Текст книги "100 великих изобретений"

Автор книги: Константин Рыжов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 50 страниц) [доступный отрывок для чтения: 18 страниц]

13. БРОНЗА

В 3– м тысячелетии до Р.Х. люди начали широко применять в своей хозяйственной деятельности металлы. Переход от каменных орудий к металлическим имел колоссальное значение в истории человечества. Пожалуй, никакое другое открытие не привело к таким значительным общественным сдвигам.

Первым металлом, получившим широкое распространение, была медь. Постоянно разыскивая необходимые им камни, наши предки, надо думать, уже в древности обратили внимание на красновато-зеленые или зеленовато-серые куски самородной меди. В обрывах берегов и скал им попадались медный колчедан, медный блеск и красная медная руда (куприт). Поначалу люди использовали их как обыкновенные камни и обрабатывали соответствующим способом. Вскоре они открыли, что при обработке меди ударами каменного молотка ее твердость значительно возрастает и она делается пригодной для изготовления инструментов. Таким образом вошли в употребление приемы холодной обработки металла или примитивной ковки. Затем было сделано другое важное открытие – кусок самородной меди или поверхностной породы, содержавшей металл, попадая в огонь костра, обнаруживал новые, не свойственные камню особенности: от сильного нагрева металл расплавлялся и, остывая, приобретал новую форму. Если форму делали искусственно, то получалось необходимое человеку изделие. Это свойство меди древние мастера использовали сначала для отливки украшений, а потом и для производства медных орудий труда. Так зародилась металлургия. Плавку стали осуществлять в специальных высокотемпературных печах, представлявших собой несколько измененную конструкцию хорошо известных людям гончарных печей. Вообще говоря, медь – мягкий металл, сильно уступающий в твердости камню. Но медные инструменты можно было быстро и легко затачивать. (По наблюдениям С.А. Семенова, при замене каменного топора на медный скорость рубки увеличивалась примерно в три раза.) Спрос на металлические инструменты стал быстро расти. Люди начали настоящую «охоту» за медной рудой. Оказалось, что она встречается далеко не везде. В тех местах, где обнаруживались богатые залежи меди, возникала их интенсивная разработка, появлялось рудное и шахтное дело. Как показывают открытия археологов, уже в древности процесс добычи руды был поставлен с большим размахом. Например, вблизи Зальцбурга, где добыча меди началась около 1600 года до Р.Х., шахты достигали глубины 100 метров, а общая длина отходящих от каждой шахты штреков составляла несколько километров. Древним рудокопам приходилось решать все те задачи, которые стоят и перед современными шахтерами: укрепление сводов, вентиляция, освещение, подъем на гора добытой руды. Штольни укрепляли деревянными подпорками. Добытую руду плавили неподалеку в невысоких глиняных печах с толстыми стенками. Подобные центры металлургии существовали и в других местах.

В конце 3-го тысячелетия до Р.Х. древние мастера начали использовать свойства сплавов, первым из которых стала бронза. На открытие бронзы людей должна была натолкнуть случайность, неизбежная при массовом производстве меди. Некоторые сорта медных руд содержат незначительную (до 2%) примесь олова. Выплавляя такую руду, мастера заметили, что медь, полученная из нее, намного тверже обычной. Оловянная руда могла попасть в медеплавильные печи и по другой причине. Как бы то ни было, наблюдения за свойствами руд привели к освоению значения олова, которое и стали добавлять к меди, образуя искусственный сплав бронзу. При нагревании с оловом медь плавилась лучше и легче подвергалась отливке, так как становилась более текучей. Бронзовые инструменты были тверже медных, хорошо и легко затачивались. Металлургия бронзы позволила в несколько раз повысить производительность труда во всех отраслях человеческой деятельности. Само производство инструментов намного упростилось: вместо того чтобы долгим и упорным трудом оббивать и шлифовать камень, люди наполняли готовые формы жидким металлом и получали результаты, которые и во сне не снились их предшественникам. Техника литья постепенно совершенствовалась. Сначала отливку производили в открытых глиняных или песчаных формах, представлявших собой просто углубление. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, которые можно было использовать многократно. Однако большим недостатком открытых форм было то, что в них получались только плоские изделия. Для отливки изделий сложной формы они не годились. Выход был найден, когда изобрели закрытые разъемные формы. Перед литьем две половинки формы крепко соединялись между собой. Затем через отверстие заливалась расплавленная бронза. Когда металл остывал и затвердевал, форму разбирали и получали готовое изделие. Такой способ позволял отливать изделия сложной формы, но он не годился для фигурного литья. Но и это затруднение было преодолено, когда изобрели закрытую форму. При этом способе литья сначала лепилась из воска точная модель будущего изделия. Затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи. Воск плавился и испарялся, а глина принимала точный слепок модели. В образовавшуюся таким образом пустоту заливали бронзу. Когда она остывала, форму разбивали. Благодаря всем этим операциям мастера получили возможность отливать даже пустотелые предметы очень сложной формы. Постепенно были открыты новые технические приемы работы с металлами, такие как волочение, клепка, пайка и сварка, дополнявшие уже известные ковку и литье.

