Древние водяные машины-двигатели развились, по-видимому, из поливальных машин чадуфонов, при помощи которых поднимали из реки воду для орошения берегов. Чадуфон представлял собой ряд черпаков, которые насаживались на обод большого колеса с горизонтальной осью. При повороте колеса нижние черпаки погружались в воду реки, затем поднимались к верхней точке колеса и опрокидывались в желоб. Сначала такие колеса вращались вручную, но там, где воды мало, а бежит она по крутому руслу быстро, колесо стали снабжать специальными лопатками. Под напором течения колесо вращалось и само черпало воду. Получился простейший насос-автомат, не требующий для своей работы присутствия человека. Изобретение водяного колеса имело огромное значение для истории техники. Впервые человек получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой в своем изготовлении двигатель. Вскоре стало очевидным, что движение, создаваемое водяным колесом, можно использовать не только для качания воды, но и для других надобностей, например, для перемалывания зерна. В равнинных местностях скорость течения рек мала для того, чтобы вращать колесо силой удара струи. Для создания нужного напора стали запруживать реку, искусственно поднимать уровень воды и направлять струю по желобу на лопатки колеса.
Однако изобретение двигателя сразу породило другую задачу: каким образом передать движение от водяного колеса тому устройству, которое должно совершать полезную для человека работу? Для этих целей был необходим специальный передаточный механизм, который мог бы не только передавать, но и преобразовывать вращательное движение. Разрешая эту проблему, древние механики опять обратились к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим образом. Представим себе два колеса с параллельными осями вращения, которые плотно соприкасаются своими ободьями. Если теперь одно из колес начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Это справедливо при всех диаметрах колес.
Стало быть, большее колесо будет делать по сравнению со связанным с ним меньшим во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если мы разделим диаметр одного колеса на диаметр другого, то получим число, которое называется передаточным отношением данной колесной передачи. Представим себе передачу из двух колес, в которой диаметр одного колеса в два раза больше, чем диаметр второго. Если ведомым будет большее колесо, мы можем с помощью этой передачи в два раза увеличить скорость движения, но при этом в два раза уменьшится крутящий момент. Такое сочетание колес будет удобно в том случае, когда важно получить на выходе большую скорость, чем на входе. Если, напротив, ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение» (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение. В реальной практике передаточные колеса с гладким ободом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие, и колеса проскальзывают. Этот недостаток можно устранить, если вместо гладких колес использовать зубчатые. Первые колесные зубчатые передачи появились около двух тысяч лет назад, однако широкое распространение они получили значительно позже. Дело в том, что нарезка зубьев требует большой точности. Для того чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, без рывков и остановок, зубцам необходимо придавать особое очертание, при котором взаимное движение колес совершалось бы так, как будто они перемещаются друг по другу без скольжения, тогда зубцы одного колеса будут попадать во впадины другого. Если зазор между зубьями колес будет слишком велик, они станут ударяться друг о друга и быстро обломаются. Если же зазор слишком мал — зубья врезаются друг в друга и крошатся. Расчет и изготовление зубчатых передач представляли собой сложную задачу для древних механиков, но уже они оценили их удобство. Ведь различные комбинации зубчатых колес, а также их соединение с некоторыми другими передачами давали огромные возможности для преобразования движения. Например, после соединения зубчатого колеса с винтом, получалась червячная передача, передающая вращение из одной плоскости в другую. Применяя конические колеса, можно передать вращение под любым углом к плоскости ведущего колеса. Соединив колесо с зубчатой линейкой, можно преобразовать вращательное движение в поступательное, и наоборот, а присоединив к колесу шатун, получают возвратно-поступательное движение. Для расчета зубчатых передач обычно берут отношение не диаметров колес, а отношение числа зубьев ведущего и ведомого колес. Часто в передаче используется несколько колес. В таком случае передаточное отношение всей передачи будет равно произведению передаточных отношений отдельных пар.
