Текст книги "Древние изобретения"

Автор книги: Питер Джеймс

Соавторы: Ник Торп
сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 48 страниц)

СЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА

На Пасху 1900 г. группа греческих ловцов губок возвращалась из своих традиционных мест промысла в Северной Африке домой на остров Сими, находящийся неподалеку от Родоса, когда налетел шторм. Подхваченные течением, они в конце концов оказались на почти необитаемом скалистом острове Андикитира, расположенном северо-западнее

Крита. Занявшись ловлей губок, они были удивлены, обнаружив огромный остов затонувшего судна. Большой интерес у ловцов губок вызвала груда бронзы и мраморные статуи, находящиеся на древнем грузовом судне. Рыбаки рассказали о своей находке властям. В ноябре вместе с консультантами-археологами они вернулись на Андикитиру и проработали на потерпевшем крушение судне до сентября 1901 г.

Примерно через 8 месяцев после раскопок, когда находки были тщательно очищены от наслоений, образовавшихся за долгие годы пребывания под водой, было найдено несколько крошечных бронзовых осколков с надписью на греческом языке. Вскоре были обнаружены другие части, и со временем целый набор зубчатых колес, часть из которых имела надписи.

С самого начала эти находки вызвали споры среди археологов. некоторые из них настаивали на том, что найденный механизм слишком сложен, чтобы принадлежать затонувшему кораблю, относящемуся, судя по гончарным изделиям, к I в. до н. э. Эксперты также разделились на два лагеря при определении назначения предмета. Одни доказывали, что останки принадлежат астролябии, инструменту для измерения долготы и широты в астрономии, другие – что они относятся к планетарию, устройству для проецирования движения и орбит планет. Ни одна из сторон не уступала, спор оказался неразрешимым, и назначение андикитирского механизма осталось загадкой.

Механический календарь

Ситуация изменилась в 1951 г., когда профессор Йельского университета Дерек де Солла Прайс проявил интерес к андикитирской тайне. Последующие 20 лет много долгих часов он посвятил скрупулезному изучению предметов при помощи рентгеновских лучей. Его исследование в конце концов позволило ему вновь собрать сохранившиеся детали и таким образом выявить истинное назначение приспособления.

Андикитирский механизм оказался сложным счетным устройством для вычисления календаря Солнца и Луны. Один оборот главного колеса соответствовал солнечному году, в то время как маленькие колеса показывали положение Солнца и Луны и появление самых важных звезд. Колеса находились в деревянном ящике, отверстия в котором открывались с целью наблюдения за находящимся внутри механическим чудом. Прибор наряду со статуями, вероятно, являлся частью груза и не служил навигационным средством для капитана корабля.

Андикитирское открытие является убедительным подтверждением некоторых многообещающих литературных свидетельств, которые выдвигают предположения о том, что греческие ученые того времени уже экспериментировали с такими сложными механизмами для астрономических наблюдений. Несколько лет спустя после того, как у Андикитиры затонул корабль, римский правовед Цицерон (106—43 гг. до н. э.) писал, что его друг и наставник философ Посидоний "недавно сделал глобус, который при вращении показывает движение Солнца, звезд и планет днем и ночью точно так, как они появляются на небе". Он также заметил, что великий Архимед (см. "«Клешни» Архимеда" в разделе Военная техника и "Римский одометр" в разделе Транспорт) еще раньше изобрел модель, "имитировавшую движения небесных светил". Высказывалась даже мысль, что именно механизм Архимеда был найден среди обломков затонувшего корабля.

Влияние андикитирского механизма на наше понимание древнегреческой техники огромно. Похоже, календари, с зубчатыми колесами, хотя и менее сложные, были известны в исламском мире примерно с 1050 г. н. э. Один из таких календарей, сконструированный астрономом Абу Саидом аль-Сиджи, показывал фазы Луны и движение Солнца по отношению к знакам зодиака. Такие приборы были предшественниками астрономических часов в средневековой Европе. Поэтому некогда считали, что эти приборы были сконструированы позднее. Теперь, пришел к выводу профессор де Солла Прайс, андикитирское открытие "требует от нас полностью переосмыслить наше отношение к древнегреческой технологии". Люди, которые сделали его, могли бы построить почти все, что желали. У них была техника, но она не сохранилась в отличие от огромных мраморных зданий, скульптур и постоянно переписывавшихся литературных трудов о высокой культуре.