С развитием металлургии бронзовые изделия повсюду стала вытеснять каменные. Но не нужно думать, что это произошло очень быстро. Руды цветных металлов имелись далеко не везде. Причем олово встречалось гораздо реже, чем медь. Металлы приходилось транспортировать на далекие расстояния. Стоимость металлических инструментов оставалась высокой. Все это мешало их широкому распространению. Бронза не могла до конца заменить каменные инструменты. Это оказалось под силу только железу.

14. ЖЕЛЕЗО

Свободное самородное железо в земной коре, в отличие от меди, почти не встречается. Но оно входит в состав многих минералов и распространено гораздо шире цветных металлов. В древности его можно было добывать буквально повсюду – из озерных, болотистых, луговых и других руд. Однако, по сравнению с металлургией меди, металлургия железа является достаточно сложным процессом. Железо плавится при температуре 1539 градусов. Такая высокая температура была совершенно недоступна древним мастерам. Поэтому железо вошло в обиход человека значительно позже меди. Его широкое применение в качестве материала для изготовления оружия и инструментов началось только в 1-м тысячелетии до Р.Х., когда стал известен сыродутный способ восстановления железа (впрочем, некоторые народы научились металлургии железа значительно раньше; например, племена, населявшие территорию современной Армении, умели получать железо из руд уже в начале 3-го тысячелетия до Р.Х.).

Наиболее распространенные железные руды (магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк) представляют собой либо соединение железа с кислородом (оксид железа), либо гидрат окиси железа. Для того чтобы выделить металлическое железо из этих соединений, необходимо восстановить его – то есть отнять у него кислород. Разумеется, древние мастера не имели понятия о сложных химических процессах, которые происходили при восстановлении железа. Однако, наблюдая за «плавкой» руды, они в конце концов установили несколько важных закономерностей, которые и легли в основу простейших методов производства железа. Прежде всего, наши предки заметили, что для получения железа вовсе не обязательно доводить его до температуры плавления. Металлическое железо можно получать и при гораздо меньших температурах, но при этом должно быть больше топлива, чем при выплавке меди, и это топливо должно быть лучшего качества. Необходимо также, чтобы огонь был как можно более «горячим». Все это требовало особого устройства печи и условий плавки.

Как правило, приступая к «плавке» железа, мастера сначала выкапывали круглую яму, стенки которой изнутри обмазывались толстым слоем глины. С наружной стороны к этой яме подводилось отверстие для нагнетания воздуха. Затем над округлой нижней частью сооружали верхнюю в виде конуса. В качестве топлива использовался древесный уголь. Его засыпали в самый низ печи – в яму. Сверху на него укладывали слоями шихту – измельченную руду и уголь. На самый верх засыпали толстый слой угля. После того как топливо внизу поджигалось, начинался сильный разогрев руды. При этом шла химическая реакция окисления углерода (угля) и восстановления железа. В виде мельчайших лепестков тестообразное железо, которое было в три раза тяжелее шлака, опускалось вниз и оседало в нижней части печи. В результате на дне ямы собирался ком мягкого сварного железа – крица, весом от 1 до 8 кг. Она состояла из мягкого металла с пустотами, заполненными твердыми шлаками. Когда «плавка» заканчивалась, печь разламывали и извлекали из нее крицу. Дальнейшая обработка происходила в кузнице, где крицу снова разогревали в горне и обрабатывали ударами молота, чтобы удалить шлак. В металлургии железа ковка на многие века сделалась основным видом обработки металла, а кузнечное дело стало важнейшей отраслью производства. Только после ковки железо приобретало удовлетворительные качества. Чистое железо, впрочем, невозможно использовать из-за его мягкости. Хозяйственное значение имел только сплав железа с углеродом. Если полученный металл содержал от 0, 3 до 1, 7% углерода, получалась сталь, то есть железо, которое приобрело новое свойство – способность к закалке. Для этого изготовленный инструмент нагревали докрасна, а затем охлаждали в воде. После закалки он становился очень твердым и приобретал замечательные режущие качества.

