История развития техники

     Диоген  Лаэртский об Архите сообщает: «Он  первый упорядочил механику, приложив к ней математические основы, и первый свёл движение механизмов к геометрическому чертежу».

     Первой  попыткой теоретического осмысления действия различного рода механизмов считают трактат «Механические проблемы», ранее приписывавшийся Аристотелю и до сих пор включаемый в свод его сочинений. На самом деле он написан в более позднюю эпоху, скорее всего, в Александрии в III или ii век до н.э. Этот трактат для историков механики представляет значительный интерес.

     Едва  ли не больше всех античных учёных написал  по вопросам механики Герон Александрийский. Его перу принадлежали «Механика», «Книга о подъёмных механизмах», Пневматика», «Книга о военных машинах», «Театр автоматов» и ряд других. Основное научное сочинение Герона «Механика» дошло до нас в арабском переводе. Оно состоит из трёх книг. Здесь он описывает простые машины и их комбинации. При этом он использует понятие момента, но неизвестно, принадлежит ли оно ему или он заимствовал его у других учёных. Кроме простых машин, он описывает также и некоторые механизмы: системы зубчатых колёс, системы блоков, полиспасты. Ему известно влияние силы трения, и он рекомендует при работе со сложными механизмами несколько увеличивать прилагаемые к машинам силы по сравнению с расчетными. Однако численно силу трения не определяет.

     Герон Александрийский создал большое  количество машин и механизмов, которые сопровождались не меньшим количеством изобретений. В предисловии его трактата по пневматике некоторые изобретения характеризуются как «пригодные для повседневного употребления», другие – как имеющие «достаточно замечательные результаты». Похоже, что паровой двигатель попал у Герона во вторую категорию и характеризовался, судя по описанию, как новое изобретение.

     Эолипил – прообраз паровой турбины –  относят к наиболее известным  изобретениям Герона. Здесь впервые для вращения используется реактивное действие струи пара.

     Итак, изобретение парового двигателя, вызвавшего революцию в транспорте и промышленности в XVIII в., на самом деле было известно две тысячи лет назад, если не в прямом виде, то уж точно как понимание потенциала энергии пара.

     Изобретателем паровой машины был Герон Александрийский , который детально описал первый работающий паровой двигатель – эолипил, названный им «ветряной шар», или, как называют историки – Геронов шар.Это пневмогидравлический прибор, основанный на действии сжатого воздуха на поверхность воды. Его конструкция гениально проста. Широкий свинцовый котёл с водой помещался над источником тепла, скажем, над горящим древесным углём. По мере закипания воды в две трубы, загнутые в противоположных направлениях, в центре которых вращался полый шар, поднимался пар. Струи пара били через два отверстия в шаре, заставляя его вращаться с большой скоростью. Шар вращался благодаря реактивной или противодействующей силе вытекающего наружу пара. Такой же принцип лежит в основе современного реактивного движения.

     Ещё один пневмогидравлический прибор –  Геронов фонтан. Герон знал, какое применение могут иметь различные источники энергии. Например, он сконструировал небольшую ветряную мельницу, заставлявшую звучать музыкальный орган.

     Прошли  тысячелетия, и специалист по Античности доктор Дж. Лэнделс из университета в Рединге с помощью специалистов инженерного факультета сделал точную модель двигателя по описанию Герона. Он обнаружил, что модель развивала большую скорость вращения – не менее 1500 оборотов в минуту. Учёный заявил: «Шар Герона, возможно, был самым быстровращающимся предметом того времени». Тем не менее у Лэнделса возникли трудности при подгонке соединений между вращающимся шаром и паровой трубой, что не позволяло сделать приспособление эффективным. Возможно, для Герона это было как бы само собой разумеющимся, или он просто «забыл» описать эту «незначительную» деталь. Свободный шарнир у шара позволял ему быстрее вращаться, но тогда быстро улетучивался пар; тугой шарнир, напротив, означал, что энергия пара расходовалась на преодоление трения. Лэнделс не позволяя себе что-либо прибавлять к известным описаниям посчитал, что эффективность механизма Герона, возможно, была ниже 1%. Это значит, что энергия затрачиваемая на работу машины была значительно больше полезной энергии, и она не нашла бы практического применения. Но «теория» была важнее.

     «Машина есть система связанных между  собой частей из дерева, обладающая наибольшей мощностью для передвижения тяжестей, – писал конце I в. до н.э. римский архитектор Марк Витрувий Поллион в своём знаменитом трактате «Об архитектуре». – Сам же этот механизм приводится в действие посредством круговых вращений искусным приёмом …».

