Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"

Автор книги: Сергей Бердышев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 25 страниц)

Крупнейшие изобретения древности

Если в наше время к изобретениям многие относятся с потребительским снисхождением, поскольку таковых появляется ежегодно огромное количество, то каждая гениальная догадка первобытного человека или гражданина древнейшего государства была в ту эпоху фантастическим прорывом человеческой мысли и средством покорения природы.

Существует мнение, что культура помогла выжить первобытному человеку в экстремальных условиях окружающей среды. С этим мнением готовы спорить философы, которые справедливо указывают на не менее значимые труд и организацию коллектива в жизни наших предков. И все-таки именно материальная культура помогла людям побороть слепые и жестокие силы природы. Возникновение материальной культуры оказалось возможным благодаря изобретательству первобытного человека.

Изобретение каменного топора и колеса

Колесо и каменный топор считаются одними из самых ярких творений человеческого гения на заре его развития. Авторы этих замечательных изобретений неизвестны науке, хотя нет оснований сомневаться в том, что это были неординарные, творческие люди. По какой-то непонятной причине каменный топор считается главным орудием труда древнего человека. В представлении современного человека, далекого от археологии, этот инструмент является непременным спутником наших предков.

Это не совсем верно, потому что топор появился не сразу, а лишь на определенном этапе развития человека. В числе самых первых орудий труда каменный топор не состоит, поскольку является не таким уж простым инструментом. Доисторическим изобретателям потребовалось сначала освоить технику изготовления более примитивных орудий из камня, прежде чем приступить к попыткам создать топор.

Архаичные наши предки, жившие в Африке 2,1 млн лет тому назад, не обладали ни достаточным объемом мозга, ни развитием кистей рук, чтобы создать нечто подобное. Однако эти древнейшие представители рода Homo (человек) уже были знакомы с камнем и умели его применять для своих нужд. Они, первыми начавшие изготовлять орудия труда, получили в науке название Homo habilis (человек умелый). Его предками были полулюди австралопитеки, которых относят к семейству человечьих, но не считают настоящими людьми. Хабилис, в отличие от австралопитеков, являлся самым настоящим человеком.

Его трудовые навыки были примитивны в сравнении со способностями человека более позднего типа. Хабилис пользовался лишь простейшими галечными орудиями – скребками. Эти скребки, видимо, применялись им при разделке пищи. Сомнительно, чтобы хабилисы были ловкими и способными охотниками. Они жили собирательством, причем вполне могли использовать для этих целей и скребки.

Архантропы, пришедшие на смену человеку умелому около 1,5 млн лет назад, свободно пользовались скребками, сверлами и более сложным самодельным инструментом. В числе наиболее прогрессивных изобретений архантропов следует назвать сечки, которые обычно именуют чопперами, и рубила. Последние были весьма разнообразны, имели множество форм, отличавшихся одна от другой по технике изготовления, размерам, захвату, особенностям режущего края и т. п.

Развитая культура каменных орудий характерна для неандертальцев, представлявших более позднюю и продвинутую стадию развития человека. Неандертальцы (палеоантропы) являются ближайшими родственниками человека современного типа и его прямыми предками. Эти коренастые люди пользовались самыми разнообразными каменными орудиями. Базис материальной культуры палеоантропов составляли остроконечники и скребла. Помимо них широко применялись резцы и костяные орудия. Неандертальцы охотились, умели строить жилища в виде шалашей и архаичных землянок, обживали пещеры, сравнительно неплохо пользовались огнем.

Вероятно, уже архантроп и палеоантроп, освоившие технику сверления, умели производить каменные топоры. Археологические раскопки показали наличие грубых подобий этих инструментов в арсенале древнейших людей. Но первые достоверные находки настоящего каменного топора относятся ко времени кроманьонцев, ранних людей вида Homo sapiens. Они умели сверлить камень, затачивать его, изготовлять под будущий топор деревянное топорище.

