Константин Рыжов

100 великих изобретений

ПРЕДИСЛОВИЕ

Драматический путь, пройденный человечеством с глубокой древности до наших дней, можно представить различным образом, можно описать его как вереницу великих событий, как серию биографий выдающихся деятелей, можно отразить этот путь через историю философии, литературы или искусства, через историю войн и еще многими другими способами. И каждый из них будет по-своему увлекателен и поучителен. Читатели и поклонники серии «100 великих», выпускаемой издательством «Вече», уже имели много случаев убедиться в этом.

В данной книге развитие человечества показано через историю его великих изобретений. В ста небольших очерках, каждый из которых посвящен какой-то яркой страничке человеческой изобретательности, мы постарались правдиво и увлекательно рассказать о нелегком пути, который прошла пытливая человеческая мысль от первого примитивного орудия труда — ручного рубила — до мира современных компьютерных сетей. Каждому, кто захочет теперь вместе с нами повторить это замечательное путешествие, мы постараемся в небольшом предисловии кратко поведать о том, что его ожидает.

Прежде всего, наверное, надо ответить на вопрос: какие изобретения и почему следует считать великими. Признаемся сразу — мы стояли перед трудным выбором, решая, какой из многочисленных образцов человеческого гения достоин занять место в списке «самых-самых», а какой — остаться за его пределами. В конце концов был избран следующий критерий: открытие только тогда следует считать величайшим, когда последствия от его внедрения сопровождались видимыми и значительными изменениями в жизни человеческого общества. При таком подходе самый большой удельный вес в нашей книге получили изобретения в сфере транспорта (18 изобретений). Им посвящены главы: «Весло и лодка», «Колесо и повозка», «Парус и корабль», «Каравелла», «Аэростат», «Пароход», «Паровоз», «Нефтепровод», «Велосипед», «Автомобиль», «Теплоход», «Аэроплан», «Подводная лодка», «Турбореактивный самолет», «Вертолет», «Баллистическая ракета», «Космический корабль» и «Орбитальная станция». Несколько уступают «транспортным достижениям» открытия, которые можно условно объединить темой «орудия труда» (14 изобретений) Рассказы об этих выдающихся, на наш взгляд, достижениях можно найти в главах: «Рубило», «Рукоятка», «Прялка и ткацкий станок», «Гончарный круг», «Рычаг, блок и наклонная плоскость», «Мельница», «Механические часы», «Прядильная машина», «Суппорт», «Паровой молот», «Прокатный стан», «Гидравлический пресс», «Бутылочный автомат» и «Робот» На третьем месте (10 изобретений) оказались достижения в сфере освоения новых материалов (главы «Сверление, пиление и шлифовка камня», «Бронза», «Железо», «Бумага», «Доменная печь», «Литая сталь», «Железобетон», «Электролиз алюминия», «Синтетический каучук» и «Пластмассы»), а на четвертом 8 изобретений в сфере энергетики (главы «Паровая машина», «Электрогенератор», «Гидротурбина», «Паровая турбина», «Газовый и бензиновый двигатель», «Электродвигатель», «Дизель» и «Атомная электростанция»). Не забыты нами военное дело (главы «Порох», «Винтовка», «Атомная бомба» и пр.); сфера информации (главы «Книгопечатанье», «Линотип», «Интернет» и др.); связь (главы «Телеграф», «Телефон», «Телевидение» и пр.); электроника (главы «Электронная лампа», «Транзистор», «Интегральная микросхема», «Персональный компьютер» и др.); приборы (главы «Компас», «Телескоп», «Микроскоп»); электротехника («Электрическая лампочка», «Трансформатор», «Аккумулятор»); звукозапись («Граммофон» и «Магнитофон»); фото — и киносъемка (главы «Фотография» и «Кинематограф»); сельское хозяйство («Мотыжное земледелие», «Плуг», «Трактор»). Кроме того, читатель найдет в этой книге очерки «Радар», «Лазер», «Вычислительная машина», «Автопилот», «Динамит», «Спички», «Бурение на нефть» и некоторые другие, на наш взгляд, охватившие основные области человеческой деятельности. Мы, впрочем, не собирались сводить все достижения изобретательской мысли только к технократическим открытиям. Две главы в книге («Оспопрививание» и «Пенициллин») относятся к медицине. В главе «Поточное производство» речь идет о научной организации труда. Есть и некоторые другие «нетехнические» главы (например, «Письменность»).

Второй немаловажный вопрос: что, собственно, надо считать «изобретением»? Согласитесь, что ответить на него можно по-разному. Одни скажут, что изобретение — это выдвижение самой идеи, изложение принципа. Другие подразумевают под изобретением создание работающей модели. Третьи — внедрение этой модели в производство. Делая разные акценты, можно по-разному рассказывать историю любого изобретения. Близок к этому и другой извечный вопрос: кто является автором изобретения? Ибо нет, наверное, такого великого изобретателя, который не имел бы своих предшественников, потому что ничего, как известно, не рождается на пустом месте. Наконец, еще одна немаловажная деталь — до какой степени должны мы углубляться в рассказ об изобретении, то есть где кончается «изобретение» и начинается то, что зовется «усовершенствованием». Прежде чем изложить принципы, которыми мы руководствовались в нашем изложении, позволим сослаться на слова одного из самых выдающихся изобретателей конца XIX и начала XX века — Томаса Альвы Эдисона. В одном из своих интервью Эдисон признался: «Легко делать удивительные открытия, но трудность состоит в усовершенствовании их настолько, чтобы они получили практическую ценность». Всякий, знакомый с историей техники, согласится, что это именно так. И пусть никого не вводят в заблуждение рассказы о внезапных озарениях, чудесных совпадениях и удивительных удачах, которые будто бы случались с некоторыми великими изобретателями. Все это не более, чем досужие домыслы. Да, мы знаем, что Уатт будто бы «изобрел» свою паровую машину во время прогулки, увидев, по его собственным словам, «как пар вырывался из окна прачечной». Но мы так же знаем, что он потратил потом более десяти лет каждодневного упорного труда, прежде чем сумел наладить серийный выпуск этих машин. Потому что одного «принципа действия» еще мало. И когда дело дошло до реального пара, реального металла и реальных машин, все оказалось совсем не так просто, как могло показаться вначале. Мы знаем также, что Морзе изобрел все части своего знаменитого телеграфного аппарата всего за две недели, пока плыл на корабле из Европы в Америку. Но сколько неудач и разочарований ожидало его в последующие годы, пока он сумел воплотить свою идею в реальную схему! И сколько еще сил и средств пришлось ему потратить, прежде чем он сумел доказать, что его телеграфный аппарат — не игрушка, а нужная и полезная вещь. Мы знаем, как удивительно повезло изобретателю телефона Беллу, когда из-за ошибки его помощника, чинившего контакт, ему открылся простой способ преобразования звуковых волн в электрические, и наоборот. Но не стоит забывать, что это произошло ни с кем-нибудь другим, а именно с Беллом после многолетней работы над проблемой телефонной связи. Эти примеры можно продолжать и продолжать, вывод будет один: изобретателем по праву должен считаться не тот, кто сделал «удивительное открытие», а тот, кто придал ему «практическую ценность». Мы, кстати, невольно признаем это: говоря, что такое-то изобретение сделано тем-то или тем-то, мы тем самым переносим на одного человека достижения его предшественников и современников (а этих последних мы, увы, забываем; справедливо или не справедливо — это другой вопрос). У всех на языке имена Галилея, Уатта, Модсли, Стефенсона, Фултона, Морзе, Маркони, Зворыкина, Сикорского, Брауна или Королева. Эти люди по праву считаются величайшими изобретателями, хотя прекрасно известно, что зрительными трубами пользовались до Галилея, что паровые машины работали до Уатта, что суппорт применяли до Модсли. Ни для кого не секрет, что паровозы (и очень неплохие) строили до Стефенсона, а пароходы — до Фултона. Мы знаем, что телеграфы функционировали до Морзе, что принцип радио был уже известен до Маркони, что телевизоры показывали до Зворыкина, вертолеты летали до Сикорского, а ракеты брали старт до Брауна и Королева (и что их собственные ракеты никогда бы не стартовали без усилий подчиненных им мощных научных коллективов). И тем не менее это ничего не меняет. Огромная заслуга конкретно этих и многих других «признанных великими» изобретателей перед человечеством заключается в том, что, взявшись за какую-то (быть может, даже чужую) неразработанную идею, они упорным трудом, преодолев множество затруднений, довели ее до такого состояния, когда для всех стала очевидна ее «практическая ценность». Именно этот акт мы и принимаем в дальнейшем за «изобретение» в подлинном смысле этого слова. Что же касается вопроса о том, до какой «степени совершенства» того или иного изобретения следует доводить рассказ, то мы обычно останавливались на той стадии, когда дело доходило до серийного выпуска и начала массового применения. После этого, на наш взгляд, изобретение уже перестает быть изобретением, а делается объектом «усовершенствования». (Так, например, историю кинематографа мы доводим до возникновения первых кинотеатров, историю радио — до начала коммерческого использования радиотелеграфа для связи через Атлантический океан, историю телевидения — до возникновения первых систем центрального вещания, историю аэроплана — до перелета Блерио через Ла-Манш, историю ракет — до полетов первых спутников, хотя, разумеется, история кино, радио, телевидения, ракетостроения или авиации этим периодом не исчерпывается, она продолжается и сопровождается многими новыми замечательными изобретениями, вот только к числу величайших их уже отнести нельзя.)

Наконец, последнее, о чем хотелось сказать — это о принципах самого изложения и отбора материала. Понятно, что, взявшись описывать, по сути дела, всю историю техники, мы имели дело с огромным объемом материала, которого с избытком хватило бы на несколько книг. Поневоле приходилось от чего-то отказываться, о чем-то говорить короче, о чем-то лишь упоминать по ходу дела. Однако при всем этом во всех очерках четко и последовательно выдержана главная цель этой книги: ясно, понятно, доходчиво, но без упрощений рассказать о действии и устройстве каждого из описываемых изобретений. Если у кого-то есть желание и потребность лучше понять логику и красоту окружающей нас техногенной цивилизации, то эта книга (мы надеемся на это) послужит для него хорошим руководством. Почему загорается спичка? Каким образом стреляет пулемет? Как парусный корабль может плыть против ветра? Почему не падает самолет? Как наводится на цель ракета? Что такое пластмасса? Как работают часы? Как устроены роботы? Что такое Интернет? Почему телескоп приближает, а микроскоп увеличивает? Как действует прививка против оспы? Как работает атомный реактор? Как записывается звук на пластинку и как на магнитную ленту? Как считает ЭВМ? Обо всем этом и о многом, многом другом можно узнать из этой книги. Мы предвидели, что нашими читателями могут стать люди далекие от техники и несколько подзабывшие о том, что было написано в школьных учебниках. Поскольку без понимания некоторых физических или химических процессов невозможно разобраться в принципе действия многих устройств и механизмов, мы постарались ясно и сжато изложить необходимые сведения там, где это требовалось. А так как наша главная задача состояла в объяснении главных принципов устройства без излишней детализации, нам удалось обойтись минимальным количеством формул, притом самых простых. В конце книги приложена подробная хронологическая таблица, в которой отмечены все упомянутые в книги изобретения и открытия.

Вот и все, о чем мы хотели предупредить. Остается пожелать только приятного и познавательного чтения.

1. РУБИЛО

На протяжении многих тысячелетий своей начальной истории люди не знали употребления металлов. Основным материалом для изготовления первых орудий труда служил камень, и именно с обработкой камня связаны первые великие открытия в истории человечества. Не из каждого камня можно сделать хорошее орудие труда. Самые ранние были изготовлены из гальки, значительно позже человек освоил кремни. Берега морей, русла рек, особенно русла горных потоков, богаты галькой разных размеров, форм, цветов и пород. Обкатанная форма этих камней очень удобна для захвата их рукой. Поэтому именно овальные уплощенные гальки послужили древнему человеку материалом для изготовления его первого рабочего инструмента — ручного рубила. Для работы требовалось два камня: один (более мягкий) служил заготовкой, а другой (из более твердых пород) — для нанесения ударов. Обивка начиналась с узкого конца. После первого удара на поверхности заготовки образовывалось углубление в виде раковины. Оно служило как бы ударной площадкой для дальнейшей обработки. Мастер продолжал оббивать грани скола то с одной, то с другой стороны камня. С каждым новым ударом возрастало число ударных площадок, и заготовка постепенно принимала необходимую форму.

Работа эта требовала большого терпения, сосредоточенности и сноровки. Любой удар был своего рода творческим актом. Всякий неправильно сделанный скол приводил к тому, что заготовка портилась, и обработку надо было начинать сначала. Естественным желанием человека было избежать этого неприятного результата. Поэтому техника обработки камня постепенно усложнялась. Важный шаг на этом пути был сделан, когда в употребление вошел новый инструмент — отбойник, игравший роль современного долота или тесла. В качестве него использовался острый твердый камень или рог благородного оленя, отличавшийся большой твердостью. Приложив отбойник к нужной точке заготовки и ударяя по нему другим камнем или деревянной колотушкой, мастер мог гораздо точнее координировать силу и направление удара. При этом скол получался длинным и тонким, а изделие принимало более правильную форму.

Но чтобы окончательно подчинить себе материал, человек должен был освоить технику, которая позволяла снимать лишние слои камня буквально по миллиметрам. При такой точности можно было придать заготовке любую задуманную форму. Это сделалось возможным, когда ударную технику стали дополнять отжимной. Придав несколькими ударами камню подходящий вид, мастер откладывал колотушку и начинал действовать отбойником как стамеской, снимая лишний материал тонкими слоями. Любопытно, что эта работа совершенно не под силу современному человеку, который выжимает на динамометре в среднем не более 60 кг. Для того чтобы успешно справляться с отжимной техникой, рука человека должна была быть по крайней мере в шесть раз сильнее. Именно такова была мощь неандертальца, который, по расчетам ученых, не уступал в силе нынешней горилле.

Ручное рубило было первым великим изобретением древнего человека, значительно облегчившим его жизнь. При помощи рубила, держа его различно, то за тупой, то за острый конец, можно было растирать и размельчать растительную пищу, соскабливать и очищать кору, раздроблять орехи, отделять корни и ветви, взрыхлять землю в поисках корнеплодов, убивать мелких животных. Оно представляло из себя универсальный инструмент со множеством разнообразных функций. Одновременно с рубилом на службе человека оказались отщепы от кремня — различные острия, проколки, древнейшие скребла. Этот нехитрый инструмент позволял человеку освежевать тушу, разрезать шкуру, разделить мясо на куски.

2. ОГОНЬ

Люди рано открыли полезные свойства огня — его способность освещать и согревать, изменять к лучшему растительную и животную пищу. «Дикий огонь», который вспыхивал во время лесных пожаров или извержений вулканов, был страшен и опасен для человека, но, принеся огонь в свою пещеру, человек «приручил» его и «поставил» себе на службу. С этого времени огонь стал постоянным спутником человека и основой его хозяйства. В древние времена он был незаменимым источником тепла, света, средством для приготовления пищи, орудием охоты. Однако и дальнейшие завоевания культуры (керамика, металлургия, сталеварение, паровые машины и т.п.) обязаны комплексному использованию огня.

Долгие тысячелетия люди пользовались «домашним огнем», поддерживали его из года в год в своих пещерах, прежде чем научились добывать его сами при помощи трения. Вероятно, это открытие произошло случайно, после того как наши предки научились сверлить дерево. Во время этой операции происходило нагревание древесины и при благоприятных условиях могло произойти воспламенение. Обратив на это внимание, люди стали широко пользоваться трением для добывания огня.

Простейший способ состоял в том, что брались две палочки сухого дерева, в одной из которых делали лунку. Первая палочка клалась на землю и прижималась коленом. Вторую вставляли в лунку, а затем начинали быстро-быстро вращать между ладонями. В то же время необходимо было с силой давить на палочку. Неудобство такого способа заключалось в том, что ладони постепенно сползали вниз. Приходилось то и дело поднимать их вверх и снова продолжать вращение. Хотя, при известной сноровке, это можно делать быстро, все же из-за постоянных остановок процесс сильно затягивался. Гораздо проще добыть огонь трением, работая вдвоем. При этом один человек удерживал горизонтальную палочку и давил сверху на вертикальную, а второй — быстро-быстро вращал ее между ладонями. Позже вертикальную палочку стали обхватывать ремешком, двигая который вправо и влево можно ускорить движение, а на верхний конец для удобства стали накладывать костяной колпачок. Таким образом, все устройство для добывания огня стало состоять из четырех частей: двух палочек (неподвижной и вращающейся), ремешка и верхнего колпачка. Таким способом можно было добывать огонь и в одиночку, если прижимать нижнюю палочку коленом к земле, а колпачок — зубами.

3. РУКОЯТКА

Важным достижением человека стало освоение составных орудий. Их появление произвело настоящую революцию в технике каменного века.

Долгое время ручное рубило и палка существовали и использовались раздельно. Соединив их с помощью жил или ремешков кожи, люди получили принципиально новое орудие — каменный топор, сделавшийся вскоре важнейшей принадлежностью первобытной жизни. Топор позволял в несколько раз увеличить силу удара камнем. Многие производственные операции, представлявшие до этого значительную трудность (прежде всего, валка деревьев, заготовка дров и все работы, связанные с обработкой дерева), стали теперь сравнительно простыми. Конечно, первому топору было еще очень далеко до современного, но прогресс по сравнению с бытовавшим до этого ручным рубилом был огромен. Известный специалист по технике каменного века профессор Семенов установил, что при замене рубила примитивным каменным топором скорость рубки возрастала в десять раз. Поэтому нисколько не преувеличивают те, кто утверждают, что появление рукоятки составило эпоху в истории человечества. Может показаться, что мысль о соединении камня с палкой очень проста. Однако это не так. Рукоятка представляла собой довольно сложное и трудное для человека изобретение. Поэтому составные орудия появились достаточно поздно.

После изобретения топора идея составного орудия нашла себе самое широкое применение в других инструментах. Соединив острый каменный наконечник с длинной палкой, человек получил копье — мощное оружие первобытных времен. Имея в руках копье, он мог смело выходить на бой даже с самым сильным зверем. Уже на ранней своей истории копья стали делиться на тяжелые и легкие. Последние использовали для метания (для легкости каменный наконечник на них обычно заменяли костяным) Наряду с топором копье сделалось важнейшим, хотя и не единственным орудием первобытного человека. Особым родом составных орудий стали так называемые вкладышевые инструменты. К их изготовлению человека подтолкнуло наблюдение за тем, что в работе всегда принимает участие лишь незначительная (ее так и называют — рабочая) часть инструмента. Поэтому вовсе не обязательно делать орудие целиком каменным. Соединяя различным способом каменные пластинки с деревянной ручкой, древний человек получил многие прообразы современных режущих, колющих и строгающих инструментов. Они были намного удобнее и практичнее прежних и к тому же позволяли экономить кремний, который был распространен далеко не везде и из-за своей твердости тяжело поддавался обработке. Новые инструменты имели и то важное преимущество, что после износа рабочей части достаточно было только заменить кремневую пластинку, а не изготовлять все орудие целиком.

4. ЛУК И СТРЕЛЫ

К важнейшим составным вкладышевым орудиям относятся лук и стрелы. Их изобретение тоже составило эпоху в истории человеческой мысли. По меркам каменного века лук был очень сложным орудием, и его создание сродни гениальному озарению. Действительно, все предшествовавшие усовершенствования орудий труда происходили в результате каждодневной деятельности человека и самым непосредственным образом проистекали из нее. Другое дело лук и стрелы. Связь между распрямляющейся веткой и смертоносной стрелой, стремительно уносящейся вдаль, вообще говоря, не очевидна и не лежит на поверхности. Создание лука требовало значительных умственных способностей, острой наблюдательности и большого технического опыта.

Основные элементы лука были известны задолго до его изобретения. Человек уже пользовался стрелой, которая представляла собой вариант предельно облегченного копья, используемого для охоты на мелкую дичь и птицу. С другой стороны, люди постоянно наблюдали за тем, как при сгибании веток или молодых деревьев накапливалась энергия, а при разгибании — освобождалась. (Предполагают, что это свойство широко использовалось для устройства примитивных ловушек.) Однако лук появился лишь после того, как древний мастер придумал стягивать согнутую ветку с помощью тетивы — крепкого шнура, свитого из жил или волос. Посредством тетивы стало возможным передать стреле энергию разгибающейся ветки. Этим был достигнут колоссальный прогресс в сфере охоты. Пущенная с помощью лука стрела летела значительно дальше, чем даже при самом сильном броске рукой, и попадала в цель с исключительной точностью. Появилась возможность охотиться на таких животных, которые прежде были совершенно недоступны для первобытного охотника. Его добычей сделались и быстроногие пугливые олени, и птицы, и мелкие пушные зверьки. С изобретением лука охота надолго стала основной отраслью хозяйства древнего человека. Однако лук стал применяться не только как метательное орудие. Способность натянутой тетивы издавать звук определенного тона была подмечена и использована при изготовлении первых струнных инструментов. Важно было и другое принципиальное открытие, с помощью лука оказалось возможным передавать и преобразовывать движение. Так лук стал частью примитивного сверлильного приспособления, получившего широкое распространение и сыгравшего очень важную роль в технике каменного века.

5. ВЕСЛО И ЛОДКА

Можно назвать несколько причин, подтолкнувших человека к освоению водной стихии. Древние люди часто переходили с одного места на другое и должны были во время своих странствований тащить на себе свои пожитки. Стараясь облегчить эту непростую работу, они стали задумываться о средствах передвижения и прежде всего научились использовать в своих интересах силу воды. Кроме того, в местах, которые находились на берегу морей или больших рек, богатых рыбой, плавательные средства были необходимы для рыбалки.

Первым плавательным средством древних был плот. Люди давно заметили, что стволы деревьев не тонут в воде. Связав их между собой и вооружившись длинным шестом они отважились на первые плаванья вдоль берега. Плот был неповоротливым и тяжеловесным сооружением, но он вполне годился для транспортировки больших грузов, особенно если плаванье происходило вниз по течению. На глубоких местах, где шест не доставал до дна, люди научились управлять плотом с помощью гребной доски (возможно, эту идею подсказали наблюдения за водоплавающими птицами).

Однако плот не мог удовлетворить все потребности человека, который очень часто испытывал нужду в небольшом, легком и маневренном плавательном средстве. Таким в конце концов стала деревянная долбленая лодка. Ее прообразом также было бревно. Исследуя способы преодоления водных преград отсталыми австралийскими племенами, ученые в общих чертах восстановили основные этапы превращения бревна в лодку. Так, если туземцу требовалось переправиться через реку, он отрубал каменным топором часть ствола легкого дерева, очищал его от ветвей, потом ложился на бревно и плыл, работая ногами. Некоторым усовершенствованием этого простейшего плавательного снаряда было заострение бревна. Следующим шагом может считаться стесывание горбыля, ведь на плоской стороне было удобнее лежать пловцу. Собственно лодкой бревно стало после того, как люди начали выдалбливать или выжигать в нем углубление для гребца. Одновременно шло развитие гребли. Для перемещения вдоль берега человек мог пользоваться шестом, но для того чтобы плавать по глубоким местам, ему потребовалось особое приспособление — весло. Оно развилось постепенно из гребной доски и уже в очень древние времена приняло современный лопатообразный вид.

Изготовление даже небольшой долбленой лодки с помощью каменных инструментов требовало значительных и напряженных усилий. Поэтому в тех местах, где от лодки не требовалось большой прочности и грузоподъемности, долбленки были совершенно вытеснены из употребления легкими лодками, сшитыми из коры. Построить такую лодку было намного проще. Аккуратно отделив кору от дерева, мастер тщательно выскабливал и конопатил ее. Потом концы куска сшивались и связывались корнями, швы обрабатывались смолой. Для жесткости внутри корпуса устанавливали несколько распорок. Умелый мастер мог изготовить такую лодку всего за несколько часов. На севере, где не было дерева, подобные лодки научились делать из шкур, а в качестве остова применяли жесткий китовый ус.

Таким образом около 12 тысяч лет назад в обиход наших предков вошла весельная лодка. Человек стал осваивать водную среду и получил в свое распоряжение первое в истории транспортное средство передвижения.

6. СВЕРЛЕНИЕ, ПИЛЕНИЕ И ШЛИФОВКА КАМНЯ

По мере усложнения хозяйственной деятельности человек стал испытывать нужду в более совершенных инструментах с тщательно отделанными лезвиями. Изготовление их требовало новых приемов в обработке камня. Около восьми тысяч лет назад люди освоили технику пиления, сверления и шлифовки. Эти открытия были настолько важны, что вызвали настоящую революцию в развитии общества, названную неолитической революцией.

Пилить человек научился тогда, когда заметил, что зазубренный нож режет лучше, чем гладкий. Как известно, действие пилы основано на том, что ее резцы, или зубья, при движении полосы последовательно проникают в материал и снимают в нем слой определенной глубины. Получается как бы система ножей. Древнейшая дошедшая до нас примитивная пила была целиком изготовлена из кремня. Работа на ней требовала больших физических усилий, но позволяла успешно справляться с распилкой дерева и кости. Пиление камня отнимало еще больше времени и сил. Оно развивалось постепенно, однако только в эпоху неолита эта техника получила широкое распространение. Пилой обычно служила кремневая зубчатая пластинка, под которую подсыпали смоченный водой кварцевый песок. Пиление редко было сквозным. Обычно мастер делал только глубокий надпил, а затем рассчитанным ударом деревянной колотушки разламывал камень на две части. Благодаря пилению людям стали доступны правильные геометрические формы изделий, что было очень существенно при изготовлении инструментов.

Одновременно с пилением развивалась техника сверления камня. Этот прием был очень важным при изготовлении составных инструментов. Люди давно заметили, что самые удобные и прочные топоры получаются тогда, когда рукоятка плотно забивается в отверстие самого топора, а не привязывается к нему. Но как сделать правильное отверстие в твердом камне? Ответ на этот важный вопрос был многие тысячелетия скрыт от человека. Как и в случае с пилением, древние мастера освоили сначала сверление мягких материалов. В древнейшие времена, когда человеку нужно было сделать отверстие в дереве или кости, он прибегал к выбиванию. По крайней мере, именно таким способом еще недавно делали отверстия некоторые примитивные народы. Возможно, что именно при этой операции, вращая в отверстии каменный пробойник, древний мастер обнаружил, что высверливание требует гораздо меньших усилий. Сверление имело еще и то важное преимущество, что позволяло делать отверстие в твердых и хрупких материалах. Первое сверло, по-видимому, представляло собой обыкновенную палку, к концу которой было приделано каменное острие. Мастер просто катал ее между ладоней.

Значительный сдвиг в сверлении произошел после того, как в неолитическую эпоху был изобретен лучковый способ, при котором вращение сверла достигалось за счет поворота лука. Одной рукой мастер покачивал лук, а другой прижимал сверло сверху. Затем каменное сверло стали заменять полой костью животного крупного диаметра. Внутрь нее засыпался кварцевый песок, игравший роль абразива. Это было принципиальное и очень важное усовершенствование, значительно расширившее возможности сверления. В ходе работы песок постепенно просыпался из полости сверла под края коронки и медленно истирал просверливаемый камень. Поскольку успех сверления во многом зависел от силы нажима, позже стали применять искусственные утяжелители.

