Вечный двигатель

Оставим в стороне замечательные открытия Пифагора, Фалеса Милетского, Гераклита, Евклида и Апполония в области математики, выдающиеся астрономические труды Гераклида Понтийского, Аристарха Самосского и Эратосфена, философские воззрения Анаксимена и Гераклита относительно первичной материи нашей планеты, заслуги Анаксимандра в отрицании культа божественного в науке, а также первую теорию атомного строения вещества, предложенную Демокритом. Тем не менее, нам останется еще для изучения обширная область, в которой существенную роль играют состав и структура основных элементов, использовавшихся античными механиками в своих машинах, а также их эволюция во времени.

Основные представления о значении слова «машина» точно выражает определение, данное знаменитым римским архитектором Витрувием:

«Машина есть взаимно связанное  соединение деревянных частей, обеспечивающее наибольшую выгоду при поднятии тяжестей. Она приводится в действие искусственно, а именно круговым движением».

Это слишком упрощенное представление  античного мира об устройстве машины и ее назначении трактуется значительно  шире в более раннем сочинении  «Механические проблемы», приписываемом Аристотелю. В частности, автор этого труда перечисляет и описывает целый ряд простых и сложных механизмов, используемых механикой того времени, а именно: рычаг, колодезный журавль с противовесом, равноплечие весы, неравноплечие весы — безмен, клещи, клин, топор, кривошип, каток, колесо, блок, полиспаст, гончарный круг, пращу, руль, металлические или каменные колеса во взаимно противоположном вращении (под этим, вероятно, имелись в виду зубчатые колеса в зацеплении). Из этого перечня видно, что основными конструктивными элементами античных машин являлись простые механизмы: рычаг, клин, наклонная плоскость, колесо и блок. Более древним египетским механикам были известны только рычаг, клин, полиспаст и, по-видимому, наклонная плоскость.

Главным и чаще всего используемым механизмом был рычаг, изобретение  которого приписывается Кинирасу Кипрскому. Теоретической разработкой соотношений между силами, действующими на плечи рычага, занимался Аристотель, а магматическую формулировку этих зависимостей вместе с описанием многочисленных практических примеров предложил Архимед. Первое применение рычага как основного структурного элемента точных механизмов разнообразных автоматов по праву приписывается Герону Александрийскому, так же как Периклу — первое использование его в боевой машине, которую, согласно Диодору, впервые построил механик Артемон при осаде Самоса в 439 г. до н.э. До конца еще не выяснен и вопрос об использовании наклонной плоскости при строительстве пирамид в III тысячелетии до н.э. Ее бесспорное влияние заметно, однако, у архимедова винта, первоначально служившего исключительно для поднятия воды, а позднее применявшегося в прессах для получения оливкового масла. Блоки использовали уже ассирийцы, а также, по-видимому, и египтяне. Вместе с тем уже Герон Александрийский прибегал к объединению нескольких блоков различного диаметра, в результате чего менялась быстрота движения фигур в его автоматах. Из блока же возник и полиспаст, который нашел самое широкое применение в технике римлян.

К наиболее древним и чаще всего  использовавшимся простым механизмам относится также клин, известный уже у очень старых культур, прежде всего в форме примитивных инструментов — долота и топора, а позднее в качестве вспомогательного элемента при поднятии тяжестей. Колесо в своем первоначальном виде было призвано служить для замены трения скольжения трением качения при транспортировке крупных и тяжелых грузов. Первоначальные круглые деревянные пластины у первых телег в скором времени превратились в колеса с ободом, которые египтяне, греки, римляне и персы устанавливали на своих одноосных и двухосных повозках. Очень важное применение этот элемент нашел и в качестве педального колеса и колеса с конным приводом. По существу конный привод сделался важнейшей составной частью двигателей различного рода мельниц, в том числе водяных, в то время как основное назначение педального колеса, по Филону Византийскому, состояло в использовании его для привода водяных насосов и поднятия тяжестей.