План сложного андикитирского счетного устройства на зубчатых колесах, восстановленного профессором Дереком де Солла Прайс.

ЧАСЫ

Нам часто нравится думать о прошлом как об относительно беззаботном времени, где отсутствовала наша современная привычка смотреть на часы и не тратить зря время. Однако по крайней мере 4000 лет назад часы различной степени сложности существовали повсюду. Первыми попытались их сделать египтяне, которые изобрели звездные часовые карты, и можно было определить ночное время, наблюдая за подъемом звезд. Что касается дневного времени, то поздние египтяне изобрели теневые часы. Тень от поперечной балки постепенно пересекала ряд меток от восхода и до заката солнца. Набор инструкций для изготовления таких часов был найден в могиле фараона Сети I, который правил примерно в 1300 г. до н. э. Такие простые теневые часы были предшественниками солнечных. Римляне усовершенствовали солнечные часы, с которыми мы знакомы в настоящее время, и даже сделали переносные солнечные часы, удобные для путешествий.

Водяные часы

Около 1500 г. до н. э. египетский придворный Аменем– хет, судя по надписи на его могиле, изобрел водяные часы, или клепсидру. Время позволяло определить падение уровня воды в сосуде. Такие часы были особенно полезны жрецам, которым нужно было знать ночное время, чтобы вовремя отправлять религиозные ритуалы и жертвоприношения в храме. Самые древние из дошедших до нас водяных часов относятся ко времени правления Аменхотепа III (начало XIV в. до н. э.), они были найдены в 1905 г. на развалинах храма Амона-Ра в Карнаке.

Водяные часы стали обычным средством определения времени в древнем мире, после того как появились в VI в. до н. э. в Китае. В Афинах, где были найдены остатки "городских часов", построенных в 350 г. до н. э., они были установлены для общего пользования. Ход часов контролировался поплавком, который опускался, когда вода через проточное отверстие в дне просачивалась наружу. Поплавок, по-видимому, соединялся с валом, который, опускаясь, передвигал стрелку. Степень износа ступенек, ведущих в колодец, позволяет предположить, что резервуар для воды должен был наполняться каждый день.

Внешний вид египетских водяных часов из Карнаки (XIV в. до н. э.). Прибор каждый вечер заполнялся водой, чтобы определить ночное время. Вода постепенно вытекаю через тростниковую втулку на дне. Ход времени опред&гялся опусканием воды за отметки "часа *. Так, ночь делили на 12 частей независимо от времени года, "время" на часах варьировалось по длине в течение года. Таким образом, 12линий "часовых"отметок слегка различаются по высоте.

В греческом мире также занимались разработкой водяных часов. Такие часы были изготовлены александрийским изобретателем Ктесибием около 270 г. до н. э. Их водяной сток точно контролировали запорные краны, которые приводили в движение автоматы, начиная от звенящих колокольчиков и движущихся марионеток до "певчих" птиц, возможно, древнейших часов с кукушкой! В афинской "Башне ветров", построенной астрономом Андроником примерно вначале I в. до н. э., на вершине находились солнечные часы, сложные водяные часы были внутри и показывали время на циферблате, а вращающийся диск показывал движение звезд и Солнца через созвездия в течение года.

О широком применении водяных часов в самых разных ситуациях писали древние авторы. Около 360 г. до н. э. Платон описывал судей, "вынужденных работать по «водяным часам»... без отдыха". Часы стали оказывать влияние даже на литературу. Продолжительность традиции, – сетовал Аристотель, – должна измеряться не "клепсидрой[10]10
  Клепсидра – сосуд с отверстиями в днише и на ручке, который использовался на заседаниях суда для отсчета времени как водяные часы.