При естественном притоке воздуха температура в печи поднималась не выше 1000 градусов. Уже в древности было замечено, что из той же руды можно получить больше железа и лучшего качества, если в печь искусственно нагнетать воздух с помощью мехов. Меха делались из шкур, снабжались дульцами и приводились в движение вручную. С помощью сопел и мехов в печь нагнетали сырой неподогретый воздух, откуда и пошло название всего процесса. Однако и при этом способе температура могла подниматься только до 1200 градусов, и из руды извлекалось не более половины содержавшегося в ней железа.

Являясь общедоступным и дешевым материалом, железо очень скоро проникло во все отрасли производства, быта и военного дела и произвело переворот во всех сферах жизни. Железный топор и соха с железным лемехом позволили освоить земледелие тем народам, которым до этого оно было совершенно недоступно. Только после распространения железа земледелие у большинства народов превратилось в важнейшую отрасль производства. Железо дало ремесленнику инструменты такой твердости и остроты, которым не могли противостоять ни камень, ни бронза. Они явились той основой, на которой стали бурно развиваться другие ремесла. Эти крупные сдвиги положили конец первобытному обществу. На смену ему пришло более развитое – классовое общество.

15. ПЛУГ

На протяжении нескольких тысячелетий земледелие оставалось мотыжным. В тех областях, где почвы были мягкими (например, в долине Нила или Месопотамии), мотыгой можно было хорошо возделывать поле. Поэтому земледелие здесь стало бурно развиваться еще в глубокой древности. Однако производительность труда земледельца была незначительной. К тому же столь благоприятные условия являлись редким исключением. Обычно крестьянам приходилось поднимать целинные луга, поросшие многолетними травами, с мощным переплетением корней. Для человека, вооруженного одной мотыгой, эти почвы были трудным, часто непреодолимым препятствием. Ощущалась нужда в таком орудии обработки земли, с помощью которого можно было бы не вскапывать, а подрезать пласты дерна снизу. Этим орудием и стал плуг.

Плуг развился из особого инструмента древних земледельцев, который современные ученые окрестили «бороздовой палкой». С помощью этой палки земледелец прокладывал в поле борозды, делящие его на гряды. Отличительной чертой этих палок была рабочая часть, направленная под острым углом к рукоятке. Использование их подало мысль древним земледельцам, что почву можно обрабатывать не копанием, как это делалось раньше, а волочением. Тогда, видимо, и появился прообраз плуга – раздвоенная палка с заостренным концом (здесь уже видны в зародыше дышла и лемех). Впрягшись в такое устройство, земледелец тащил его за собой, проделывая борозду. Конечно, использовать такое орудие можно было лишь на очень мягких почвах, уже взрыхленных многолетней обработкой, где не было ни камней, ни дерна. Для того чтобы пахать более твердые почвы, необходимо было усилить давление на лемех. Так была изобретена рукоятка. Дальнейшее усовершенствование этого пахотного орудия можно наблюдать в одном древнеассирийском памятнике. Это был уже в полном смысле плуг, имевший все три его основные части: дышло, лемех и рукоятку. В такой форме он требовал двух работников: один тащил плуг, а другой направлял его и держал в земле. Все первые плуги приводились в движение силой человека. Разумеется, крестьянина тяготила такая работа, и спустя некоторое время он стал запрягать в плуг быков. Поначалу люди просто привязывали плуг к рогам волов, позже появились ярмо и примитивная упряжь. Скорость обработки земли сразу возросла в несколько раз, а сама работа облегчилась.