Когда же пиление и сверление было дополнено шлифовкой, древний человек полностью овладел всей технологией обработки камня. Отныне для него не было ничего невозможного — он мог придавать изделию любую желательную форму и при этом грани всегда оставались гладкими и ровными. Существенное отличие шлифовки камня от других способов обработки заключалось в том, что можно было удалять материал очень малыми и ровными слоями, причем одновременно со всей поверхности заготовки. Благодаря этому открылась возможность создавать инструменты правильных геометрических форм с гладкой поверхностью. Шлифовка позволяла обрабатывать материал любой формы, строения и твердости. На ранних этапах заготовку, видимо, просто шлифовали о шершавый камень. Затем между заготовкой и шлифовальным камнем стали подсыпать кварцевый песок. Это заметно ускорило процесс обработки. Наконец, был освоен процесс мокрой шлифовки, когда шлифовальную плиту обильно и часто поливали водой. Таким образом время шлифовки даже очень твердой заготовки сократилось до нескольких часов (так, по наблюдениям Семенова, на изготовление шлифованного топора из нефрита уходило до 25 часов непрерывной работы). Для окончательной отделки и полировки древние мастера в некоторых местах применяли очень мелкий пемзовый порошок, который наносили с помощью кусочка кожи. Искусство полировки доходило до такой высоты, что в некоторых местах практиковалось производство каменных зеркал, вполне пригодных для употребления (на Гавайях такие зеркала делали из базальта, в доколумбовской Мексике — из обсидиана). Шлифование и полирование явились последними звеньями в длинной цепи истории обработки камня.

Новые приемы обработки позволили человеку освоить более твердые породы камня: нефрит, жадеит, яшму, базальт, диорит и т.д. Эти материалы были более удобны для изготовления инструментов, в которых использовалась сила удара (например, топоров), чем хрупкий кремень. К тому же кремень был совершенно непригоден для сверления и плохо поддавался шлифовке.

7. МОТЫЖНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ

С древнейших времен одним из основных занятий человека было собирательство. Под этим словом современные ученые подразумевают сбор съедобных семян, орехов, фруктов, корней, личинок, яиц и т.п. Основным орудием при собирательстве была толстая палка-копалка, один конец которой был заострен и обожжен на огне для прочности. Но уже в очень древние времена наряду с ней стала употребляться палка с поперечным сучком, более удобная для копания земли. В этом орудии можно видеть прообраз мотыги. Позже рабочую часть такой палки стали делать из рога или кости. Наконец появились каменные мотыги, насаженные на деревянную ручку. Этим орудием можно было вскапывать землю, переворачивать ее и разбивать комья. Когда люди перешли к культурному возделыванию растений, мотыга на протяжении нескольких тысячелетий оставалась главным сельскохозяйственным инструментом земледельца.

Однако путь от простого сбора съедобных растений и плодов до сознательного возделывания земли и выращивания культурных растений был несказанно долгим и растянулся на сотни тысяч лет. Одна из наиболее ранних земледельческих культур на земле сложилась около 9-8 тысяч лет до Р.Х. на территории Палестины. Раскопки в горах Кармел дают основание утверждать, что местные жители не только систематически собирали дикий ячмень, но и производили посевы. Однако можно предположить, что в тропической зоне сознательное земледелие возникло еще раньше. Изучение таких культурных растений, как бананы, заставляет думать, что культурное возделывание их началось около 15 тысяч лет до Р.Х. Вместе с земледелием началась новая эра в истории человечества. С этого времени люди стали не только присваивать плоды природы, но и сознательно производить их. Их жизнь стала зависеть не столько от капризов природы, сколько от результатов собственной деятельности.

8. КОЛЕСО И ПОВОЗКА

Одним из величайших открытий в истории человечества было изобретение колеса. Считается, что его прообразом, возможно, стали катки, которые подкладывались под тяжелые стволы деревьев, лодки и камни при их перетаскивании с места на место. Возможно, тогда же были сделаны первые наблюдения над свойствами вращающихся тел. Например, если бревно-каток по какой-то причине в центре было тоньше, чем по краям, оно передвигалось под грузом более равномерно и его не заносило в сторону. Заметив это, люди стали умышленно обжигать катки таким образом, что средняя часть становилась тоньше, а боковые оставались неизменными. Таким образом получилось приспособление, которое теперь называется «скатом». В ходе дальнейших усовершенствований в этом направлении от цельного бревна остались только два валика на его концах, а между ними появилась ось. Позднее их стали изготовлять отдельно, а затем жестко скреплять между собой. Так было открыто колесо в собственном смысле этого слова и появилась первая повозка. В последующие века множество поколений мастеров потрудились над усовершенствованием этого изобретения. Первоначально сплошные колеса жестко скреплялись с осью и вращались вместе с ней. При передвижении по ровной дороге такие повозки были вполне пригодны для использования. Но на повороте, когда колеса должны вращаться с разной скоростью, это соединение создает большие неудобства, так как тяжелогруженная повозка может легко сломаться или перевернуться. Сами колеса были еще очень несовершенны. Их делали из цельного куска дерева. Поэтому повозки были тяжелыми и неповоротливыми. Передвигались они медленно, и обычно в них запрягали неторопливых, но могучих волов. Одна из древнейших повозок описываемой конструкции найдена при раскопках в Мохенджо-Даро.

Крупным шагом вперед в развитии техники передвижения стало изобретение колеса со ступицей, насаживающегося на неподвижную ось. В этом случае колеса вращались независимо друг от друга. А чтобы колесо меньше терлось об ось, ее стали смазывать жиром или дегтем. Ради уменьшения веса колеса в нем выпиливали вырезы, а для жесткости укрепляли поперечными скрепами. Ничего лучшего в эпоху каменного века придумать было нельзя. Но после открытия металлов стали изготавливать колеса с металлическим ободом и спицами. Такое колесо могло вращаться в десятки раз быстрее и не боялось ударов о камни. Запрягая в повозку быстроногих лошадей, человек значительно увеличил скорость своего передвижения.

Пожалуй, трудно найти другое открытие, которое дало бы такой мощный толчок развитию техники. Повозка, гончарный круг, мельница, водяное колесо и блок — вот далеко не полный перечень устройств, в основе которых лежит колесо. Каждое из этих изобретений составило эпоху в жизни человечества. Их совокупное воздействие на жизнь людей было так велико, что без всякого преувеличения можно сказать: колесо сдвинуло историю с мертвой точки и заставило ее мчаться в несколько раз быстрее.

9. ПРЯЛКА И ТКАЦКИЙ СТАНОК

Ткачество кардинальным образом изменило жизнь и облик человека. Вместо звериных шкур люди облачились в одежду, сшитую из льняных, шерстяных или хлопчатых тканей, которые с тех пор стали нашими неизменными спутниками. Однако прежде чем наши предки научились ткать, они должны были в совершенстве освоить технику плетения. Только выучившись плести циновки из веток и камыша, люди могли приступить к «переплетению» нитей.

Процесс производства ткани распадается на две основные операции — получение пряжи (прядение) и получение холста (собственно ткачество). Наблюдая за свойствами растений, люди заметили, что многие из них имеют в своем составе упругие и гибкие волокна. К числу таких волокнистых растений, использовавшихся человеком уже в глубокой древности, относятся лен, конопля, крапива, ксанф, хлопчатник и другие. После приручения животных наши предки получили вместе с мясом и молоком большое количество шерсти, также используемой для производства тканей. Перед началом прядения надо было подготовить сырье. Исходным материалом для пряжи служит прядильное волокно. Не вдаваясь в подробности, отметим, что мастеру надо немало потрудиться, прежде чем шерсть, лен или хлопок превратятся в прядильное волокно (наиболее это касается льна: процесс извлечения волокон из стебля растений здесь особенно трудоемок; но даже шерсть, которая, по сути, является уже готовым волокном, требует целого ряда предварительных операций по очистке, обезжириванию, просушке и т.п.). Но когда прядильное волокно получено, для мастера безразлично, шерсть это, лен или хлопок — процесс прядения и ткачества для всех видов волокон одинаковый.

Древнейшим и простейшим приспособлением для производства пряжи была ручная прялка, состоявшая из веретена, пряслицы и собственно прялки. Перед началом работы прядильное волокно прикрепляли на какой-нибудь воткнутый сук или палку с развилкой (позже этот сучок заменили доской, которая и получила название прялки). Затем мастер вытягивал из клубка пучок волокон и присоединял к особому приспособлению для скручивания нити. Оно состояло из палочки (веретена) и пряслицы (в качестве которой служил круглый камешек с дырочкой посередине). Пряслица насаживалась на веретено. Веретено вместе с прикрученным к нему началом нити приводили в быстрое вращение и тотчас отпускали. Повиснув в воздухе, оно продолжало вращаться, постепенно вытягивая и скручивая нить. Пряслица служила для того, чтобы усилить и сохранить вращение, которое иначе прекратилось бы через несколько мгновений. Когда нить становилась достаточно длинной, мастерица наматывала ее на веретено, а пряслица не давала растущему клубку соскользнуть. Затем вся операция повторялась. Несмотря на свою простоту, прялка была удивительным завоеванием человеческого ума. Три операции — вытягивание, кручение и наматывание нити объединились в единый производственный процесс. Человек получил возможность быстро и легко превращать волокно в нить. Заметим, что в позднейшие времена в этот процесс не было внесено ничего принципиально нового; он только был переложен на машины.

После получения пряжи мастер приступал к тканью. Первые ткацкие станки были вертикальными. Они представляли собой два вилообразно расщепленных вставленных в землю бруска, на вилообразные концы которых поперечно укладывался деревянный стержень. К этой поперечине, помещавшейся настолько высоко, чтоб можно было стоя доставать до нее, привязывали одну возле другой нити, составлявшие основу. Нижние концы этих нитей свободно свисали почти до земли. Чтобы они не спутывались, их натягивали подвесами. Начиная работу ткачиха брала в руку уток с привязанной к нему ниткой (в качестве утка могло служить веретено) и пропускала его сквозь основу таким образом, чтобы одна висящая нить оставалась по одну сторону утка, а другая — по другую. Поперечная нитка, например, могла проходить поверх первой, третьей, пятой и т.д. и под низом второй, четвертой, шестой и т.д. нитей основы, или наоборот. Такой способ тканья буквально повторял технику плетения и требовал очень много времени для пропускания нити утка то поверх, то под низ соответствующей нити основы. Для каждой из этих нитей необходимо было особое движение. Если в основе было сто нитей, то нужно было сделать сто движений для продевания утка только в одном ряду. Вскоре древние мастера заметили, что технику тканья можно упростить.

Действительно, если бы можно было сразу поднимать все четные или нечетные нити основы, мастер был бы избавлен от необходимости подсовывать уток под каждую нить, а мог сразу протянуть ее через всю основу: сто движений были бы заменены одним! Примитивное устройство для разделения нитей — ремез было придумано уже в древности. Поначалу ремезом служил простой деревянный стержень, к которому через один крепились нижние концы нитей основы (так, если четные привязывались к ремезу, то нечетные продолжали свободно висеть). Потянув на себя ремез, мастер сразу отделял все четные нити от нечетных и одним броском прокидывал уток через всю основу. Правда, при обратном движении утка вновь приходилось поодиночке проходить все четные нити. Работа ускорилась в два раза, но по-прежнему оставалась трудоемкой. Однако стало понятным, в каком направлении вести поиск: необходимо было найти способ попеременно отделять то четные, то нечетные нити. При этом нельзя было просто ввести второй ремез, потому что первый становился бы у него на пути. Тут остроумная идея привела к важному изобретению — к грузикам на нижних концах нитей стали привязывать шнурки. Вторые концы шнурков крепились к дощечкам-ремезам (к одному — четные, к другому — нечетные). Теперь ремезы не мешали взаимной работе. Потянув то за один ремез, то за другой, мастер последовательно отделял то четные, то нечетные нити и перебрасывал уток через основу. Работа ускорилась в десятки раз. Изготовление тканей перестало быть плетением и сделалось собственно ткачеством. Легко видеть, что при описанном выше способе крепления концов нитей основы к ремезам с помощью шнурков можно использовать не два, а больше ремезов. Например, можно было привязывать к особой дощечке каждую третью или каждую четвертую нить. Способы переплетения нитей при этом могли получаться самые разнообразные. На таком станке можно было ткать не только миткаль, но и киперную или атласную ткань.

В последующие века в ткацкий станок вносились различные усовершенствования (например, движением ремезов стали управлять с помощью педали ногами, оставляя руки ткача свободными), однако принципиально техника тканья не менялась вплоть до XVIII века. Важным недостатком описываемых станков было то, что, продергивая уток то вправо, то влево, мастер был ограничен длиной своей руки. Обычно ширина полотна не превышала полуметра, и для того чтобы получить более широкие полосы, их приходилось сшивать.

10. ГОНЧАРНЫЙ КРУГ И ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЖИГА. НАЧАЛО КЕРАМИКИ

Пластические свойства глины были известны человеку уже в глубокой древности. Она легко мялась и под умелыми руками быстро принимала такую форму, которую было очень трудно или даже невозможно придать другим известным материалам. Тогда же было обнаружено, что глиняные изделия после обжига их в огне удивительным образом меняют свои свойства — обретают твердость камня, водонепроницаемость и огнестойкость. Все это сделало глину наиболее удобным сырьем для изготовления посуды и кухонной утвари.

Как и все ремесла, техника керамики прошла долгий и сложный путь. Тысячелетия ушли на изучение достоинств и недостатков разнообразных глин. Из множества их видов древние мастера научились выбирать те, которые отличались наибольшей пластичностью, связанностью и влагоемкостью. В глиняную массу стали примешивать различные добавки, улучшающие качество изделий (например, крупный или мелкий песок). Одновременно древние гончары осваивали различные способы лепки. Придать куску сырой глины форму кувшина или хотя бы простого горшка было нелегко. Обычно гончар, взяв комочек глины, путем выдавливания средней его части и осторожного сдавливания боков вылеплял днище. Затем к краю днища мастер начинал прилеплять раскатанные полоски глины и так постепенно получал стенки. В конце концов выходил грубый сосуд, пригодный после обжига на костре к приготовлению в нем пищи.

Важным шагом в развитии гончарного производства стало освоение приема вращения. В этом случае мастер прилеплял к готовому днищу кусочек глины и, вращая днище левой рукой, правой обводил кусочком по спирали, постепенно вылепляя грани горшка. При этом способе изделие выходило более ровным. Позже для удобства работы под заготовку стали подкладывать деревянный диск. Потом пришли к мысли, что процесс лепки значительно упростится, если заставить этот диск вращаться вместе с заготовкой — так был изобретен простейший ручной гончарный круг. Он представлял собой диск, углубленный посередине примерно на половину своей толщины. Своим углублением диск насаживался на выступавший и несколько закругленный конец деревянного стержня, плотно укреплявшегося в земле. Для того чтобы стержень не шатался и удерживал вертикальное положение, между ним и кругом помещали неподвижную деревянную доску с отверстием посередине. Получалось хорошо прилаженное устройство. Одной рукой мастер приводил круг в плавное равномерное вращение, а другой начинал лепку. Это несложное приспособление произвело настоящий переворот в гончарном деле, подняв его до уровня искусства. Благодаря ему работа заметно ускорилась и улучшилась. При вращении изделия выходили гораздо более плотными и однородными. Их форма получалась правильной и изящной.

Новым шагом на пути совершенствования гончарного искусства стало изобретение ножного круга, который вошел в употребление во 2-м тысячелетии до Р.Х. Главные его преимущества заключались в том, что он позволил в несколько раз увеличить скорость вращения и освободил мастеру для работы обе руки. Основные отличия нового круга были следующие. Веретено (ось вращения) было удлинено. Вращающийся диск был жестко соединен с ним. Для укрепления веретена служили две доски. Нижняя была основой всего устройства (в ней было вырезано углубление, куда вставлялся конец веретена). Верхняя доска со сквозным отверстием поддерживала веретено в вертикальном положении. Наконец, к нижней части веретена было жестко присоединено ножное колесо. Усевшись рядом с кругом, гончар опирался ногой в нижний круг и приводил его в плавное движение. Благодаря тому, что нижнее колесо было тяжелее и больше диаметром, чем рабочее верхнее, оно выполняло роль маховика: сохраняло вращение некоторое время и после того, как нога с него была снята.

Одновременно с усовершенствованием гончарного круга шло усложнение техники обжига глины. В древности обжиг производился прямо на открытом огне при температуре в 300-400 градусов. Позже его стали производить в специальных печах. Уже первые примитивные печи позволяли вдвое увеличить температуру нагрева. Частички глины стали лучше сплавляться друг с другом, прочность изделий заметно возрастала. На смену прежним толстостенным сосудам приходят сосуды с тонкими как яичная скорлупа стенками (до 3 мм). Изобретение печей имело огромное значение для истории техники, так как положило начало сооружению высокотемпературных устройств, получивших затем распространение и в других отраслях хозяйства (прежде всего, в металлургии). Печь делалась следующим образом: из тонких стволов делали деревянный каркас, который обмазывался толстым слоем глины, только местами оставляя небольшие отверстия. Этот каркас ставили над углублением, представлявшим собой место для разжигания костра. От сильного огня деревянные части сгорали, а глина обжигалась и образовывала плотный под с отверстиями. При обжиге под и стенки печи раскалялись докрасна и тоже начинали излучать жар. Благодаря концентрации тепла внутри печи температура в ней могла подниматься до 800 и даже до 900 градусов.

11. ПИСЬМЕННОСТЬ

Нет нужды говорить о том, какое великое значение в истории человечества имело изобретение письменности. Невозможно даже представить себе, каким путем могло пойти развитие цивилизации, если бы на определенном этапе своего развития люди не научились фиксировать с помощью определенных символов нужную им информацию и таким образом передавать и сохранять ее. Очевидно, что человеческое общество в таком виде, в каком оно существует сегодня, просто не могло бы появиться.

Первые формы письменности в виде особым образом начертанных знаков появились около 4 тысяч лет до Р.Х. Но уже задолго до этого существовали различные способы передачи и хранения информации: с помощью определенным образом сложенных ветвей, стрел, дыма костров и тому подобных сигналов. Из этих примитивных систем оповещения позже появились более сложные способы фиксирования информации. Например, древние инки изобрели оригинальную систему «записи» с помощью узелков. Для этого использовались шнурки шерсти разного цвета. Их связывали разнообразными узелками и крепили на палочку В таком виде «письмо» посылалось адресату.

Существует мнение, что инки с помощью такого «узелкового письма» фиксировали свои законы, записывали хроники и стихи. «Узелковое письмо» отмечено и у других народов — им пользовались в древнем Китае и Монголии.

Однако письменность в собственном смысле слова появилась лишь после того, как люди для фиксации и передачи информации изобрели особые графические знаки. Самым древним видом письма считается пиктографическое. Пиктограмма представляет собой схематический рисунок, который непосредственно изображает вещи, события и явления, о которых идет речь.

Предполагается, что пиктография была широко распространена у различных народов на последней стадии каменного века. Это письмо очень наглядно, и поэтому ему не надо специально учиться. Оно вполне пригодно для передачи небольших сообщений и для записи несложных рассказов. Но когда возникала потребность передать какую-нибудь сложную абстрактную мысль или понятие, сразу ощущались ограниченные возможности пиктограммы, которая совершенно не приспособлена к записи того, что не поддается рисунчатому изображению (например, таких понятий, как бодрость, храбрость, зоркость, хороший сон, небесная лазурь и т.п.). Поэтому уже на ранней стадии истории письма в число пиктограмм стали входить особые условные значки, обозначающие определенные понятия (например, знак скрещенных рук символизировал обмен) Такие значки называются идеограммами.

Идеографическое письмо возникло из пиктографического, причем можно вполне отчетливо представить себе, как это произошло: каждый изобразительный знак пиктограммы стал все более обособляться от других и связываться с определенным словом или понятием, обозначая его. Постепенно этот процесс настолько развился, что примитивные пиктограммы утратили свою прежнюю наглядность, но зато обрели четкость и определенность. Процесс этот занял долгое время, быть может, несколько тысячелетий. Высшей формой идеограммы стало иероглифическое письмо. Впервые оно возникло в Древнем Египте. Позже иероглифическая письменность получила широкое распространение на Дальнем Востоке — в Китае, Японии и Корее. С помощью идеограмм можно было отразить любую, даже самую сложную и отвлеченную мысль. Однако для не посвященных в тайну иероглифов смысл написанного был совершенно непонятен. Каждый, кто хотел научиться писать, должен был запомнить несколько тысяч значков. Реально на это уходило несколько лет постоянных упражнений. Поэтому писать и читать в древности умели немногие.

Впрочем, надо сразу отметить, что в чистом виде идеография не существовала никогда. Например, в Древнем Египте наряду со значками, обозначавшими целые понятия и слова, существовали и другие знаки, обозначавшие слоги и даже отдельные звуки. Потребность в таких знаках очевидна, так как не все можно выразить в виде изображений (прежде всего, это касается личных имен).

В этих случаях египтяне превращали слова-иероглифы в буквы-иероглифы, из которых и составлялись слова, подлежащие передаче на письме согласно их звучанию. Например иероглиф «хт» — изображение дома — сделался двухбуквенным иероглифом, обозначающим звук[хт], иероглиф «мн» — изображение шахматной доски — стал иероглифом, обозначающим два звука[мн] и т.д. На первых порах значение фонетических иероглифов было вспомогательным, но со временем их роль все более возрастала, и в последние века существования египетской письменности значение фонетических иероглифов стало господствующим. Но к чисто фонографическому письму (то есть такому, где каждый знак обозначает отдельный звук или букву) египтяне так и не перешли. Это важное усовершенствование было сделано в письме других народов.

Люди далеко не сразу научились членить свою речь на простые элементы — звуки (фонемы). Гораздо легче речь делится на отдельные слоги. Поэтому во 2-м тысячелетии до Р.Х. сложилось несколько видов письма, в которых каждый знак обозначал отдельный слог (это письмо называется слоговым, классические примеры его — критское (минойское) письмо и письмо майя). Только в конце 2-го тысячелетия до Р.Х. древние финикийцы изобрели буквенно-звуковой алфавит, который послужил образцом для алфавитов многих других народов. Финикийский алфавит состоял из 22 согласных букв, каждая из которых обозначала отдельный звук. Изобретение этого алфавита стало для человечества большим шагом вперед. При помощи нового письма легко было передать графически любое слово, не прибегая к идеограммам. Обучиться ему было очень просто. Искусство письма перестало быть привилегией просвещенных. Оно стало достоянием всего общества или, по крайней мере, большей его части. Это послужило одной из причин быстрого распространения финикийского алфавита по всему миру. Как считают, четыре пятых всех известных ныне алфавитов возникло из финикийского. Так из разновидности финикийского письма (пунического) развилось ливийское. Непосредственно от финикийского произошло древнееврейское, арамейское и греческое письмо. В свою очередь, на основе арамейского письма сложились арабская, набатейская, сирийская, персидская и другие письменности. Греки внесли в финикийский алфавит последнее важное усовершенствование — они стали обозначать буквами не только согласные, но и гласные звуки. Греческий алфавит лег в основу большинства европейских алфавитов: латинского (от которого в свою очередь произошли французский, немецкий, английский, итальянский, испанский и др. алфавиты), коптского, армянского, грузинского и славянского (сербского, русского, болгарского и др.).

12. ПАРУС И КОРАБЛЬ

Считается, что прообраз паруса появился в глубокой древности, когда человек только начал строить лодки и отважился выйти в море. В начале парусом служила просто натянутая звериная шкура. Стоявшему в лодке человеку приходилось обеими руками держать и ориентировать ее относительно ветра. Когда люди придумали укреплять парус с помощью мачты и рей, неизвестно, но уже на древнейших дошедших до нас изображениях кораблей египетской царицы Хатшепсут можно видеть деревянные мачты и реи, а также штаги (тросы, удерживающие от падения назад мачту), фалы (снасти для подъема и спуска парусов) и другой такелаж. Следовательно, появление парусного судна надо отнести к доисторическим временам.

Многое свидетельствует о том, что первые большие парусные корабли появились в Египте, и Нил был первой многоводной рекой, на которой стало развиваться речное судоходство. Каждый год с июля по ноябрь могучая река выходила из берегов, заливая своими водами всю страну. Селения и города оказывались отрезанными друг от друга подобно островам. Поэтому суда были для египтян жизненной необходимостью. В хозяйственной жизни страны и в общении между людьми они играли гораздо большую роль, чем колесные повозки. Одной из ранних разновидностей египетских кораблей, появившихся около 5 тысяч лет до Р.Х., была барка. Она известна современным ученым по нескольким моделям, установленным в древних храмах. Поскольку Египет очень беден лесом, для строительства первых кораблей широко применялся папирус Особенности этого материала определили конструкцию и форму древнеегипетских судов. Это была серповидная, связанная из пучков папируса ладья с изогнутыми кверху носом и кормой. Для предания кораблю прочности корпус стягивался тросами. Позже, когда наладилась регулярная торговля с финикийцами и в Египет начал поступать в большом количестве ливанский кедр, дерево стало широко применяться при кораблестроении. Представление о том, какие типы судов строились тогда, дают настенные рельефы некрополя близ Саккары, относящиеся к середине 3-го тысячелетия до Р.Х. В этих композициях реалистически отображены отдельные стадии постройки дощатого корабля. Корпуса кораблей, не имевшие ни киля (в древности это была балка, лежащая в основании днища судна), ни шпангоутов (поперечных кривых брусьев, обеспечивающих прочность бортов и днища), набирались из простых плашек и конопатились папирусом. Укреплялся корпус посредством канатов, обтягивавших судно по периметру верхнего пояса обшивки. Такие суда едва ли обладали хорошими мореходными качествами. Однако для плаванья по реке они вполне годились. Используемый египтянами прямой парус позволял им плыть только по ветру. Такелаж крепился на двуногой мачте, обе ноги которой устанавливались перпендикулярно средней линии судна. В верхней части они плотно связывались. Степсом (гнездом) для мачты служило балочное устройство в корпусе судна. В рабочем положении эту мачту удерживали штаги — толстые тросы, шедшие от кормы и носа, а в сторону бортов ее поддерживали ноги. Прямоугольный парус крепился на двух реях. При боковом ветре мачту поспешно убирали. Позднее, примерно к 2600 году до Р.Х., на смену двуногой мачте пришла применяемая и поныне одноногая. Одноногая мачта облегчала хождение под парусами и впервые дала судну возможность маневрировать. Однако прямоугольный парус был ненадежным средством, которым можно было пользоваться только при попутном ветре. Основным двигателем корабля оставалась мускульная сила гребцов. По-видимому, египтянам принадлежит важное усовершенствование весла — изобретение уключин. Их еще не было в Древнем царстве, но затем весло стали крепить с помощью веревочных петель. Это сразу позволило увеличить силу гребка и скорость судна. Известно, что отборные гребцы на судах фараонов делали 26 гребков в минуту, что позволяло развивать скорость 12 км/ч. Управляли такими кораблями с помощью двух рулевых весел, расположенных на корме. Позднее их стали крепить к балке на палубе, вращая которую можно было выбирать нужное направление (этот принцип управления судном с помощью поворота пера руля остается неизменным по сей день). Древние египтяне не были хорошими мореходами. На своих кораблях они не решались выходить в открытое море. Однако вдоль берега их торговые суда совершали далекие путешествия. Так, в храме царицы Хатшепсут есть надпись, сообщающая о морском походе, совершенном египтянами около 1490 года до Р.Х. в таинственную страну благовоний Пунт, находившуюся в районе современного Сомали.

