Текст книги "Древние изобретения"

Автор книги: Питер Джеймс

Соавторы: Ник Торп
сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 48 страниц)

Могли ли древние греки изобрести паровоз?

Гсрону под силу было изобрести более эффективный способ использования энергии пара. Как отмечал Лэнделс, все необходимые элементы для эффективного парового двигателя найдены в устройствах, описанных Героном. Инженеры его времени сделали цилиндры и поршни с чрезвычайно высоким коэффициентом полезного действия, которые Герон использовал в конструкции водяного насоса для тушения пожара (см. "Противопожарные устройства" в разделе Городская жизнь). Подходящий механизм с клапанами для парового двигателя найден в его конструкции водяного фонтана, работавшего на сжатом воздухе. Его механизм похож на современный опрыскиватель от насекомых. Он состоял из круглой бронзовой камеры, которая была совершеннее свинцового котла в его паровом двигателе, так как могла выдерживать высокие давления.

Герону или любому его современнику не составило бы труда скомбинировать все эти элементы (бойлер, клапаны, поршень и цилиндр), чтобы сделать работоспособный паровой двигатель. Утверждали даже, что Герон пошел в своих опытах дальше, скомбинировал необходимые элементы в эффективный паровой двигатель, но то ли погиб при испытании, то ли оставил эту затею. Ни одно из этих предположений не обосновано. Вероятнее всего, из-за занятости он не смог реализовать эту идею. Однако в Александрии и греко-римском мире было множество других знающих и изобретательных инженеров. Так почему же никто из них не развил эту идею в дальнейшем? По-видимому, все дело в экономике. Потенциал многих изобретений никогда полностью не был реализован в древнем мире из-за рабовладельческого хозяйства (см. "Жатки" в разделе Обработка земли и добыча полезных ископаемых). Если даже какому-нибудь блестящему ученому удалось бы изготовить паровой двигатель, выполнявший работу сотен человек, то новейший механизм не вызвал бы интереса у промышленников, ибо на рынке рабов под рукой у них всегда была рабочая сила.

Герон использовал также энергию пара при создании игрушек. На этом образце небольшой шарик висит в воздухе на струе пара (игрушка

реконструирована в эпоху Возрождения).

Однако ход истории мог бы оказаться иным, как заметил в своем блестящем теоретическом очерке замечательный ученый Арнольд Тойнби. Он предполагал, что бы произошло, если бы Александр Македонский не умер от зноя в 323 г. до н. э. в возрасте 33 лет. Александр осуществил лишь часть своего плана по завоеванию мира, объединив греческие владения с Персидской империей и дойдя со своими армиями до Египта и Северной Индии. Если бы он прожил дольше, считает Тойнби, то почему бы не предположить, что его огромная и постоянно увеличивающаяся армия не покорила бы римлян. Карфагенскую империю на севере Африки, Эфиопию и даже Китай. Объединение этих огромных территорий под одной властью ускорило бы развитие транспортных средств, чтобы связать отдаленные области империи. Как нам известно, греки уже изобрели железную дорогу (см. "Введение" к разделу Транспорт). В модели Тойнби они объединили бы ее с усовершенствованным вариантом парового двигателя Герона и имели паровозы, которые бы мчались по Азии уже через несколько поколений после смерти Александра.

На один из недостатков умозрительного экскурса Тойнби трудно не обратить внимания. Мировая религия, которую он рассматривает в условиях всемирной империи, где правят правопреемники Александра, является эллинизированной версией буддизма – нечто очень близкое к учениям популярного греческого философа Пифагора и Будды (см. "Введение" к разделу Пища, напитки, наркотики). И тогда христианство, возможно, никогда бы не появилось на Земле. Тойнби мимоходом упоминает о неудавшемся проповеднике, чьи слова упали бы на каменистую почву и который зарабатывал бы на жизнь строительством железнодорожных путей в Назарете.

АВТОМАТИКА

Древние греки интересовались идеей создания роботов, искусных механизмов, способных выполнять команды людей и всякую прихоть своего создателя. Подтверждение этому можно найти в дошедшей до нас поэзии Гомера (VIII в. до н. э.). В великой эпической поэме "Илиада" он описывает некоторые технические чудеса бога огня и покровителя кузнечного ремесла Гефеста, который создал себе в качестве помощников золотых механических слуг, наделенных речью и умом. Гефест также имел во дворце набор столов на трех ножках с золотыми колесиками, они могли передвигаться сами и, как собака, следовать за ним, чтобы встречать богов или по его приказу возвращаться во дворец.