     Первый  экземпляр трактата «Об архитектуре» был найден в библиотеке монте-кассинского  монастыря; первое его издание появилось  в Венеции в 1497 г., т.е. через полторы тысячи лет после того как трактат был написан. Книга X этого трактата посвящена теоретической и прикладной механике, описанию машин и механических приспособлений и их действию. Витрувий рассматривает подъёмные машины, применяемые в строительстве, водоподъёмные машины, водяную мельницу.

     По  представлениям того времени первый род механизмов – это чисто  подъёмный; второй – духовой (давлением воздуха); третий род –  механизмы тяги.

     Античные  архитекторы обладали значительными  познаниями в практической механике. Историк архитектуры Огюст Шуази (XIX век) вычислил допущенное напряжение в камнях храма в Карнаке (Египет): в потолочных плитах оно составляет 4 кг/см², в архитравах – 5 кг/см². На допуск таких напряжений не решаются и в наше время.

     Инженер А.И. Сидоров в 1925 г. писал: «Многие египетские обелиски опрокинуты и разрушены людской злобой, но ни один из них не опрокинут бурей, и некоторые стоят до сих пор. Следует заметить, что обелиск стоит на своём цоколе совершенно свободно, не будучи прикреплён фундаментальными болтами, которых египтяне не знали, без всякого раствора и т.п. … Я произвёл расчёт некоторых обелисков на опрокидывание сильнейшей бурей и нашёл коэффициент устойчивости от 2,5 до 2, как раз то, что мы допускаем теперь».

       Египетские и греческие колонны строились высотой не более девяти диаметров. Сейчас мы знаем, что за этим пределом начинается опасность продольного изгиба. Древние архитекторы соблюдали это условие. По-видимому, тоже не случайно.

       Теоретические труды Ктесибия  до нас не дошли, но сведения о его изобретениях содержатся в сочинениях других авторов – Филон, Витрувия, Афинея, Плиния и Герона. Из этих источников мы узнаём ,что Ктесибий был изобретателем двух цилиндрового водяного насоса, снабжённого всасывающими и нагнетательными клапанами; водяного органа, управление которым осуществлялось с помощью сжатого воздуха; водяных часов, отличавшихся от древней клепсидры тем, что в них имелся поплавок, движение которого передавалось фигурке, указывавшей время на специальной шкале, и некоторых других устройств. В военных метательных машинах, изобретённых Ктесибием, использовалась сила сжатого воздуха.

     Великий учёный Архимед (III в. до н.э.) был и гениальным механиком. Историки пишут о том, что он был кем-то вроде военного инженера (на самом деле достижения Архимеда в области инженерного дела не сводились к одним лишь военным машинам) при дворе сиракузского царя Гиерона, который, кстати, приходился ему родственником. Подобно Платону, он считал недостойным философа использование науки в практических целях и тем не менее изобрёл несколько исключительно полезных машин. Из них наиболее известен «архимедов винт», который широко применялся для удаления воды из корабельных трюмов и для дренажа полей в Египте после ежегодных паводков. Архимед изобрёл несколько катапульт, благодаря которым длительное время удавалось отражать осаду Сиракуз римским флотом.

     В математике Архимед дошёл до изобретения  интегрального исчисления, намного опередив своё время. Он проверил и создал теорию пяти механизмов, известных в его время и именуемых «простые механизмы»: рычаг клин, блок, бесконечный винт и лебёдка. Впрочем, бесконечный винт, возможно, он не изобрёл, а усовершенствовал гидравлический винт, который служил египтянам для осушения болот. Сегодня «архимедов винт» используется, например, в обыкновенной мясорубке. Изобретение бесконечного винта привело Архимеда к другому важному изобретению, пережившему тысячелетия, а именно к изобретению болта, сконструированного из винта и гайки.

     В своей «Механике» Архимед дал математическое определение центров тяжести простых тел и равновесия системы рычагов.

     Есть  легенда, что Архимед, фокусируя  слабые солнечные лучи с помощью зеркал, сжёг римский флот, осаждавший Сиракузы. Во всяком случае, он оставил книгу «О зажигательных стёклах». От несохранившихся трактатов Архимеда дошёл ряд фрагментов, цитируемых Героном (в «Механике»), Паппом (в «Механической библиотеке») и другими авторами. Герон приводит длинный отрывок из раннего сочинения Архимеда – «Книги опор». Исследователи отмечают, что в нём ещё нет строгости, присущей зрелым трудам великого сиракузца, и содержится ряд ошибок, относящихся к распределению опорных реакций и показывающих, что в период написания этой книги Архимед ещё не знал, что вес тела можно считать сосредоточенным в его центре тяжести.