Следующий шаг в развитии кораблестроения был сделан финикийцами. В отличие от египтян, финикийцы в избытке имели для своих судов прекрасный строительный материал. Их страна тянулась узкой полосой вдоль восточных берегов Средиземного моря. Обширные кедровые леса росли здесь почти у самого берега. Уже в древности финикийцы научились делать из их стволов высококачественные долбленные лодки-однодревки и смело выходили на них в море. В начале 3-го тысячелетия до Р.Х., когда стала развиваться морская торговля, финикийцы начали строить корабли. Морское судно значительно отличается от лодки, для его сооружения необходимы свои конструкционные решения. Важнейшие открытия на этом пути, определившие всю дальнейшую историю судостроения, принадлежат финикийцам. Может быть, скелеты животных навели их на мысль установить на однодревках ребра жесткости, которые покрывали сверху досками. Так впервые в истории кораблестроения были применены шпангоуты, до сих пор имеющие широкое использование. Точно так же финикийцы впервые построили килевое судно (первоначально килем служили два ствола, соединенные под углом). Киль сразу придал корпусу устойчивость и позволил установить продольные и поперечные связи. К ним крепились доски обшивки. Все эти новшества явились решающей основой для быстрого развития судостроения и определили облик всех последующих кораблей.

С середины 2-го тысячелетия до Р.Х. начался бурный расцвет финикийских городов, обязанных своим процветанием средиземноморской торговле. Пузатые финикийские корабли стали мостом между странами. Во всех направлениях они пересекали море и возвращались назад, нагруженные сокровищами. Громадные богатства, которые извлекали финикийцы из своих предприятий, делали их все решительнее и храбрее. В далеких землях они основывали свои фактории и колонии, со временем также превращавшиеся в цветущие города. Их торговые пути простирались от Индии до Африки и Британии. За шесть веков до Р.Х. несколько финикийских кораблей, отплыв из Красного моря, обогнули Африку и вернулись в Средиземное море со стороны Гибралтарского пролива.

Кроме торговых судов, финикийцы строили много боевых кораблей, оснащенных мощными таранами. Они первые задумались над тем, каким образом можно увеличить скорость судна. В то время, когда парус играл лишь вспомогательную роль, в бою и во время погони приходилось рассчитывать прежде всего на весла. Таким образом, скорость корабля прямо зависела от числа гребцов. Сначала длину корабля выбирали, исходя из нужного числа весел. Однако беспредельно увеличивать ее было невозможно. Выход был найден в строительстве кораблей с несколькими рядами весел. Сначала стали строить корабли, у которых весла располагались друг над другом в два яруса. Самое раннее изображение двухъярусного корабля обнаружено во дворце ассирийского царя Саннахериба. Нижний ряд гребцов на нем скрыт под палубой, а верхний располагался прямо на ней. Позже появились трехъярусные корабли — триремы. По свидетельству Климента Александрийского, именно финикийцы построили первые триремы, которые, как показала история, оказались наиболее оптимальным вариантом гребного судна. Это были корабли весьма значительных размеров, имевшие три ряда весел, расположенных один над другим в шахматном порядке. Весла были различной длины, в зависимости от того, в каком ряду находились гребцы. Самые сильные сидели на верхней палубе, так как им приходилось управлять самыми длинными веслами. Триремы были очень легки на ходу, маневренны и обладали хорошей скоростью. По примеру финикийцев их стали строить все морские народы Средиземного моря.

Разумеется, не раз делались попытки увеличить число гребных ярусов. У македонского царя Деметрия Полиоркета были корабли с 6-ю и 7-ю рядами гребцов. У египетского царя Птолемея Филадельфа было два корабля с 30-ю рядами весел, а другой египетский царь Птолемей Филопатр имел корабль с 40-а рядами весел. По размерам он не уступал большому современному лайнеру, имел 4 тысячи гребцов, 3 тысячи человек экипажа и 400 человек прислуги. Но все подобные корабли были громоздкими и неповоротливыми. Позже римляне вернулись к хорошо зарекомендовавшим себя триремам, которые и оставались основным типом морского судна на протяжении всей античности.

13. БРОНЗА

В 3— м тысячелетии до Р.Х. люди начали широко применять в своей хозяйственной деятельности металлы. Переход от каменных орудий к металлическим имел колоссальное значение в истории человечества. Пожалуй, никакое другое открытие не привело к таким значительным общественным сдвигам.

Первым металлом, получившим широкое распространение, была медь. Постоянно разыскивая необходимые им камни, наши предки, надо думать, уже в древности обратили внимание на красновато-зеленые или зеленовато-серые куски самородной меди. В обрывах берегов и скал им попадались медный колчедан, медный блеск и красная медная руда (куприт). Поначалу люди использовали их как обыкновенные камни и обрабатывали соответствующим способом. Вскоре они открыли, что при обработке меди ударами каменного молотка ее твердость значительно возрастает и она делается пригодной для изготовления инструментов. Таким образом вошли в употребление приемы холодной обработки металла или примитивной ковки. Затем было сделано другое важное открытие — кусок самородной меди или поверхностной породы, содержавшей металл, попадая в огонь костра, обнаруживал новые, не свойственные камню особенности: от сильного нагрева металл расплавлялся и, остывая, приобретал новую форму. Если форму делали искусственно, то получалось необходимое человеку изделие. Это свойство меди древние мастера использовали сначала для отливки украшений, а потом и для производства медных орудий труда. Так зародилась металлургия. Плавку стали осуществлять в специальных высокотемпературных печах, представлявших собой несколько измененную конструкцию хорошо известных людям гончарных печей. Вообще говоря, медь — мягкий металл, сильно уступающий в твердости камню. Но медные инструменты можно было быстро и легко затачивать. (По наблюдениям С.А. Семенова, при замене каменного топора на медный скорость рубки увеличивалась примерно в три раза.) Спрос на металлические инструменты стал быстро расти. Люди начали настоящую «охоту» за медной рудой. Оказалось, что она встречается далеко не везде. В тех местах, где обнаруживались богатые залежи меди, возникала их интенсивная разработка, появлялось рудное и шахтное дело. Как показывают открытия археологов, уже в древности процесс добычи руды был поставлен с большим размахом. Например, вблизи Зальцбурга, где добыча меди началась около 1600 года до Р.Х., шахты достигали глубины 100 метров, а общая длина отходящих от каждой шахты штреков составляла несколько километров. Древним рудокопам приходилось решать все те задачи, которые стоят и перед современными шахтерами: укрепление сводов, вентиляция, освещение, подъем на гора добытой руды. Штольни укрепляли деревянными подпорками. Добытую руду плавили неподалеку в невысоких глиняных печах с толстыми стенками. Подобные центры металлургии существовали и в других местах.

В конце 3-го тысячелетия до Р.Х. древние мастера начали использовать свойства сплавов, первым из которых стала бронза. На открытие бронзы людей должна была натолкнуть случайность, неизбежная при массовом производстве меди. Некоторые сорта медных руд содержат незначительную (до 2%) примесь олова. Выплавляя такую руду, мастера заметили, что медь, полученная из нее, намного тверже обычной. Оловянная руда могла попасть в медеплавильные печи и по другой причине. Как бы то ни было, наблюдения за свойствами руд привели к освоению значения олова, которое и стали добавлять к меди, образуя искусственный сплав бронзу. При нагревании с оловом медь плавилась лучше и легче подвергалась отливке, так как становилась более текучей. Бронзовые инструменты были тверже медных, хорошо и легко затачивались. Металлургия бронзы позволила в несколько раз повысить производительность труда во всех отраслях человеческой деятельности. Само производство инструментов намного упростилось: вместо того чтобы долгим и упорным трудом оббивать и шлифовать камень, люди наполняли готовые формы жидким металлом и получали результаты, которые и во сне не снились их предшественникам. Техника литья постепенно совершенствовалась. Сначала отливку производили в открытых глиняных или песчаных формах, представлявших собой просто углубление. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, которые можно было использовать многократно. Однако большим недостатком открытых форм было то, что в них получались только плоские изделия. Для отливки изделий сложной формы они не годились. Выход был найден, когда изобрели закрытые разъемные формы. Перед литьем две половинки формы крепко соединялись между собой. Затем через отверстие заливалась расплавленная бронза. Когда металл остывал и затвердевал, форму разбирали и получали готовое изделие. Такой способ позволял отливать изделия сложной формы, но он не годился для фигурного литья. Но и это затруднение было преодолено, когда изобрели закрытую форму. При этом способе литья сначала лепилась из воска точная модель будущего изделия. Затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи. Воск плавился и испарялся, а глина принимала точный слепок модели. В образовавшуюся таким образом пустоту заливали бронзу. Когда она остывала, форму разбивали. Благодаря всем этим операциям мастера получили возможность отливать даже пустотелые предметы очень сложной формы. Постепенно были открыты новые технические приемы работы с металлами, такие как волочение, клепка, пайка и сварка, дополнявшие уже известные ковку и литье.

С развитием металлургии бронзовые изделия повсюду стала вытеснять каменные. Но не нужно думать, что это произошло очень быстро. Руды цветных металлов имелись далеко не везде. Причем олово встречалось гораздо реже, чем медь. Металлы приходилось транспортировать на далекие расстояния. Стоимость металлических инструментов оставалась высокой. Все это мешало их широкому распространению. Бронза не могла до конца заменить каменные инструменты. Это оказалось под силу только железу.

14. ЖЕЛЕЗО

Свободное самородное железо в земной коре, в отличие от меди, почти не встречается. Но оно входит в состав многих минералов и распространено гораздо шире цветных металлов. В древности его можно было добывать буквально повсюду — из озерных, болотистых, луговых и других руд. Однако, по сравнению с металлургией меди, металлургия железа является достаточно сложным процессом. Железо плавится при температуре 1539 градусов. Такая высокая температура была совершенно недоступна древним мастерам. Поэтому железо вошло в обиход человека значительно позже меди. Его широкое применение в качестве материала для изготовления оружия и инструментов началось только в 1-м тысячелетии до Р.Х., когда стал известен сыродутный способ восстановления железа (впрочем, некоторые народы научились металлургии железа значительно раньше; например, племена, населявшие территорию современной Армении, умели получать железо из руд уже в начале 3-го тысячелетия до Р.Х.).

Наиболее распространенные железные руды (магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк) представляют собой либо соединение железа с кислородом (оксид железа), либо гидрат окиси железа. Для того чтобы выделить металлическое железо из этих соединений, необходимо восстановить его — то есть отнять у него кислород. Разумеется, древние мастера не имели понятия о сложных химических процессах, которые происходили при восстановлении железа. Однако, наблюдая за «плавкой» руды, они в конце концов установили несколько важных закономерностей, которые и легли в основу простейших методов производства железа. Прежде всего, наши предки заметили, что для получения железа вовсе не обязательно доводить его до температуры плавления. Металлическое железо можно получать и при гораздо меньших температурах, но при этом должно быть больше топлива, чем при выплавке меди, и это топливо должно быть лучшего качества. Необходимо также, чтобы огонь был как можно более «горячим». Все это требовало особого устройства печи и условий плавки.

Как правило, приступая к «плавке» железа, мастера сначала выкапывали круглую яму, стенки которой изнутри обмазывались толстым слоем глины. С наружной стороны к этой яме подводилось отверстие для нагнетания воздуха. Затем над округлой нижней частью сооружали верхнюю в виде конуса. В качестве топлива использовался древесный уголь. Его засыпали в самый низ печи — в яму. Сверху на него укладывали слоями шихту — измельченную руду и уголь. На самый верх засыпали толстый слой угля. После того как топливо внизу поджигалось, начинался сильный разогрев руды. При этом шла химическая реакция окисления углерода (угля) и восстановления железа. В виде мельчайших лепестков тестообразное железо, которое было в три раза тяжелее шлака, опускалось вниз и оседало в нижней части печи. В результате на дне ямы собирался ком мягкого сварного железа — крица, весом от 1 до 8 кг. Она состояла из мягкого металла с пустотами, заполненными твердыми шлаками. Когда «плавка» заканчивалась, печь разламывали и извлекали из нее крицу. Дальнейшая обработка происходила в кузнице, где крицу снова разогревали в горне и обрабатывали ударами молота, чтобы удалить шлак. В металлургии железа ковка на многие века сделалась основным видом обработки металла, а кузнечное дело стало важнейшей отраслью производства. Только после ковки железо приобретало удовлетворительные качества. Чистое железо, впрочем, невозможно использовать из-за его мягкости. Хозяйственное значение имел только сплав железа с углеродом. Если полученный металл содержал от 0, 3 до 1, 7% углерода, получалась сталь, то есть железо, которое приобрело новое свойство — способность к закалке. Для этого изготовленный инструмент нагревали докрасна, а затем охлаждали в воде. После закалки он становился очень твердым и приобретал замечательные режущие качества.

При естественном притоке воздуха температура в печи поднималась не выше 1000 градусов. Уже в древности было замечено, что из той же руды можно получить больше железа и лучшего качества, если в печь искусственно нагнетать воздух с помощью мехов. Меха делались из шкур, снабжались дульцами и приводились в движение вручную. С помощью сопел и мехов в печь нагнетали сырой неподогретый воздух, откуда и пошло название всего процесса. Однако и при этом способе температура могла подниматься только до 1200 градусов, и из руды извлекалось не более половины содержавшегося в ней железа.

Являясь общедоступным и дешевым материалом, железо очень скоро проникло во все отрасли производства, быта и военного дела и произвело переворот во всех сферах жизни. Железный топор и соха с железным лемехом позволили освоить земледелие тем народам, которым до этого оно было совершенно недоступно. Только после распространения железа земледелие у большинства народов превратилось в важнейшую отрасль производства. Железо дало ремесленнику инструменты такой твердости и остроты, которым не могли противостоять ни камень, ни бронза. Они явились той основой, на которой стали бурно развиваться другие ремесла. Эти крупные сдвиги положили конец первобытному обществу. На смену ему пришло более развитое — классовое общество.

15. ПЛУГ

На протяжении нескольких тысячелетий земледелие оставалось мотыжным. В тех областях, где почвы были мягкими (например, в долине Нила или Месопотамии), мотыгой можно было хорошо возделывать поле. Поэтому земледелие здесь стало бурно развиваться еще в глубокой древности. Однако производительность труда земледельца была незначительной. К тому же столь благоприятные условия являлись редким исключением. Обычно крестьянам приходилось поднимать целинные луга, поросшие многолетними травами, с мощным переплетением корней. Для человека, вооруженного одной мотыгой, эти почвы были трудным, часто непреодолимым препятствием. Ощущалась нужда в таком орудии обработки земли, с помощью которого можно было бы не вскапывать, а подрезать пласты дерна снизу. Этим орудием и стал плуг.

Плуг развился из особого инструмента древних земледельцев, который современные ученые окрестили «бороздовой палкой». С помощью этой палки земледелец прокладывал в поле борозды, делящие его на гряды. Отличительной чертой этих палок была рабочая часть, направленная под острым углом к рукоятке. Использование их подало мысль древним земледельцам, что почву можно обрабатывать не копанием, как это делалось раньше, а волочением. Тогда, видимо, и появился прообраз плуга — раздвоенная палка с заостренным концом (здесь уже видны в зародыше дышла и лемех). Впрягшись в такое устройство, земледелец тащил его за собой, проделывая борозду. Конечно, использовать такое орудие можно было лишь на очень мягких почвах, уже взрыхленных многолетней обработкой, где не было ни камней, ни дерна. Для того чтобы пахать более твердые почвы, необходимо было усилить давление на лемех. Так была изобретена рукоятка. Дальнейшее усовершенствование этого пахотного орудия можно наблюдать в одном древнеассирийском памятнике. Это был уже в полном смысле плуг, имевший все три его основные части: дышло, лемех и рукоятку. В такой форме он требовал двух работников: один тащил плуг, а другой направлял его и держал в земле. Все первые плуги приводились в движение силой человека. Разумеется, крестьянина тяготила такая работа, и спустя некоторое время он стал запрягать в плуг быков. Поначалу люди просто привязывали плуг к рогам волов, позже появились ярмо и примитивная упряжь. Скорость обработки земли сразу возросла в несколько раз, а сама работа облегчилась.

Первые плуги изготовлялись из корневищ дуба, бука, клена и некоторых других деревьев и представляли собой цельные куски дерева. Затем лемех стали укреплять железом. Прошло много лет, прежде чем в плуге были сделаны дальнейшие усовершенствования. В сочинениях Плиния — римского писателя I века нашей эры — мы находим описание плуга, который, в отличие от предшествующих, снабжен колесом, ножом и отвальными досками. Колесо не давало плугу входить слишком глубоко в землю, нож служил для того, чтобы взрезывать дерн. Важным новшеством был отвал. Назначение отвала — переворачивать дерн, который срезали нож и лемех. Плуг без отвала при движении только разрыхлял землю. Отвал переворачивал дерн таким образом, что сорная трава оказывалась под землей. Изобретение отвала было огромным событием в истории плуга. В таком виде плуг просуществовал вплоть до конца средних веков, когда в него были внесены новые усовершенствования.

Распространение плуга с железным лемехом произвело кардинальный переворот в земледелии. Плужное земледелие преобразовало сельское хозяйство, явилось его высшим достижением и в немалой степени способствовало возникновению многих цивилизаций Старого Света. Преимущество плужного земледелия перед мотыжным настолько очевидно, что в представлении древних людей его изобретение было делом богов. Египтяне считали плуг даром Осириса, греки — Афины-Паллады, индийцы — Агни, а жители Китая — божественного Шенпунгу.

16. РЫЧАГ, БЛОК И НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ

Уже в глубокой древности для подъема тяжестей человек стал применять простые механизмы: рычаг, ворот и наклонную плоскость. Позже к ним прибавились еще блок и винт. Эти несложные приспособления позволяли многократно увеличить мускульные усилия человека и справиться с такими тяжестями, которые при других обстоятельствах были бы совершенно неподъемными. Принцип действия простых механизмов хорошо известен. Например, если нужно втащить груз на определенную высоту, всегда легче воспользоваться пологим подъемом, чем крутым. Причем, чем положе уклон, тем легче выполнить эту работу. Эта связь имеет четкое математическое выражение. Если наклонная плоскость имеет угол d, то втащить груз по ней будет в 1/sin d раз легче, чем поднять его вертикально. Если угол составляет 45 градусов, наше усилие будет в 1, 5 раза меньше, если 30 градусов — в 2 раза меньше, при угле в 5 градусов мы потратим в 11 раз меньше усилий, а при угле в 1 градус — в 57 раз! Правда, все, что выигрывается в силе, теряется в расстоянии, ибо во сколько раз уменьшается наше усилие, во столько же раз возрастает расстояние, на которое придется тащить груз. Однако в тех случаях, когда время и расстояние не играют большой роли, а важна сама цель — поднять груз с наименьшим усилием, наклонная плоскость оказывается незаменимым помощником. Другим простым механизмом — рычагом — наши далекие предки постоянно пользовались для того, чтобы приподнимать и сдвигать с места тяжелые камни и бревна. Рычаг позволяет достигнуть многократного выигрыша в силе самыми простыми и доступными средствами. Положив длинный и крепкий шест на обрубок полена (опору) и подсунув второй конец его под камень, человек превращал шест в простейший рычаг. В этой ситуации на камень начинали действовать два вращающих момента, один от веса камня, а другой — от руки человека. Для того чтобы камень сдвинулся с места, «подталкивающий» момент от мускульной силы человека должен быть больше «прижимающего» от веса камня. Момент, как известно, равен произведению приложенной силы на длину плеча рычага (в данном случае плечо — это расстояние от конца шеста (точки приложения силы) до полена (точки опоры)). Легко подсчитать, что если плечо, на которое давит человек в 15-20 раз длиннее того, которое подсунуто под камень, то сила человека соответственно тоже возрастает в 15-20 раз. То есть человек, не очень напрягаясь, может сдвинуть камень весом в тонну! Неподвижный блок — третий механизм, получивший распространение в древности — представляет собой колесо с желобом, ось которого жестко прикреплена к стене или потолочной балке. Перекинув через колесо веревку и прикрепив ее противоположный конец к грузу, можно поднять его на высоту крепления блока. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но зато предоставляет возможность изменить ее направление, что зачастую при подъеме тяжестей тоже имеет огромное значение.

При всей своей примитивности простые механизмы многократно расширяли возможности древнего человека. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о гигантских постройках древних египтян. Например, пирамида Хеопса имела высоту 146 м. Подсчитано, что для ее возведения потребовалось 23300000 каменных глыб, каждая из которых весила в среднем около 2, 5 тонн. Но и это был не предел — при строительстве храмов египтяне транспортировали, поднимали и устанавливали колоссальные обелиски и статуи, вес которых составлял десятки и сотни тонн! Какие же механизмы использовали эти древние строители для того, чтобы поднимать на огромную высоту исполинские глыбы и статуи? Оказывается, все это можно сделать с помощью тех же простых устройств — блока, рычагов и наклонной плоскости. Колоссальные статуи и каменные глыбы перетаскивались на массивных салазках, которые тянуло большое количество людей. Каждый из работавших имел веревку, переброшенную через плечо. Под салазки подкладывались катки, которые после протаскивания груза подбирались и снова подкладывались под полозья. Для преодоления препятствий салазки приподнимались с помощью рычагов. В качестве них употребляли стесанные бревна. Упорами служили специально изготовленные клинья разного размера. Работа сопровождалась музыкой. Главным подъемным приспособлением египтян была наклонная плоскость — рампа. Остов рампы, то есть ее боковые стороны и перегородки, на небольшом расстоянии друг от друга пересекавшие рампу, строились из кирпича; пустоты заполнялись тростником и ветвями. По мере роста пирамиды рампа надстраивалась. По этим рампам камни тащили на салазках таким же образом, как и по земле, помогая себе при этом рычагами. Угол наклона рампы был очень незначительным — 5 или 6 градусов. Таким образом, например, наклонная дорога к пирамиде Хафра при высоте подъема в 46 метров имела длину около полукилометра. Соответственно для сооружения более высоких пирамид приходилось строить рампу еще длиннее.

К иным приемам прибегали при подъеме длинных каменных глыб и статуй. Для этого применяли блоки. Однако поднять с помощью блоков огромные камни, какими являлись обелиски до 300 тонн весом и гигантские статуи царей, достигавшие 1000 тонн веса, невозможно. Для установки таких статуй и обелисков приходилось проводить значительную подготовительную работу. В качестве подъемного приспособления здесь опять выступала наклонная плоскость — рампа. Прежде всего по обе стороны пьедестала возводились каменные стены. К одной из них пристраивалась наклонная плоскость, высотой несколько меньше, чем высота устанавливаемого обелиска. Все четыре стены рампы образовывали как бы кирпичный колодец. В одной из его стен на уровне земли делался сквозной коридор. Все пространство внутри засыпалось песком. Затем по наклонной плоскости втаскивали основанием вперед законченный обелиск. После этого через коридор в стене начинали выносить песок, и обелиск под собственной тяжестью начинал плавно опускаться на пьедестал, постепенно принимая вертикальное положение. После установки стена и рампа разбирались.

Широко применяя наклонную плоскость и рычаг, древние египтяне, кажется, не задумывались о законах, которые лежат в основе простых механизмов. По крайней мере, до нас не дошло ни одного вавилонского или египетского текста с описанием их действия. Эту работу провели только ученые Древней Греции. Классические расчеты действия рычага, наклонной плоскости и блока принадлежат выдающемуся античному механику Архимеду из Сиракуз. Архимед изучил механические свойства подвижного блока и применил его на практике. По свидетельству Афинея, «для спуска на воду исполинского корабля, построенного сиракузским тираном Гиероном, придумывали много способов, но механик Архимед один сумел сдвинуть корабль с помощью немногих людей; Архимед устроил блок и посредством него спустил на воду громадный корабль; он первый придумал устройство блока». Из этого свидетельства видно, что Архимед не только изучил свойства простых механизмов, но и сделал следующий шаг — стал сооружать на их основе более сложные машины, преобразующие и усиливающие движение. Возможно, что корабль ему удалось сдвинуть с помощью системы подвижных и неподвижных блоков (подобной современным талям), используя которые можно многократно увеличить прилагаемое усилие. Когда на родной город Архимеда напали римляне, он применил свои знания в военной технике. По его чертежам сиракузяне построили множество самых разнообразных боевых машин. Среди них были метательные орудия; поворотные краны, низвергавшие на римские корабли огромные камни; привязанные к цепям железные лапы, которые захватывали и переворачивали вражеские корабли.

17. МЕЛЬНИЦА

Первыми инструментами для измельчения зерна в муку были каменная ступка и пестик. Некоторым шагом вперед по сравнению с ними явился метод перетирания зерна вместо толчения. Люди очень скоро убедились, что при перетирании мука получается гораздо лучше. Однако это также была крайне утомительная работа. Большим усовершенствованием стал переход от движения терки вперед и назад к вращению. Пестик сменился плоским камнем, который двигался по плоскому каменному блюду. От камня, который перетирает зерно, было уже легко перейти к жернову, то есть заставить один камень скользить при вращении по другому. Зерно понемногу подсыпалось в отверстие в середине верхнего камня жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнем и растиралось в муку. Эта ручная мельница получила самое широкое распространение в Древней Греции и Риме. Конструкция ее очень проста. Основанием мельницы служил камень, выпуклый посередине. На его вершине располагался железный штифт. Второй, вращающийся камень имел два колоколообразных углубления, соединенных между собой отверстием. Внешне он напоминал песочные часы и был внутри пустой. Этот камень насаживали на основание. В отверстие вставлялась железная полоса. При вращении мельницы зерно, попадая между камнями, перетиралось. Мука собирались у основания нижнего камня. Подобные мельницы были самых разных размеров: от маленьких, вроде современных кофемолок, до больших, которые приводили во вращение два раба или осел. С изобретением ручной мельницы процесс размалывания зерна облегчился, но по-прежнему оставался трудоемким и тяжелым делом. Не случайно, именно в мукомольном деле возникла первая в истории машина, работавшая без использования мускульной силы человека или животного. Речь идет о водяной мельнице. Но сначала древние мастера должны были изобрести водяной двигатель.

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.

