Том Джексон
Взламывая прогресс

Механизмы

Механизмы – это устройства, делающие выполнение задачи легче. Простейшие из них использовались задолго до зари цивилизаций, чтобы двигать, поднимать и резать предметы и материалы.

Машины работают, изменяя величину или направление силы. Так, сила, приложенная к одной части (усилие), передвигает другую для преодоления силы сопротивления (нагрузки). Наклонные плоскости, клинья, рычаги, винты, блоки, колеса и оси являются примерами простых механизмов. Даже современные сложные механизмы – попросту наборы многих таких простых, работающих вместе.

КЛИН И ГОРКА

Старейший механизм – это клин. Тонкий край клина давит на предмет с бóльшей силой, чем требуется для приведения клина в движение, поэтому он прорезает другие предметы. Каменный топор, когда им ударяют по дереву, наконечник стрелы охотника, поражающий оленя, и бронзовый нож, режущий шкуру животного, – все это простые клиновые механизмы. Переориентированный клин становится наклонной плоскостью, или горкой. Наклонная плоскость – это механизм, поскольку она делает подъем груза легче. Горизонтальное расстояние, на которое предмет должен сместиться, больше, чем если бы его поднимали вертикально, но необходимая для движения сила меньше. Простейший пример – пологая горка. Первые люди обнаружили, что тащить строительные материалы или туши животных вверх по горке легче, чем поднимать их вертикально. А древние египтяне строили трапы с низким уклоном, когда тащили тяжелые каменные блоки при строительстве пирамид.

Архимедов винт поднимает жидкости или сыпучие материалы с использованием горки, закрученной вокруг оси.

РЫЧАГИ И ВИНТЫ

Рычаги увеличивают силу. При приложении маленькой силы к краю рычага, вращающегося вокруг неподвижной точки опоры, на большом расстоянии от нее, на другом конце создается сила больше, но на малом расстоянии. Первые известные ножницы – простые рычаги, сделанные из бронзы в Месопотамии во 2-м тысячелетии до н. э. Позже в требюшете использовались более сложные рычаги для запуска каменных глыб или горящих снарядов на врагов, начиная с IV в. до н. э.

ГУЖЕВАЯ ДОРОГА ДИОЛК

Первый в мире рельсовый путь был построен от берега до берега через Коринфский перешеек (Греция) в VI в. до н. э. Это Диолк, путь, покрытый известняком, его длина – 6–8,5 км, на нем есть углубления, отстоящие на расстояние 1,6 м друг от друга, по которым можно было тянуть повозки и даже корабли. Его построили, чтобы избежать необходимости перевозить грузы на лодках весь путь вокруг Пелопоннесского полуострова, он использовался до I в. н. э. Гужевая дорога повторяет очертания холмов, чтобы уклон оставался пологим, так что она является набором наклонных плоскостей.

Винт, другой простой механизм, известен с V в. до н. э. в Греции. Винтовая нарезка фактически является разновидностью наклонной плоскости, намотанной на центральный стержень. Поворот винта двигает нарезку, и для этого требуется меньше усилий, чтобы ее ввернуть вместе с предметом, чем понадобилось бы при толкании предмета в прямом направлении.

КОЛЕСА И БЛОКИ

В древности гончары вращали свои куски глины на «медленных колесах», чтобы улучшить форму своих изделий. К концу VI в. до н. э. или, вероятно, даже раньше в Карфагене мельники использовали жерновые камни, вращаемые вручную для измельчения зерна и приготовления муки. Известно, что в следующем тысячелетии на повозках использовались деревянные колеса, вращавшиеся на осях. В блоках тоже использовались колеса. Простейший блок – это канат, обернутый вокруг колеса для изменения направления силы – например, чтобы поднять или опустить предмет вместо того, чтобы его тянуть в горизонтальном направлении. В составном блоке нагрузка распределена между двумя или более колесами, так что маленькая сила может поднять большой груз. Древние греки изобрели в VI в. до н. э. крановый блок, давший намного более эффективный способ подъема груза, чем с помощью длинной наклонной плоскости. Римляне строили машины еще сложнее, например, триспаст – кран с тремя блоками, позволяющий одному человеку поднять груз массой 150 кг.