[Закрыть]... а фабулой". Наблюдение за временем уже строго контролировалось. Более важную роль водяные часы играли в греческих и римских судах, где их использовали, чтобы выступающие укладывались в отведенное им время; если судебное разбирательство ненадолго прерывалось, например для изучения документов, то трубку стока перекрывали воском до тех пор, пока выступление не возобновлялось. В спортивных состязаниях часы использовали для определения времени на соревнованиях по бегу в Римских играх.

Великолепные водяные часы были позднее сделаны в исламском мире. Особенно искусный образец был доставлен из Багдада первому императору Священной Римской империи Карлу Великому (742—814 гг.) эмиссарами халифа Гарун аль-Рашида. Пара массивных водяных часов из двух сосудов, которые постепенно наполнялись, когда прибывала луна, а затем опорожнялись, когда она убывала, были сконструированы в XI в. в Толедо (Испания) арабскими инженерами. Они были настолько искусно сделаны, что служили более ста лет, не требуя регулировки.

Изумительные чудеса техники

Следующим крупным шагом в развитии часов было изобретение механических часов, на которое традиционно претендует Западная Европа. Есть ссылка на существование в аббатстве неподалеку от Руана механизма (скорее всего, это были часы), исполнявшего на колокольчиках мелодию гимна. Великий итальянский поэт Данте описывает несомненно удивительные часы того времени в "Божественной комедии", тогда как первое упоминание об особенных часах в соборе святого Готфрида в Милане встречается в отдельной главе летописи 1335 г.

Однако за несколько сотен лет до этих древнейших в Европе образцов механические часы уже были изобретены в Китае. Это объяснялось необходимостью определения точного времени зачатия разных наследников трона, чтобы придворные астрологи могли затем определить влияние на них космоса и таким образом выявить лучшего претендента. Хотя китайцы на протяжении веков создали более точные модели водяных часов, включая секундомер с останавливающимся механизмом, где использовалась скорее ртуть, нежели вода, они все еще были недостаточно хороши для точных целей астрологов.

Соответственно, в 723 г. буддийский монах и математик И Син сконструировал часовой механизм астрономического прибора, который назвал "сферической картой поднебесья с высоты птичьего полета", приводимый в движение водой. Судя по названию, вода являлась источником энергии, однако движение регулировали механизмы. К сожалению, несколько лет спустя устройство из бронзы и железа стало ржаветь, к тому же в холодную погоду вода внутри часов замерзала. В 976 г. Чжан Сы Сюн построил часы, использовав вместо воды ртуть, однако от них сохранилось лишь несколько деталей.

Самые грандиозные часы в средневековом Китае носили название "Космическая машина". Они были сконструированы астрономом Су Сунем по приказу императора Ин Цзуна в 1090 г. н. э. Он спроектировал башню с астрономическими часами высотой более 30 футов. Наверху находился массивный сферический астрономический бронзовый прибор для наблюдения за звездами, приводимый в движение водой. Внутри башни был представлен небесный свод, движение которого совпадало с движением Земли внизу.

Воспроизведение рисунка "Космической машины ", построенной в Кайфыне в 1090 г. н. э. Су Сунем. Высота здания превышает 30 футов. Часы приводились в движение гигантским водяным колесом, вода на которое поступала из резервуаров. Часовой механизм приводил в движение небесный свод на верхнем этаже и наблюдательную площадку внизу, пышно одетые миниатюрные куклы сообщали время в разные часы дня и ночи.

Эти фигуры приводились в движение гигантским часовым механизмом, управляемым огромным водяным колесом с ковшами на конце лопастей, в которые капала вода из водяных часов, заставляя механизм двигаться со скоростью один ковш в час.

Это было необходимо для сравнения. Напротив башни находилось сооружение, напоминавшее 5-этажную пагоду, в дверях каждого этажа через определенные интервалы днем и ночью появлялись деревянные куклы. Они били в барабаны, гонг, звонили в колокольчики, играли на струнных инструментах и показывали таблички с указанием времени.