С течением времени китайцы достигли высочайшего искусства в изготовлении бумаги. На протяжении нескольких веков они, по своему обыкновению, тщательно хранили секреты бумажного производства. Но в 751 году во время столкновения с арабами в предгорьях Тянь-Шаня несколько китайских мастеров попали в плен. От них арабы научились сами делать бумагу и в течение пяти веков очень выгодно сбывали ее в Европу. Европейцы были последними из цивилизованных народов, которые научились сами изготавливать бумагу. Первыми это искусство переняли от арабов испанцы. В 1154 году бумажное производство было налажено в Италии, в 1228-м — в Германии, в 1309-м — в Англии. В последующие века бумага получила во всем мире широчайшее распространение, постепенно завоевывая все новые и новые сферы применения. Значение ее в нашей жизни столь велико, что, по мнению известного французского библиографа А. Сима, нашу эпоху можно с полным правом назвать «бумажной эрой».

19. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

Создание механических часов имело огромное значение для истории техники. Дело даже не столько в том, что люди получили в свое распоряжение удобный прибор для измерения времени. Влияние этого изобретения было несравненно шире. Часы стали первым автоматом, созданным для практических целей и получившим повсеместное распространение. Целых три столетия они оставались самым сложным техническим устройством и, наподобие магнита, притягивали к себе творческую мысль механиков. Не было другой такой области техники, где было бы приложено столько гениальной изобретательности, знания и остроумия, как при создании и усовершенствовании часового механизма. Поэтому не будет большим преувеличением сказать, что XIV-XVII века в истории техники прошли под знаком часов. Для самой техники и ее творцов это было время возмужания. По сравнению с прежними примитивными устройствами часы стали как бы большим качественным шагом вперед. Создание их требовало сложных расчетов и кропотливого труда, особых инструментов и новых материалов, они давали прекрасную возможность для соединения науки и практики. Многие конструкторские идеи, получившие потом распространение в других отраслях техники, были поначалу опробованы в часах, а для многих механизмов, созданных в последующие времена, часы послужили образцом. Они явились как бы опытной моделью всего механического искусства вообще. Трудно назвать еще какое-либо устройство, давшее столь богатое поле для работы человеческой мысли.

Различные устройства для измерения времени создавались уже в глубокой древности. Непосредственными предшественниками механических часов, подготовившими их изобретение, были водяные часы. В сложных водяных часах уже использовались циферблат с перемещающейся по нему стрелкой, груз в качестве движущей силы, колесные передачи, механизм боя и марионетки, разыгрывавшие различные сцены. Так, например, настоящим техническим шедевром своего времени были водяные часы, подаренные Карлу Великому халифом Гаруном-аль-Рашидом. Богато украшенные, они имели часовой циферблат и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал на декоративную решетку. В полдень у этих часов открывались ворота и из них выезжали рыцари. В средневековых хрониках есть много упоминаний и о других остроумных конструкциях водяных часов. Однако подлинный переворот в технике и хронометрии произошел, как уже говорилось, только после появления колесных механических часов.

Первые упоминания о башенных колесных часах в Европе приходятся на границу XIII и XIV веков. Могли ли такие часы появиться раньше? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, из каких основных компонентов состоит часовой механизм. Таких главных узлов можно выделить шесть: 1) двигатель; 2) передаточный механизм из зубчатых колес; 3) регулятор, создающий равномерное движение; 4) распределитель, или спуск; 5) стрелочный механизм и 6) механизм перевода и заводки часов.

Первые часовые механизмы приводились в движение энергией опускающегося груза. Приводной механизм состоял из гладкого деревянного вала и намотанного на него пенькового каната с каменной, а позднее металлической гирей на конце. Благодаря силе тяжести гири, канат начинал разматываться и вращал вал. На вал было насажено большое или главное зубчатое колесо, находившееся в сцеплении с зубчатыми колесами передаточного механизма. Таким образом, вращение от вала передавалось механизму часов.

Уже прежде мы упоминали, что период вращения колес в зубчатой передаче зависит от отношения диаметров входящих в нее колес (или, что то же самое, отношения числа зубьев). Подбирая колеса с разным количеством зубьев, несложно добиться, например, чтобы одно из них совершало оборот ровно за 12 часов. Если насадить на вал этого колеса стрелку, то она будет совершать полный оборот за то же время. Понятно, что так же можно подобрать колеса, делающие полный оборот за минуту или за час; с ними можно соединить секундную и минутные стрелки. Но такие часы появились значительно позже — только в XVIII веке, а до этого использовалась единственная часовая стрелка. Назначение передаточного механизма в таких часах состояло в том, чтобы передать и преобразовать соответствующим образом движение от главного зубчатого колеса к часовому колесу.

Однако, чтобы часы могли служить для измерения времени, стрелка должна совершать свои обороты с одной и той же периодичностью. Между тем груз, как это всем хорошо известно, движется под действием сил притяжения с ускорением. Если бы гиря опускалась свободно, то вал вращался бы ускоренно, соответственно стрелка делала бы каждый следующий оборот за более короткое время, чем предыдущий. Столкнувшись с этой проблемой, средневековые механики (хотя они и не имели понятия об ускорении) сообразили, что ход часов не может зависеть только от движения груза. Механизм необходимо было дополнить еще одним устройством. Это устройство должно было обладать собственным, независимым «чувством времени» и в соответствии с этим управлять движением всего механизма. Так родилась идея регулятора.

Если современного человека спросить, какое простейшее приспособление целесообразнее всего использовать в качестве регулятора, он, скорее всего, назовет маятник. Действительно, маятник лучше всего удовлетворяет поставленным условиям. В этом можно убедиться, сделав простой опыт. Если шарик, привязанный к достаточно длинной нити, отклонить на небольшой угол и отпустить, он начнет колебаться. Вооружившись секундомером, можно посчитать, сколько колебаний совершит маятник, к примеру, за каждые пятнадцать секунд. Продолжая наблюдения в течение полутора-двух минут, легко заметить, что все измерения совпадают. Из-за трения о воздух размах колебаний шарика будет постепенно уменьшаться, но (и это очень важно!) длительность колебания будет при этом оставаться неизменной. Другими словами, маятник обладает прекрасным «чувством времени». Однако очень долго эти замечательные свойства маятника были неизвестны механикам, и маятниковые часы появились только во второй половине XVII века. В первых механических часах регулятором служило коромысло (билянец). Коромысло с древних времен применялось в таком широко распространенном устройстве, как весы. Если на каждое плечо таких коромысловых весов поместить равные грузы, а потом вывести весы из состояния равновесия, коромысло будет совершать достаточно равные колебания наподобие маятника. Хотя эта колебательная система уступает во многих отношениях маятнику, она вполне может использоваться в часах. Но любой регулятор, если постоянно не поддерживать его колебания, рано или поздно остановится. Для того чтобы часы работали, необходимо, чтобы часть двигательной энергии от главного колеса постоянно поступала к маятнику или билянцу. Эту задачу в часах выполняет устройство, которое называется распределителем, или спуском.

Спуск всегда был и остается самым сложным узлом в механических часах. Через него осуществляется связь между регулятором и передаточным механизмом. С одной стороны, спуск передает толчки от двигателя к регулятору, необходимые для поддержания колебаний последнего, а с другой стороны, подчиняет движение передаточного механизма (а следовательно, и действие двигателя) закономерности движения регулятора. Правильный ход часов зависит главным образом от спуска. Именно над его конструкцией больше всего ломали голову изобретатели. Самый первый спуск представлял собой шпиндель с налетами, поэтому его называют шпиндельным. О принципах его действия будет подробно рассказано ниже.

В первых часах не было специального механизма заводки. Вследствие этого подготовка часов к работе требовала очень больших усилий. Мало того, что по несколько раз в день приходилось поднимать на значительную высоту очень тяжелую гирю, надо было еще и преодолевать огромное сопротивление всех зубчатых колес передаточного механизма. (Понятно, что главное колесо, если оно жестко сидит на валу двигателя, при подъеме гири будет вращаться вместе с валом, а с ним будут вращаться и остальные колеса.) Поэтому уже во второй половине XIV века главное колесо стали крепить таким образом, что при обратном вращении вала (против часовой стрелки) оно оставалось неподвижным.

Из шести описанных нами главных узлов часового механизма большая часть по отдельности уже использовалась в античности. Новыми были только два изобретения: идея подвешивать груз в качестве двигателя для часов и идея использовать шпиндель в качестве спуска. Любопытно, что обе эти технические находки средневековая легенда приписывает одному человеку — ученому монаху Герберту Аврилакскому, который позже сделался римским папой под именем Сильвестра II. Известно, что Герберт всю жизнь очень интересовался часами и в 996 году собрал первые в истории башенные часы для города Магдебурга. Так как эти часы не сохранились, по сей день остается открытым вопрос — какой принцип действия они имели. Большинство современных исследователей уверены, что они были водяными. В пользу этого говорит также то обстоятельство, что следующие башенные часы, которые с большим или меньшим основанием можно считать механическими, появились в Европе только через триста лет. Однако, с другой стороны, если Герберт действительно был такой хороший механик, как о нем пишут, если он действительно изобрел шпиндельный спуск и если он действительно много думал над схемой механических часов, совершенно непонятно, что могло помешать ему собрать такие часы, поскольку он имел для этого все необходимое.

Но, как бы то ни было, эра механических часов началась в Европе только в конце XIII века. В 1288 году башенные часы были установлены в Вестминстерском аббатстве в Англии. В 1292 году часами обзавелся храм в Кентербери. В 1300 году встречается сообщение о том, что башенные часы сооружены во Флоренции (упоминание об этих часах сохранилось в «Божественной комедии» Данте). В 1314 году часы были уже во французских Каннах. Ни один из этих ранних механизмов не сохранился до наших дней, имена их создателей тоже неизвестны. Однако мы можем достаточно точно представить себе их устройство. Самый простой часовой механизм (если не брать во внимание механизм боя) может включать в себя всего три зубчатых колеса. Очевидно, что все упомянутые выше часы представляли собой пример простого трехколесного механизма с однострелочным циферблатом.

От главного колеса, посаженного на вал двигателя, движение передавалось на маленькую шестерню, находившуюся на одной оси с коронным (или ходовым) колесом, которое было снабжено зубцами, имеющими форму зубьев пилы и расположенных перпендикулярно оси колеса. Это колесо было неотъемлемой частью спускового устройства, или шпиндельного спуска, имевшего своей задачей регулирование скорости движения зубчатой передачи. Коронное колесо, получая энергию от зубчатой передачи, затрачивало ее на вращение шпинделя, с которым оно находилось в постоянной связи. Шпиндель был снабжен двумя палетами, размещенными на нем против нижнего и верхнего зуба коронного колеса. Палеты по отношению друг к другу располагались под углом 90 градусов и поочередно зацепляли зубцы коронного колеса, вызывая вращение шпинделя с палетами то в одну, то в другую сторону. Когда, например, выступающий зуб колеса сталкивался с нижней палетой и ударялся о нее, это приводило к вращению шпинделя на его оси и, следовательно, к тому, что верхняя палета через некоторое время входила в промежуток между зубьями, находящимися в верхней части колеса. Давление, оказываемое верхним зубом, изменяло вращение шпинделя на обратное. Зуб ходового колеса при каждом таком повороте шпинделя освобождался. Но колесо сразу попадало в контакт с другой палетой, и так весь процесс повторялся снова. При каждом повороте шпинделя колесо успевало повернуться только на один зубец. Скорость поворота шпинделя определялась регулятором, который представлял собой, как уже говорилось, коромысло с передвигающимися по нему грузами. Если грузы перемещали ближе к оси, шпиндель начинал поворачиваться быстрее, и часы ускоряли свой ход. Если грузы перемещали ближе к краю — ход часов замедлялся.

Такой была концепция ранних механических часов. Но уже очень скоро устройство их заметно усложнилось. Прежде всего, увеличилось число колес передаточного механизма. Вызвано это было тем, что при значительной разнице в числе зубьев между ведущим и ведомым колесами получались очень большие передаточные отношения, механизм испытывал сильную нагрузку и быстро изнашивался. Груз в таких часах опускался очень быстро и его приходилось подымать по пять-шесть раз в сутки. К тому же для создания больших передаточных отношений требовались колеса слишком большого диаметра, что увеличивало габариты часов. Поэтому стали вводить промежуточные дополнительные колеса, в задачу которых входило плавно увеличивать передаточные отношения.

Посмотрим, например, на устройство часов де Вика, установленных в 1370 году в королевском дворце в Париже. Вокруг деревянного вала A, диаметром около 30 см, был намотан канат с гирей B на конце. Гиря весом около 500 фунтов (200 кг) падала с высоты 10 м в течение 24 часов. Гири большого веса требовались в связи со значительным трением в колесном зацеплении и наличием тяжеловесного регулятора-билянца. Все детали часов изготавливались кузнецами на наковальне. На валу A располагалось главное колесо E, которое передавало вращение остальным колесам механизма. Для облегчения заводки оно соединялось с валом не жестко, а посредством собачки F и храпового колеса G. Таким образом, вращаясь по часовой стрелке, вал приводил в движение колесо E, а вращаясь против часовой стрелки, оставлял его свободным. Для заводки часов служило зубчатое колесо C, сцепленное с шестерней D. Оно облегчало поворот рукоятки. Большое колесо приводило в движение шестерню, сидящую на оси, где находилось второе колесо — H, а это последнее приводило в движение шестерню, находящуюся на оси, где сидело третье, или ходовое, колесо I. Шпиндельный спуск J с коромыслом N и палетами K действовал здесь так же, как описанный выше.

Башенные часы были довольно капризным механизмом, требующим постоянного наблюдения. В течение дня несколько раз приходилось подымать груз. Ход часов зависел от силы трения, поэтому они нуждались в постоянной смазке. Погрешность их суточного хода по современным меркам была очень велика. Но, несмотря на это, они долгое время оставались самым точным и распространенным прибором для измерения времени. С каждым десятилетием механизм часов усложнялся. С часами стали связывать множество других приспособлений, выполнявших самые разные функции. В конце концов, башенные часы превратились в сложное устройство со многими стрелками, автоматическими подвижными фигурами, разнообразной системой боя и великолепными украшениями. Это были шедевры техники и искусства одновременно. Например, известному мастеру Джунелло Турриано потребовалось 1800 колес для создания башенных часов, которые воспроизводили дневное движение Сатурна, часы дня, годичное движение Солнца, движение Луны, а также всех планет в соответствии с птолемеевской системой мироздания. В других часах марионетки разыгрывали настоящие театральные представления. Так, в Пражских башенных часах (сооруженных в 1402 году) перед боем раскрывались два оконца над циферблатом и из них выходило 12 апостолов. Страшная фигура Смерти, стоявшая на правой стороне циферблата, при каждом бое часов поворачивала косу, а затем песочные часы, напоминая о конце жизни. Человек, стоявший рядом, кивал головой, как бы подчеркивая роковую неизбежность. На другой стороне циферблата находились еще две фигуры. Одна изображала человека с кошельком в руках; каждый час он звенел лежавшими там монетами, показывая, что время — деньги. Другая фигура изображала путника, мерно ударявшего посохом в землю. Она показывала, как с течением времени движется по жизненной дороге человек, или суетность жизни. После боя часов появлялся петух и три раза кричал. Последним в оконце появлялся Христос и благословлял всех стоявших внизу зрителей. Создание таких автоматов требовало особых программных устройств. Их приводил в движение большой диск, управляемый часовым механизмом. Все подвижные части фигур имели свои рычаги. Во время вращения круга они то поднимались, то опускались, когда рычаги попадали в особые вырезы и зубцы вращающегося диска. Помимо этого башенные часы имели отдельный механизм для боя (многие часы по-разному отбивали четверть часа, час, полдень и полночь), приводимый в движение собственной гирей, и четыре циферблата (на каждой стороне башни).

Ко второй половине XV века относятся самые первые упоминания об изготовлении часов с пружинным двигателем, который открыл путь к созданию миниатюрных часов. Источником движущей энергии в пружинных часах служила заведенная и стремящаяся развернуться пружина, которая представляла собой эластичную, тщательным образом закаленную стальную ленту, свернутую вокруг вала внутри барабана. Внешний конец пружины закреплялся за крючок в стенке барабана, внутренний — соединялся с валом барабана. Стремясь развернуться, пружина приводила во вращение барабан и связанное с ним зубчатое колесо, которое в свою очередь передавало это движение системе зубчатых колес до регулятора включительно. Конструируя такие часы, мастера должны были разрешить несколько сложных технических задач. Главная из них касалась работы самого двигателя. Ведь для правильного хода часов пружина должна на протяжении длительного времени воздействовать на колесный механизм с одной и той же силой. Для этого необходимо заставить ее разворачиваться медленно и равномерно. Толчком к созданию пружинных часов послужило изобретение запора, не позволявшего пружине распрямляться сразу. Он представлял собой маленькую щеколду, помещавшуюся в зубья колес и позволявшую пружине раскручиваться только так, что одновременно поворачивался весь ее корпус, а вместе с ним колеса часового механизма. Так как пружина имеет неодинаковую силу упругости на разных стадиях своего разворачивания, первым часовщикам приходилось прибегать к различным хитроумным ухищрениям, чтобы сделать ее ход более равномерным. Позже, когда научились изготовлять высококачественную сталь для часовых пружин, в них отпала необходимость. (Сейчас в недорогих часах пружину просто делают достаточно длинной, рассчитанной примерно на 30-36 часов работы, но при этом рекомендуют заводить часы раз в сутки в одно и то же время. Специальное приспособление мешает пружине при заводе свернуться до конца. В результате ход пружины используется только в средней части, когда сила ее упругости более равномерна.)

Самые значительные усовершенствования в механизм часов были внесены во второй половине XVII века знаменитым голландским физиком Гюйгенсом, создавшим новые регуляторы как для пружинных, так и для гиревых часов. Использовавшееся до этого в течение нескольких веков коромысло имело много недостатков. Его даже трудно назвать регулятором в собственном смысле этого слова. Ведь регулятор должен быть способен к самостоятельным колебаниям с собственной частотой. Коромысло же было, вообще говоря, только маховиком. Множество посторонних факторов влияло на его работу, что отражалось на точности хода часов. Механизм стал гораздо совершеннее, когда в качестве регулятора начали использовать маятник.

Впервые мысль применить маятник в простейших приборах для измерения времени пришла великому итальянскому ученому Галилео Галилею. Сохранилось предание, что в 1583 году девятнадцатилетний Галилей, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая удары пульса, что время одного колебания люстры остается постоянным, хотя размах делается все меньше и меньше. Позже, приступив к серьезному изучению маятников, Галилей установил, что при малом размахе (амплитуде) раскачивания (всего несколько градусов) период колебания маятника зависит только от его длины и имеет постоянную длительность. Такие колебания стали называть изохронными. Очень важно, что при изохронных колебаниях период колебания маятника не зависит от его массы. Благодаря этому свойству маятник оказался очень удобным прибором для измерения небольших отрезков времени На его основе Галилей разработал несколько простых счетчиков, которые использовал при проведении своих экспериментов. Но из-за постепенного затухания колебаний маятник не мог служить для измерения длительных промежутков времени.

Создание маятниковых часов состояло в соединении маятника с устройством для поддержания его колебаний и их отсчета. В конце жизни Галилей стал конструировать такие часы, но дальше разработок дело не пошло. Первые маятниковые часы были созданы уже после смерти великого ученого его сыном. Однако устройство этих часов держалось в строгом секрете, поэтому они не оказали никакого влияния на развитие техники. Независимо от Галилея в 1657 году механические часы с маятником собрал Гюйгенс. При замене коромысла на маятник первые конструкторы столкнулись со сложной проблемой: как уже говорилось, маятник создает изохронные колебания только при малой амплитуде, между тем шпиндельный спуск требовал большого размаха. В первых часах Гюйгенса размах маятника достигал 40-50 градусов, что неблагоприятно сказывалось на точности хода. Чтобы компенсировать этот недостаток, Гюйгенсу пришлось проявить чудеса изобретательности. В конце концов он создал особый маятник, который в ходе качания изменял свою длину и колебался по циклоидной кривой. Часы Гюйгенса обладали несравнимо большей точностью, чем часы с коромыслом. Их суточная погрешность не превышала 10 секунд (в часах с коромысловым регулятором погрешность колебалась от 15 до 60 минут).

Около 1676 года английский часовщик Клемент изобрел якорно-анкерный спуск, который очень удачно подходил к маятниковым часам, имевшим небольшую амплитуду колебания. В этой конструкции спуска на ось маятника насаживался якорь с палетами. Раскачиваясь вместе с маятником, палеты попеременно внедрялись в ходовое колесо, подчиняя его вращение периоду колебания маятника. При каждом колебании колесо успевало повернуться на один зуб. Благодаря такому спусковому механизму маятник получал периодические толчки, которые не давали ему остановиться. Толчок происходил всякий раз, когда ходовое колесо, освободившись от одного из зубьев якоря, ударялось с определенной силой о другой зуб. Этот толчок передавался от якоря к маятнику.

Маятниковый регулятор Гюйгенса произвел подлинный переворот в технике часового дела. Позже Гюйгенс немало потрудился над усовершенствованием карманных пружинных часов. Главная проблема, которая стояла в то время перед часовщиками, заключалась в создании собственного регулятора для карманных часов. Если и в стационарных башенных часах коромысло считалось недостаточно подходящим, то что можно было сказать про карманные часы, которые постоянно находились в движении, покачивались, тряслись и меняли свое положение? Все эти колебания оказывали воздействие на ход часов. В XVI веке часовщики стали заменять двуплечный билянец в виде коромысла круглым колесиком-маховиком. Это улучшило работу часов, но она осталась неудовлетворительной. Важное усовершенствование регулятора произошло в 1674 году, когда Гюйгенс присоединил к колесику-маховику спиральную пружинку — волосок. Теперь при отклонении колесика от нейтрального положения волосок воздействовал на него и старался возвратить на место. Однако массивное колесико проскакивало через точку равновесия и раскручивалось в другую сторону до тех пор, пока волосок снова не возвращал его назад. Таким образом был создан первый балансовый регулятор или балансир со свойствами, подобными свойствам маятника. Выведенное из состояния равновесия, колесико балансира начинало совершать колебательные движения вокруг своей оси. Балансир имел постоянный период колебания но в отличие от маятника мог работать в любом положении, что очень важно для карманных и ручных часов. Усовершенствование Гюйгенса произвело среди пружинных часов такой же переворот, как введение маятника в стационарные настенные часы.

Новый регулятор потребовал новой конструкции спуска. В последующие десятилетия разные часовщики разработали несколько остроумных спусковых устройств. Наиболее простой цилиндрический спуск для пружинных часов был изобретен в 1695 году Томасом Томпионом. Спусковое колесо Томпиона было снабжено 15-ю особой формы зубьями «на ножках». Сам цилиндр представлял собой полую трубку, верхний и нижний концы которой были плотно забиты двумя тампонами. На нижнем тампоне был насажен балансир с волоском. При колебании балансира вправо и влево в соответствующую сторону вращался и цилиндр. На цилиндре находился вырез в 150 градусов, проходящий на уровне зубцов спускового колеса. Когда колесо двигалось, его зубья попеременно одно за другим входили в вырез цилиндра. Благодаря этому изохронное движение цилиндра передавалось спусковому колесу и через него — всему механизму, а балансир получал импульсы, поддерживающие его колебания.

20. ЛИНЗА И ОЧКИ

Прежде чем рассказать об изобретении очков, напомним кратко, что такое линза и почему ее можно использовать для исправления дефектов зрения.

Линзой обычно называют прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями. (Встречаются линзы, у которых только одна поверхность сферическая, а другая — плоская. Однако и плоскую поверхность можно рассматривать как сферическую, если считать, что она имеет бесконечно большой радиус кривизны.) Хорошо известным свойством линзы является ее способность изменять определенным образом направление падающих на нее лучей света. Почему это происходит? Еще в древности люди заметили, что свет, переходя из одной прозрачной среды в другую (например из воздуха в воду или стекло), меняет свое направление или, как говорят, преломляется. Примеры преломления света легко может наблюдать каждый. Например, если мы опустим карандаш в стакан с водой, так что половина его будет в воде, а половина в воздухе, а потом посмотрим на стакан сбоку, нам покажется, что карандаш надломлен в той части, которая приходится на границу воздуха и воды. В линзах луч преломляется дважды один раз входя в нее, а второй раз — выходя. Меняя различным образом кривизну линзы, можно добиться разных эффектов преломления. Так, одни линзы могут собирать свет в точку, а другие, наоборот, рассеивать его. Причем линзы, у которых середина толще, чем края, являются собирающими, а те, у которых середина тоньше краев — рассеивающими.

Точка, в которой лучи света сходятся после преломления в собирающей линзе, называется фокусом, а расстояние от центра линзы до фокуса — ее фокусным расстоянием. Чем больше кривизна линзы, то есть чем меньше радиус сферических поверхностей, образующих линзу, тем короче ее фокусное расстояние. Рассеивающая линза тоже имеет свой фокус — им называют ту точку, в которой сходятся продолжения рассеиваемых линзой лучей. Самая важная особенность линзы, на которой основаны все ее оптические свойства — это способность фокусировать свет, то есть собирать лучи света, исходящие из какой-либо точки снова в одну точку. А поскольку любой предмет можно себе представить как совокупность бесконечного множества точек, линза создает не только изображение любой точки предмета, но и всего предмета в целом. Однако изображение в линзе не будет точным повторением предмета — оно, во-первых, будет перевернутым и, во-вторых, будет отличаться размерами. Причина заключается в том, что расстояние от линзы до предмета и расстояние от изображения до линзы не равны друг другу. Если, например, расстояние от линзы до изображения в пять раз больше, чем расстояние от линзы до предмета, то изображение будет в пять раз больше, чем сам предмет. Этим объясняется хорошо известная всем способность линзы увеличивать изображения предмета, делать его более удобным для рассмотрения. Причем, чем больше кривизна линзы (чем меньше ее фокусное расстояние), тем сильнее она увеличивает. Если же, наоборот, расстояние до предмета больше, чем расстояние до изображения, то изображение получается уменьшенным.