В римском кране используются беговое колесо, чтобы наматывать канат, рычаг для подъема груза и блок для изменения направления подъемной силы.

ТАЧКИ

В тачке объединяется два вида простых механизмов – колесо, вращающееся вокруг оси, и рычаг. Поскольку груз расположен немного за колесом (точкой опоры), а ручки очень длинные, тачку поднимать относительно легко. Необходима только часть энергии, которая потребовалось бы для вертикального подъема груза. Вероятно, тачки встречались в Греции 1-го тысячелетия до н. э., хотя свидетельства этого скудны. Они, несомненно, использовались во II в. н. э. в Китае династии Хань, где колеса были достаточно большие, чтобы упростить быструю перевозку грузов по неровной земле.

Деньги

До первых чеканок монет сделки могли проходить только посредством бартера между двумя людьми, у каждого из которых было что-то, чего желал другой.

Деньги были важны для роста торговли. Они предоставили промежуточное звено, позволяя продавцу выбирать, когда и где он хотел быть покупателем. Первые монеты датируются VII в. до н. э., они были найдены в Храме Артемиды Эфесской. В следующем веке Крез, царь находящейся по соседству с Эфесом Лидии, был первым правителем, пустившим монеты в обращение. У каждой монеты было фиксированное достоинство, поэтому не надо было ее взвешивать, чтобы установить ее настоящую цену. Так началось быстрое распространение монет – они пошли на запад, в Грецию, и на восток, в Персию, и к концу IV в. до н. э. они также были в обращении в Египте и Риме.

Примерно в те же времена в Китае монеты изготавливали, разливая расплавленный свинец в формы. На них отпечатывали символы, как и на их аналогах в цивилизациях Запада, но, в отличие от тех монет, китайские были в форме лопаты или ножа. Император Цинь Ши Хуанди ввел в обращение первые круглые монеты (с квадратным отверстием в центре) в Китае в конце III в. до н. э.

БУМАЖНЫЕ ДЕНЬГИ

Первые известные бумажные деньги использовались в Китае при династии Тан примерно с 800 г. н. э. Эти купюры были государственными сертификатами, которые выдавались местным купцам, чтобы они не перевозили большое количество монет. Получатели потом могли их обменять на наличные. Со временем эта система эволюционировала в бумажную валюту, которая была в общем обращении. Параллельно с ростом денег, находящихся в обращении, пришло распространение профессионального банковского дела. Банкиры брали вклады, давали кредиты и обменивали деньги с одной валюты на другую. Ростовщики принимали платежи в одном городе и организовывали кредит в другом, тем самым устраняя необходимость путешествовать с большими стопками монет.

ДВОЙНАЯ БУХГАЛТЕРИЯ

Основной принцип бухгалтерского учета – каждый дебет должен иметь соответствующий кредит, и наоборот. Это называется «двойная бухгалтерия». Хотя этой системой пользовались намного раньше, она не была надлежащим образом закреплена до 1494 г., когда итальянский математик Лука Пачоли опубликовал труд «Сумма арифметики, геометрии, отношений и пропорций». Позже его называли «отцом бухгалтерского учета», потому что он объяснил, как надо последовательно применять двойную бухгалтерию, истолковывая такие понятия, как балансовый отчет и отчет о доходах.

Маяк

Не имея точных карт, первые моряки часто понятия не имели, насколько близко они были к опасному побережью ночью. Поэтому, чтобы помочь избежать кораблекрушения, строились маяки.