Какими бы фантастическими ни были творения Гефеста, они олицетворяли мечты некоторых древнегреческих инженеров. Такие великие изобретатели из Александрии, как Филон и Герон, особенно были увлечены автоматами. (Автомат определялся как "организованный механизм, который имитирует движения живого тела и вовсе не является роботом, который специфическим образом подражает поведению людей".) Работая в Египте, они унаследовали инженерный гений не только греческих ученых, таких как Архимед, но и ученых, следовавших местным египетским традициям. На протяжении примерно двух тысяч лет египтяне делали простые механические игрушки (см. "Введение" в разделе Спорт и отдых), а также устраивали "чудеса" в своих храмах, такие как кивающие головой статуи, замаскированные говорящие трубы, имитирующие речь богов. Герон, изобретая различные специальные эффекты для храмов, одновременно уделяет внимание исключительно греческому творению – театру. Некоторые его изобретения были искуснейшими предшественниками наших сценических эффектов, например приспособления для имитации грома и молний (см. "Театры" в разделе Спорт и отдых). Другие его устройства создавали иллюзию наличия у механизмов собственной жизни.

Автоматические театры Герона

Некоторые механизмы Герона удивительно напоминают самодвижущиеся треножники Гефеста. Это были стенды на колесах, самостоятельно передвигавшиеся по театру. Их приводила в движение сила тяжести. Тяжелый груз, соединенный веревками и шкивами с колесами, помещали в верхней части емкости с зерном. По мере того как зерно высыпалось через отверстие в дне контейнера в нижний отсек, груз опускался, натягивая веревку и вращая колеса автомата. Приспособление напоминало комбинацию заводной игрушки и гигантских песочных часов, а гениальность конструкции Герона заключалась в удачном сочетании двух элементов.

Основной план самодвижущихся стендов Герона. В центре устройства находится отсек (А), заполненный зерном. Когда пробку в дне открывали, зерно высыпалось в нижний отсек (В). По мере опорожнения верхнего отсека большой груз (С), лежащий на зерне, опускался вниз, натягивая веревку на шкивах (D) и поворачивая колеса (Е). Таким образом, когда груз опускался, стенд приходил в движение.

Движущийся стенд был лишь основным элементом в некоторых более сложных приспособлениях Герона. Он сконструировал различные виды стендов, способные перемещаться по кругу, по прямоугольнику, по дорожке в форме восьмерки или даже изменять направление и двигаться в обратную сторону – все они управлялись системой грузов и шкивов, находящихся внутри стендов, которые меняли положение колес или опускали дополнительные наборы колес во время движения. Стенды не только двигались вперед и назад без чьей-либо помощи, они также могли перевозить механических кукол, которые, как и весь механизм, приводились в движение спускавшимися грузами. Одним из самых сложных проектов Герона был миниатюрный театр на колесах, который сам выкатывался на зрительную площадку перед началом спектакля. Двери открывались и закрывались сами, крошечный алтарь загорался, и механические фигуры то появлялись, то исчезали. В конце представления весь механизм сам уезжал с площадки.

Герон также спроектировал стационарные театры, где предусматривалось еще более сложное движение кукол без использования иной силы или зубчатых приводов для их перемещения по сцене. Вместо зерна использовали песок: он менее сыпучий и позволял удлинить представление.

Внешний вид миниатюрного автоматического театра Герона (стационарное исполнение). Двери открывались, и трагедия под названием "Навилий" разыгрывалась механическими фигурками. Все механизмы скрыты в пьедестале.

Один миниатюрный театр был запрограммирован на постановку целого спектакля под названием "Навилий", рассказывавшего о трагедии и мести, разыгравшихся после Троянской войны. Сын царя Навилия был несправедливо обвинен в измене своим товарищем по оружию Аяксом и забит камнями до смерти. Навилий решил отомстить с помощью богини Афины. Когда занавес поднимался, было видно, как работали молотками и пилами нимфы во время ремонта корабля Аякса. "Стоит очень большой шум, – писал Герон, – словно идет настоящая работа." Через некоторое время двери закрывались и вновь открывались для второй сцены – спуска корабля на воду. Третья сцена начиналась в открытом морс, был виден плывущий под парусами в развернутом строю греческий флот, дельфины ныряли в воде, затем спокойное морс становилось штормовым, и корабли спускали паруса. Дверь закрывалась и открывалась вновь, корабли исчезали, вся сцена была залита светом от установленного Навилием маяка, который освещал грекам дорогу к своей смерти на скалах. Тем временем Афина, одобрявшая этот поступок, стояла рядом. В заключительной сцене зрители видели потерпевший крушение корабль, Аякс бился в воде, тогда как Афина парила в небесах. Гремел гром, богиня метала молнии прямо в плывущего Аякса, то исчезавшего, то появлявшегося в волнах. Навилий был полностью отомщен.