Четкие изображения предметов получаются только тогда, когда они проецируются на плоскость, проходящую через фокус линзы и перпендикулярную ее главной оптической оси (главной оптической осью линзы называют прямую, проходящую через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу). Известно, что глаз человека представляет собой оптическую систему. Лучи света, попадающие в глаз, преломляются на поверхности роговицы и хрусталика. Хрусталик — это прозрачное слоистое тело, похожее на линзу. Особая мышца может менять форму хрусталика, делая его то менее, то более выпуклым. Благодаря этому хрусталик то увеличивает, то уменьшает свою кривизну и вместе с ней фокусное расстояние. В целом оптическую систему глаза можно рассматривать как собирающую линзу с переменным фокусным расстоянием, проецирующую изображение на сетчатку. Если предмет находится очень далеко, изображение получается на сетчатке нормального глаза без какого бы то ни было напряжения мышцы хрусталика. Когда же предмет приближается, происходит сжатие хрусталика и уменьшение фокусного расстояния настолько, что плоскость изображения снова совмещается с сетчаткой. Таким образом, глаз находится в нормальном (расслабленном) состоянии, когда он смотрит вдаль. Однако у многих людей глаза создают в ненапряженном состоянии изображение удаленного предмета не на сетчатке, а перед ней. В результате изображение каждой точки предмета проецируется на сетчатку не в виде точки, а в виде кружочка. Предмет расплывается. Такие люди не могут видеть четко удаленные предметы, но зато хорошо видят те, что находятся вблизи. Этот дефект зрения называется близорукостью. Аналогичная ситуация возникает тогда, когда изображение удаленных предметов получается за сетчаткой. Этот дефект называется дальнозоркостью. Дальнозоркий человек хорошо видит далекие предметы, но не может различить те, что находятся вблизи. Оба эти недостатка исправляются с помощью очков. При близорукости нужны очки с рассеивающими линзами. Пройдя через такую линзу, лучи света фокусируются хрусталиком точно на сетчатку. Поэтому близорукий человек, вооруженный очками, может рассматривать удаленные предметы, как и человек с нормальным зрением. Дальнозоркость тоже исправляется очками, но только с собирающими линзами. Очки, являясь очень простым оптическим прибором, приносят людям, имеющим дефекты зрения, огромное облегчение в повседневной жизни. Не имея очков, эти люди постоянно ощущали бы свою ущербность, а при сильно развитой близорукости или дальнозоркости могли бы оказаться на положении инвалидов. В последние десятилетия, когда дефекты зрения (особенно близорукость) стали чрезвычайно распространенным явлением, очками в том или ином возрасте начинает пользоваться едва ли не каждый человек. Поэтому очевидно, что очки должны быть отнесены к числу величайших технических изобретений. Хотя конструкция их очень проста, появились очки сравнительно поздно — только во времена средневековья, когда научились производить высококачественное, прозрачное и однородное стекло. Между тем со свойствами линз люди познакомились намного раньше — еще на заре цивилизации.

В древности линзы изготовляли из прозрачных камней — прежде всего, из горного хрусталя и берилла. Много таких линз было обнаружено при раскопках в Египте, Греции, Месопотамии, Италии. Несколько линз нашли при раскопках легендарной Трои (возраст этих последних определяют примерно в 2500 лет до Р.Х.). Небольшая линза из хрусталя, изготовленная около 1600 года до Р.Х., найдена в развалинах Кносского дворца на Крите. Самые первые линзы из стекла, датируемые приблизительно V-IV веками до Р.Х., обнаружены в Саргоне (Месопотамия). В более поздние времена стеклянные линзы стали изготовлять чаще. Однако нет ни одного упоминания, что линзу уже тогда использовали как оптический инструмент. Хотя до нас дошло несколько древних сочинений по оптике, ни в одном из них нет сообщения, что линзы применялись для исправления дефектов зрения. Нет даже ни одного свидетельства, что линзы использовались в качестве увеличительного стекла (лупы) при выполнении каких-нибудь мелких работ (например, изготовления гемм), несмотря на то что способность линз увеличивать изображения предметов была, конечно же, хорошо известна. Но для чего же тогда были сделаны те древние линзы, о которых шла речь выше? По всей видимости, они служили только в качестве украшения.

Первые очки появились в XIII веке в Италии. В это время итальянские стеклянные мастера считались искуснейшими в мире изготовителями, шлифовальщиками и полировщиками стекла. Особенно славилось венецианское стекло, изделия из которого часто имели очень сложную, замысловатую форму. Постоянно обрабатывая сферические, изогнутые и выпуклые поверхности, то и дело поднося их к глазам, мастера в конце концов заметили оптические возможности стекла. Гениальная мысль соединить две линзы с помощью оправы пришла, согласно легенде, в 1285 году стеклянному мастеру Сальвино Армати из Флоренции. Он же наладил первое производство очков. Ничего более об этом человеке не известно. Однако придуманное им устройство, позволявшее легко и быстро сглаживать дефекты зрения, сейчас же получило распространение. В самые первые очки вставляли длиннофокусные выпуклые, собирающие линзы, и служили они для исправления дальнозоркости. Гораздо позже было открыто, что с помощью тех же очков, вставив в них вогнутые рассеивающие линзы, можно исправлять близорукость. Первые описания таких очков относятся только к XVI веку.

21. КОМПАС

Компас, как и бумагу, еще в глубокой древности изобрели китайцы. В III веке до Р.Х. китайский философ Хэнь Фэй-цзы так описывал устройство современного ему компаса: он имел вид разливательной ложки из магнетита с тонким черенком и шарообразной, тщательно отполированной выпуклой частью. Этой выпуклой частью ложка устанавливалась на столь же тщательно отполированной медной или деревянной пластине, так что черенок не касался пластины, а свободно висел над ней, и при этом ложка легко могла вращаться вокруг оси своего выпуклого основания. На пластине были нанесены обозначения стран света в виде циклических зодиакальных знаков. Подтолкнув черенок ложки, ее приводили во вращательное движение. Успокоившись, компас указывал черенком (который играл роль магнитной стрелки) точно на юг. Таким был самый древний прибор для определения сторон света.

В XI веке в Китае впервые появилась плавающая стрелка компаса, изготовленная из искусственного магнита. Обычно она делалась в форме рыбки. Эту рыбку опускали в сосуд с водой. Здесь она свободно плавала, указывая своей головой в ту сторону, где находился юг. Несколько разновидностей компаса придумал в том же XI веке китайский ученый Шэнь Гуа, который много работал над исследованием свойств магнитной стрелки. Он предлагал, например, намагнитить о природный магнит обычную швейную иглу, затем прикрепить ее с помощью воска в центре корпуса к свободно висящей шелковой нити. Этот компас указывал направление более точно, чем плавающий, так как испытывал гораздо меньшее сопротивление при своем повороте. Другая конструкция компаса, предложенная Шэнь Гуа, была еще ближе к современной: намагниченная иголка здесь насаживалась на шпильку. Во время своих опытов Шэнь Гуа установил, что стрелка компаса показывает не точно на юг, а с некоторым отклонением, и правильно объяснил причину этого явления тем, что магнитный и географический меридианы не совпадают между собой, а образуют угол. Ученые, которые жили после Шэнь Гуа, уже умели вычислять этот угол (его называют магнитным склонением) для различных районов Китая. В XI веке многие китайские корабли были оснащены плавающими компасами. Они устанавливались обычно на носу и на корме кораблей, так что капитаны в любую погоду могли держать правильный курс, сообразуясь с их указаниями.

В таком виде китайский компас в XII веке заимствовали арабы. В начале XIII века «плавающая игла» стала известна европейцам. Первыми ее переняли у арабов итальянские моряки. От них компас перешел к испанцам, португальцам и французам, а позднее — к немцам и англичанам. Поначалу компас состоял из намагниченной иголки и кусочка дерева (пробки), плававшего в сосуде с водой. Вскоре догадались закрывать этот сосуд стеклом, чтобы защитить поплавок от действия ветра. В середине XIV века придумали помещать магнитную стрелку на острие в середине бумажного круга (картушки). Затем итальянец Флавио Джойя усовершенствовал компас, снабдив его картушкой, разделенной на 16 частей (румбов) по четыре на каждую часть света. Это нехитрое приспособление стало большим шагом в усовершенствовании компаса. Позже круг был разделен на 32 равных сектора. В XVI веке для уменьшения воздействия качки стрелку стали крепить на кардановый подвес, а век спустя компас снабдили вращающейся линейкой с визирами на концах, что позволило точнее отсчитывать направления.

Компас произвел такой же переворот в мореплавании, какой порох — в военном деле, а переделочный процесс — в металлургии. Он был первым навигационным прибором, позволившим прокладывать курс в открытом море. Вооружившись компасом, испанские и португальские моряки в конце XV века отважились на далекие плавания. Они оставили морские берега (к которым мореплавание было привязано на протяжении нескольких тысячелетий) и пустились в плавание через океан.

22. ПОРОХ

Изобретение пороха и распространение его в Европе имело огромные последствия для всей дальнейшей истории человечества. Хотя европейцы последними из цивилизованных народов научились делать эту взрывчатую смесь, именно они сумели извлечь из ее открытия наибольшую практическую пользу. Бурное развитие огнестрельного оружия и революция в военном деле были первыми следствиями распространения пороха. Это в свою очередь повлекло за собой глубочайшие социальные сдвиги: закованные в латы рыцари и их неприступные замки оказались бессильны перед огнем пушек и аркебуз. Феодальному обществу был нанесен такой удар, от которого оно уже не смогло оправиться. В короткое время многие европейские державы преодолели феодальную раздробленность и превратились в могущественные централизованные государства. В истории техники найдется мало изобретений, которые привели бы к таким грандиозным и далеко идущим изменениям.

До того как порох стал известен на западе, он уже имел многовековую историю на востоке, а изобрели его китайцы. Важнейшей составной частью пороха является селитра. В некоторых областях Китая она встречалась в самородном виде и была похожа на хлопья снега, припорошившего землю. Позже открыли, что селитра образуется в местностях, богатых щелочами и гниющими (доставляющими азот) веществами. Разжигая огонь, китайцы могли наблюдать вспышки, возникавшие при горении селитры с углем. Впервые свойства селитры описал китайский медик Тао Хун-цзин, живший на рубеже V и VI столетий. С этого времени она применялась как составная часть некоторых лекарств. Алхимики часто пользовались ей, проводя свои опыты. В VII веке один из них, Сунь Сы-мяо, приготовил смесь из серы и селитры, добавив к ним несколько долей локустового дерева. Нагревая эту смесь в тигле, он вдруг получил сильнейшую вспышку пламени. Этот опыт он описал в своем трактате «Дань цзин». Считается, что Сунь Сы-мяо приготовил один из первых образцов пороха, который, правда, не обладал еще сильным взрывчатым эффектом. В дальнейшем состав пороха был усовершенствован другими алхимиками, установившими опытным путем три его основных компонента: уголь, серу и калиевую селитру.

Средневековые китайцы не могли научно объяснить, что за взрывная реакция происходит при воспламенении пороха, но они очень скоро научились использовать ее в военных целях. Правда, в их жизни порох вовсе не имел того революционного влияния, которое оказал позже на европейское общество. Объясняется это тем, что мастера долгое время готовили пороховую смесь из неочищенных компонентов. Между тем неочищенная селитра и сера, содержащая посторонние примеси, не давали сильного взрывного эффекта. Несколько веков порох использовался исключительно в качестве зажигательного средства. Позднее, когда его качество улучшилось, порох стали применять как взрывчатое вещество при изготовлении фугасов, ручных гранат и взрывпакетов. Но и после этого долгое время не догадывались использовать силу возникавших при горении пороха газов для метания пуль или ядер. Только в XII-XIII веках китайцы стали пользоваться оружием, очень отдаленно напоминавшем огнестрельное, но зато они изобрели петарду и ракету.

От китайцев секрет пороха узнали арабы и монголы. В первой трети XIII века арабы достигли большого искусства в пиротехнике. Они употребляли селитру во многих соединениях, мешая ее с серой и углем, добавляли к ним другие компоненты и устраивали фейерверки удивительной красоты. От арабов состав пороховой смеси стал известен европейским алхимикам. Один из них, Марк Грек, уже в 1220 году записал в своем трактате рецепт пороха. 6 частей селитры на 1 часть серы и 1 часть угля. Позже достаточно точно о составе пороха писал Роджер Бэкон. Однако прошло еще около ста лет, прежде чем рецепт этот перестал быть тайной. Это вторичное открытие пороха связывают с именем другого алхимика, фрейбургского монаха Бертольда Шварца. Однажды он стал толочь в ступке измельченную смесь из селитры, серы и угля, в результате чего произошел взрыв, опаливший Бертольду бороду. Этот или другой опыт подал Бертольду мысль использовать силу пороховых газов для метания камней. Считается, что он изготовил одно из первых в Европе артиллерийских орудий.

Чтобы понять принцип действия огнестрельного оружия, надо хотя бы в общих чертах представлять себе, какие химические реакции происходят в пороховой массе. Если порох был хорошо промешан и правильно приготовлен, достаточно было одной искры, чтобы воспламенить его. Дело в том, что при нагревании свыше 300 градусов селитра начинала выделять свой кислород и отдавала его смешанным с ней веществам, то есть окисляла или сжигала их. Уголь в порохе играл роль топлива, доставляющего требуемый объем газообразных продуктов высокой температуры. Ввиду этого селитра и уголь сами по себе уже образовывали взрывчатое вещество. Серу добавляли потому, что она способствовала образованию большего количества теплоты и облегчала воспламенение пороха (сера загоралась уже при 250 градусах, а уголь только при 350). Как только огонь появлялся в какой-нибудь части этой смеси, горение распространялось с необыкновенной быстротой, потому что, раз начавшись, оно не требовало больше доступа воздуха и образовывало большое количество газов, имеющих высокую температуру. Газы с большой силой расширялись во все стороны, образуя взрывной эффект. Таким образом, горение распространялось одинаково и внутри смеси, и по ее поверхности. Реакцию, происходящую при горении пороха, можно приблизительно описать следующей формулой:

2KNO3 + 3C + S = K2S + 3CO2 + N2,

где K2S — твердый остаток горения, а CO2 и N2 — газы. Классический состав пороха: селитры — 75%, угля — 15%, серы — 10%. Этот состав давал наибольший выход газов. Но и здесь в них обращалось только около 40% пороховой массы. Остальное составляли твердые продукты горения. Они осаждались в виде копоти или вырывались при выстреле в виде густых клубов дыма.

Вскоре после открытия Бертольда Шварца порох получил уже самое широкое распространение, и его изготавливали в самых отдаленных уголках Европы. Каждый из компонентов смеси требовал особой подготовки. Уголь для пороха получали, обжигая ольховое дерево в особых железных ретортах без доступа воздуха. Самородную серу путем плавки освобождали от посторонних примесей. Селитру некоторое время ввозили с востока. Потом открыли, что ее можно получать искусственно, если создать соответствующие условия. С конца XIV века выпуск селитры наладили в Италии и Германии. Ее добывали со стен погребов, предварительно смоченных раствором селитры, или из труб, наполненных винным камнем, известью, солью и мочой людей, пьющих вино. Полученную селитру осаждали с помощью вина и уксуса. Это был наиболее дорогой компонент. Поэтому селитру старались извлечь даже из порченного подмоченного пороха. Для этого порох кипятили в уксусе. В ходе этой операции уголь всплывал вверх, сера осаждалась, а селитра растворялась. Затем ее выпаривали из раствора.

Качество пороха во многом зависело от того, насколько полно и равномерно происходило смешение его составных частей. Для того чтобы вещества лучше смешивались, их подвергали сильному измельчению. Первоначально порох представлял собой тонкий мукообразный порошок. Пользоваться им было неудобно, так как при зарядке орудий и аркебузов пороховая мякоть липла к стенкам ствола. Наконец заметили, что порох в виде комочков гораздо удобнее — он легко заряжался и при воспламенении давал больше газов (2 фунта пороха в комьях давали больший эффект, чем 3 фунта в мякоти). В первой четверти XV века для удобства стали употреблять зерновой порох, получавшийся путем раскатывания пороховой мякоти (со спиртом и другими примесями) в тесто, которое затем пропускали через решето. Чтобы зерна не перетирались при транспортировке, их научились полировать. Для этого их помещали в специальный барабан, при раскручивании которого зерна ударялись и терлись друг о друга и уплотнялись. После обработки их поверхность становилась гладкой и блестящей.

23. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

На протяжении многих веков железо добывалось в сыродутных печах способом, открытым еще в глубокой древности. Пока на поверхности земли в изобилии встречались легкоплавкие руды, этот способ вполне удовлетворял потребности производства. Но в средние века, когда спрос на железо стал возрастать, в металлургии все чаще пришлось использовать тугоплавкие руды. Для извлечения из них железа требовалась более высокая температура «плавки». В то время знали только два способа ее повышения: 1) увеличение высоты печи; 2) усиление дутья.

Так постепенно к XIII веку из сыродутной печи образовалась более высокая и более усовершенствованная плавильная печь, получившая название штукофена, то есть «печи, выделывающей крицу». Штукофены были первой ступенью на пути к доменной печи. Впервые они появились в богатой железом Штирии, затем в Чехии и других горнопромышленных районах. В этих печах можно было достичь более высокой температуры и обрабатывать более тугоплавкие руды. Шахта штукофена имела форму двойного усеченного конуса, суживавшегося по направлению к колошнику (так называли верхнюю, открытую часть печи, через которую порциями (колошами) загружались руда и уголь) и ко дну. В стенке имелось одно отверстие для фурмы (трубы, через которую в печь с помощью мехов нагнетался воздух) и для вытаскивания крицы. Процесс переделки руды в железо происходил в штукофенах совершенно так же, как в сыродутных печах, но налицо был прогресс: закрытая шахта хорошо концентрировала тепло, а благодаря ее высоте (до 3, 5 м) плавка шла равномернее, медленнее и полнее, так что руда оказывалась более использованной. Независимо от намерений плавильщиков, в штукофенах получались сразу все три вида железного сырья: чугун, который стекал как отброс вместе со шлаком, ковкое железо в крицах и сталь, тонким слоем покрывавшая крицу. (Напомним, что железом, сталью и чугуном в металлургии называют собственно сплав химического железа с углеродом. Разница между ними заключается в количестве углерода: так, в мягком кричном (сварном) железе его не более 0, 04%, в стали — до 1, 7%, в чугуне — более 1, 7%. Несмотря на то, что количество углерода варьируется в таких незначительных пределах, по своим свойствам железо, сталь и чугун очень отличаются друг от друга: железо представляет собой мягкий металл, хорошо поддающийся ковке, сталь, напротив, очень твердый материал, прекрасно сохраняющий режущие качества; чугун — твердый и хрупкий металл, совершенно не поддающийся ковке. Количество углерода заметно влияет и на другие свойства металла. В частности, чем больше его в железе, тем легче оно плавится. Чистое железо — достаточно тугоплавкий металл, а чугун плавится при гораздо более низких температурах.)

Преимущества штукофена были, однако, недостаточны для всех тугоплавких руд. Требовалось более сильное дутье. Человеческих сил для поддержания температуры оказалось уже недостаточно, и для приведения в действие мехов стали употреблять водяное колесо. Вал водяного колеса снабжали посаженными на него в разбивку кулачками, которые оттягивали крышки клинчатых кожаных мехов. Для каждой плавильной печи имелось два меха, работавших попеременно. Появление гидравлических двигателей и мехов надо относить к концу XIV века, так как уже в XV веке многие плавильни в связи с этим передвинулись с гор и холмов вниз — в долины и на берега рек. Это усовершенствование явилось исходным моментом для крупнейшего сдвига в технике металлургии, так как привело к открытию чугуна, его литейных и переделочных свойств.

Действительно, усиление дутья сказалось на всем ходе процесса. Теперь в печи развилась такая высокая температура, что восстановление металла из руды происходило раньше, чем образовывался шлак. Железо начинало сплавляться с углеродом и превращаться в чугун, который, как отмечалось выше, имеет более низкую температуру плавления, так что в печи вместо обычной вязкой крицы стала появляться совершенно расплавленная масса (чугун). Сначала эта метаморфоза очень неприятно поразила средневековых металлургов. Застывший чугун был лишен всех природных свойств железа, он не ковался, не сваривался, из него нельзя было сделать прочных инструментов, гибкого и острого оружия. Поэтому чугун долгое время считали отбросом производства и плавильщики весьма враждебно относились к нему. Однако что же было с ним делать? При восстановлении железа из тугоплавких руд изрядная его часть уходила в чугун Не выбрасывать же все это железо вместе со шлаком! Постепенно негодный чугун стали выбирать из остывшего шлака и пускать во вторую переплавку, сначала добавляя его к руде, а потом сам по себе. При этом неожиданно обнаружилось, что чугун быстро плавится в горне и после усиленного дутья легко превращается в кричное железо, которое по своему качеству не только не уступает, но даже по многим показателям лучше того железа, которое получали из руды. А так как чугун плавится при более низкой температуре, передел этот требовал меньше топлива и занимал меньше времени. Так в течение XV века, сначала бессознательно и ощупью, а затем вполне осознано, было сделано величайшее в металлургии открытие — переделочный процесс. Широкое применение он нашел уже в XVI веке в связи с распространением доменных печей.

Вскоре в чугуне открыли и другие положительные свойства. Твердую крицу было нелегко достать из печи. На это обычно уходило несколько часов. Между тем печь остывала, на разогрев ее шло дополнительное топливо, тратилось лишнее время. Выпустить из печи расплавленный чугун было намного проще. Печь не успевала остыть и ее можно было сразу загружать новой порцией руды и угля. Процесс мог происходить беспрерывно. Кроме того, чугун обладал прекрасными литейными качествами. (Напомним, что на протяжении многих веков единственным способом обработки железа была ковка.) К середине XIV века относят первые грубые отливки из него. С развитием артиллерии применение чугуна расширилось. Сначала его стали употреблять на отливку ядер, а затем на литье отдельных частей самих пушек. Впрочем, вплоть до конца XV века чугун был еще низкого качества — неоднородный, недостаточно жидкий, со следами шлака. Из него выходили грубые и незатейливые изделия надгробия, молоты, печные котлы и прочая незамысловатая продукция.

Литье чугуна требовало некоторых изменений в устройстве печи; появились так называемые блауофены (поддувные печи), представлявшие собой следующий шаг к доменной печи. Они отличались большей высотой (5-6 м), чем штукофены, и допускали непрерывность плавки при весьма высокой температуре. Правда, мысль о том, что процесс выделки железа можно разделить на две стадии (то есть в одной печи непрерывно выплавлять чугун, а в другой — переделывать этот чугун в железо), пришла не сразу. В блауофенах получали одновременно и железо, и чугун. Когда плавка заканчивалась, шлак выпускали через отверстие, расположенное ниже фурмы. После охлаждения его измельчали и отделяли корольки чугуна. Крицу вытаскивали большими клещами и ломом, а затем обрабатывали молотом. Наиболее крупные крицы весили до 40 пудов. Кроме того, из печи вытаскивали до 20 пудов чугуна. Одна плавка длилась 15 часов. На извлечение крицы требовалось 3 часа, на подготовку печи к плавке — 4-5 часов.

Наконец пришли к идее двухступенчатого процесса плавки. Усовершенствованные блауофены превратились в печь нового типа — доменную, которая предназначалась исключительно для получения чугуна. Вместе с ними был окончательно признан переделочный процесс. Сыродутный процесс стал повсеместно вытесняться двухступенчатым способом обработки железа. Сначала из руды получали чугун, потом, при вторичной переплавке чугуна, — железо. Первая стадия получила название доменного процесса, вторая — кричного передела. Древнейшие домны появились в Зигерланде (Вестфалия) во второй половине XV века. Конструкции их отличались от блауофенов тремя чертами: большей высотой шахты, более сильным воздуходувным аппаратом и увеличенным объемом верхней части шахты. В этих печах достигалось значительное повышение температуры и еще более длительная ровная плавка руды. Сначала строили домны с закрытой грудью, но вскоре открыли переднюю стенку и расширили горн, получив домну с открытой грудью. Такая доменная печь при высоте 4, 5 м давала в день до 1600 кг чугуна.

Перерабатывали чугун в железо в кричном горне, сходном по устройству с сыродутной печью. Операция начиналась с загрузки древесного угля и подачи дутья. После того как древесный уголь разгорался вблизи сопла, клали чугунные чушки. Под действием высокой температуры чугун плавился, капля за каплей стекал вниз, проходил через область против фурм и терял здесь часть углерода. В результате металл загустевал и из расплавленного состояния переходил в тестообразную массу малоуглеродистого железа. Эту массу ломами подымали к соплу. Под воздействием дутья происходило дальнейшее выгорание углерода, и вновь осевший на дно горна металл быстро делался мягким, легко сваривающимся. Постепенно на дне образовывался ком — крица весом 50-100 кг и больше, которая извлекалась из горна для проковки под молотом с целью уплотнения его и выдавливания жидкого шлака. Весь процесс занимал от 1 до 2 часов. В сутки в кричном горне можно было получить около 1 т металла, причем выход готового кричного железа составлял 90-92% веса чугуна. Качество кричного железа было выше сыродутного, так как в нем содержалось меньше шлака.

Переход от одноступенчатого (сыродутного) процесса к двухступенчатому (доменному и кричному) позволил в несколько раз поднять производительность труда. Возросший спрос на металл был удовлетворен. Но вскоре металлургия встретилась с затруднениями другого рода. Выплавка железа требовала огромного количества топлива. За несколько веков в Европе было срублено множество деревьев и уничтожены тысячи гектаров леса. В некоторых государствах были приняты законы, запрещавшие бесконтрольную рубку леса. Особенно остро этот вопрос стоял в Англии. Из-за нехватки древесного угля англичане принуждены были большую часть необходимого им железа ввозить из-за границы. В 1619 году Додлей впервые применил в плавке каменный уголь. Однако широкому применению каменного угля препятствовало присутствие в нем серы, мешающей хорошей выделке железа. Очищать каменный уголь от серы научились только в 1735 году, когда Дерби нашел способ поглощать серу с помощью негашеной извести при термической обработке угля в закрытых тиглях. Так был получен новый восстановитель — кокс.

24. АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ ОРУДИЕ

Возникновение и распространение артиллерии, как уже говорилось, имело огромные последствия для мировой истории. Поскольку европейцы раньше других оценили достоинства огнестрельного оружия и стали его энергично совершенствовать, они получили военный перевес над другими народами и постепенно утвердили свое господствующее положение на всем земном шаре.

Между тем европейцы ни в коей мере не могут считаться изобретателями пушки. Первые образцы огнестрельного оружия были созданы китайцами. Прообразом его послужило особое орудие «хоцян», изобретенное в 1132 году неким Чэнь Гуем. Хоцян представлял собой подобие огнемета: пустотелый ствол бамбука, забитый с одной стороны, набивали порохом, при поджигании которого огонь с силой вылетал из ствола и поражал противника. Очень важной в этом изобретении была идея ствола — глухой камеры, имеющей только один выход. В дальнейшем ствол стал неотъемлемой частью любого огнестрельного оружия. Следующий важный шаг был сделан спустя несколько лет — один из оружейников города Чоу-чуньфу придумал «тухоцян» — бамбуковое ружье, из которого силой пороховых газов выбрасывалась пуля. От китайцев это оружие заимствовали чжурчжэни, а потом — монголы. Когда после 1260 года в Сирии началась длительная война между монголами и арабами, образцы огнестрельного оружия (в это время стволы делали уже не из бамбука, а отливали из меди) попали в руки арабов, которые вскоре научились делать его сами. Первое арабское огнестрельное оружие (модфа) имело вид железной тонкостенной трубки с деревянным наконечником или стержнем, за который его держали при стрельбе. Трубку набивали порохом, вставляли пулю, а затем поджигали заряд раскаленным прутом. В последней четверти XIII века арабы уже широко применяли порох для метания стрел и пуль. Почти все хроники, описывающие борьбу испанцев с маврами, сообщают об использовании последними орудий, с шумом и треском метавших снаряды. От арабов это изобретение перешло к европейским народам.