Первой помощью мореходам ночью были сигнальные огни на выделяющихся возвышенностях рядом с опасными побережьями. В V в. до н. э. была построена небольшая каменная колонна рядом со входом в гавань Афин, Пирей, вероятно, с огнем наверху для предупреждения моряков. В течение III в. до н. э. строился намного более впечатляющий помощник, Фаросский маяк в Александрии, на северном побережье Египта. Построенный из камня, более 100 м высотой, он испускал свой свет из очага на вершине. Римляне перевели строительство маяков на новый уровень и возводили их от Черного моря до Дувра на юге Англии. Невероятно, но один из них, Башня Геркулеса высотой 55 м на испанском побережье, до сих пор работает. Первые маяки обычно зажигались дровами, но иногда – углем. В возведенных позднее маяках использовалось оконное стекло, чтобы поддерживать огонь во время шторма.

Фаросский маяк – одно из семи чудес света – был разрушен в Средние века серией землетрясений.

Лошадиная сила

Для управления скакунами скифские всадники, помимо седел, также использовали поводья, узды и вожжи.

Люди впервые поймали, укротили и стали ездить на лошадях по крайней мере 5000 лет назад, но снаряжение для верховой езды было примитивным. Квалифицированное искусство верховой езды стало возможным только после ряда важных инноваций.

Седло совершило революцию в верховой езде – было меньше шанса упасть с лошади при быстрой скачке! Скифы-кочевники Средней Азии использовали мягкие седла с рукоятью в IV в. до н. э., давая своим воинам большое преимущество перед соседями. Стремена, позволяющие наезднику сильно наклоняться вправо или влево, большая выгода для воинов-всадников, были впервые изображены на артефактах из Китая династии Сыма Цзинь, датированных 322 г. н. э. Хомут, впервые применявшийся на севере Китая в конце V в., эксплуатировал всю силу лошади, делая ее вместе с быком вьючным животным.

Мельница

С ростом населения увеличился спрос на хлеб. Соответственно, муку приходилось молоть в еще бóльших количествах, что спровоцировало цепочку новых открытий в технологии помола.

Известно, что круглые жернова, найденные на корабле, потерпевшем крушение у берегов Майорки между 375 и 350 г. до н. э., были из Муларгии, области Сардинии, которая в то время входила в состав Карфагенской империи. Это первые известные примеры жерновов; они использовались в мельницах, приводимых в движение ослами или волами, и, возможно, отправлялись в Испанию. Карфаген по праву считался важным торговым узлом и агрокультурным центром. Как минимум с конца VI в. до н. э. для измельчения зерна и производства муки в тех краях использовались ручные мельницы. Но животная тяга могла вращать жернова гораздо более крупного размера и существенно повышала продуктивность. Пусть и придуманная карфагенянами, идея мельниц с гужевой тягой прижилась и быстро распространилась по Сицилии и Италии (в III в. до н. э.), а затем на Ближнем Востоке.

Как видно на изображении топчака, первым источником энергии, который использовали для приведения в движение мельниц, было тело человека. Позже перешли на гужевую тягу с помощью животных.

ШЕСТЕРНИ В ДРЕВНЕМ КИТАЕ

Скорее всего, первые шестерни изобрели в IV в. до н. э. в Китае. А римляне однозначно пользовались шестернями в своих водяных мельницах три столетия спустя, потому как их описывал инженер того времени Витрувий. Технология зубчатого сцепления основана на наборе соединенных зубчатых колес и осей, которые преобразуют энергию вращающегося водяного колеса в энергию для вращения механизма. Витрувий описал римские мельницы, которые, вопреки практике более позднего времени, использовали понижающее зубчатое зацепление – в нем жернова вращались медленнее водяного колеса. Позже в обиход вошло повышающее зубчатое зацепление. На протяжении веков зубчатые механизмы изготавливались из тщательно обработанной древесины.

Для колесницы, указывающей на юг (ранняя форма компаса в Китае), использовались деревянные зубчатые шестерни.

ЭНЕРГИЯ ВОДЫ

Следующим крупным технологическим достижением стала водяная мельница. Возможно, она зародилась из устройства под названием нория – водяного колеса с ковшами для вертикального подъема воды из египетских ирригационных систем. Водная энергия избавляла от потребности в человеческом или животном труде и в разы повышала эффективность мельницы. Теоретически мельница могла перемалывать муку, пока шел водоток. В III в. до н. э. греческий инженер Филон Византийский писал о водяной мельнице в Перахоре на Пелопоннесе. В первых образцах имелись лопасти, вращающиеся в горизонтальной плоскости, и вертикальный вал, который соединялся с вращающимся верхним жерновым камнем с помощью отверстия в неподвижном жернове. Поток воды из ручья толкал лопасти, а колесо, ось и камень вращались, перемалывая зерно.