Весьма существенным элементом древней механики являлось также зубчатое колесо, развившееся, по всей вероятности, из обычного колеса. И хотя еще до конца не ясно, можно ли упоминание в «Механических проблемах» рассматривать как самое первое сообщение о появлении зубчатого колеса. Однако несомненно, что систематически мы начинаем встречаться с зубчатыми колесами только у Герона Александрийского в его знаменитом годометре — приборе для измерения пройденного расстояния — или, в аналогичной форме, в виде цевочных колес в ряде его автоматов.

Как отдельную главу в истории  развития античной механики можно рассматривать эволюцию гидравлических и пневматических машин и механизмов. Используя архимедов закон о выталкивающей силе, действующей на погруженное в жидкость тело, два наиболее известных механика и инженера древности Ктезибий и Герон Александрийский построили целый ряд оригинальных устройств. К ним относятся, например, изобретенный Ктезибием двухцилиндровый распылитель однократного действия и предложенный Героном автоматический механизм для открывания храмовых дверей. Гидравлика стала играть значительную роль и в измерениях времени, особенно когда (начиная с 422 г. до н.э.) увеличилось число использовавших для этого водяных часов-клепсидр, из которых наиболее совершенные и наиболее сложные в конструктивном отношении разработал все тот же Ктезибий. Из машин-двигателей римлянам было известно только водяное колесо, приводимое в действие силой падающей воды, — важный элемент привода прежде всего для работы водяных мельниц.

Весьма существенными для античного мира являлись и открытия в области аэромеханики. Кроме эолипила (парового шара) Герона — предшественника современных паровых турбин и реактивных двигателей — следует обязательно упомянуть также о построенном Ктезибием органе и особенно о его пневматическом самостреле, в котором действие аэромеханических элементов переносится на иную область приложений — создание военных машин. Поскольку античности не был известен порох, убойная сила оружия того временя зависела от упругости или гибкости дерева, кости и других материалов, из которых изготавливались дуги луков и самострелов. Замена Ктезибием дуги (классического элемента лука) пневматическим метательным механизмом, несомненно, свидетельствует о высоком техническом уровне его изобретений.

В заключение этого краткого обзора состояния и уровня развития античной механики стоит хотя бы упомянуть о строительстве пирамид, оросительных каналов, акведуков, церковных храмов и амфитеатров. Античная наука, к которой наряду с математикой следует с полным правом причислить и механику, достигла весьма высокой ступени совершенства. Ведь только изобретений Ктезибия и Герона оказалось бы вполне достаточно для того, чтобы первая паровая машина появилась на две тысячи лет раньше. Тем не менее, она так и не была изобретена даже несмотря на то, что древние с их развитой культурой хорошо представляли себе роль железа в технике и умели его добывать и обрабатывать. Анализ определения машины, данного Витрувием, создает, однако, впечатление, что античное общество почти не было заинтересовано в доведении новых открытий и изобретений до практического использования. Очевидно, большую роль играла здесь дешевизна рабочей силы, поскольку труд рабов в рабовладельческом обществе того времени оказывался более выгодным, чем создание новых, подчас мало кому понятных устройств. В силу этого в античный период значительного развития достигали лишь некоторые достаточно примитивные формы машин.

Только отсутствием интереса к  практическому использованию выдающихся открытий в естественных науках, и в частности в механике, можно объяснить, почему Ктезибий, Герон Александрийский и другие механики древности не оставили каких-либо упоминаний о механическом вечном двигателе. Быть может, подобное устройство имел в виду римский поэт Клавдиан, когда писал, что легендарный математик и механик древности Архимед якобы изобрел оригинальный прибор в виде сферы из стекла с изображением небесного свода, на котором воспроизводилось движение всех известных к тому времени небесных светил. Этот прибор, по свидетельству поэта, представлял собою некое автоматическое устройство, непрерывно вращавшееся само по себе.

В упоминании об архимедовом стеклянном глобусе, содержащемся в одной из поэм Клавдиана, написанной около 400 г., говорится также о «запертом внутри духе», который поддерживает глобус в постоянном движении. Значение слова «дух», имеющего здесь, вероятнее всего, смысл движущей силы, объяснялось учеными по-разному. Так, например, польский иезуит Коханьский, современник Яна Амоса Коменского, принимал его за «парацельсов астральный газ». Более правдоподобные сведения об этом глобусе приводятся Цицероном в его сочинении «О государстве». Современные же исследователи античной техники считают, что для вращения архимедова глобуса использовалась сила падающей воды.