Когда же впервые возникла артиллерия в подлинном смысле этого слова? Одна из средневековых хроник утверждает, что пушки были впервые употреблены в Германии в 1313 году, и приписывает это изобретение монаху Бертольду Шварцу. Хорошо известно, что в 1326 году во Флоренции уже изготавливались металлические пули и железные пушки. Это нововведение быстро распространилось по Западной Европе. Впрочем, современники упоминали о первых опытах применения пушек вскользь, без подробностей — явное свидетельство того, что влияние их на исход боя было тогда совершенно ничтожно. Сражение при Креси в 1346 году между англичанами и французами можно считать первой большой битвой, где широко применялась артиллерия. Первые орудия были невелики. До середины XIV века вес снаряда редко достигал 2 кг. В то время арабы обладали более совершенными пушками. Упоминается, что в 1342 году они обстреливали испанский лагерь со стен Альджезираса железными ядрами величиной с яблоко. Разрушительное действие снарядов первых орудий почти не превосходило, а иной раз и уступало действию стрельбы из метательных машин.

Но постепенно артиллерия становилась все более грозным оружием. Во второй половине XIV века на вооружении у всех европейских армий уже находились тяжелые бомбарды, метавшие ядра до 200 фунтов и более (например, бомбарда герцога Бургундского в 1377 году метала снаряды весом 437 фунтов). Такие орудия могли сокрушать своим огнем стены городов и замков. Стреляли они каменными ядрами, которым была придана грубая шаровая форма. Вследствие малой поперечной нагрузки эти ядра быстро теряли свою скорость. Для увеличения разрушительной силы снарядов приходилось увеличивать размеры ядер и калибр ствола, который вскоре стал доходить до огромных размеров. Пишут, что в стволах некоторых крупных бомбард мог, не сгибая головы, сидеть взрослый человек. При таких размерах ствола бомбарды выходили чрезмерно тяжелыми и требовали для перевозки до 70 пар волов. Стрельба из таких огромных орудий была настолько затруднительна и медленна, что в день из них удавалось сделать не более четырех выстрелов. При осаде в 1370 году Пизы осаждавшие имели бомбарду, для заряжения и выстрела из которой требовались целые сутки. В полевых боях тяжелые орудия употреблялись редко, они доставлялись на позицию с трудом и покинуть эту позицию уже не могли. Часто орудия попадали в руки противника, не успев сделать ни одного выстрела. Впрочем, при удачном попадании, потери врага бывали очень велики, так как пехота наступала в те времена плотно сомкнутыми рядами. Кроме того, выстрелы орудий, сопровождавшие их дым и треск оказывали на врага подавляющее моральное воздействие.

К концу XIV столетия огнестрельные орудия не уступали в мощности другим метательным машинам, но все же долго не могли их вытеснить. Катапульты и баллисты действовали вернее и были менее опасны в употреблении, в то время как пушки часто оказывались настолько непрочными, что разрывались при выстреле. Перед каждым выстрелом прислуга пряталась за бруствер или в ямы, вырытые около батареи. Однако порох имел перед баллистами и катапультами важное преимущество. Метательная машина требовала для каждого выстрела огромной подготовительной механической работы, много превосходящей работу снаряда. А сила, метавшая снаряд из орудия, появлялась в ходе химической реакции. Выстрел не требовал от человека никаких физических усилий, а эффект от него был такой же.

Практический опыт определил лучшее отношение для размеров бомбард. Заряд должен был весить 1/9 от веса каменного ядра. Длина каморы должна была в пять раз превосходить ее диаметр. Порох, уложенный на дне каморы, занимал 3/5 ее длины. Над зарядом оставляли пустоту в 1/5 длины каморы. Затем закрывали камору хорошо прилаженным пыжом из мягкого дерева. Он занимал последнюю пятую часть длины. Каменный снаряд округляли, чтобы он плотно закрывал дно канала; после зарядки он удерживался четырьмя маленькими клиньями из крепкого дерева. Иной раз даже законопачивали пространство вокруг ядра для уничтожения зазора и для того, чтобы уменьшить потерю газов. Дальность полета таких ядер достигала 2000 шагов. Иногда поверх пыжа вместо каменного ядра клали несколько мелких камней. Это был прообраз картечи. Чтобы разрушить башню или пробить стену, следовали особенным правилам. Каждое ядро скрепляли накрест двумя железными кольцами для увеличения его прочности; стреляли же таким образом, чтобы ядра пробивали борозду на высоте двойного роста человека от подошвы стены. Для зажигания городов применяли особые зажигательные снаряды. С этой целью каждое каменное ядро обмакивали в смесь растопленной серы, смолы и извести. Первый слой состава обматывали материей, снова пропитывали снаряд горючим составом и снова обматывали материей. Так делали несколько слоев.

Орудия прикреплялись к станку или посредством веревок, или железных скреп почти горизонтально земле. Этим достигалось смягчение отдачи, но зато ухудшалось наведение. Прицела и наводки поначалу не было вовсе, а углы возвышения не менялись. Потом стволы стали помещать в специальные желоба, которым при помощи простых приспособлений можно было придать несколько различных положений. Для изменения угла возвышения на станках устраивались деревянные дуги с дырочками, в которые вставляли чеки, поддерживавшие казенную часть орудия на большей или меньшей высоте. Но все равно прицельность выстрелов была очень небольшой.

Подлинный расцвет артиллерия пережила в XV и XVI веках. В эти два столетия было найдено несколько принципиальных решений, значительно увеличивших эффективность орудийного огня. Наиболее крупными шагами на этом пути стали: 1) распространение чугунного производства; 2) усовершенствование техники отливки орудий; 3) зернение пороха; 4) изготовление колесных лафетов; 5) распределение орудий по калибрам и установление связи между калибром ствола и весом ядра. Рассмотрим подробнее каждое из этих нововведений.

Металлические ядра (бронзовые и свинцовые) в XIV веке употребляли редко из-за их высокой стоимости. Но вскоре успехи металлургии представили в распоряжение пушкарей в большом количестве дешевый чугун. Когда к концу XIV века начали получать и приготовлять чугун, то первыми чугунными отливками стали массивные ядра. В середине XV века чугунные ядра начали лить во Фландрии, затем это искусство получило широкое распространение во Франции. Постепенно чугунные ядра полностью вытеснили из употребления каменные. Это повлекло за собой большие изменения во всем артиллерийском деле. Благодаря большой плотности чугуна вес ядер возрос, а объем их уменьшился (чугун в 2, 5 раза плотнее камня). Отпала нужда выделывать огромные стволы. Калибр пушек уменьшился, а толщина стенок ствола увеличилась. Появилась также возможность увеличить длину ствола (раньше стволы приходилось делать короткими, чтобы еще больше не увеличивать вес орудий). С достижением большей прочности смогли существенно увеличить силу заряда. Чугунные ядра получили такую начальную скорость полета, какой каменные никогда не имели. Они летели дальше и поражали с большей силой. Огромные бомбарды постепенно исчезают. Основным типом орудия становится собственно «пушка». (В средние века было три основных вида артиллерийских орудий, различавшихся по типу огня. Мортиры вели навесный огонь, при котором снаряды описывали крутую дугу, поражая противника сверху. Собственно пушки стреляли так, что ядра летели по пологой траектории, почти параллельно поверхности земли. Гаубицы занимали промежуточное положение.) Пушки имели наиболее простое устройство, были значительно легче бомбард, удобны в употреблении и обладали значительной скорострельностью. Большое распространение получили мелкокалиберные пушки, стрелявшие свинцовыми ядрами весом от 1/4 до 2 фунтов. Благодаря легкости такие пушки можно было легко перевозить и переносить с места на место, они быстро наводились и без труда пробивали насквозь даже самые прочные рыцарские латы. В XIV веке кроме литых бронзовых были также кованые железные орудия. Последним отдавали предпочтение, так как бронза была недостаточно крепким и довольно дорогим материалом. Железные пушки ковались из продольных сваренных между собой полос, составлявших ствол, на который нагонялись для прочности непрерывным рядом железные кольца, так что пушка имела ребристую поверхность. Потом вслед за ядрами стали лить из чугуна сами пушки. Чугун оказался очень удобным материалом, так как был прочнее бронзы и обрабатывался легче, чем ковкое железо. Сначала отливали только зарядные каморы. Ствол еще некоторое время оставался сварным из железных полос и колец. В начале XV века появились небольшие пушки, целиком отлитые из чугуна, а во второй половине этого столетия пушечное литье уже переживало расцвет. Первые чугунные пушки еще были неудовлетворительного качества, и их часто разрывало на куски после первого же выстрела, но постепенно научились делать высококачественный чугун. Стволы отливали в формах из глины, сделанных по особым шаблонам, а канал ствола высверливали на специальных станках.

Параллельно шло совершенствование орудийных станков-лафетов. К лафету предъявлялось сразу несколько требований. Он должен был способствовать изменению направления и угла возвышения орудий, обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять отдаче, и, наконец, облегчать перевозку орудий во время похода. Средневековые мастера претерпели множество неудач, прежде чем нашли конструкцию лафета, удовлетворявшую всем этим условиям. Отдача особенно досаждала первым пушкарям. Самые прочные лафеты разваливались после нескольких выстрелов, так как принимали на себя основную силу удара. Для сохранения их приходилось жертвовать мощностью выстрела и употреблять небольшие заряды. Кроме того, нельзя было изготовить сносных приспособлений для наводки — они ослабляли прочность орудия. Швейцарцы во второй половине XV века первые придумали установить пушку на колеса и тем сразу решили несколько проблем. Орудие стало более подвижно и маневренно, а после выстрела оно откатывалось без всякого вреда для лафета. Затем усовершенствовался механизм наводки. Пушку посадили на ось лафета и позволили ей свободно вращаться в разные стороны. Для изменения углового возвышения вместо клиньев стали употреблять подъемный винт.

Чугунные ядра и колесные лафеты сразу превратили артиллерию в опасное оружие. Она быстро перемещалась по полю боя, легко и скоро наводилась и бросала ядра, разрушавшие самые крепкие стены. В то время, когда укрепления замков и городов на каждом шагу представляли пушкам свои стены и башни, артиллерийское орудие сделалось подлинным «богом войны». Пушки стали применяться повсюду — на суше и на море, при осаде городов и на поле боя. Батареи тяжелых орудий издали поддерживали наступление своих войск, а мелкая артиллерия находилась в самой гуще сражения. Важное значение усовершенствованной артиллерии продемонстрировал знаменитый поход французского короля Карла VIII в Италию в 1494 году. В этой войне французы имели при себе множество разнообразных орудий и поэтому без труда захватывали один город за другим. Пишут, что под Неаполем они после четырехчасовой бомбардировки взяли крепость на горе св. Иоанна, которая в прежние времена считалась неприступной (во время предыдущей войны, которую вели испанцы, эта крепость сдалась только после семилетней осады).

В XVI веке заметно шагнула вперед артиллерийская наука. Мастера стали уделять большое внимание калибру ствола и унификации снарядов. Ядра стали отливать с таким расчетом, чтобы они точно соответствовали ширине ствола. Очень важным в этом отношении были работы итальянского математика Николая Тартальи, который впервые установил способ определения калибров орудий по пропорциональности веса чугунного снаряда к кубу его диаметра. На современный взгляд в этих вычислениях нет ничего особенного, но для того времени они имели огромное значение, так как установили наконец связь между орудием и ядром. Кроме того, Тартальи изобрел квадрант и первым попытался вычислить траекторию снаряда. Его с полным основанием называют создателем артиллерийской науки.

Стрельба в XVI веке производилась так. Перед каждым выстрелом прочищали канал орудия банником, колодка которого была обита овчиною, подносили к орудию бочонок с порохом, брали из него часть заряда и досылали ее шуфлой до дна, потом шуфлу переворачивали, вкладывали в канал прибойник и прибивали заряд прибойником до тех пор, пока порох не попадал в запальный канал на казенной части. Затем брали остальную часть заряда и снова поступали подобным же образом. Дославши весь заряд, досылали пыж, собиравший весь порох со стен канала, снова чистили канал банником и вкладывали ядро, обернутое несколькими слоями пакли. Прицела еще не существовало, но на стволе уже устраивали несколько мушек, имевших вид возвышенных площадок. Воспламенение заряда производили с помощью фитиля.

Ручное огнестрельное оружие — аркебуз — вплоть до конца XV века не имело такого значения, как артиллерия. Оно было тяжело, капризно, уступало в скорострельности и убойной силе арбалету (в то время как из аркебуза делали один выстрел, арбалетчик успевал пустить три стрелы, а лучник — шесть). Порох в аркебузе перед каждым выстрелом поджигался, как и у пушек, фитилем, что было очень неудобно. Однако после того как в конце XV века изобрели сначала фитильный, а потом кремневый замок и появился мушкет, пехота, вооруженная огнестрельным оружием, стала оказывать все большее влияние на исход боя.

25. КАРАВЕЛЛА

Эпоха Великих географических открытий была одной из переломных в истории человечества. Буквально за несколько десятилетий границы известного человеку мира небывало раздвинулись. Европейцы вступили в контакт с далекими, прежде неведомыми им народами, открыли множество новых земель, на их картах появились неизвестные до этого материки и океаны. Понятно, что великие географические открытия были вызваны самыми разнообразными политическими, социальными и экономическими причинами. Однако не последнюю роль сыграли здесь и выдающиеся технические достижения средневековья в мореходном деле. Для того чтобы мореплаватели могли отважиться на далекие экспедиции, они должны были иметь в своем распоряжении ходкие, прочные и вместительные корабли. Известно, что таким судном стала каравелла, само имя которой сделалось синонимом эпохи географических открытий. Все выдающиеся экспедиции этого времени: плавания Колумба через Атлантический океан (начиная с 1492 г.), путешествие Васко да Гамы вокруг Африки и через Индийский океан (в 1497-1498 гг.), плавания Кабрала (в 1500 г.) и Америго Веспуччи (в 1498-1502 гг.), а также беспримерное кругосветное путешествие Магеллана (в 1519-1522 гг.) были совершены на каравеллах. Эти корабли как бы вобрали в себя все лучшее, что успели накопить за предшествующие века искусства судостроения и кораблевождения.

Сравнивая между собой типовые корабли начала и конца средневековья, сразу можно отметить их главное отличие: если в конце античности морское судно было по преимуществу весельным, а парус играл только вспомогательную роль, то в начале нового времени судно стало исключительно парусным и совершенно лишилось весел. Над развитием и совершенствованием парусного вооружения корабля прежде всего работала творческая мысль средневековых мастеров. (Это, впрочем, вовсе не означает, что большие гребные суда — галеры — исчезли совершенно. Нет, галеры широко использовались (главным образом как боевые корабли) еще в первой четверти XVIII века, но конструктивно они очень мало отличались от тех образцов, которые были созданы еще в античности.)

Первое изменение в парусном вооружении средиземноморских судов касалось формы самого паруса: на место широко распространенного в прежние времена прямоугольного пришел треугольный или косой парус. Этот парус, получивший название «латинского», был заимствован европейцами от арабов. Однако сами арабы едва ли были его изобретателями, поскольку косой парус издревле использовался мореплавателями Индийского океана. Сначала при вооружении судна треугольным парусом передний конец рея подтягивался к форштевню (носовой оконечности судна); к мачте рей прикреплялся в нижней его трети и не под прямым углом, а наклонно. Угол наклона рея в зависимости от силы и направления ветра можно было менять. Позднее отказались и от длинного наклонного рея, а стали вверх на короткой мачте поднимать гафель (специальный рей, укреплявшийся наклонно в задней части мачты (сзади нее) и поднимаемый вверх по мачте). К гафелю крепилась верхняя шкаторина косого паруса. Использование косого паруса сразу облегчило управление кораблем, поскольку он чувствовал дуновения даже самого легкого бриза. Второе изменение касалось числа парусов. Уже в поздней античности помимо мачты с главным парусом появилась вторая мачта с носовым парусом — артемоном. Изобретение артемона явилось серьезным шагом вперед в мореходном деле, поскольку благодаря ему появилась возможность ходить не только при попутном, но и при боковом ветре, что раньше было совершенно невозможно. Однако два этих усовершенствования не могли серьезно повлиять на конструкцию судов. Хорошо известная с древних времен галера продолжала оставаться основным типом судна на протяжении всего раннего средневековья.

Следующие важные перемены в судостроении произошли в эпоху крестовых походов. В это время начался бурный расцвет средиземноморской и балтийской торговли. Содержать корабли с большим количеством гребцов стало невыгодно. Купцы все чаще и чаще отдавали предпочтение парусным кораблям. Основными типами транспортных судов в XII-XIV веках стали неф и когг, причем когг использовался на севере народами Прибалтики, а неф на юге — народами Средиземноморья. И нефы, и когги были очень вместительными судами. Их появление послужило началом к переходу от весельно-парусных судов к чисто парусным.

Парусное вооружения нефа быстро совершенствовалось. Сначала переднюю мачту с артемоном заменили сильно наклоненным к носу брусом, выступающим впереди форштевня — бушпритом, причем на обоих — носовой и главной мачтах — ставились треугольные паруса. Поскольку увеличить скорость судна можно было прежде всего за счет увеличения общей площади парусов, то для размещения дополнительных парусов в XIV веке стали устанавливать сначала две, а потом три и даже четыре мачты. На двухмачтовом корабле передняя мачта ставилась посредине корабля и имела высоту, равную приблизительно длине киля, а задняя находилась на кормовой оконечности киля. Каждую мачту снабжали треугольным рейковым парусом. Длина реи передней мачты равнялась длине киля, на задней она была короче. Установка кормовой мачты привела к уменьшению давления воды на руль, возникающего при уваливании судна под действием носового паруса. Благодаря этому судно стало более маневренным.

Между тем прямоугольный парус продолжал использоваться в северной Европе. Обслуживать парус с такой значительной поверхностью было трудно. Постепенно главный парус стали удлинять снизу. При этом появились рифы — завязки, продетые сквозь парус, при помощи которых можно было менять площадь паруса (зарифить его). Соревнование между прямым и косым парусом закончилось в конце концов тем, что стали использовать оба паруса, поскольку прямой парус был незаменим при сильных попутных ветрах, а второй — хорошо брал слабые боковые и встречные ветры. Сочетанием прямых и косых парусов была достигнута одновременно высокая скорость и хорошая маневренность судна. Различные концепции парусного вооружения соединились в типе трехмачтового нефа. Его передняя мачта — фок-мачта — несла прямой парус, площадь которого составляла лишь третью часть поверхности грота — прямого паруса на второй, грот-мачте. Третьей была бизань-мачта, несущая на косом рее парус, называвшийся, как и мачта, бизанью. (На четырехмачтовом судне задняя мачта называлась бенавентур-мачтой и тоже несла латинский парус.) Такая оснастка позволяла использовать большой парус — грот — для приведения судна в движение. За счет энергии ветра с помощью меньших парусов можно было маневрировать. Такие трехмачтовые корабли были распространены уже в XII веке.

Во второй половине XV века было осуществлено дробление парусов. Выше грота поставили меньший парус — марсель. Замена одного паруса несколькими уменьшила опасность для судна во время шторма и облегчила управление ими. Меньшими по объему парусами мог управлять меньший по числу экипаж. Дальнейшим нововведением в парусном вооружении явился блинд-парус над бушпритом. С увеличением парусного вооружения на мачты стала оказываться значительная нагрузка, поэтому их стали укреплять к бортам специальными снастями — вантами и фордунами. Во второй половине XV века ванты были снабжены выбленками, которые стали выполнять роль веревочных лестниц, укрепленных между вантами.

Искусство плавания при встречном и боковом ветре было освоено в начале раннего средневековья. С помощью шкотов — тросов, прикрепленных к нижним кромкам парусов, натягивали тот или другой конец паруса, поворачивали его, и ветер гнал судно в нужном направлении. Когда ветер дул в корму, он ударял в паруса перпендикулярно и действовал на них с полной силой. В этом случае паруса ставили поперек судна. Если ветер не совсем совпадал с курсом судна, дул сзади, но несколько под углом, паруса оставляли в том же положении (поперек судна). В этом случае сила дующего ветра фактически распадалась на две — одна действовала перпендикулярно парусу, как и в первом случае, и двигала судно вперед, другая — скользила вдоль паруса и потому не действовала на него. Чем круче было направление ветра к курсу судна, тем меньше становилась составляющая, двигавшая корабль вперед. В том случае, когда ветер дул непосредственно в борт корабля, то есть перпендикулярно курсу судна, плоскость парусов несколько разворачивали навстречу ветру так, чтобы она составляла с ним острый угол. Тогда сила ветра опять разлагалась на две составляющие: одна двигала судно вперед, а другая действовала в борт судна. Но теперь поперечная составляющая приходилась не только на корпус судна, но и на паруса. Если бы корабль имел круглую форму, он бы всегда двигался по направлению прямого угла к парусам, но так как корпус судна был продолговатый, то движение вперед и движение вбок были далеко не равны между собой. Сопротивление движению вбок было несравненно больше, чем движению вперед, вследствие большой длины подводной части, а сопротивление движению вперед было очень мало. Поэтому судно в гораздо большей степени двигалось в нужном направлении, чем сносилось (дрейфовало) в сторону. Таким образом, поворачивая паруса навстречу ветру, можно было идти в нужном направлении не только при боковом, но и, до определенного момента, при боковом встречном ветре. Если же ветер дул почти или прямо навстречу судну, разлагать ветер описанным выше способом из-за сильной боковой составляющей было уже невозможно. В этом случае кораблю приходилось лавировать: паруса ставили так, что судно двигалось то вперед и влево, то вперед и вправо, имея ветер то с правой, то с левой стороны, и плыло вперед зигзагообразно по ломаной линии, части которой составляют более или менее острые углы с направлением ветра. При этом оно все-таки больше продвигалось по курсу, чем отклонялось от него. Из всего сказанного становится ясно, что управление парусами в конце средневековья сделалось большим и сложным искусством.

Одновременно с парусами шло совершенствование руля. В первое время в кормовой части нефа по обеим сторонам имелись отверстия для коротких с широкими лопастями весел, которыми судно управлялось. В XIII веке рулевое весло стали располагать не по правому борту, а непосредственно за кормой. Это была вынужденная мера. Пока под парусами ходили только при попутном ветре, бортовое весло вполне отвечало своему назначению. Но когда мореплаватели освоили технику судовождения при бортовых ветрах, возникли серьезные осложнения. Под действием этих ветров корпус судна наклонялся в направлении приложения ветровой нагрузки. Если судно кренилось на левый борт, рулевое весло выходило из воды, если же на правый — весло, наоборот, так глубоко уходило в воду, что кормчий не мог сдвинуть его с места. Расположенное позади кормы рулевое весло уже не подвергалось действию качки и исправно выполняло свои функции. Руль, напоминающий современный, впервые появился в начале XIV века. Он состоял из лопасти, или пера, соединенной с древком, на которое одевали рукоятку — румпель. Румпель располагался перпендикулярно древку на высоте верхней палубы. Сначала руль поворачивался непосредственно за румпель. Впоследствии было изобретено штурвальное колесо, на барабан которого наматывались тросы, прикрепленные к румпелю. Благодаря использованию зубчатой передачи значительно облегчилось усилие по перекладке руля.

На протяжении многих веков доски обшивки корабля крепили внахлестку друг на друга. К исходу XIV века на Средиземноморье стали применять обшивку вгладь, когда пояса досок обшивки прилегали друг к другу боковыми гранями заподлицо. Такой способ сборки позволил уменьшить сопротивление корпуса при движении в воде. Кроме того, так было легче обеспечить герметичность стыков и крепить доски обшивки к шпангоутам. Через Португалию и Испанию этот способ стал известен во Франции, а в середине XV века его переняли у бретонских судостроителей голландцы. В 1459 году первый корабль подобной конструкции появился на Балтике. В Англии суда с обшивкой вгладь стали строить только с начала XVI века. Все корабли с таким креплением обшивки в просторечье стали называться «каравеллами» от итальянского cara bella («красивая форма»).

Можно заключить, что каравеллы как особого типа судов (вроде шхуны, барка или фрегата) в строгом смысле этого слова никогда не существовало. Это понятие всегда было несколько размыто. До XV века каравеллами назывались маленькие беспалубные суда. Во времена Колумба они уже были значительно крупнее. Каравеллой, между прочим, могли окрестить неф, если он имел гладкую обшивку. Судя по всему, именно так и обстояло дело с самой знаменитой каравеллой — флагманским кораблем Колумба «Санта-Марией», которую сам адмирал называл нао (неф). По свидетельству Пантеро-Пантера, каравелла — «очень легкое и ходкое судно. Она сравнительно невелика, имеет четыре мачты…» Вместе с тем, каравелла была очень прочным и вместительным судном. Обычными для каравеллы были высокие борта при глубокой прогиби палубы в средней части судна и великолепное парусное вооружение. Вначале на них ставили исключительно латинские паруса, но во времена Колумба все большее распространение стали получать прямые паруса, которые при попутном ветре позволяли достичь большей скорости. Выбирая суда для своей первой экспедиции, Колумб сознательно предпочел каравеллу, хотя мог бы найти корабли большего размера. «Санта-Мария» имела водоизмещение около 130 тонн. Высота грот-мачты составляла 28 метров. Она несла четыре паруса: фок, грот, бизань и блинд. Два других корабля Колумба — «Пинта» и «Нинья» были каравеллами малого тоннажа, из числа судов, обеспечивающих прибрежные перевозки. Позже корабли Колумба послужили образцом для других исследователей, отправлявшихся к неведомым землям. По их образцу стали строить множество аналогичных судов, предназначенных в первую очередь для океанских плаваний и открытия новых земель.

26. КНИГОПЕЧАТАНИЕ

Идею печатания книг, скорее всего, подали штампы. Уже в VII-VIII веках в Европе вырабатывалась материя с тисненными украшениями. При печатании многих повторяющихся фигур здесь применялись штампы. Средневековые переписчики в XIII веке также прибегали к помощи штемпелей для инициалов (крупных украшенных букв, помещаемых в начале абзаца). Причина этого понятна — если текст писали сравнительно быстро, то на рисование крупных инициалов уходило много времени. Переписчику было очень удобно прибегнуть к штампу, тем более что в крупных рукописях одни и те же миниатюры повторялись по несколько раз. Оттиски широко применялись при изготовлении игральных карт и дешевых картин (в частности, с изображениями святых). Эти гравюры сначала представляли собой только картинки, но потом их стали сопровождать несколькими строчками текста. От гравюр оставался только шаг до производства книг. Видимо, эволюция здесь была такая же. Сначала с досок печатали только картинки, а текст писали от руки. Затем перешли к вырезанию на доске (в обратном виде) и текста, поясняющего рисунок. В дальнейшем дошло до вырезания одного текста без иллюстраций.