ВЕРТИКАЛЬНОЕ ВОДЯНОЕ КОЛЕСО

Со временем горизонтальные водные колеса заменили более сложными – и эффективными – вертикальными подливными колесами. (В подливных колесах поток воды контактирует с нижней частью колеса.) Сила водного потока толкала лопасти колеса, вращая его, а мощность передавалась на измельчающие жернова через ось и соединенные между собой зубчатые колеса под названием «шестерни».

Изобретение наливного колеса привело к еще одному скачку производительности. Теперь вода направлялась из желоба в лопасти на верхней части колеса, что заставляло его вращаться. В Барбегале, на юге Франции, римляне построили мельничный комплекс, в котором использовалось 16 наливных колес, разделенных на два параллельных ряда по восемь штук. Во II и III в. до н. э. этот комплекс ежедневно производил по 4 метрические тонны (4,5 т) муки. В некоторых прибрежных районах с амплитудой приливов, достаточной для поддержания функционирования систем, строились приливные мельницы. Первый такой пример относится к VI в. – мельница с вертикальным колесом недалеко от Уотерфорда (Ирландия). Согласно «Книге страшного суда»^[3], в 1086 г. в одной только Англии насчитывалось 5624 водяных мельницы. Если не считать изобретения водяной мельницы, мельничная технология практически не менялась до появления паровой энергии в конце XVIII в.

ВЕТРЯНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ

Ветряные турбины впервые применили для измельчения зерна в промежутке между VII и IX в. в Персии. Эти конструкции, названные ветряными мельницами панемоне, имели вертикальные крылья, которые раскачивались на ветру и вращали центральную вертикальную ось. Ось приводила в движение прикрепленный к основанию жернов для размола зерна. Ветряные мельницы в Китае использовались для изготовления муки и перекачивания воды в XII в. Первые мельницы в Северо-Западной Европе построили в 1180-х гг. Они получили название «столбовые мельницы», и все механизмы в таких ветряных мельницах устанавливались на одном вертикальном столбе, вокруг которого они могли вращаться, подставляя крылья ветру. Ранние образцы были неустойчивыми, и многие из них сдувало сильным ветром. Со временем изобрели более прочные конструкции, включая мельницы с управляющим рычагом, которые строили в Англии, Франции, Германии, Бельгии, Нидерландах и Новой Англии.

Модель водяной мельницы с подливным колесом на основе первого технического описания, составленного римским инженером Витрувием в I в. до н. э.

Этот предлагаемый механизм 1880-х гг. использует конную тягу (ходьба по топчаку) не только для управления мельницей, но и для автоматической очистки стойла, измельчения корма для скота и даже подачи воды для тушения пожаров.

Арка

Арка гораздо прочнее перемычки (горизонтальной балки) той же ширины. Под большой тяжестью перемычки ломаются, тогда как изогнутые арки распределяют вес по своим опорам.

Самый ранний известный арочный свод (около 2000 г. до н. э.) был построен из сырцовых кирпичей. Он формировал дверной проем в месопотамском городище Телль Тайя (Ирак). Еще один пример – городские ворота ханаанского города Ашкелона (Израиль) – датируется примерно 1850 г. до н. э. Но ни одно из этих сооружений не обладало прочностью более поздних арок, так как в них не использовались клиновые, или сводчатые кирпичи. Клиновые кирпичи помогают эффективнее распределять вес над аркой, поскольку давление сверху вниз притягивает кирпичи друг к другу, а не разъединяет их. В греческом городе Родос можно найти один из первых образцов, датируемых IV в. до н. э. Очевидно, древние греки знали об арочной технологии, но мало ею пользовались. Как и древние египтяне.