Первые попытки создания вечных двигателей.

В Европе первые чертежи вечных двигателей появляются одновременно с введением  в обиход арабских (по своему происхождению индийских) цифр, т.е. в начале XIII века. Главную роль в том, что средневековая феодальная Европа, как раз вступавшая в начальную фазу своего интенсивного развития, свела знакомство с perpetuum mobile , играли, по-видимому, все более расширявшиеся торговые связи с восточными странами. Сходство между арабскими и первыми европейскими вечными двигателями, свидетельствуя о непосредственном влиянии Востока на науку и культуру средневековой Европы, позволяет достаточно точно установить, откуда и какими путями идея perpetuum mobile проникла на европейский континент.

Первым  европейцем, автором идеи «самодвижущейся машины», т.е. вечного двигателя, согласно имеющимся в настоящее время данным, считается средневековый французский архитектор Вийяр д'Оннекур родом из Пикардии, — известный строитель кафедральных соборов и создатель целого ряда интересных машин и механизмов. Он был одним из первых всесторонне образованных инженеров, вместе с которыми пришел в Европу так называемый «технический ренессанс». О необыкновенных способностях Вийяра свидетельствуют проекты некоторых его изобретений, например машины для обрезания свай под водой, гидравлической пилы с автоматической подачей древесины, винтовых домкратов для подъема тяжелых грузов и ряда других любопытных приспособлений.

Его основные технические идеи дошли  до наших дней в виде единственного  альбома эскизов, содержащего чертежи  тридцати трех устройств. На одном из рисунков этого альбома  воспроизведена и предложенная им схема perpetuum mobile . По принципу действия машина Вийяра очень напоминает некоторые схемы, использовавшиеся его арабскими предшественниками. Единственное отличие заключается в том, что вместо сосудов, наполненных ртутью, или сочлененных деревянных рычагов автор размещает по периметру своего колеса 7 небольших молоточков. Как строитель церковных сооружений и соборов Вийяр, несомненно, мог видеть на их башнях барабаны с прикрепленными к ним молоточками - эта конструкция постепенно заменяла в Европе колокола. Вероятно, именно принцип действия этих молоточков и колебания барабанов при откидывании грузов натолкнули Вийяра на мысль использовать аналогичные железные молоточки, установив их по окружности колеса своего вечного двигателя.

Конечно, Вийяр понимал, что не первым пытается создать механический perpetuum mobile . Это подтверждают и его слова, содержащие известную долю удивления и иронии по поводу попыток его предшественников. По всей видимости, сам Вийяр был уверен в собственном успехе, поскольку на рисунке, изображающем схему этого perpetuum mobile , он оставил следующую запись:

«Долгое время мастера спорили  о создании колеса, которое вращалось  бы само по себе. Смотри здесь, как привести такое колесо в движение с помощью  нечетного числа молоточков или посредством ртути».

Проект вечного двигателя Вийяра почти несколько столетий привлекал  к себе внимание. Так, архитектор из Кремоны Александр Капра в своем сочинении «Новая военная архитектура», увидевшем свет в Болонье в 1683 г., исходил непосредственно из представлений Вийяра о механическом perpetuum mobile . При этом он изменил лишь число и форму откидных молоточков на окружности колеса.