Первые книги, напечатанные таким образом, были невелики по объему (мы бы назвали их брошюрами) и рассчитаны на небогатого покупателя, у которого не хватало денег на то, чтобы купить настоящую книгу. Однако тираж таких дешевых изданий был, видимо, достаточно велик для того, чтобы оправдать первоначальные издержки на вырезание текста на досках. Среди первых печатных книг была, например, «Библия бедных», содержащая несколько десятков листов из Ветхого и Нового завета с картинками. Или «Зеркало человеческого спасения» с гравюрами, изображавшими грехопадение Адама и Евы, а также некоторыми выдержками из Нового завета, относящимися к спасению души. Третья книга, имевшая большую популярность, — «Жизнь и страсти Христа». Наряду с этими душеспасительными сочинениями ходко шли небольшие учебные книги: латинская грамматика Элия Доната, грамматика Александра Галла и другие.

Техника изготовления всех этих первых творений печатного дела была следующей. Бралась прямоугольная пластина твердого дерева — ореха, груши или пальмы — толщиною около 2 см. На ней после тщательной шлифовки и проверки правильности плоскости рисовались или наклеивались нарисованные на бумаге картинка и текст, похожий на рукописный. В первое время рисовали грубыми штрихами — для облегчения работы, — позже техника улучшилась, и рисунки стали выходить красивее и изящнее. Затем острыми на конце и твердыми ножичками вырезали вглубь все те части, которые не нужны. В результате этой работы получался выпуклый, лежащий весь на одной плоскости рисунок, который оставалось намазать краской (она представляла собой смесь сажи с растительным маслом, например, олифой). Краска налагалась при помощи тампона, сделанного из кожи или крепкой плотной материи, набитой шерстью. На покрытую краской поверхность накладывали влажный (чтобы краска лучше приставала) лист бумаги. Когда лист принимал весь рисунок с деревянной колодки, его осторожно снимали и вешали сушить. Затем снова мазали доску краской, и процесс повторялся. Сначала печатали только с одной стороны листа. Затем техника улучшилась, и стали использовать обе стороны.

Дешевизна новых книг породила устойчивый спрос на них, а это привело к тому, что к печатанию стало обращаться все больше ремесленников. Очевидно, что вырезание текста на доске было трудоемким и кропотливым делом. К тому же каждая доска могла быть использована для печатания только одной определенной книги. У многих мастеров, занимавшихся этим непростым делом, наверное, возникала мысль: можно ли ускорить и упростить процесс печатания? Между тем существовал только один способ облегчить работу — создание подвижных букв, которые могли бы служить многие годы для набора совершенно разных книг. Впервые эта идея была воплощена в жизнь Иоганном Гутенбергом. Он родился в Майнце и происходил из старого дворянского рода Гонцфлейшей. В 1420 году Иоганн покинул Майнц, стал заниматься ремеслом и принял фамилию своей матери — Гутенберг. Около 1440 года, живя в Страсбурге, Гутенберг изготовил свой первый печатный станок. В 1448 году он вернулся в свой родной Майнц и всецело посвятил себя книгопечатанию. Умер он в 1468 году.

Сам Гутенберг тщательно скрывал суть своего изобретения, поэтому путь, которым он пришел к нему, можно восстановить лишь предположительно. Есть известия, что первый набор Гутенберга был деревянным. Уверяют, что еще в начале XVI века видели остатки его первого деревянного шрифта. Причем он делал в теле каждой литеры отверстие и связывал набранные строки продетой сквозь отверстия веревкой. Однако дерево малоподходящий материал для вырезания отдельных мелких букв. К тому же оно набухает, высыхает — и отдельные слова получаются неодинаковыми по высоте и ширине. Это мешало печатанию. Стараясь преодолеть этот недостаток, Гутенберг, видимо, стал вырезать литеры из мягкого металла — свинца или олова. Очевидно, вскоре (если не сразу) пришла мысль, что литеры можно отливать — это будет и быстрее и легче. В конечном итоге процесс изготовления литер принял следующий вид: из твердого металла (железа) вырезали в зеркальном виде пунсоны (точные модели) всех используемых букв. Затем, ударяя по ним молотком, получали оттиски букв на медной пластинке (матрице). В этой форме отливали то количество букв, которое было нужно. Такие литеры можно было использовать многократно, причем для печатания самых разных книг. Отлитые буквы набирались в линейку с бортиками (верстатку), которая представляла собой готовую строку.

Первыми книгами Гуттенберга были календари и грамматика Доната (всего он выпустил 13 таких изданий). Но в 1455 году он отважился на более сложное дело — выпустил первую печатную Библию общим объемом в 1286 страниц (3400000 печатных знаков). В этом издании типографской краской был набран только основной текст. Заглавные буквы и рисунки рисовал от руки художник.

Открытый Гутенбергом способ книгопечатания оставался фактически неизменным до конца XVIII века. Редко какое открытие бывало так кстати, как изобретение печатного станка. Насколько книгопечатание отвечало насущным потребностям человечества, показали уже первые годы после раскрытия тайны Гутенберга. Сотни типографий, одна за другой, возникли в разных городах Европы. К 1500 году было выпущено по всей Европе до 30 тысяч различных названий книг. Стараясь сделать свои издания более привлекательными, мастера снабжали свои книги иллюстрациями — сначала черно-белыми, а потом и цветными (сам Гутенберг печатал книги без иллюстраций), оформляли их прекрасными заглавными листами. В 1516 году венецианский художник Уго да Карпи довел способ печатания цветных иллюстраций до совершенства. Он разлагал картину на несколько тонов (обычно 3-4), для каждого тона делал отдельную доску и вырезал на ней только те места, которые должны были данными цветами отпечататься на бумаге. Сначала печатались на листе места одного цвета, потом — другого. Сам Уго да Карпи был прекрасным копировальщиком и напечатал таким образом копии многих картин, главным образом Рафаэля.

Печатание текстов происходило следующим образом. Сначала наборщик набирал текст из свинцовых литер. Строками, как уже говорилось, служили специальные линейки — верстатки. Они представляли собой продолговатую коробочку, открытую сверху и с одного бока. Когда набирался один ряд нужной длины, наборщик выравнивал строку с помощью заключки — уменьшал или увеличивал пробелы между словами вынимая или вставляя шпации — тонкие кусочки словолитного металла без литер, имевшие определенную ширину. После заполнения верстатки ее устанавливали на наборную доску. Когда набор страницы заканчивался, доску брали в рамку, чтобы литеры не рассыпались.

Печатный станок являл собой массивное сооружение, прикрепленное брусьями к полу и потолку. Главной его частью был пресс с рычагом, под которым находился плоский стол — талер. Этот талер был устроен так, что мог выдвигаться из-под пресса. На талер ставили набор двух или нескольких страниц (до 32), сколько их помещалось в зависимости от размера. Краской смазывали все выпуклые части набора. Чтобы бумага при печатании не соскальзывала с набора, использовали специальное приспособление — декель, снабженный двумя или тремя остриями (графейками). Он прикреплялся к передней части талера на шарнирах. Перед началом печатания мастер брал несколько листов бумаги (10-20), тщательно выравнивал их по краям и нанизывал на графейки. Сверху эти листы прикрывались рамкой (рашкетом), которая крепилась к декелю также на шарнирах. Рашкет закрывал поля бумаги и середину листа, то есть все части, которые должны были оставаться чистыми. После этого декель опускался на набор, так что нижний лист плотно прижимался к набору. Талер подвигали под пресс и при помощи рычага прижимали пиан (верхнюю доску) к декелю. Затем пресс поднимали, выдвигали весь аппарат с бумагой, поднимали рашкет и снимали с графеек напечатанный лист. Для того чтобы получить лучший оттиск, бумагу слегка смачивали водой. Поэтому готовые листы просушивали на веревке. После сушки делали оттиск на другой стороне листа. Затем листы поступали к переплетчику.

27. ТЕЛЕСКОП

Подобно очкам, зрительная труба была создана человеком, далеким от науки. Декарт в своей «Диоптрике» так повествует об этом важном изобретении: «К стыду истории наших наук столь замечательное изобретение было впервые сделано чисто опытным путем и притом благодаря случаю. Около тридцати лет тому назад Яков Мециус, „человек, никогда не изучавший наук“, полюбивший устраивать зеркала и зажигательные стекла, имея для этого различной формы линзы, вздумал посмотреть через комбинацию выпуклого и вогнутого стекла, а затем так удачно установил их на двух концах трубы, что совершенно неожиданно получил первую зрительную трубу». Говорят, что на это его подтолкнули дети, игравшие со стеклами.

Таким образом, первая зрительная труба появилась в Нидерландах в начале XVII века. Причем ее изобрели, кроме Мециуса, независимо друг от друга сразу несколько человек. Все они были не ученые-оптики, а обычные ремесленники. Один из них — очковый мастер из Миддельбурга Иоанн Лепперсгей — в 1608 году представил созданную им трубу Генеральным Штатам. Услышав об этой новинке, знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей писал в 1610 году: «Месяцев десять тому назад дошел до наших ушей слух, что некий бельгиец построил перспективу (так Галилей называл телескоп), при помощи которой видимые предметы, далеко расположенные от глаз, становятся отчетливо различимы, как будто они были близко». Принципа работы телескопа Галилей не знал, но он был хорошо осведомлен в законах оптики и вскоре догадался о его устройстве и сам сконструировал зрительную трубу. «Сначала я изготовил свинцовую трубку, — писал он, — на концах которой я поместил два очковых стекла, оба плоские с одной стороны, с другой стороны одно было выпукло-сферическим, другое же вогнутым. Помещая глаз у вогнутого стекла, я видел предметы достаточно большими и близкими. Именно, они казались в три раза ближе и в десять раз больше, чем при рассмотрении естественным глазом. После этого я разработал более точную трубу, которая представляла предметы увеличенными больше чем в шестьдесят раз. За этим, не жалея никакого труда и никаких средств, я достиг того, что построил себе орган настолько превосходный, что вещи казались через него при взгляде в тысячу раз крупнее и более чем в тридцать раз приближенными, чем при рассмотрении с помощью естественных способностей». Галилей первым понял, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб должно быть совершенно различно. Из десяти очковых лишь одна годилась для использования в зрительной трубе. Он усовершенствовал технологию изготовления линз до такой степени, какой она еще никогда не достигала. Это позволило ему изготовить трубу с тридцатикратным увеличением, в то время как зрительные трубы очковых мастеров увеличивали всего в три раза.

Галилеева зрительная труба состояла из двух стекол, из которых обращенное к предмету (объектив) было выпуклое, то есть собирающее световые лучи, а обращенное к глазу (окуляр) — вогнутое, рассеивающее стекло. Лучи, идущие от предмета, преломлялись в объективе, но прежде, чем дать изображение, они падали на окуляр, который их рассеивал. При таком расположении стекол лучи не делали действительного изображения, оно составлялось уже самим глазом, который составлял здесь как бы оптическую часть самой трубы.

Объектив O давал в своем фокусе действительное изображение ba наблюдаемого предмета (это изображение обратное, в чем можно было бы убедиться, приняв его на экран). Однако вогнутый окуляр O1, установленный между изображением и объективом, рассеивал лучи, идущие от объектива, не давал им пересечься и тем препятствовал образованию действительного изображения ba. Рассеивающая линза образовывала мнимое изображение предмета в точках A1 и B1, которое находилось на расстоянии наилучшего зрения. В результате Галилей получал мнимое, увеличенное, прямое изображение предмета. Увеличение телескопа равно отношению фокусных расстояний объектива к фокусному расстоянию окуляра. Казалось бы, можно получать сколь угодно большие увеличения. Однако предел сильному увеличению кладут технические возможности: очень трудно отшлифовать стекла большого диаметра. Кроме того, для слишком больших фокусных расстояний требовалась чрезмерно длинная труба, с которой было невозможно работать. Изучение зрительных труб Галилея, которые хранятся в музее истории науки во Флоренции, показывает, что его первый телескоп давал увеличение в 14 раз, второй — в 19, 5 раза, а третий — в 34, 6 раза.

Несмотря на то что Галилея нельзя считать изобретателем зрительной трубы, он, несомненно, был первым, кто создал ее на научной основе, пользуясь теми знаниями, которые были известны оптике к началу XVII века, и превратил ее в мощный инструмент для научных исследований. Он был первым человеком, посмотревшим на ночное небо сквозь телескоп. Поэтому он увидел то, что до него еще не видел никто. Прежде всего, Галилей постарался рассмотреть Луну. На ее поверхности оказались горы и долины. Вершины гор и цирков серебрились в солнечных лучах, а длинные тени чернели в долинах. Измерение длины теней позволило Галилею вычислить высоту лунных гор. На ночном небе он обнаружил множество новых звезд. Например, в созвездии Плеяд оказалось более 30 звезд, в то время как прежде числилось всего семь. В созвездии Ориона — 80 вместо 8. Млечный Путь, который рассматривали раньше как светящиеся пары, рассыпался в телескопе на громадное количество отдельных звезд. К великому удивлению Галилея звезды в телескопе казались меньше по размерам, чем при наблюдении простым глазом, так как они лишились своих ореолов. Зато планеты представлялись крошечными дисками, подобными Луне. Направив трубу на Юпитер, Галилей заметил четыре небольших светила, перемещающихся в пространстве вместе с планетой и изменяющих относительно нее свои положения. Через два месяца наблюдений Галилей догадался, что это — спутники Юпитера, и предположил, что Юпитер своими размерами во много раз превосходит Землю. Рассматривая Венеру, Галилей открыл, что она имеет фазы, подобные лунным, и потому должна вращаться вокруг Солнца. Наконец, наблюдая сквозь фиолетовое стекло Солнце, он обнаружил на его поверхности пятна, а по их движению установил, что Солнце вращается вокруг своей оси.

Все эти поразительные открытия были сделаны Галилеем за сравнительно короткий промежуток времени благодаря телескопу. На современников они произвели ошеломляющее впечатление. Казалось, что покров тайны спал с мироздания, и оно готово открыть перед человеком свои сокровенные глубины. Насколько велик был в то время интерес к астрономии, видно из того, что только в Италии Галилей сразу получил заказ на сто инструментов своей системы. Одним из первых оценил открытия Галилея другой выдающийся астроном того времени Иоганн Кеплер. В 1610 году Кеплер придумал принципиально новую конструкцию зрительной трубы, состоявшую из двух двояковыпуклых линз. В следующем году он выпустил капитальный труд «Диоптрика», где подробно рассматривалась теория зрительных труб и вообще оптических приборов. Сам Кеплер не мог собрать телескоп — для этого у него не было ни средств, ни квалифицированных помощников. Однако в 1613 году по схеме Кеплера построил свой телескоп другой астроном — Шейнер.

Множество ученых принялись сами сооружать телескопы, причем более мощные, чем у Галилея. Некоторым удалось достичь увеличения в сто раз, при этом длина трубки достигала 30, 40 и более метров. Рекорд принадлежит, видимо, астроному Озу, которому удалось в 1664 году соорудить телескоп с увеличением в 600 раз. При этом длина трубки была 98 метров. Легко догадаться о затруднениях, которые пришлось претерпеть Озу, ведя наблюдения с помощью такого неуклюжего приспособления. В 1672 году Исааку Ньютону удалось отчасти разрешить это затруднение он предложил новую конструкцию телескопа (получившую название рефлектор), в котором объективом было вогнутое металлическое зеркало.

Из всего сказанного видно, что создание телескопа ознаменовало собой подлинную революцию в науке вообще и в оптике в частности. Точная оптика вошла в науку как новое средство познания мира.

28. МИКРОСКОП

Приблизительно в то же время, когда началось исследование космоса с помощью телескопов, были сделаны первые попытки раскрыть с помощью линз тайны микромира.

Известно, что мелкие предметы, даже если они хорошо освещены, посылают глазу слишком слабый пучок световых лучей, недостаточно интенсивный для того, чтобы разрешение, производимое им на сетчатке глаза, дало нам отчетливое изображение. Простейший способ увеличить изображение небольшого предмета — это наблюдать его с помощью лупы. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием (как правило, не более 10 см), вставленную в рукоятку.

Наблюдение с помощью лупы происходит следующим образом. Предмет AB помещается от стекла на расстоянии OC, меньшим фокусного расстояния Of, тогда глазу, находящемуся в точке пересечения лучей F, покажется, будто лучи исходят из точки пересечения A1B1 продолженных лучей, так что получается мнимое, прямое увеличенное изображение A1B1 предмета AB. Для того чтобы изображение это было совершенно отчетливо, необходимо, чтобы расстояние C1F было равно расстоянию наилучшего зрения наблюдателя. Увеличением лупы будет считаться отношение A1B1 к AB или OC1 к OC.

Более совершенным инструментом для наблюдения микроскопических предметов является простой микроскоп. Когда появились эти приборы, в точности неизвестно. В самом начале XVII века несколько таких микроскопов изготовил очковый мастер Захария Янсен из Миддельбурга. В сочинении А. Кирхера, вышедшем в 1646 году, содержится описание простейшего микроскопа, названного им «блошиным стеклом». Он состоял из лупы, вделанной в медную основу, на которой укрепляли предметный столик, служивший для помещения рассматриваемого объекта; внизу находилось плоское или вогнутое зеркало, отражающее солнечные лучи на предмет и таким образом освещающее его снизу. Лупу передвигали посредством винта к предметному столику, пока изображение не становилось отчетливым и ясным.

Первые выдающиеся открытия были сделаны как раз с помощью простого микроскопа. В середине XVII века блестящих успехов добился голландский естествоиспытатель Антони ван Левенгук. В течение многих лет Левенгук совершенствовался в изготовлении крохотных (иногда меньше 1 мм в диаметре) двояковыпуклых линзочек, которые он изготавливал из маленького стеклянного шарика, в свою очередь получавшегося в результате расплавления стеклянной палочки в пламени. Затем этот стеклянный шарик подвергался шлифовке на примитивном шлифовальном станке. На протяжении своей жизни Левенгук изготовил не менее 400 подобных микроскопов. Один из них, хранящийся в университетском музее в Утрехте, дает более чем 300-кратное увеличение, что для XVII века было огромным успехом.

Без определенного плана Левенгук исследовал все, что попадалось под руку, и, подобно Галилею в космосе, делал одно великое открытие за другим. Впервые применив микроскоп в зоологических исследованиях, он был подлинным первооткрывателем микромира. Так, Левенгук первым наблюдал движение крови в кровеносных сосудах и открыл красные кровяные тельца; он обнаружил, что глаз у насекомых устроен совершенно не так, как у человека, и имеет фасеточное строение; он открыл поперечную полосатость мышц, трубочки зубного вещества, волокна хрусталика, чешуйки кожи и многое другое. Еще более важное значение имело то, что Левенгук обнаружил огромный мир микроорганизмов, о существовании которых до этого даже не подозревали. Он описал почкование гидр и множество форм инфузорий. Наконец он обнаружил сперматозоиды в семенной жидкости человека и животных и показал, что развитие крупных организмов тоже начинается с микроскопических размеров.

В начале XVII века появились сложные микроскопы, составленные из двух линз. Изобретатель такого сложного микроскопа точно не известен, но многие факты говорят за то, что им был голландец Корнелий Дребель, живший в Лондоне и находившийся на службе у английского короля Иакова I. В сложном микроскопе было два стекла: одно — объектив — обращенное к предмету, другое — окуляр — обращенное к глазу наблюдателя. В первых микроскопах объективом служило двояковыпуклое стекло, дававшее действительное, увеличенное, но обратное изображение. Это изображение и рассматривалось при помощи окуляра, который играл таким образом роль лупы, но только лупа эта служила для увеличения не самого предмета, а его изображения.

Предмет AB, расположенный от объектива немного дальше его главного фокуса F, давал на другую сторону действительное, обратное и увеличенное изображение ab, лежавшее за двойным фокусным расстоянием. Стекла M и N находятся между собой в таком удалении, что изображение ab приходится между окуляром N и его главным фокусом F1. Отсюда следует, что глаз, помещенный на E, видит изображение через окуляр, который действует как лупа и заменяет изображение ab другим — a1b1, мнимым и еще более увеличенным. Это второе изображение прямое по отношению к первому, но обратное по отношению к предмету.

Кроме этой схемы микроскопа возможны и другие. Между прочим, создатель телескопа Галилей в 1610 году обнаружил, что в сильно раздвинутом состоянии его зрительная труба позволяет сильно увеличить мелкие предметы. Его можно считать изобретателем микроскопа, состоящего из положительной и отрицательной линз. В 1663 году микроскоп Дребеля был усовершенствован английским физиком Робертом Гуком, который ввел в него третью линзу, получившую название коллектива. Этот тип микроскопа приобрел большую популярность, и большинство микроскопов конца XVII — первой половины XVIII века строились по его схеме.

29. ПРЯДИЛЬНАЯ МАШИНА

Восемнадцатый и девятнадцатый века ознаменовались невиданным прежде техническим подъемом. В продолжение полутораста лет было сделано множество блестящих изобретений, созданы новые виды двигателей, освоены новые средства связи и транспорта, придуманы самые разнообразные станки и машины. В большинстве отраслей производства ручной труд был почти полностью вытеснен машинным. Скорость, качество обработки и производительность труда выросли в несколько десятков раз. В развитых европейских странах появились тысячи крупных промышленных предприятий, сложились новые общественные классы — буржуазия и пролетариат. Промышленный подъем сопровождался крупнейшими социальными сдвигами. В результате Европа, да и весь мир, к концу XIX века неузнаваемо изменилась; жизнь людей уже совсем не походила на ту, что была в начале XVIII столетия. Быть может, впервые в истории технический переворот так зримо и явственно сказался на всех сторонах человеческой жизни.

Между тем начало этой великой машинной революции связано с созданием прядильного автоматического станка — самой первой машины, получившей широкое распространение в производстве. Можно сказать, что прядильная машина оказалась прообразом всех последующих станков и механизмов, и поэтому изобретение ее по своему значению далеко выходило за узкие рамки текстильного и прядильного дела. В каком-то смысле ее появление символизировало собой рождение современного мира.

Прядение в том виде, в каком оно было описано выше, — с помощью ручного веретена и прялки — существовало на протяжении нескольких тысячелетий и оставалось во все это время достаточно сложным и трудоемким занятием. Рука прядильщицы при совершении однообразных движений по вытягиванию, скручиванию и наматыванию нити быстро уставала, производительность труда была низкой. Поэтому значительный шаг в развитии прядения произошел с изобретением ручной прялки, которая появилась впервые в Древнем Риме.

В этом незамысловатом приспособлении колесо a при своем вращении приводило во вращение при помощи бесконечного шнура колесо меньших размеров d, на ось которого было надето веретено b. Процесс прядения на ручной прялке заключался в следующем: правая рука при помощи ручки приводила во вращение большое колесо a, в то время как левая, вытянув прядь из пучка волокон, направляла нить либо наклонно к веретену (тогда она ссучивалась и закручивалась), либо под прямым углом (тогда она сама собой, будучи готова, наматывалась на веретено).

Следующим крупным событием в истории прядения стало появление самопрялки (около 1530 г.), изобретателем которой называют каменотеса Юргенса из Брауншвейга. Его прялка приводилась в движение ногами и освобождала для работы обе руки работницы.

Работа на самопрялке проходила следующим образом. Веретено 1 было соединено наглухо с рогулькой 2 и получало движение от нижнего большого колеса 4. Последнее было соединено с блоком, неподвижно укрепленным на веретене. Катушка 3, на одном конце которой был укреплен блок меньшего диаметра, свободно надевалась на веретено. Оба блока получали движение от одного и того же колеса 4, но веретено и рогулька, соединенные с большим блоком, вращались медленнее, чем катушка, соединенная с меньшим блоком. Вследствие того, что катушка вращалась быстрее, происходило наматывание на нее нити, причем скорость наматывающейся нити была равна разности скоростей веретена и катушки. Прядильщица вытягивала рукой волокна из пряслицы и частично закручивала их пальцами. Нить до вступления в рогульку двигалась по оси веретена. При этом она вращалась, то есть закручивалась, и делала полностью то же число оборотов, что и веретено. Пройдя через рогульку 2, нить меняла направление и шла на катушку уже под прямым углом к оси веретена. Таким образом, по сравнению с обычной прялкой, самопрялка позволяла одновременно вытягивать, скручивать и наматывать нить. Из процесса прядения здесь уже были механизированы две операции: скручивание нити и наматывание ее на катушку, но вытяжка волокон из пряслицы и частичное закручивание их происходили вручную. Это сильно замедляло всю работу. Между тем в первой трети XVIII века был создан усовершенствованный ткацкий станок Кея, позволявший заметно повысить скорость тканья. На новом станке проворный ткач был в состоянии выткать столько пряжи, сколько поставляли шесть опытных прядильщиков. В результате возникла диспропорция между прядением и ткачеством. Ткачи стали ощущать нехватку пряжи, так как прядильщицы не успевали приготовлять ее в нужном количестве. Пряжа не только сильно вздорожала, но часто ее вообще нельзя было достать ни за какую цену. А рынки требовали все большего количества тканей.

Несколько поколений механиков тщетно ломали голову над тем, как усовершенствовать прялку. На протяжении XVII и первой половины XVIII веков было сделано несколько попыток снабдить самопрялку двумя веретенами, чтобы повысить ее эффективность. Но работать на такой прялке было слишком тяжело, поэтому идея эта не получила распространения. Было ясно, что прясть сразу на нескольких веретенах можно будет лишь тогда, когда будет механизирована сама операция вытягивания волокон.

Эта сложная задача была отчасти разрешена английским механиком Джоном Уайтом, который придумал в 1735 году специальный вытяжной прибор. По словам Маркса, именно эта часть машины определила начало промышленной революции. Не имея средств, Уайт продал права на свое замечательное изобретение предпринимателю Льюису Паулю, который в 1738 году взял на него патент. В машине Пауля и Уайта человеческие пальцы впервые были заменены парой «вытяжных» валиков, вращающихся с разной скоростью. Один валик имел гладкую поверхность, а другой был шероховатый с рифленой поверхностью или обит паклей. Однако прежде чем поступить на валики машины, волокна хлопка должны были пройти предварительную обработку — их необходимо было уложить параллельно друг другу и вытянуть. (Это называлось «расчесыванием» хлопка, или кардованием.)

Пауль и Уайт постарались механизировать этот процесс и создали специальную чесальную машину. Принцип ее действия заключался в следующем. Цилиндр, снабженный по всей поверхности крючками, вращался в желобе, который на своей внутренней стороне был снабжен зубьями. Волокна хлопка пропускались между цилиндром и желобом и таким образом расчесывались.

После этого пряжа в виде тонкой ленты подавалась в прядильную машину и здесь сначала вытягивалась в вытяжных валиках, а потом поступала на веретено, вращавшееся быстрее валиков, и закручивалась в нить. Первая такая прялка была построена Паулем в 1741 году. Это была первая в истории прядильная машина.