     Последним, возможно, предсмертным трудом Архимеда был трактат «О плавающих телах», заложивший математические основы новой науки – гидростатики. Не исключено, что его написание стимулировано популярной историей с короной царя Гиерона.

     Таким образом, средства производства постепенно превращались, по словам К. Маркса «из  орудия … в машину» (т.23, с. 382).

     В XII в. понятие «инженер» уже бытовало в Западной Европе. Правда, оно ещё обозначало строителя военных машин и фортификаций (т.е. специалиста, которого в эпоху эллинизма называли «механиком»), так как все технические средства по части ведения военных операций и обороны назывались «ingenia». С XV века в Италии инженерами называют также строителей каналов.

     Достижения  технической мысли в эпоху  эллинизма явились основой для  дальнейшего развития материально-технической культуры человечества особенно в эпоху Возрождения.

     Возрождение в истории культуры стран Западной и Центральной Европы эпоха, переходная от средневековой культуры к культуре нового времени (приблизительные хронологические границ: в Италии – 14÷16 вв., в других странах – конец 15÷16 вв.) [1, ст. «Возрождение»].

     В 15 в. благодаря учёным, эмигрировавшим из Византии в Италию, были впервые переведены почти все древнегреческие поэты (в том числе Гомер) и философы (в том числе большинство диалогов Платона). Тексты античных произведений, известных и средневековой Европе, уточнялись, освобождались от средневековых наслоений и ошибок и переосмысливались. 

       Но культура Возрождения не была простым возвращением к античной. Она её развивала и интерпретировала по-новому, исходя из новых исторических условий. Не меньшее значение, чем античное влияние, имели в культуре Возрождения связи с национальной традицией. Огромную роль в распространении античного наследия и новых, гуманистических взглядов сыграло изобретение (середина 15 в.) и распространение в странах Европы книгопечатания. В типографиях Флоренции, Венеции (Альд Мануций), Базеля (И. Фробен), Парижа (А. Этьенн), Лиона (Э. Доле), Антверпена (К. Плантен), Нюрнберга и др. печаталась античная и гуманистическая литература. 

       Культура Возрождения отразила в себе специфику переходной эпохи. Старое и новое нередко причудливо переплеталось в ней, представляя своеобразный, качественно новый сплав.

     Эпоха Возрождения (особенно 16 в. ) отмечена крупными научными сдвигами в области естествознания. Его развитие, непосредственно связанное в этот период с запросами практики (торговля, мореплавание, строительство, военное дело и др.), зарождавшегося капиталистического производства, облегчалось первыми успехами нового, антидогматического мировоззрения. Специфической особенностью науки этой эпохи была тесная связь с искусством; процесс преодоления религиозно-мистических абстракций и догматизма средневековья протекал одновременно и в науке и в искусстве, объединяясь иногда в творчестве одной личности (особенно яркий пример — творчество Леонардо да Винчи — художника, учёного, инженера). Наиболее крупные победы естествознание одержало в области астрономии, географии, анатомии. Великие географические открытия (путешествия Х. Колумба, Васко да Гамы, Ф. Магеллана и др.) практически доказали шарообразность Земли, привели к установлению очертаний большей части суши. Открытия, означавшие революционный переворот в науке, были сделаны в середине 16 в. в области астрономии: с гелиоцентрической системы мира великого польского астронома Н. Коперника.

       Ряд открытий был сделан в  математике, в частности в алгебре: найдены способы решения общих уравнений 3-й и 4-й степени ( итальянские математики Дж. Кардано, С. Ферро, Н. Тарталья, Л. Феррари ), разработана современная буквенная символика (французский математик Ф. Виет), введены в употребление десятичные дроби (голландский математик и инженер С. Стевин) и др. Дальнейшее развитие получает механика (Леонардо да Винчи, Стевин и др.).

     Изобретательский  гений Леонардо был подкреплён обширными  техническими знаниями [2]. Он знал практически все разновидности зубчатых зацеплений, кулачковые, гидравлические и винтовые механизмы, передачи с гибкими звеньями …

     Он  изобрёл несколько типов экскаваторов и придумал организацию земляных работ одновременно на нескольких горизонтах. Он изобрёл несколько гидравлических машин разных конструкций, в том числе тангенциальную турбину, прядильный и волочильный станки, станок для насечки напильников, приспособления для нарезки резьбы, прокатный стан, станок для свивки канатов, крутильный станок и несколько веретен, машину для шлифовки оптических стёкол, камерные шлюзы.