Большие часы Су Суня работали с 1090 по 1126 гг., затем они были демонтированы и доставлены татарскими завоевателями Китая в Пекин, где проработали еще несколько лет. "Космическая машина" Су Суня была вершиной развития часового дела в Китае; к несчастью, следующее столетие, похоже, привело к утрате мастерства.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Одним из необыкновенных чудес древней Александрии был первый в мире автомат. Он был сконструирован удивительным местным изобретателем Героном, одержимым страстью к различным приспособлениям и автоматическим механизмам. Кроме первого парового двигателя Герон сконструировал механические кукольные театры, пожарную машину, одометр, самонаполнявшуюся масляную лампу, новый вид шприца, топографический прибор, похожий на современный теодолит, водяной орган, орган, звучавший при работе ветряной мельницы, и так далее до бесконечности. Ряд хитроумных приспособлений, описанных им подробно в серии учебников в I в. н. э., поразителен.

Его работающий при опускании денег автомат, как и многие другие из его чудес, предназначался для использования в храмах. Идея механизма заключалась в том, что верующему следовало опустить 5-драхмовую бронзовую монету в щель и взамен получить немного воды для ритуального омовения лица и рук перед входом в храм. В конце дня жрицы могли забрать из автомата пожертвования. Нечто подобное делается в некоторых современных римских католических соборах, где люди опускают мелочь в автоматы, чтобы зажглись электрические свечи.

Автомат, сконструированный Героном для египетских храмов. Опуская монету, посетители получали святую воду из крана для ритуального омовения

перед молитвой.

Древний аппарат работал следующим образом. Монетка падала в небольшую чашечку, которая подвешивалась к одному концу тщательно отбалансированного коромысла. Под ее тяжестью поднимался другой конец коромысла, открывал клапан, и святая вода вытекала наружу. Как только чашечка опускалась, монетка соскальзывала вниз, край коромысла с чашечкой поднимался, а другой опускался, перекрывая клапан и отключая воду.

Остроумный механизм Герона, возможно, был отчасти навеян идеей устройства, изобретенного тремя столетиями раньше Филоном Византийским. Это был сосуд со встроенным внутрь довольно загадочным механизмом, позволявшим гостям омыть руки. Над водопроводной трубой была вырезана рука, державшая шар из пемзы. Когда гость брал его, чтобы вымыть руки перед обедом, механическая рука исчезала внутри механизма и из трубы текла вода. Через какое-то время вода переставала течь и появлялась механическая рука с новым куском пемзы, приготовленным для гостя. К сожалению, Филон не оставил детального описания, как работало это исключительное механическое чудо, однако оно, по-видимому, было основано на тех же принципах, что и автомат.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ДВЕРИ

Проходя в дверь универсама, вспомните о Героне, бесспорном гении древнего высокотехнологического инженерного искусства. Около 2000 лет назад он изобрел для храмов египетского города Александрия автоматически открывающиеся двери.

Кроме того, Герон с присущим ему чутьем на механические чудеса – интригующие, шокирующие, изумляющие – был еще и специалистом по организации публичных зрелищ. Его конструкция автоматических дверей для храма была подарком египетским жрецам, которые столетиями прибегали к использованию механических или иных чудес, чтобы укрепить свою власть и престиж.

Использовав относительно простые принципы механики, Герон изобрел устройство, при помощи которого словно невидимыми руками открывались двери небольшого храма, когда жрец зажигал огонь на жертвеннике напротив него.

В скрытом под жертвенником металлическом шаре огонь нагревал воздух, тот, расширяясь, проталкивал воду через сифон в огромную бадью. Последняя была подвешена на цепях системы весов и шкивов, которые поворачивали двери на их осях, когда бадья становилась тяжелее.

Когда огонь на жертвеннике угасал, происходила еще одна удивительная вещь. В результате быстрого охлаждения воздуха в шаре вода засасывалась в сифон другим путем. Опустевшая бадья возвращалась вверх, приводя в обратное движение систему шкивов, и двери торжественно закрывались.

На рисунке художника эпохи Возрождения изображены автоматические двери, сконструированные Героном. Кроме жертвенника, все необходимые приспособления спрятаны в помещении под дверьми храма.