Впрочем, насаживать лопасть топора на топорище требовалось не всегда. Иные первобытные мастера выбирали другой путь. Они зубом животного, например бобра, проделывали в толстом топорище отверстие для лопасти. Затем вставляли лопасть в топорище. Но прежде чем закрепить камень тем или иным образом, требовалось придать лопасти форму, пригодную для рубки деревьев и прочих хозяйственных нужд. Доисторический мастер подыскивал на речном берегу обкатанный волнами валун с углублением. В этот желобок помещалась лопасть топора, закреплялась там и полировалась для наибольшей остроты. Когда камень и топорище били полностью обработаны, камень насаживался на топорище и закреплялся сухожилиями. Некоторые книги распространяют заблуждение, будто бы топор служил охотничьим приспособлением и использовался наряду с копьем. На самом деле каменные топоры никогда не применялись в качестве оружия: это было орудие труда. Память веков не сохранила имени изобретателя каменного топора.

То же самое случилось с автором не менее примечательного изобретения – колеса. Выражение «изобретать колесо» означает попытку создать заново нечто, прекрасно известное и давно используемое. Действительно, колесо было изобретено давным-давно и с тех пор не требует никаких принципиально значимых усовершенствований. Круг не может быть преобразован и улучшен, он прекрасен и совершенен сам по себе.

Пожалуй, как раз совершенство круга и движения по кругу натолкнуло древнего человека на мысль об изобретении столь полезной вещи. Сегодня уже нельзя сказать с полной уверенностью, как додумались наши предки до идеи создания колеса. Она настолько проста и самоочевидна, что необычайно трудно установить источник вдохновения, питавший древнего «инженера» и подвигший его на создание этой наиболее важной детали любого транспортного средства.

Гениальным изобретателем универсального устройства не был первобытный человек, его появление относится ко времени становления первых цивилизаций и связано с народами Ближнего Востока. Некогда считалось, что колесо создали 37 столетий назад гиксосы или что эти ближневосточные племена позаимствовали его у соседних народов. Сегодня известно, что это далеко не так, однако в любом случае воинственные гиксосы первыми стали широко применять данное приспособление.

Оно было им чрезвычайно необходимо, поскольку использовалось при постройке боевых колесниц. В действительности изобретение колеса примерно совпадает по времени с одомашниванием лошади и сооружением боевой колесницы. Известно, что гиксосы запрягали в упряжки полностью прирученных лошадей. До этого времени лошадь, вероятно, была дикой. Колеса гиксосы готовили тщательно, используя в производстве специальные сорта дерева, нередко привозимые издалека.

Однако значительно раньше, задолго до времени одомашнивания лошадей, на Востоке применяли в качестве тягловой силы верблюдов и иногда ослов. Этих животных впрягали в повозки, снабженные колесами. Возраст древнейших из этих повозок равняется шести тысячелетиям, а следовательно, таков приблизительный возраст самых ранних колес. Итак, колесу 6 тыс. лет.

Самое первое колесо в Европе было изготовлено из кленовых и ясеневых досок 4,5 тыс. лет назад на территории современной Швейцарии. Оно было обнаружено в 1986 г. при раскопках на берегу Невшательского озера. Другое древнее европейское колесо значительно уступает описанной находке и относится уже к бронзовому веку. Оно и само изготовлено из бронзы порядка 2700 лет назад. Колесо это, найденное в торфяниках Франции, являлось частью погребальной колесницы.

Примерно в 1500 г. до н. э., т. е. 35 веков тому назад, колесницы получили широкое распространение во всех древневосточных государствах, в первую очередь в странах Месопотамии и Египте. Предприимчивые критяне, жители средиземноморского острова Крит, в это же время наладили массовое производство колесниц, предназначавшихся для экспортной продажи, если выражаться современным языком.

Самим критянам колесницы были не особенно необходимы, потому что на их острове преобладали гористые местности, тогда как в мастерских обнаружено до 500 колесниц. Остается предположить, что жители Крита продавали свои изделия в Египет и Азию. Колесо становится с этого времени не просто полезным и удобным, но чрезвычайно необходимым. Дальнейшее развитие человечества немыслимо без применения колесного транспорта.