Изобретение арки в корне изменило архитектуру, поскольку позволяло использовать двери, окна и мосты большего размера.

РИМСКОЕ НОВШЕСТВО

Именно римляне оценили истинный потенциал этого архитектурного приема. Они использовали клиновые кирпичи, которые поддерживались прочными колоннами. Эти колонны принимают силу тяжести, или распор, и передают ее в фундамент. При строительстве арки римские строители поддерживали ее деревянными лесами до тех пор, пока не устанавливался последний элемент – замковый камень в вершине свода. Римляне включали тысячи полукруглых арок в свою программу строительства по всей империи, поддерживая ими мосты и акведуки, а также добавляя в ворота, общественные здания и виллы. В честь военных побед устанавливали триумфальные арки. Когда-то в одном только Риме их насчитывалось более 50. На величественной арене Колизея этого города было по 80 арок на каждом этаже. В индийских храмах и дворцах, построенных еще в III в. до н. э., использовались стрельчатые, а не полукруглые арки. Но своего пика они достигли в готическом стиле церковного строительства в средневековой Европе.

Невероятная прочность арки позволяет до сих пор использовать ее в современных постройках. Например, плотина Гувера, построенная в 1930-х гг., – это арка, лежащая на боку. Она способна выдержать огромный напор реки Колорадо.

Изобретения Герона

Изобретатель Герон Александрийский жил в I в. н. э. и придумал автоматизированный мир, к которому мы все еще стремимся 2000 лет спустя. Его самым известным творением был эолипил – первая в мире паровая машина.

Эолипил, или Геронов шар, создавал движение за счет паровой тяги. Огонь нагревал воду в котле, образуя пар, который подводился в медную сферу. Эта сфера, способная вращаться вокруг своей оси, имела два открытых сопла, и через них с огромной скоростью вырывался пар. Сопла были изогнуты в противоположные стороны и находились по разные стороны сферы, поэтому выброс пара заставлял конструкцию вращаться. Еще одним изобретением Герона был диоптр. Этот прибор состоял из круглой пластины с нанесенными углами и располагался на подставке. Пластину можно было вращать и наклонять, что позволяло наблюдателю измерять угол между различными объектами (вблизи или вдали) с помощью визирной линейки. Люди могли выполнять триангуляцию и составлять точные карты или вычислять положение астрономических тел, поэтому диоптр считается ранним теодолитом^[4].

Никто не знает, какое практическое использование видел Герон в своей паровой машине. Но даже если для него это было не более чем увлекательным экспериментом, это изобретение, бесспорно, повлияло на более поздних изобретателей.

Герон сконструировал музыкальный орган, который работал благодаря ветру. Ветряная установка приводила в действие поршень, который нагнетал воздух, создавая музыку.

РОБОТЫ И ТОРГОВЫЕ АВТОМАТЫ

Герон также описал шприц, механизм для автоматического открывания дверей и фонтанчик для питья. В отличие от диоптра, некоторые его изобретения так и остались в виде чертежей и описаний. Но он построил программируемого робота – тележку, которая приводилась в движение падающим грузом и чьей программой была веревка, намотанная на ведущую ось. С помощью выступающих из оси колышков Герон мог изменять намотку веревки на ось, позволяя тем самым роботу менять направление и двигаться по заранее запрограммированному курсу. Механизм «колышков и веревок» напоминает перфокарты, которые использовались в компьютерах XX в. (подробнее см. на стр. 120).

Еще одним творением Герона стал первый в мире торговый автомат, раздававший святую воду. Когда монета попадала в прорезь автомата, она падала на поддон, соединенный с рычагом. Поддон наклонялся, скатывая монету, и рычаг открывал клапан, который раздавал воду. Кроме того, Герон придумал ручной водяной насос. В дальнейшем римляне использовали его с пожарным рукавом для тушения пожаров. Если бы этот насос подключили к паровой машине Герона, то в итоге мог бы получиться мощный водяной насос с паровым приводом. Но никто не использовал их совместно… по крайней мере, до начала XVIII в.