Возникновение загадок техники

Наше время — век господства машинной техники. На полях трактор и комбайн заменяют сотни земледельцев. По проселочным и шоссейным дорогам снуют бесчисленные грузовые автомашины, перевозя строительные материалы, различные сельскохозяйственные и промышленные продукты.

В городах гигантские краны поднимают объемистые пакеты кирпичей и железные балки на высоту строящихся многоэтажных домов.

В цехах фабрик и заводов разнообразные станки и машины приводятся в действие электрическими двигателями, паровыми машинами и двигателями внутреннего сгорания. С помощью машин изготовляют обувь, мебель, печатают книги, прокатывают рельсы. Но и они уже не удовлетворяют современных техников, которые стремятся как можно больше облегчить труд человека. Развивается автоматизация управления машинами. Приборы управляют станками, проверяют точность обработки деталей, предупреждают возможные аварии... Есть цехи, в которые подаются металлические болванки, а автоматически управляемые машины изготовляют из них необходимые изделия.

Не нужно, однако, думать, будто до изобретения паровых или электрических двигателей не применялись машины. Они были, но приводились в действие мускульной силой людей или упряжных животных, течением рек или ветром.

Подъемные и военные метательные машины строились еще древними культурными народами — китайцами, египтянами, вавилонянами, греками, римлянами.

В греческих театрах часто во время действия появлялись на сцене боги, которых опускали машиной на канате. В войсках древних греков и особенно римлян было много машин, бросавших на большое расстояние камни, стрелы и копья. При осаде крепостей их каменные укрепления разрушались стенобитными машинами — таранами.

Машины изобретались и строились инженерами, пользовавшимися сведениями, полученными на основании; опыта. Эти чисто практические данные о конструкциях машин и были в древности предметом механики (слово «механика» произошло от «механэ», как называли греки машины вообще).

От античного времени остались описания машин древних греков и римлян. Ими и воспользовались для сооружения машин инженеры средневековья.

В XV — XVI веках у торговых пристаней уже стояли погрузочные краны. Они подхватывали на берегу тюки сукон и пряжи, бочки с маслом, ящики с посудой и плавно переносили их на палубу судна. Скрипя железными цепями, вороты с зубчатой передачей вытаскивали со дна моря тяжелые якори. На подвижных блоках подтягивались на мачты паруса.

Со стен строившихся крепостей, соборов и дворцов свешивались полиспасты. С их помощью рабочие поднимали наверх тяжелые бревна и каменные плиты. Высоко под сооружавшимися куполами устраивались сложные комбинации из воротов, наклонных плоскостей и блоков.

Но теоретическое изучение действия машин далеко отставало от практики.

Гениальный механик и математик древнего времени Архимед сумел вывести правило рычага (о чем мы скажем подробнее дальше). Его последователь Герон, живший веком позднее, впервые сформулировал знаменитое «золотое правило», которым пользуются инженеры при расчетах машин. Но этим и ограничивались теоретические познания техников.

Опыт показывал, что, пользуясь рычагом, подвижным блоком или воротом, можно небольшой силой поднять или передвинуть во много раз превосходящий ее груз. Но чем объяснить действие этих машин, долго оставалось загадкой.

Чтобы понять, почему можно выиграть в силе, пользуясь, например, рычагом, нужно было открыть общий физический закон сохранения энергии.

Не зная этого закона, средневековые техники воображали, будто бы энергию можно создать. Они тщетно трудились над изобретением машины, которая работала бы без притока энергии извне. Им казалось, что живые существа — именно такие машины. Под влиянием этих странных для нас представлений они помещали свои механизмы внутри кукол-автоматов. Их не покидала надежда построить автомат-«робот», который будет сам создавать необходимую для себя энергию и за счет нее производить полезную работу.

Одни автоматы открывали и закрывали за посетителями двери, другие писали или рисовали. Устраивались и автоматы-музыканты, игравшие на различных инструментах, исполнявшие какую-нибудь партию в оркестре.

Но, конечно, все автоматы требовали источника энергии. Обычно их приводила в движение раскручивавшаяся часовая пружина. Как только она разворачивалась до конца, действие автомата прекращалось.

Как же устроить, чтобы автомат продолжал действовать и дальше? Может быть, можно сделать так, чтобы при раскручивании первой пружины одновременно заводилась бы другая, а при разворачивании второй закручивалась бы первая? Но это никак не получалось: такой механизм отказывался вовсе действовать.

Позднее ученые открыли не известные ранее законы физики. Они доказали невозможность создания механизмов, которые производили бы работу без внешнего источника энергии. Не зная этих законов, средневековые техники и ставили перед собой неразрешимые задачи.

Стоит ли, однако, в наше время вспоминать о заблуждениях средневековья? Посмотрим, что говорят об этом современные ученые.

Вот, например, что писал всего несколько лет назад известный ученый академик В. Л. Кирпичев в своем труде «Беседы о механике»: «И теперь еще каждому профессору механики беспрестанно приходится иметь дело с изобретателями подобных химер. По своему личному опыту я должен сказать, что это почти всегда лица очень почтенные, добросовестно преданные идее, но увлеченные ею так сильно, что они абсолютно глухи к доводам рассудка...»
Значит, полезно и в наше время вспоминать о заблуждениях прошлого, чтобы не повторять прежних ошибок.

С развитием техники возникали и другие загадки. Причиной этого было всегда незнание законов природы.

Мощность двигателей древних и средневековых машин была сравнительно невелика. Упругость скрученных воловьих тяжей, упряжные животные, ветряные крылья, водяные колеса приводили в движение несложные механизмы. Поэтому части машин почти всегда были достаточно прочны и редко ломались при работе.

Однако еще в XVII веке возникла задача расчета деталей машин, которые обладали бы достаточной прочностью. Этот вопрос стал гораздо более важным с применением пара и электричества, когда мощность двигателей достигла больших величин.

Машина — комплекс взаимодействующих деталей, движение которых определяется правилами механики. Но в результате взаимодействия возникают напряжения в самих деталях, которым противостоят силы, связывающие частицы вещества. Эти силы проявляются в упругости и сопротивлении материалов, из которых сделаны детали машин.

Рассчитывая механизмы, техники столкнулись с этими свойствами материалов, зависящими от не известных еще сил природы. Только в наше время физики разгадали законы, управляющие этими силами, и разрешили связанные с ними загадки.

Можно ли считать, что перед техникой уже не возникнут загадочные вопросы? Конечно, нет. Наука и техника всегда будут развиваться. Одна за другой будут вставать всё новые загадки, разрешение которых потребует все более глубокого изучения законов природы.

Очень полезно поэтому вспомнить, как разрешались загадки техники в прошлом. Это поможет находить их решение и в будущем.