Освоение огня

Замечательный писатель P. Киплинг в своей бессмертной «Книге джунглей» поведал красивую, но – увы! – совершенно неправдоподобную сказку о страхе диких животных перед Красным Цветком. Огонь действительно повергает многих зверей в панику, но это неудивительно. В природе не бывает маленьких костров, зато часто случаются обширные пожары, которые легко напугают и человека. Наблюдения за животными показали, что они охотно возвращаются на пожарища, чтобы погреться у еще не потухших до конца языков пламени или чтобы отыскать среди углей погибших в огне птиц и ящериц.

Зоологам удавалось наблюдать, как обезьяны собираются вокруг все еще пылающих древесных остатков, совсем как люди вокруг костров. Предположительно, первобытный человек точно так же подходил к огню за теплом на раннем этапе своего исторического развития. Однако Гомо сапиенс стал единственным живым существом, которое научилось пользоваться огнем.

Порядка 4/5 всей истории люди не умели целенаправленно пользоваться огнем, хотя догадались, что его можно применять для личных нужд, порядка 500–800 тыс. лет назад. Лишь 400 тыс. лет назад синантропы впервые, насколько позволяют судить находки, догадались подбирать угли на пожарище и долгое время хранить их в каменных очагах внутри пещер. Огонь раздувался из тлеющих углей, а после поддерживался хворостом и сухой листвой. Постепенно человек стал сознательно искать места пожарищ и ударов молнии, чтобы подбирать там раскаленные уголья. Каждое горящее дерево было для первобытного человека настоящим сокровищем, т. к. давало много огня.

Добывать же огонь самостоятельно, путем трения, человек в ту пору не умел. Даже жившие 80–100 тыс. лет назад неандертальцы, прямые предшественники современного человека, не знали техники добывания огня. Оттого они не смогли продвинуться далеко на север в эпоху оледенения и под влиянием суровых климатических условий быстро вытеснены кроманьонцами, находившимися на более высокой стадии развития.

Кроманьонцы определенно знали, как добывать огонь, и могли получить его с помощью кремня или дощечек в любое время. Но при этом предпочитали поддерживать постоянный огонь в каменных очагах. Оттого эти люди селились у самой кромки древнего ледника. Широкое применение огня позволило первобытным земледельцам расчищать обширные пространства леса под пашни. Поселяне выжигали участок леса, перемешивали золу с почвой как удобрение и засеивали очищенное пространство дикими злаками и прочими прообразами современных культурных растений.

Наиболее значимым результатом применения огня стала выплавка металлов. Сначала первобытный человек освоил технику работы с медью, которую легче всего обрабатывать. Применение меди положило конец каменному веку и предшествовало векам металлов. Оттого этот сравнительно короткий период человеческой истории получил название меднокаменного века. Затем последовало освоение бронзы, наступил бронзовый век (4–5 тыс. лет назад).

Многие народы на протяжении меднокаменного и бронзового веков применяли еще и золото, однако обработка этого металла не была уже столь революционной. Гораздо более важным событием стало применение железа. Железный век наступил 2,5–3 тыс. лет назад, в период, когда древние кузнецы научились «подкармливать» огонь кислородом, применяя мехи для раздувания жара. Получение высоких температур дало нашим предкам возможность применять для своих нужд наиболее доступный, ковкий и удобный металл, каковым является железо.

2. Самые выдающиеся достижения классической механики

В наши дни классическую механику связывают с именем великого английского физика XVII в. И. Ньютона, и даже называют ее «ньютоновой» механикой. Однако многие законы и положения классической механики были выдвинуты задолго до рождения выдающегося ученого. Ньютон же своей деятельностью и открытиями подытожил достижения своих предшественников. Любопытно, что и в последующее время развитие механики не превратилось в слепое комментирование сочинений Ньютона. Напротив, наука значительно расширила свои границы и обогатилась новыми открытиями. О наиболее примечательных «неньютоновских» открытиях и изобретениях механики, совершенных за всю ее историю, рассказано в настоящей главы.