Механизм, который использовал Герон в своей миниатюрной пьесе "Навилий", чтобы фигурка нимфы работала молотком. Грузы, подвешенные к большому колесу, вращали его таким образом, что колышки захватывали и опускали один конец уровня. Это приводило к подъему его другого конца, к которому была прикреплена рука с молотком.

Когда колышек проходил установленный уровень, рука наносила удар, чтобы затем вновь быть поднятой следующим колышком.

Герон увлеченно рассказывал о своих специальных эффектах и детально объяснял, как любое движение, начиная от ныряния дельфинов и работы нимф, осуществлялось скрытыми механизмами.

Все устройство приводилось в движение грузами. Еще не было микропроцессоров, однако в пределах технических возможностей своего времени Герону удалось осуществить эффективное программирование простейших автоматов, что, должно быть, изумляло зрителей.

Книга об остроумных приспособлениях древних

К III в. н. э. Александрия пришла в упадок. В последующие столетия ее музей, библиотека, храмы и театры – центры языческой философии и культуры – пострадали от христиан. Они были также центрами образования и науки. К тому времени, когда библиотека была сожжена арабами во время вторжения в Египет в 640 г. н. э., золотой век греческой науки закончился. Однако некоторые рукописи сохранились благодаря арабским завоевателям. В средние века, последовавшие за падением Римской империи, инженерные достижения Александрии сохранились и развивались в исламском мире.

В IX в. н. э. главными преемниками Герона стали три брата-иракца из рода Бану Муса в Багдаде. Они были всесторонне образованными учеными, двое из них близко подошли к реальной цифре определения окружности Земли (см. "Изготовление карт" в разделе Транспорт). Сохранилась их работа с описанием технических новинок с удивительно точным названием "Книга остроумных приспособлений". Средневековый арабский автор с благоговением писал о ней позднее: "Существует книга, где упоминается о каждом удивительном, примечательном и остроумном приспособлении. Они трудно поддаются объяснению из-за сложных геометрических доказательств".

Некоторые из приспособлений, описанных в книге, очень практичны, например масляная лампа, которая при необходимости сама поднимает фитиль и заправляется. Другие приспособления разделяют увлечение Герона изумлять зрителей. В основном приспособления представляют собой различные механизмы, доведенные до совершенства благодаря достижениям александрийской науки в области пневматики и гидравлики. Сюда относятся и автоматы с переливающейся жидкостью, вызывающей эффект чуда. На одном из чертежей Бану Муса три жидкости разного цвета по очереди наливали в отверстие сверху, некоторое время спустя жидкость в той же последовательности цветов неожиданно появлялась из желобка на дне. Чтобы получить этот относительно простой эффект, хитроумный сосуд оборудовался невероятно сложной системой труб, резервуаров, клапанов, поплавков и сифонов. Дональд Хилл, известный знаток средневекового арабского инженерного искусства, вынужден был признать: "Известно, что ничего подобного этому не делалось до появления современных пневматических средств. В самом деле, древние исчерпали тему, и их было невозможно превзойти в этих видах конструкций".

Братья Бану Муса были пионерами необычайного подъема высокотехнологичных инженерных искусств в средневековом исламском мире. Халифы Багдада использовали их для создания частных площадок для игр, которые могли бы соперничать с Диснейлендом. Свидетельства того времени о дворце, построенном халифом в начале X в. н. э., рассказывают о пруде, окруженном движущимися статуями сидящих на конях воинов. В озере находилось серебряное дерево с механическими серебряными и золотыми певчими птицами. Другой пруд был наполнен ртутью, по нему плавали золотые суда. Сады вокруг прудов украшали механические певчие птицы, ревущие львы и другие движущиеся создания.