Первые плуги изготовлялись из корневищ дуба, бука, клена и некоторых других деревьев и представляли собой цельные куски дерева. Затем лемех стали укреплять железом. Прошло много лет, прежде чем в плуге были сделаны дальнейшие усовершенствования. В сочинениях Плиния – римского писателя I века нашей эры – мы находим описание плуга, который, в отличие от предшествующих, снабжен колесом, ножом и отвальными досками. Колесо не давало плугу входить слишком глубоко в землю, нож служил для того, чтобы взрезывать дерн. Важным новшеством был отвал. Назначение отвала – переворачивать дерн, который срезали нож и лемех. Плуг без отвала при движении только разрыхлял землю. Отвал переворачивал дерн таким образом, что сорная трава оказывалась под землей. Изобретение отвала было огромным событием в истории плуга. В таком виде плуг просуществовал вплоть до конца средних веков, когда в него были внесены новые усовершенствования.

Распространение плуга с железным лемехом произвело кардинальный переворот в земледелии. Плужное земледелие преобразовало сельское хозяйство, явилось его высшим достижением и в немалой степени способствовало возникновению многих цивилизаций Старого Света. Преимущество плужного земледелия перед мотыжным настолько очевидно, что в представлении древних людей его изобретение было делом богов. Египтяне считали плуг даром Осириса, греки – Афины-Паллады, индийцы – Агни, а жители Китая – божественного Шенпунгу.

16. РЫЧАГ, БЛОК И НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ

Уже в глубокой древности для подъема тяжестей человек стал применять простые механизмы: рычаг, ворот и наклонную плоскость. Позже к ним прибавились еще блок и винт. Эти несложные приспособления позволяли многократно увеличить мускульные усилия человека и справиться с такими тяжестями, которые при других обстоятельствах были бы совершенно неподъемными. Принцип действия простых механизмов хорошо известен. Например, если нужно втащить груз на определенную высоту, всегда легче воспользоваться пологим подъемом, чем крутым. Причем, чем положе уклон, тем легче выполнить эту работу. Эта связь имеет четкое математическое выражение. Если наклонная плоскость имеет угол d, то втащить груз по ней будет в 1/sin d раз легче, чем поднять его вертикально. Если угол составляет 45 градусов, наше усилие будет в 1, 5 раза меньше, если 30 градусов – в 2 раза меньше, при угле в 5 градусов мы потратим в 11 раз меньше усилий, а при угле в 1 градус – в 57 раз! Правда, все, что выигрывается в силе, теряется в расстоянии, ибо во сколько раз уменьшается наше усилие, во столько же раз возрастает расстояние, на которое придется тащить груз. Однако в тех случаях, когда время и расстояние не играют большой роли, а важна сама цель – поднять груз с наименьшим усилием, наклонная плоскость оказывается незаменимым помощником. Другим простым механизмом – рычагом – наши далекие предки постоянно пользовались для того, чтобы приподнимать и сдвигать с места тяжелые камни и бревна. Рычаг позволяет достигнуть многократного выигрыша в силе самыми простыми и доступными средствами. Положив длинный и крепкий шест на обрубок полена (опору) и подсунув второй конец его под камень, человек превращал шест в простейший рычаг. В этой ситуации на камень начинали действовать два вращающих момента, один от веса камня, а другой – от руки человека. Для того чтобы камень сдвинулся с места, «подталкивающий» момент от мускульной силы человека должен быть больше «прижимающего» от веса камня. Момент, как известно, равен произведению приложенной силы на длину плеча рычага (в данном случае плечо – это расстояние от конца шеста (точки приложения силы) до полена (точки опоры)). Легко подсчитать, что если плечо, на которое давит человек в 15-20 раз длиннее того, которое подсунуто под камень, то сила человека соответственно тоже возрастает в 15-20 раз. То есть человек, не очень напрягаясь, может сдвинуть камень весом в тонну! Неподвижный блок – третий механизм, получивший распространение в древности – представляет собой колесо с желобом, ось которого жестко прикреплена к стене или потолочной балке. Перекинув через колесо веревку и прикрепив ее противоположный конец к грузу, можно поднять его на высоту крепления блока. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но зато предоставляет возможность изменить ее направление, что зачастую при подъеме тяжестей тоже имеет огромное значение.

