиллеристы? Из художественных мастерских. Архитекторы в времена не только строили храмы и дворцы, но и украшали их картинами и статуями собственной работы. Поэтому молодые люди, желавшие стать архитекторами, обучались «рисовальному искусству», то есть живописи, ваянию, ювелирному делу и технике машиностроения. Попутно они знакомились с металлургией, так как им приходилось отливать статуи.
Таким архитектором, инженером и скульптором был, например, знаменитый итальянский художник Леонардо да Винчи.
Дома Леонардо был обучен грамоте и арифметике, а четырнадцати лет его отдали в мастерскую художника Верроккьо. Леонардо растирал краски для своего учителя, писал отдельные фигуры на его картинах, лепил из глины статуэтки, изучал литейное и строительное дело.
Окончив учение у художника, Леонардо был вполне подготовлен, чтобы попытать счастья на службе у кого-либо из владетельных герцогов. Через некоторое время он стал придворным художником, инженером и бомбардиром повелителя Милана Лодовико Сфорца.
В Милане Леонардо отливал статуи, писал картины, осушал окрестные болота, строил в городе великолепные здания и конструировал машины.



На листках его записных книжек осталось множество чертежей изобретенных или построенных им подъемных кранов, копров для забивания свай, станков и других механизмов. Найден даже эскиз летательной машины, доказывающий, что художнику был известен способ получения подъемной силы, нашедший применение в современном самолете. Недоставало только сильного и легкого двигателя, чтобы поднять на воздух его летательную машину.
Подобной же деятельностью занимались и другие художники-инженеры и архитекторы-конструкторы машин в средние века. Не получая ни от кого помощи в решении вопросов техники, возмущенные замкнутостью цеха университетских ученых, они вместе с ремесленниками и врачами объединялись в свободные научные кружки — «академии». Важнейшую роль в развитии естествознания и техники сыграла Флорентийская академия рисунка, то есть изобразительных искусств. В ней «академики» читали лекции на понятном простым людям итальянском языке, а не по-латыни, доступной только людям, учившимся в школах. Из этих лекций ремесленники черпали необходимые им сведения по прикладной математике и технике.
Не только ремесленники, но и архитекторы, инженеры, артиллеристы были постоянными слушателями флорентийских «академиков». От них, а не от университетских ученых-схоластов ожидали они разрешения возникавших в технической практике загадок.
Так же было, когда изобретатели и конструкторы встретились с задачей расчета деталей машин.
Следовало, конечно, просто подвергнуть испытанию материалы, служившие для построения машин. Изучить, какое усилие, или, как говорят, нагрузку, выдерживают их образцы на единицу площади поперечного сечения. Зная же эту величину, легко было бы определить и поперечные размеры деталей, которые не ломались бы при работе машин.
Однако, чтобы поставить так вопрос и решить его, нужны были не только некоторые математические познания, но и привычка к научному мышлению. Практики не обладали ими.
Университетские же ученые-схоласты и не помышляли о таких исследованиях. Пренебрегая опытами, они пускались в длинные рассуждения вообще о причине прочности материалов.
Почему не ломается балка моста, по которому перевозится тяжелый груз? Почему не рвется якорная цепь, удерживающая во время волнения судно?
Вот над чем задумывались они.
Ответ и на этот вопрос они нашли в созданном ими представлении, будто бы природа «боится» пустоты.
Если бы балка начала ломаться, то между ее частицами должна была бы образоваться пустота. Природа же «боится пустоты», поэтому балка и сопротивляется разлому, а якорная цепь — разрыву.
Так средневековые ученые и объясняли прочность балок, железных цепей и деталей машин.
Но какое имело значение это объяснение для расчета деталей машин? Конструкторам нужно было указать способ, как определять размеры балок и деталей машин, а не рассуждения о причине их прочности.
Строя машину, инженер того времени довольствовался кинематическим расчетом, то есть находил те размеры деталей, которые обеспечивали необходимое движение. При этом он пользовался «золотым правилом» механики.
Предположим, что средневековый конструктор проектировал шахтный подъемник, приводимый в движение водяным колесом.
От медленно вращающегося водяного колеса нужно привести в быстрое вращение вал, на который навивается канат с подвешенной на нем бадьей. На окружность вала действует вес бадьи.
Вращение водяного колеса передается системой зубчатых колес (в средние века часто употреблялось более примитивное, цевочное зацепление, но принцип расчета одинаков). Чем меньше радиус передаточного колеса, тем быстрее оно вращается. Зная это, легко определить все радиусы валов и зубчатых колес, при которых бадья будет подниматься с нужной скоростью. Попутно вычисляются и все нагрузки, действующие на детали передаточного механизма. Но какую нагрузку на квадратную единицу площади поперечного сечения может выдержать деталь? Как определить ее размеры, обеспечивающие прочность? Этого никто не знал.
Первую попытку разрешения загадки прочности материалов сделал уже упоминавшийся нами итальянский ученый Галилей.
Это был шаг в таинственную область, где исследователя ожидала встреча с неизвестными силами, связывающими частицы вещества. Не подозревая о существовании этих сил, ученые сталкивались с непонятными явлениями, которые перестали быть загадкой только, в наше время.
Поэтому в течение многих десятков лет после Галилея исследователям пришлось довольствоваться изучением лишь внешних проявлений этих сил, доступных непосредственному наблюдению.


Загадки техники