Идея показать встречу Синдбада-морехода с механическими монстрами берет начало не в возбужденном воображении современных кинорежиссеров. Она идет непосредственно из передаваемых из поколения в поколение арабских сказок "Тысяча и одна ночь", которые отражают блестящие технические достижения золотого времени исламских инженерных искусств средневековья.

Миниатюрные автоматы, реминисценция автоматических кукольных театров Герона также вошли в моду в исламском мире. Через 300 лет после смерти братьев Бану Муса их работа, в частности, была продолжена другим иракским ученым аль-Джазари. Его книга о механизмах, завершенная в 1206 г. н. э., содержит многочисленные чертежи часов-автоматов, которые показывали время различными способами, включая кукольных музыкантов с барабанами и трубами и птиц, ронявших камешки на тарелки.

Часы "Космическая машина", сделанные в Китае в 1090 г. н. э. Су Сунем, поразительно похожи на такой автомат. 24 деревянные фигурки с табличками то появлялись, то исчезали за маленькой дверью, показывая время. Другие фигурки били в барабаны и звонили колокольчиками, а одна из них через равные промежутки времени днем и ночью играла на струнном инструменте (см. "Часы"). Очевидно, арабские и китайские инженеры в средние века каким-то образом обменивались идеями, хотя нельзя с уверенностью сказать, чье влияние было большим.

Коляска с фигуркой, указывающей на юг

В Древнем Китае был создан великолепный автомат, названный "коляска с фигуркой, указывающей на юг". Она надолго поставила в тупик современных ученых. Во многих китайских легендах упоминается таинственная коляска. На самом деле это была колесница, над которой возвышалась фигурка с рукой, постоянно обращенной на юг независимо от того, в какую сторону поворачивалась колесница.

Таким образом, она могла служить бесценным путеводителем для путешественников. Некоторые предания относят это изобретение к XXIII в. до н. э., с чем однажды согласились ученые, долгое время считавшие, что приспособление работало благодаря магнетизму.

Реконструкция коляски с фигуркой, указывающей на юг, на выставке в Музее науки, Лондон.

Однако все сомнения в конце концов были разрешены в 1960-е гг. доктором Джозефом Нидхэмом и его китайскими сотрудниками. Тщательно изучая литературные памятники, они обнаружили, что самое древнее упоминание о такой коляске восходит к III в. н. э. Они пришли к выводу, что принцип работы автомата был основан не на магнетизме и механизм его был слишком искусно сделан и не мог относиться к столь древнему времени, как гласили предания.

Человеческая фигурка наверху всегда "знала", где находится юг, так как была связана с колесами сложной цепью приводов, похожих на привод современного автомобиля. Такие зубчатые передачи, известные сегодня как дифференциальные, позволяют колесам автомобиля двигаться с разной скоростью (одному из них приходится проделывать путь больше, чем другому), хотя и работают они от одного двигателя. В таинственной древнекитайской коляске использовался тот же принцип с приводами, которые преобразовывали разницу в скорости колес, если коляска изменяла направление движения. Однако, как указывал Нидхэм, подобный механизм мог работать, только если каждая деталь была изготовлена с высочайшей точностью. Разница лишь в один процент между окружностями колес привела бы к тому, что фигура, указывающая на юг, сильно ошиблась бы всего через несколько миль. Не только колеса, но и другие приводы должны были быть сделаны с высочайшей точностью, что позволило Нидхэму назвать коляску "первым в мире кибернетическим механизмом".

СЕЙСМОГРАФЫ

Всегда огромным бедствием для Китая были землетрясения. Исторические хроники династий подробно рассказывают о многочисленных землетрясениях разных веков. Например, великая катастрофа 2 февраля 1556 г. унесла более 800 тысяч жизней. Китайские императоры были сильно озабочены крупными землетрясениями, поскольку они часто становились причиной продовольственных бунтов или даже восстаний. Чтобы контролировать положение, правительствобыло вынуждено как можно скорее посылать в районы бедствий продовольствие и войска. Поэтому любое предварительное предостережение могло быть чрезвычайно ценным.

В начале II в. н. э. всесторонне образованный придворный астроном и выдающийся картограф, математик, поэт, художник и изобретатель Чжан Хэн представил китайскому двору замечательный механизм (см. "Изготовление карт" в разделе Транспорт), названный им "флюгер, предвещающий землетрясения". По утверждению автора, он мог фиксировать землетрясения на расстоянии. Это был сейсмограф. Механизм размещался в декоративном бочкообразном футляре, в верхней части которого, по всей определенности, находились восемь голов драконов с бронзовыми шарами в пасти. При землетрясении шар из пасти дракона должен был упасть в открытый рот бронзовой жабы, находившейся внизу. Резкий металлический звук оповещал о подземном толчке, происшедшем в противоположной падению шара стороне.