Спустя  почти четверть столетия после появления  проекта Вийяра совершенно иная схема  вечного двигателя была предложена французским ученым Пьером де Марикуром, который занимался в то время опытами с магнетизмом и, в частности, исследованием свойств магнитов. Вийяр, как и все его предшественники, при создании своего вечного двигателя исходил из эффекта действия силы тяжести, под влиянием которой откидывались противовесы или переливалась ртуть в размещенных по периметру колеса сосудах. Работа же самодвижущегося устройства Пьера де Марикура основывалась на использовании до той поры практически не известных и мало исследованных магнитных сил. Для нас, однако, его perpetuum mobile оказывается похожим скорее на принципиальную схему вечного космического движения, нежели на «реальный» вечный двигатель. Хотя возникновение магнитных сил Пьер де Марикур объяснял божественным вмешательством и потому источниками этих сил считал «отнюдь не земные, а небесные полюса», он, разумеется, не мог отрицать того обстоятельства, что магнитные силы всегда проявляют себя там, где поблизости присутствует магнитный железняк. Эту взаимосвязь Пьер де Марикур объяснял тем, что данный минерал, к которому он относился почти как к философскому камню, управляется тайными небесными силами и олицетворяет собой связь между макро- и микрокосмом. В то же время он должен воплощать в себе все те мистические силы и чудесные возможности, которые помогают ему осуществлять в наших земных условиях непрерывное круговое движение. Это круговое движение, которому так поклонялся Пьер де Марикур, по его мнению, не могло быть ничем иным, как отображением вечного движения космических сил.

Труды Пьера де Марикура существенно обогатили  нашу весьма скудную информацию о  первых исследованиях проблемы вечного  движения в Европе. Однако своими путаными рассуждениями об источнике и характере действия магнитных сил он затруднил себе дальнейшие объективные исследования сущности природных явлений, направив все свое внимание на создание структуры, которая явилась бы некоей копией механизма движения планет в нашей гелиоцентрической системе. 

Период наивысшего расцвета идеи perpetuum mobile.

Когда Архит Тарентский еще задолго до возникновения христианства пытался построить из дерева небольшого голубя, который, согласно древней легенде, умел летать и хлопать крыльями, он и не предполагал, что более чем через полторы тысячи лет человечество вновь обратится к подобным проблемам. Например, известия о говорящем механическом человеке-роботе, якобы построенном в XIII веке Альбертом Великим, создали этому ученому славу волшебника и мага, наделенного сверхъестественными способностями. Разнообразные механические устройства-автоматы, которые своим внешним видом и движениями подражали различным животным или человеку и даже имитировали их голоса, пользовались большой популярностью довольно долгое время, вплоть до XVIII в. Правда, такие уникальные и чрезвычайно дорогостоящие игрушки были по карману лишь наиболее состоятельным представителям знати.

В средние века, в период интенсивного строительства храмов, пышных кафедральных соборов и княжеских дворцов  наиболее талантливые мастера и ремесленники сосредоточивались при дворах европейских правителей. Там, в королевских и императорских мастерских придворные умельцы, состязаясь друг с другом в мастерстве, создавали весьма совершенные художественные произведения и технические шедевры.

Легко можно представить, с каким удовольствием английский король Яков I демонстрировал изумленным гостям подвижный глобус с календарем, построенный для него голландским физиком и инженером Корнелиусом Дреббелем из Альцмара. В своем сочинении «Об изобретении вечного двигателя», вышедшем в 1621 г. с посвящением этому монарху, Дреббель хотя и не утверждает, что создал вечный двигатель, но пытается доказать, что движущей силой космоса является огонь, и именно в этом усматривает ключ к созданию perpetuum mobile. Исследованиями, связанными с глобусом Дреббеля, занимался целый ряд ученых, в том числе и Ян Амос Коменский, считавший, что этот глобус приводился во вращение теплом от спрятанной под ним лампы.

Многие изобретатели, с тем чтобы  привлечь к своему детищу, а стало  быть, и к самим себе интерес  и внимание публики, умышленно выдавали за perpetuum mobile различные астрономические приборы, механические игрушки и фигурные автоматы. Особенно много таких автоматов со скрытым приводным механизмом появилось в XVIII в.; число их увеличивалось по мере совершенствования физических, хронометрических и астрономических приборов того времени. В Европе в искусстве создания многофигурных автоматов и разнообразных механических игрушек выделялся французский механик Вокансон. Впоследствии большое число его автоматов было собрано в парижском Музее искусств и ремесел, где наряду с изобретениями Вокансона сохранилась также обширная коллекция моделей и оригинальных конструкций вечных двигателей, изготовленных в XVII-XVIII вв.