Поиски точки опоры

Когда великий сиракузский геометр и изобретатель Архимед открыл закон рычага, он восторженно воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир». Великое открытие сегодня кажется весьма скромным, однако оно явилось первой точно выполненной и научно обоснованной формулировкой знаменитого «золотого правила» механики. Благодаря открытию закона рычага физика продвинулась значительно вперед.

«Золотое правило» механики

Автор замечательной сказки «Алиса в стране чудес» Л. Кэрролл не был писателем в полном смысле этого слова, а занимался тем, что преподавал математику в Оксфорде. Однажды он предложил своим студентам задачу, которая получила впоследствии название «обезьяньей». Почти все студенты дали самые разные, однако, неправильные ответы на нее. По условию задачи, через колесо блока перекинута веревка. На одной ее части висит обезьяна, другая часть уравновешена гирей. Требуется определить, куда сдвинется груз (и сдвинется ли вообще), если обезьяна поползет по веревке вверх.

Правильным ответом будет утверждение, что гиря тоже начнет подниматься. Ведь веревка под лапами обезьяны сдвигается вниз, а следовательно, груз увлекается наверх. А на первый взгляд может показаться, будто гиря опускается вниз. Конечно, нетрудно сделать так, чтобы обезьяна поднималась вверх, а гиря при этом опускалась. Для этого самой обезьяне вообще не требуется двигаться. Вполне достаточно утяжелить гирю и нарушить тем самым равновесие на блоке. Тяжелая гиря потянет вниз, а обезьяна станет подниматься. Блок является т. н. простым механизмом (простой машиной). Конечно, для физики это крайне простое, если не сказать примитивное, устройство. Но в действительности он не так уж и прост. Существуют разновидности блоков – подвижный и неподвижный, а также системы блоков, полиспаст, наклонная плоскость, винт, клин, рычаг.

Важнейшим свойством этих простых механизмов является их способность восстанавливать и поддерживать равновесие тел за счет приложенных сил. Поскольку равновесие означает баланс сил, то назначение простых машин заключается в изменении направления или величины затрачиваемых сил при сохранении постоянной работы.

Чтобы познакомиться с возможностями простых машин, рассмотрим две нехитрые системы неподвижных блоков. Представим себе, что человек пытается с помощью системы из двух блоков – неподвижного и подвесного – поддержать себя и подвесную платформу, т. е. уравновесить собственный вес и вес платформы посредством мускульной силы. При этом подвесной блок, на который воздействует мускулатурой человек, связан с канатом, перекинутым через неподвижный блок. Возможно ли это?

В принципе такое явление вполне допустимо. В системе взаимодействуют несколько сил – вес человека, вес платформы, а также силы натяжения отрезков каната. Представим, что система уже находится в равновесии, и выясним условия такого состояния. Отрезки каната, перекинутого через подвесной блок, натянуты с одинаковой силой, поскольку являются продолжением одного каната. То же самое можно сказать и про концы каната, перекинутого через неподвижный блок.

С каждого блока спускается по отрезку от каждого из канатов, подсоединенному к платформе. На эти два отрезка действуют ее вес и вес человека, которые мы буквенно обозначим P и P’. Так как в системе установлен баланс сил, то сумма весов P и P’ уравновешена силами натяжения. Примем за F силу натяжения, приходящуюся на скрепленный с платформой отрезок, относящийся к подвесному блоку. Тогда эта сила равняется мускульной силе человека. А сила натяжения в закрепленном отрезке неподвижного блока будет численно равна сумме двух этих сил, т. е. 2F. Таким образом, результирующая сила натяжения равна 3F.

Сила человека была утроена системой блоков! Если система пребывает в равновесии, то суммы противонаправленных сил количественно равны. Сложив вес человека и платформы, мы получим величину, равную учетверенной силе человека. Запишем это в виде уравнения:

P + P’ = 3F,

где P’ – вес человека, а P – вес человека, а P – вес платформы. Физически крепкий мужчина способен удержать вес, равный собственному:

F = P.

Если справедливо предположить, что все усилия нашего воображаемого человека на платформе идут на удержание собственного веса, то получается, что ее вес равняется удвоенной силе человека:

P = 2F.