Изумление двора, вызванное изобретением Чжан Хэна, описывается в истории государства за 132 г. н. э.: "С тех пор как стали составлять летописи, ни о чем похожем не было известно". Подобно изобретателям предшествующих веков, Чжан Хэн сначала столкнулся со скептицизмом в отношении к его детищу. Придворные чиновники до тех пор отказывались верить, что этот механизм действительно работает, пока не разыгралась драма. О происшедшем рассказывает придворный историк:

"Однажды один из драконов уронил шар из пасти, хотя подземного толчка никто не почувствовал. Ученые в столице были удивлены этим. Однако через несколько дней прибыл гонец и привез вести о землетрясении в Лунси (это в 400 милях к северо-западу от столицы). После этого все признали волшебную силу механизма. И в обязанности служащих Управления по астрономии и летосчислению вменялась регистрация места землетрясения".

Как же работал этот механизм? Древние источники за исключением некоторых деталей отмечают, что внутри находилась "центральная колонна, которая перемещалась по восьми направляющим пазам и управляла закрывающим и открывающим механизмом". Ученые XX в. предложили различные варианты, однако в целом согласились с тем, что "центральная колонна", эта важнейшая часть механизма, очевидно, представляла собой перевернутый маятник с тяжелой чашкой наверху, реагировавшей на ударные волны, возникающие при землетрясении.

Современная модель устройства Чжан Хэна по определению землетрясений (132 г. н. э.). В ней используется перевернутый маятник с грузом в верхней части, переходящий в острие, которое может скользить по одному из восьми пазов. При попадании в паз острие толкает скользящее устройство к пасти дракона и выталкивает шар, падающий в открытый рот жабы. В верхней левой части: две тарелки с восемью пазами, наконечник маятника выглядит как точка в центре. В верхней части справа: три скользящих устройства, шары показаны в их исходном положении.

Этот принцип был применен в лучшей реконструкции устройства, построенного в 1939 г. Имамурой Акитсуна из сейсмологической обсерватории Токийского университета. Модель основывалась на несколько усовершенствованной версии английского историка науки Роберта Темпла и работала следующим образом: ударная волна при подземном толчке наклоняла маятник таким образом, что острие в верхней части могло войти в любой из восьми окружавших модель пазов. В них находились скользящие устройства, ведущие в пасти драконов.

Когда острие заходило в один из пазов, вытеснялось скользящее устройство, которое в свою очередь выталкивало шар из пасти дракона. Испытания на современной модели, построенной Акитсуна, показали, что механизм на самом деле эффективен, хотя в некоторых случаях место эпицентра землетрясения находилось под прямым углом к упавшему шару.

Как и многие другие китайские изобретения, сейсмограф был забыт. Спустя несколько сотен лет китайцы вновь его "изобрели", а затем к 1300 г. н. э. снова забыли. Первый современный сейсмограф был изобретен только в 1703 г. французским ученым аббатом де Отфейлем, который ничего не знал о великом китайском предшественнике.

Однако существует любопытное свидетельство, которое позволяет предположить, что изобретение Чжан Хэна, возможно, дошло до Европы на много столетий раньше. Римский поэт Вергилий, автор эпической поэмы "Энеида" (I в. до н. э.), в средние века снискал репутацию волшебника. По преданию, возможно, восходящему к VIII в. н. э., он установил в своем дворце ряд деревянных статуй, изображавших провинции Римской империи. Когда в одной из них возникали волнения, ее представитель звонил в колокол, а в это время бронзовые всадники на крыше дворца кружились и указывали копьями в направлении беспорядков.

Это предание, по-видимому, является некой смесью представлений об автоматах (см. "Автоматика"), сконструированных греко-римскими и арабскими инженерами, и системы, оповещавшей заранее о бедствиях в отдаленных провинциях. Если отбросить искаженное толкование научного прибора, то, возможно, "флюгер, предвещающий землетрясения" Чжан Хэна есть один из многих примеров, когда передовые открытия распространялись в древние времена от Китая до Средиземноморья.