При всей своей примитивности простые механизмы многократно расширяли возможности древнего человека. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о гигантских постройках древних египтян. Например, пирамида Хеопса имела высоту 146 м. Подсчитано, что для ее возведения потребовалось 23300000 каменных глыб, каждая из которых весила в среднем около 2, 5 тонн. Но и это был не предел – при строительстве храмов египтяне транспортировали, поднимали и устанавливали колоссальные обелиски и статуи, вес которых составлял десятки и сотни тонн! Какие же механизмы использовали эти древние строители для того, чтобы поднимать на огромную высоту исполинские глыбы и статуи? Оказывается, все это можно сделать с помощью тех же простых устройств – блока, рычагов и наклонной плоскости. Колоссальные статуи и каменные глыбы перетаскивались на массивных салазках, которые тянуло большое количество людей. Каждый из работавших имел веревку, переброшенную через плечо. Под салазки подкладывались катки, которые после протаскивания груза подбирались и снова подкладывались под полозья. Для преодоления препятствий салазки приподнимались с помощью рычагов. В качестве них употребляли стесанные бревна. Упорами служили специально изготовленные клинья разного размера. Работа сопровождалась музыкой. Главным подъемным приспособлением египтян была наклонная плоскость – рампа. Остов рампы, то есть ее боковые стороны и перегородки, на небольшом расстоянии друг от друга пересекавшие рампу, строились из кирпича; пустоты заполнялись тростником и ветвями. По мере роста пирамиды рампа надстраивалась. По этим рампам камни тащили на салазках таким же образом, как и по земле, помогая себе при этом рычагами. Угол наклона рампы был очень незначительным – 5 или 6 градусов. Таким образом, например, наклонная дорога к пирамиде Хафра при высоте подъема в 46 метров имела длину около полукилометра. Соответственно для сооружения более высоких пирамид приходилось строить рампу еще длиннее.

К иным приемам прибегали при подъеме длинных каменных глыб и статуй. Для этого применяли блоки. Однако поднять с помощью блоков огромные камни, какими являлись обелиски до 300 тонн весом и гигантские статуи царей, достигавшие 1000 тонн веса, невозможно. Для установки таких статуй и обелисков приходилось проводить значительную подготовительную работу. В качестве подъемного приспособления здесь опять выступала наклонная плоскость – рампа. Прежде всего по обе стороны пьедестала возводились каменные стены. К одной из них пристраивалась наклонная плоскость, высотой несколько меньше, чем высота устанавливаемого обелиска. Все четыре стены рампы образовывали как бы кирпичный колодец. В одной из его стен на уровне земли делался сквозной коридор. Все пространство внутри засыпалось песком. Затем по наклонной плоскости втаскивали основанием вперед законченный обелиск. После этого через коридор в стене начинали выносить песок, и обелиск под собственной тяжестью начинал плавно опускаться на пьедестал, постепенно принимая вертикальное положение. После установки стена и рампа разбирались.

Широко применяя наклонную плоскость и рычаг, древние египтяне, кажется, не задумывались о законах, которые лежат в основе простых механизмов. По крайней мере, до нас не дошло ни одного вавилонского или египетского текста с описанием их действия. Эту работу провели только ученые Древней Греции. Классические расчеты действия рычага, наклонной плоскости и блока принадлежат выдающемуся античному механику Архимеду из Сиракуз. Архимед изучил механические свойства подвижного блока и применил его на практике. По свидетельству Афинея, «для спуска на воду исполинского корабля, построенного сиракузским тираном Гиероном, придумывали много способов, но механик Архимед один сумел сдвинуть корабль с помощью немногих людей; Архимед устроил блок и посредством него спустил на воду громадный корабль; он первый придумал устройство блока». Из этого свидетельства видно, что Архимед не только изучил свойства простых механизмов, но и сделал следующий шаг – стал сооружать на их основе более сложные машины, преобразующие и усиливающие движение. Возможно, что корабль ему удалось сдвинуть с помощью системы подвижных и неподвижных блоков (подобной современным талям), используя которые можно многократно увеличить прилагаемое усилие. Когда на родной город Архимеда напали римляне, он применил свои знания в военной технике. По его чертежам сиракузяне построили множество самых разнообразных боевых машин. Среди них были метательные орудия; поворотные краны, низвергавшие на римские корабли огромные камни; привязанные к цепям железные лапы, которые захватывали и переворачивали вражеские корабли.