Другая конструкция, описанная в трудах Герона, – рожок, звучавший при открытии дверей храма. Он играл роль дверного звонка и сигнала тревоги при взломе.

Несомненно, система автоматических дверей, описанных Героном, действительно использовалась в египетских храмах и, возможно, где-нибудь в греко-римском мире. Сам изобретатель мимоходом ссылался на альтернативную систему, использованную другими инженерами: "Некоторые из них вместо воды применяют ртуть, так как она тяжелее и легко разъединяется огнем". Что означало у Герона слово, переводимое как "разъединяется", пока неизвестно, однако применение ртути вместо воды в механизмах, похожих на конструкцию Герона, конечно же, делало их более эффективными.

Многие, и мы в том числе, хотели бы увидеть подобное волшебство древнего храма, однако маловероятно, что остатки одного из механизмов Герона, открывавших двери, будут когда-нибудь найдены. Позже в Египте христианские и мусульманские поселенцы полностью разорили древние языческие храмы, унеся все полезное – подобным образом с крыши старых церквей исчезает свинец, когда никто о них не заботится. Металлические части автоматических дверей Герона (цепи, шкивы, емкости и приспособления для прекрасно вращавшихся дверей), очевидно, были украдены сотни лет назад. Только благодаря случайно найденным мелким предметам, таким как удивительный прибор с корабля, затонувшего у Андикитиры (см. "Счетные устройства"), и поразительным образом уцелевшие труды Герона и других эллинских ученых, мы еще можем мельком взглянуть на прошлое золотого века механических инженерных искусств.

ПАРОВАЯ МАШИНА

Изобретение в XVIII в. парового двигателя вызвало революцию в транспорте и промышленности, полностью изменило мир. Однако, подобно множеству ключевых открытий, современное понимание потенциала энергии пара было на самом деле повторением чего-то такого, что было известно 2000 лет назад.

Человеком, сделавшим это изобретение, был Герон Александрийский, который детально описал первый работающий паровой двигатель, названный им "ветряной шар". Его конструкция предельно проста. Широкий свинцовый котел с водой помещали над источником тепла, например горящим древесным углем. По мере закипания воды в две трубы, в центре которых вращался шар, поднимался пар. Струи пара били через два отверстия в шаре, заставляя его вращаться с большой скоростью. Такой же принцип лежит в основе современного реактивного движения.

В предисловии трактата Герона по пневматике некоторые его изобретения характеризуются как "пригодные для повседневного применения", другие – как имеющие "достаточно замечательные результаты". Похоже, что паровой двигатель попал у Герона во вторую категорию и характеризовался, если судить по описанию, как новое изобретение. Однако Герон знал, какое применение могут иметь источники энергии. Например, он сконструировал небольшую ветряную мельницу, заставлявшую звучать музыкальный орган (см. "Клавиатуры" в разделе Спорт и отдых).

Мог ли паровой двигатель использоваться в практических целях? Чтобы найти ответ на этот вопрос, специалист по античности доктор Дж. Г. Лэнделс из университета в Рединге с помощью специалистов инженерного факультета сделал точную рабочую модель устройства Герона. Он обнаружил, что она развивала большую скорость вращения – не менее 1500 оборотов в минуту: "Шар устройства Герона, возможно, был самым быстроврашающимся предметом его времени".

Тем не менее у Лэнделса возникли трудности при подгонке соединений между вращающимся шаром и паровой трубой, что не позволяло сделать приспособление эффективным. Свободный шарнир позволял шару быстрее вращаться, но тогда быстро улетучивался пар; тугой шарнир означал, что энергия расходовалась на преодоление трения. Пойдя на компромисс, Лэнделс посчитал, что эффективность механизма Герона, возможно, была ниже одного процента. Поэтому, чтобы произвести одну десятую долю лошадиной силы (силу одного человека), понадобился бы довольно большой агрегат, потреблявший огромное количество горючего. Энергии бы тратилось на это больше, чем мог произвести сам механизм.