Когда все затруднения, связанные с получением и преобразованием движения, были благополучно преодолены, появилась водяная мельница. Впервые ее детальное устройство описано древнеримским механиком и архитектором Витрувием. Мельница в античную эпоху имела три основные составные части, соединенные между собой в единое устройство: 1) двигательный механизм в виде вертикального колеса с лопатками, вращаемого водой; 2) передаточный механизм или трансмиссию в виде второго вертикального зубчатого колеса; второе зубчатое колесо вращало третье горизонтальное зубчатое колесо — шестерню; 3) исполнительный механизм в виде жерновов, верхнего и нижнего, причем верхний жернов был насажен на вертикальный вал шестерни, при помощи которого и приводился в движение. Зерно сыпалось из воронкообразного ковша над верхним жерновом.
Создание водяной мельницы считается важной вехой в истории техники. Она стала первой машиной, получившей применение в производстве, своего рода вершиной, которую достигла античная механика, и исходной точкой для технических поисков механики Возрождения. Ее изобретение было первым робким шагом на пути к машинному производству.
18. БУМАГА
Изобретателями бумаги были китайцы. И это не случайно. Во-первых, Китай уже в глубокой древности славился своей книжной премудростью и сложной системой бюрократического управления, требовавшей от чиновников постоянной отчетности. Поэтому здесь всегда ощущалась потребность в недорогом и компактном материале для письма. До изобретения бумаги в Китае писали или на бамбуковых дощечках, или на шелке. Но шелк был всегда очень дорогим, а бамбук — очень громоздким и тяжелым. (На одной дощечке помещалось в среднем 30 иероглифов. Легко представить, сколько места должна была занимать такая бамбуковая «книга». Не случайно пишут, что для перевозки некоторых сочинений требовалась целая телега.) Во-вторых, одни только китайцы долгое время знали секрет производства шелка, а бумажное дело как раз и развилось из одной технической операции обработки шелковых коконов. Эта операция заключалась в следующем. Женщины, занимавшиеся шелководством, варили коконы шелкопряда, затем, разложив их на циновку, опускали в воду и перетирали до образования однородной массы. Когда массу вынимали и отцеживали воду, получалась шелковая вата. Однако после такой механической и тепловой обработки на циновках оставался тонкий волокнистый слой, превращавшийся после просушки в лист очень тонкой бумаги, пригодной для письма. Позже работницы стали использовать бракованные коконы шелкопряда для целенаправленного изготовления бумаги. При этом они повторяли уже знакомый им процесс: варили коконы, промывали и измельчали до получения бумажной массы, наконец, высушивали получившиеся листы. Такая бумага называлась «ватной» и стоила достаточно дорого, так как дорого было само сырье.
Естественно, что в конце концов возник вопрос: можно ли бумагу делать только из шелка или для приготовления бумажной массы может подойти любое волокнистое сырье, в том числе растительного происхождения? В 105 г. некто Цай Лунь, важный чиновник при дворе ханьского императора, приготовил новый сорт бумаги из старых рыболовных сетей. По качеству она не уступала шелковой, но была значительно дешевле. Это важное открытие имело огромные последствия не только для Китая, но и для всего мира — впервые в истории люди получили первоклассный и доступный материал для письма, равноценной замены которому нет и по сей день. Имя Цай Луня поэтому по праву входит в число имен величайших изобретателей в истории человечества.
В последующие века в процесс изготовления бумаги было внесено несколько важных усовершенствований, благодаря чему оно стало быстро развиваться. В IV веке бумага совершенно вытеснила из употребления бамбуковые дощечки. Новые опыты показали, что бумагу можно делать из дешевого растительного сырья древесной коры, тростника и бамбука. Последнее было особенно важно, так как бамбук произрастает в Китае в огромном количестве. Бамбук расщепляли на тонкие лучинки, замачивали с известью, а полученную массу вываривали затем в течение нескольких суток. Отцеженную гущу выдерживали в специальных ямах, тщательно размалывали специальными билами и разбавляли водой до образования клейкой, кашицеобразной массы. Эту массу зачерпывали с помощью специальной формы бамбукового сита, укрепленного на подрамнике. Тонкий слой массы вместе с формой клали под пресс. Затем форма вытаскивалась и под прессом оставался только бумажный лист. Спрессованные листы снимали с сита, складывали в кипу, сушили, разглаживали и резали по формату.