Итак, чтобы человек удержал платформу в равновесии посредством описанной системы блоков, вес платформы не должен превышать мускульную силу человека более чем в 2 раза. Если же вес платформы много меньше мускульной силы человека или, по крайней мере, равен ей, значит, человек может применить неполную силу для поддержания равновесия. Как видно, блок не так уж прост.

Обращает на себя внимание вертикальное натяжение канатов, которое максимально. Натянуть же с помощью двух неподвижных блоков веревку в горизонтальном положении столь успешно нельзя, т. к. она все равно будет немного провисать. А причиной тому является баланс сил в системе блоков. Провисание вызывает сила тяжести, направленная вертикально. Поэтому никакая приложенная к горизонтали сила на веревку не подействует и силу тяжести не скомпенсирует.

Как видно, описанные выше системы меняют направление сил или меняют их величины. Принципы действия простых машин легко объяснить на наиболее типичных устройствах – неподвижном и подвижном блоках. У неподвижного блока силы приложены к двум точкам, которые лежат на равных расстояниях от центра, служащего точкой опоры. Данные силы всегда количественно равны друг другу, т. к. взаимно уравновешиваются. Однако направление их действия неодинаково. То есть неподвижный блок меняет направление силы, в этом заключается выигрыш.

Теперь рассмотрим подвижный блок. У него точка опоры лежит на краю колеса, на середину его приходится нагрузка, а на другой край – противодействующая сила. Все три точки – опоры и приложения сил – лежат на одной прямой, совпадающей с диаметральной хордой окружности колеса блока. Нетрудно убедиться, что неподвижный блок меняет величину приложенной силы. Расстояние от точки опоры до точки приложения сил неодинаково, и мускульная сила приложена к точке, что находится на расстоянии 2r.

Силы сравниваются при помощи геометрии. Для этой цели восстанавливаются векторы сил, и по ним строятся фигуры. Здесь геометрических построений приводиться не будет, интересующиеся этим могут выполнить необходимые расчеты самостоятельно. Сейчас же приводится окончательный результат таких сравнений. Силы соотносятся между собой так же, как соотносятся расстояния точек их приложения от точки опоры. Если поделить величину противодействующей нагрузки на величину мускульной силы, то получится тот же результат, что при делении 2r на r. Иными словами, мускульная сила уравновешивает на подвижном блоке вдвое превышающую ее нагрузку. Получается выигрыш в силе.

Следует ли считать эти выигрыши, которые дают простые машины, выигрышами в работе? Вовсе нет, и вот почему. Работа прямо пропорциональна силе, приложенной к телу, и расстоянию, которое тело преодолело под действием данной силы. Выигрыш в работе означает увеличение работы при постоянной силе или неизменном пути. Посмотрим, реально ли это. Если записать соотношение данных трех величин в виде физической формулы, то получится выражение

A = F · S,

где A обозначает работу, F – силу, а s – путь (расстояние).

Любое увеличение силы означает сокращение пути. Любое сокращение пути приводит к увеличению силы. То есть реален выигрыш в силе или в расстоянии. Но количество работы остается неизменным. Выполнить большую работу за счет неизменных силы и расстояния нельзя. Чтобы работа увеличилась, одну из величин в правой части формулы или сразу обе также необходимо увеличить. Но если мы увеличиваем силу, то не должны делать этого за счет расстояния. А если увеличиваем расстояние, то не за счет сокращения силы.

Иными словами, для выполнения большей работы требуется затратить больше энергии, а выдумывать «экономичный» механизм бесполезно. В этом и состоит «золотое правило» механики, которое утверждает: когда выигрывается в силе, то проигрывается в перемещении, и наоборот. Это правило лежит в основе закона сохранения энергии, который доказывает, что невозможно получить выигрыш в работе без дополнительных затрат энергии. При постоянных затратах X нужно либо уменьшить расстояние, тогда получится применить наибольшую силу, либо уменьшить силу, тогда тело можно будет переместить на большее расстояние.