Усовершенствуя свою машину, Пауль и Уайт стали пропускать пряжу через несколько валиков. Вращаясь с разной скоростью, они вытягивали ее в более тонкую нитку. С последней пары валиков нитка поступала на веретено. В 1742 году Уайт соорудил машину, которая пряла сразу на 50 веретенах и приводилась в движение двумя ослами. Как показали дальнейшие события, придуманные им вытяжные валики оказались чрезвычайно удачным нововведением. Но вообще его машина не получила широкого распространения. Она была слишком дорогим и громоздким устройством для ремесленника-одиночки. Острая нехватка пряжи продолжала ощущаться и в последующие годы. Эта проблема была отчасти решена только после создания прядильной машины Харгривса.

Харгривс был ткач. Пряжу для него изготовляла жена, и того, что она успевала напрясть за день, было для него недостаточно. Поэтому он много думал над тем, каким образом можно было бы ускорить работу прядильщиц. Случай пришел ему на помощь. Однажды дочь Харгривса, Дженни, нечаянно опрокинула прялку, однако колесо ее продолжало вертеться, а веретено продолжало прясть пряжу, хотя находилось в вертикальном, а не горизонтальном положении. Харгривс немедленно использовал это наблюдение и построил в 1764 году машину с восемью вертикальными веретенами и одним колесом. Машину он назвал «Дженни» по имени своей дочери. Она не принесла своему создателю ни денег, ни счастья. Напротив, изобретение Харгривса вызвало бурю негодования у прядильщиков — они предвидели, что машина лишит их работы. Ватага возбужденных людей ворвалась однажды в дом Харгривса и разрушила машину. Сам изобретатель и его жена едва успели избежать расправы. Но это, конечно, не могло остановить распространения машинного прядения — буквально через несколько лет «Дженни» пользовались тысячи мастеров.

Как и машина Уайта, «Дженни» требовала предварительной подготовки хлопковых волокон. Выделка нити происходила здесь из ленточки расчесанного хлопка. Початки с ровницей были помещены на наклонной раме (наклон служил для облегчения сматывания ровницы). Вместо вытяжных валиков Уайта Харгривс применил особый пресс, состоявший из двух брусков дерева. Нитки ровницы с початков проходили через вытяжной пресс и прикреплялись к веретенам. Веретена, на которые наматывалась готовая нить, находились на неподвижной раме с левой стороны станка. В нижней части каждого веретена имелся блок, вокруг которого шел приводной шнур, переброшенный через барабан. Этот барабан расположен был впереди всех блоков и веретен и приводился в движение от большого колеса, вращаемого рукой. Таким образом, большое колесо приводило во вращение все веретена.

Прядильщик одной рукой двигал каретку вытяжного пресса, а другой вращал колесо, приводившее в движение веретена. Работа машины состояла из следующих процессов: пресс закрывался и отводился назад от веретен — в результате происходило вытягивание нити. Одновременно прядильщик вращал колесо, оно приводило в движение веретена, а они закручивали нить. В конце отхода каретка останавливалась, а веретена продолжали вращаться, производя докрутку. После этого каретка подавалась обратно к веретенам, все нити несколько пригибались особой проволокой для того, чтобы они попали в положение наматывания. Во время обратного хода каретки с открытым прессом нити наматывались на веретена вследствие вращения последних.

Вытяжной пресс Харгривса, по существу, заменил руку рабочего. Вся работа свелась в основном к трем движениям: к вращению приводного колеса, к прямолинейному движению каретки взад и вперед и к нагибанию проволоки. Другими словами, человек играл только роль двигательной силы, и поэтому в дальнейшем стало возможным заменить рабочего другими, более постоянными и мощными источниками энергии. Замечательное значение изобретения Харгривса заключалось в том, что оно сделало возможным обслуживание нескольких веретен одним рабочим. В самой первой его машине было всего восемь веретен. Затем он увеличил их количество до 16. Но еще при жизни Харгривса появились машины «Дженни» с 80 веретенами. Эти машины уже не под силу было приводить в действие рабочему, и их стали соединять с водяным двигателем. Благодаря простоте конструкции и дешевизне, а также возможности использовать ручной привод «Дженни» получила широчайшее распространение. К 90-м годам XVIII века в Англии насчитывалось уже более 20 тысяч самопрялок «Дженни». В большинстве своем они принадлежали ткачам-одиночкам. Самые небольшие из них выполняли работу шести или восьми рабочих. Это была первая в истории машина, получившая массовое распространение.

Машина Харгривса отчасти помогла преодолеть прядильный голод и способствовала мощному подъему производства в Англии, однако это было все-таки не совсем то, что требовалось. Вытяжное приспособление «Дженни» оказалось несовершенным. Из-за недостаточной вытяжки пряжа получалась хоть тонкая, но слабая. Для большей прочности полотна ткачам приходилось добавлять в пряжу льняную нитку.

Более удачная машина была создана вскоре Аркрайтом. Она представляла собой соединение вытяжного механизма Уайта с крутильно-наматывающим аппаратом самопрялки Юргенса. По профессии Аркрайт был цирюльником в городе Болтоне в Англии. Большинство его клиентов были мелкие прядильщики и ткачи. Однажды Аркрайт стал свидетелем разговора ткачей, говоривших о том, что полотно ткется из нитей льна вперемежку с нитями хлопка, так как машина Харгривса не в состоянии поставлять много пряжи и нитки ее не обладают достаточной прочностью. Вскоре после этого Аркрайт раздобыл себе машину «Дженни», изучил ее и пришел к убеждению, что сможет построить другую, которая будет прясть скорее и тоньше. Он взялся за дело, и действительно, ему удалось построить прялку, которая совершенно автоматически исполняла все процессы. Прядильщику приходилось лишь следить за тем, чтобы в машину поступало достаточно материала, и соединять порвавшиеся нити.

Работа на машине Аркрайта происходила следующим образом Приводное колесо приводило во вращение веретена с рогульками. Предварительно приготовленная из хлопка ровница находилась на початках, которые помещались на горизонтальном валу в верхней части станка. Ровничная ленточка хлопковых волокон поступала в находящиеся перед початками вытяжные валики. В каждой паре нижний валик был деревянный, рифленый, а верхний — обтянут кожей. Каждая последующая пара валиков вращалась быстрее, чем предыдущая. Верхние валики прижимались грузами к нижним. Вытянутая нить выходила из последней пары валиков, проходила через крючки рогульки и наматывалась на веретено. Для того чтобы получить отставание сидящих на веретенах катушек от рогулек, катушки несколько задерживались шнуром, проходившем через желобки шкивов в нижней части каждой катушки. В результате получались нити такой крепости, что отныне можно было делать ткани из чистого хлопка, без примеси льна. В описываемой машине был полностью осуществлен принцип непрерывности работы, поэтому ее стали называть ватермашиной.

Аркрайт оказался не только удачливым изобретателем, но и ловким дельцом. В сообществе с двумя коммерсантами он построил свою прядильную фабрику, а в 1771 году открыл вторую фабрику в Кромфорде, где все машины приводились в движение водяным колесом. Вскоре фабрика разрослась до размеров крупного предприятия. В 1779 году на ней было несколько тысяч веретен и работало 300 рабочих. Не останавливаясь на этом, Аркрайт основал еще несколько фабрик в разных концах Англии. В 1782 году на него работало уже 5000 рабочих, а его капитал оценивался в 200 тысяч фунтов стерлингов.

Аркрайт продолжал работать над созданием новых машин, которые позволили бы механизировать весь процесс обработки пряжи. В 1775 году он получил патент сразу на несколько вспомогательных механизмов. Главными из них были: кардная машина, подвижной гребень, ровничная машина и питающий прибор. Кардная машина состояла из трех барабанов и служила для расчесывания хлопка. (Это была усовершенствованная машина Уайта.) Подвижный гребень использовался как дополнение к кардной машине — им снимали прочесанный хлопок с барабанов. Ровничная машина превращала расчесанный хлопок в цилиндрическую ровницу, готовую для переработки на прядильной машине. Питающий прибор представлял собой подвижное полотно, которое доставляло кардной машине хлопок для обработки.

В последующие годы слава Аркрайта была омрачена обвинениями в воровстве чужих изобретений. Целый ряд судебных процессов показал, что все запатентованные им машины не были в действительности изобретены им. Так, оказалось, что прядильную ватермашину изобрел часовщик Джон Кэй, кардную машину — Даниэль Борн, питающий прибор — Джон Лис. В 1785 году все патенты Аркрайта были аннулированы, но к этому времени он уже стал одним из самых богатых английских фабрикантов.

Последнюю точку в создании универсальной прядильной машины поставил ткач Самуэль Кромптон, который создал так называемую мюль-машину. В ней были соединены принципы работы «Дженни» и ватермашины Аркрайта. Вместо пресса Харгривса Кромптон применил вытяжные валики. Кроме того, введена была каретка, двигавшаяся взад и вперед. На каретке помещались веретена. Когда каретка с веретенами отходила от валиков, веретена еще сильнее вытягивали и скручивали нитку. Когда каретка приближалась к валикам, нитка закручивалась и наматывалась на веретено. Тогда как ватермашина делала крепкую, но грубую пряжу, а «Дженни» — тонкую, но некрепкую, мюль-машина Кромптона давала крепкую и вместе с тем тонкую пряжу.

30. ОСПОПРИВИВАНИЕ

Натуральная оспа была известна с глубокой древности и всегда считалась одной из самых ужасных и опустошительных болезней. Обычно от нее умирала 1/6-1/8 часть всех заболевших, а у маленьких детей смертность достигала 1/3. По отношению к общей смертности на долю оспы выпадала 1/4 всех умирающих. И такая грустная картина наблюдалась вплоть до самого конца XVIII века. Например, в одной Германии в 1796 году от оспы умерло 70 тысяч человек. Вообще же считали, что ежегодно в Европе от этой заразы погибало до 1, 5 миллионов человек. Бывали и более масштабные эпидемии. Так, перекинувшись в XVI веке в Америку, оспа сняла здесь особенно страшную и обильную жатву — в короткий срок от нее умерло несколько десятков миллионов коренных жителей-индейцев. Но даже если оспа щадила жизнь, она часто оставляла после себя неизгладимые следы. Множество людей были обезображены рубцами, других она лишила здоровья, зрения и слуха. В средневековой Европе эпидемии оспы были настолько часты и тотальны, что у тогдашних врачей сложилось твердое убеждение: каждый человек должен обязательно переболеть оспой. Знаменитый врач XVII века Сиденгам называл оспу «отвратительнейшей болезнью, унесшей в могилу больше жертв, чем все другие эпидемии, чем порох и война». А известный английский историк Маколей писал: «Моровая язва или чума была более смертельна, чем оспа, но зато она посетила наши берега лишь однажды или дважды на памяти людей, тогда как оспа неотступно пребывала между нами, наполняя кладбища покойниками, терзая постоянным страхом всех тех, которые еще не болели ею, оставляя на лицах людей, жизнь которых она пощадила, безобразные знаки, как клеймо своего могущества».

От оспы не было лекарств, но давно была замечена одна особенность этой болезни — человек, переболевший даже самой легкой ее формой, на всю жизнь становился к ней невосприимчивым. Этим был как бы подсказан способ противостоять страшному заболеванию. В Китае уже за 1000 лет до Р.Х. врачи умели прививать здоровому человеку легкую оспу и тем самым защищали его от заражения более тяжелой формой. Из Китая этот способ распространился по всему Востоку, а в начале XVIII века привлек внимание европейцев. Жена английского посланника герцогиня Монтагю привила легкую форму натуральной оспы своей единственной дочери, а потом проповедовала прививку в высшем английском обществе. Обычно для оспопрививания выбирали подходящие случаи легкой натуральной оспы, прививали ее здоровому человеку, так что тот переносил ее в неопасной форме. (В 1768 г. была привита оспа русской императрице Екатерине Второй.) Несмотря на то что прививка в большинстве случаев давала хороший эффект, нередкими были и трагические исходы, когда у привитого вместо легкой развивалась тяжелая форма болезни со всеми ее ужасными последствиями. Поэтому на прививку решались лишь немногие, и современники смотрели на них, как на отчаянных смельчаков.

Нетрудно поэтому представить себе, как велика была благодарность современников английскому врачу Эдварду Дженнерту, который в самом конце XVIII века открыл надежный и безопасный способ защиты против этой опустошительной заразы. Суть открытия Дженнерта очень проста — вместо натуральной человеческой оспы он предложил прививать людям ту форму оспы, которая изредка поражала коров и тех людей, которые имели дело с молочным скотом (прежде всего доярок). Дело в том, что болезнь, сходная с оспой, наблюдается и у многих видов животных. Причем давно уже было замечено, что у одних видов она протекает в очень легкой форме, а у других, напротив, часто принимает опасный характер. В частности, коровы болели оспой сравнительно редко и переносили ее очень легко. Отмечалось также, что доярки, переболевшие коровьей оспой, обычно оказывались невосприимчивы к оспе натуральной. Некоторые врачи пытались найти объяснение этому феномену, но большинство ученых-медиков не придавало ему большого значения, поскольку твердой закономерности здесь никогда не наблюдалось — хотя и несравненно реже других, доярки (в том числе и переболевшие коровьей оспой) все-таки иногда становились жертвами натуральной оспы. Почти каждый врач, имевший обширную практику, мог указать на такие случаи.

Таким образом, Дженнерт был далеко не первым, кто заинтересовался коровьей оспой, но именно ему посчастливилось совершить открытие, навсегда обессмертившее его имя. Говорят, один случай заставил его сосредоточиться на этой проблеме. Однажды, когда юный Дженнерт еще учился у врача Даниэля Лидлоува в Содбери, к нему обратилась за советом бедная крестьянка. Осмотрев больную, Дженнерт нашел у нее все симптомы натуральной оспы и сообщил ей об этом. «Оспой я не могу заболеть, — отвечала ему больная, — потому что у меня была коровья оспа». Глубокая уверенность, с которой крестьянка произнесла эти слова, произвела сильное впечатление на юного Дженнерта и навела его на следующее предположение: раз коровья оспа переносится человеком несравненно легче натуральной, так как она всегда протекает без смертельного исхода, то очевидно, что при ее предохранительном свойстве достаточно вызвать ее искусственно в человеческом организме, чтобы навсегда обезопасить его от заболевания настоящей оспой.

От природы Дженнерт был очень общителен и не раз высказывал это предположение коллегам. Мало кто разделял его уверенность, но для самого Дженнерта поиск безопасного оспопрививания сделался делом всей его жизни. Однако потребовалось много лет упорного труда, постоянных наблюдений и долгих размышлений, прежде чем он нашел верные ответы на все вопросы. Закончив свое образование в Лондоне, Дженнерт отклонил несколько очень соблазнительных предложений (в частности, знаменитый путешественник капитан Кук, отправляясь в кругосветное плавание, предлагал ему место натуралиста на своем корабле), уехал к себе на родину и посвятил себя сельской практике. Он всегда имел большой интерес к болезням домашних животных. Внимательно изучая кожные заболевания коров, он наконец заметил, что высыпания оспы у них не всегда бывают одинаковы, и сделал верное предположение, что под общим названием оспы могут, вообще говоря, скрываться разные болезни, имеющие одинаковые симптомы. Но только те люди, которые переболели настоящей коровьей оспой, делаются невосприимчивыми к натуральной оспе. Другие же только думают, что они болели ею. Именно этот незначительный процент, по мнению Дженнерта, и составляли те несчастные доярки, которые заболевали натуральной оспой. А раз так, значит, коровья оспа должна безусловно предохранять каждого переболевшего ей человека от оспы натуральной.

Предположение это нуждалось в подтверждении, и Дженнерт решился на проведение эксперимента. 14 мая 1796 года, когда в окрестностях его родного местечка появилась коровья оспа, он в присутствии нескольких врачей привил оспу здоровому 8-летнему мальчику — сделал два небольших надреза на его руке и внес в ранки вакцинный яд, взятый из правой кисти женщины, случайно заразившейся оспой от коровы при дойке. Пустулы, воспроизведенные таким образом на руке ребенка, имели большое сходство с пустулами от прививания натуральной человеческой оспы, но общее болезненное состояние было едва заметно. Через десять дней мальчик был совершенно здоров. 1 июня того же года Дженнерт взял материю из пустулы человека, заболевшего натуральной оспой, и инокулировал ею привитого мальчика. С лихорадочным нетерпением он ждал результатов своего опыта. Прошло три дня, краснота на месте прививки исчезла без малейшего следа человеческой оспы — мальчик остался здоров. Дженнерт продолжал наблюдать за ним, желая выяснить, сколь долго будет продолжаться действие прививки. Спустя несколько месяцев мальчику сделали вторую прививку натуральной оспы, через пять лет — третью. Результат остался тот же. Он оказался совершенно невосприимчивым к этой болезни.

Однако это открытие еще не означало победы над страшной заразой. Случаи коровьей оспы были очень редки, порой от одной вспышки эпидемии до другой проходило несколько лет. Если бы пришлось дожидаться каждого такого случая, чтобы получить материал для предохранительных прививок, эффективность их была бы очень невелика. Поэтому очень важна была вторая серия опытов, проведенная Дженнертом два года спустя. Весной 1798 года Дженнерт привил коровью оспу мальчику непосредственно от коровы, а затем дальше — с человека на человека (всего пять генераций). Тогда же он сделал прививку своему младшему сыну Роберту. Наблюдая всех привитых, он установил, что предохранительная сила коровьей оспы не меняется, если прививать ее от человека, переболевшего коровьей оспой, к человеку, и сохраняет свойства вакцинной лимфы, взятой непосредственно от коровы. Этим найден был способ получать материал для прививок практически в неограниченных количествах Каждый человек, которому была привита оспа, мог давать свою кровь для изготовления вакцины. Действенное средство против оспы было найдено.

В том же году Дженнерт опубликовал небольшую брошюру в 75 страниц, в которой просто и безыскусно описал свои опыты. Появление этого небольшого сочинения имело огромный резонанс. Далеко не все и не сразу приняли идею прививок. Несколько лет продолжались ожесточенные споры, но удивительные успехи вакцинации убедили вскоре даже самых непримиримых противников оспопрививания. Действительно, по сравнению с практиковавшейся прежде прививкой натуральной оспы прививка коровьей оспы обладала огромными неоспоримыми преимуществами. Ведь коровья оспа давала только местный незначительный эффект, в то время как прививка натуральной оспы вызывала общее заболевание, силу которого было невозможно предугадать. С начала XIX века прививки против оспы стали делать все большему и большему количеству людей. В странах, где было введено поголовное оспопрививание, удалось свести заболеваемость и смертность от оспы до минимальных размеров. Это была одна из самых блестящих побед, когда-либо одержанных человеческим гением. Страшная болезнь, уносившая во времена эпидемий множество человеческих жизней, была стерта с лица земли, так что в XIX веке для большинства людей слово «оспа» стало пустым звуком.

На долю Дженнерта выпало редкое счастье — еще при жизни его заслуги получили всеобщее признание. На его глазах оспопрививание распространилось по всему миру и принесло его изобретателю громкую славу. В самых разных странах имя Дженнерта произносили с благодарностью. Он получил множество медалей и почетных дипломов, стал членом всех европейских академий. Несколько индейских племен Северной Америки прислали ему почетный пояс, а английский парламент вручил ему премию в 20 тысяч фунтов стерлингов как выражение национальной благодарности за его открытие. Его посмертная слава была не меньшей. В 1853 году при открытии памятника Дженнерту в Лондоне, принц Альберт сказал: «Ни один врач не спас жизнь такому значительному количеству людей, как этот человек».

31. АЭРОСТАТ

С глубокой древности люди мечтали подняться в воздух, чтобы парить там подобно птицам. Именно им они подражали в своих первых попытках оторваться от земли. Но, увы… Многочисленные опыты с искусственными крыльями давали один и тот же результат — человек не мог взлететь, как ни старался. В средние века, когда открыта была способность горячего воздуха поднимать легкие тела, появилась идея использовать его для подъема человека. Несколько остроумных конструкций аэростата были предложены разными учеными на протяжении XVI-XVII веков. Однако реально эти идеи воплотились в жизнь только в конце XVIII века. В 1766 году Кавендиш открыл водород — газ, который в 14 раз легче воздуха. В 1781 году итальянский физик Кавелло провел опыты с мыльными пузырями, наполненными водородом — они легко уносились в высоту. Таким образом, был разработан принцип аэростата. Оставалось найти материал для его оболочки. Это удалось не сразу. Все используемые прежде ткани были или слишком тяжелы, или пропускали через себя водород. Задачу удалось разрешить парижскому профессору Шарлю, который придумал сделать оболочку из шелка, пропитанного каучуком. Но прежде, чем Шарль успел приступить к строительству аэростата, свой воздушный шар запустили братья Этьен и Жозеф Монгольфье, сыновья бумажного фабриканта из города Анонэ.

Братья Монгольфье не имели тех научных познаний, которыми обладал Шарль, но зато у них было много энтузиазма и настойчивости. Правда, их первые попытки были неудачны. Сначала они старались наполнить бумажный шар парами, потом дымом. Позже им попалось сочинение Пристлея о различных родах воздуха, в котором было много важных наблюдений о различных свойствах газов.

Вооружившись этими сведениями, Монгольфье попробовали наполнить шар водородом, но им не удалось изготовить оболочку, которая могла бы удержать этот легкий газ. К тому же водород стоил тогда довольно дорого. Оставив его, братья вернулись к своим опытам с воздухом. Они полагали, что из рубленной смеси соломы и шерсти должен образоваться при горении особый электрический пар, обладающий большой подъемной силой. Несмотря на абсурдность этого предположения, опыты с нагретым воздухом дали хороший результат. Первый шар, объемом чуть более кубического метра, после наполнения горячим воздухом поднялся на высоту 300 метров. Вдохновленные этим успехом, братья приступили к изготовлению большого аэростата объемом около 600 кубических метров и диаметром 11 метров. Его шелковую оболочку изнутри оклеили бумагой. Над нижним его отверстием была укреплена решетка из виноградных лоз, на которой размещалась жаровня.

И вот 5 июня 1783 года при большом стечении народа состоялся пробный полет этого аэростата. На жаровне был разведен костер, и влажный горячий воздух поднял шар на высоту 2000 метров. Ликованию зрителей не было предела! Этот опыт вызвал огромный интерес в Европе. Парижской Академии было доставлено о нем донесение. В нем, однако, не сообщалось, чем Монгольфье наполнили свой аэростат — это составляло тайну изобретения.

Когда Шарль узнал об успешном полете монгольфьера (так стали называть шары, наполненные горячим воздухом), он с удвоенной энергией взялся за строительство своего аэростата. Искусные механики братья Роберы помогали ему. Оболочку диаметром 3, 6 м изготовили из прорезиненного шелка. Внизу она оканчивалась шлангом с клапаном, через который ее предстояло наполнить водородом. По тем временам эта была непростая задача. Первое затруднение состояло в самом получении водорода. Для этой цели Шарль придумал следующий прибор: в бочку положили железные опилки и налили на них воды. На крышке бочки просверлили две дырки. В одну всунули кожаный рукав, соединенный с воздушным шаром, а в другую влили серной кислоты. При этом, однако, обнаружилось, что реакция идет очень бурно, вода разогревается и в виде пара увлекается вместе с водородом внутрь шара. В воде находился раствор кислоты, которая начинала разъедать оболочку. Чтобы избежать этого, Шарль придумал пропускать получаемый водород через сосуд с холодной водой. Таким образом газ охлаждался и одновременно очищался. Дело пошло успешнее, и на четвертый день работы установки шар был наполнен.

27 августа 1783 года на Марсовом поле состоялся запуск первого шарльера (так стали называть шары, наполненные водородом). Более 200 тысяч парижан присутствовало при этом небывалом зрелище. Шар стремительно взмыл вверх и через несколько минут был уже выше облаков. Но когда аэростат поднялся на высоту около 1 километра, его оболочка лопнула от расширившегося водорода и упала неподалеку от Парижа в толпу крестьян деревни Гонес, не имевших никакого понятия о причинах происходящего. Большинство из них подумали, что свалилась Луна. Когда же крестьяне увидели, что чудовище лежит совершенно спокойно, они напали на него с цепами и вилами и в короткий срок страшно искололи и разорвали остатки шара. Примчавшийся из Парижа на место падения своего аэростата Шарль нашел лишь жалкие его лохмотья. Прекрасное творение рук человеческих, на которое было израсходовано около 10 тысяч франков, погибло безвозвратно. Впрочем, если не считать этого грустного финала, в целом опыт прошел успешно.

Одним из зрителей, присутствовавших при запуске 27 августа, был Этьен Монгольфье. Он принял своеобразный вызов Шарля и 19 сентября того же года в Версале перед глазами самого короля и бесчисленной толпы любопытных вместе с братом поднял в воздух шар диаметром 12, 3 м с первыми в мире воздухоплавателями. Этой чести удостоились баран, петух и утка. Через десять минут шар плавно опустился на землю. После осмотра животных было обнаружено, что петух повредил крыло, и этого было достаточно для того, чтобы между учеными разгорелись жаркие споры о возможности жизни на больших высотах. Опасались, что живые существа могут задохнуться, если поднимутся на высоту более километра, ведь никто еще не исследовал эту таинственную атмосферу. На следующий строящийся монгольфьер король Людовик XVI приказал посадить двух преступников, находившихся в тюрьме. Но честолюбивые Пилатр де Розье и маркиз д\'Арланд убедили короля, что слава первых людей-воздухоплавателей не должна быть запятнана даже при неудачном подъеме. Эту честь король был вынужден предоставить им. 21 ноября 1783 года огромный монгольфьер высотой 21 метр с двумя смельчаками поднялся из замка Ла-Мюэт в окрестностях Парижа и достиг высоты 1000 метров, открыв новую страницу в истории человечества. Оба аэронавта не сидели сложа руки, а поддерживали огонь на решетке в нижней части оболочки. Полет продолжался около 45 минут и закончился плавным спуском за городом на расстоянии 9 километров от места старта.

Однако профессор Шарль и братья Роберы тоже не теряли времени даром. Объявив подписку, они собрали 10 тысяч франков на изготовление нового шарльера для подъема двух человек. При конструировании своего второго аэростата Шарль придумал почти все снаряжение, которым пользуются воздухоплаватели по сей день. Оболочку диаметром 8 метров за три дня наполнили водородом, и 1 декабря 1783 года Шарль с одним из братьев Роберов, несмотря на грозившее им до последнего момента запрещение короля, вошли в подвешенную под шаром гондолу и попросили Этьена Монгольфье перерезать веревку, удерживающую шар. Полет продолжался 2 часа 5 минут на высоте 400 метров. После приземления Шарль решил продолжать полет один. Облегченный (без Робера) шар взмыл на высоту 3000 метров. Через полчаса полета, выпустив часть водорода, Шарль совершил мягкую посадку. Выходя из гондолы, он поклялся «никогда больше не подвергать себя опасностям таких путешествий». Любопытно, что его соперники пришли к такому же решению. Этьен Монгольфье вообще ни разу за свою жизнь не поднялся в воздух, а его брат Жозеф решился на это только раз. (Этот полет состоялся 5 января 1784 года, на монгольфьере находились, кроме Жозефа, Пилатр де Розье и еще пять человек. Шар был перегружен, и полет окончился не так удачно, как предыдущие; больше всех пострадал от падения сам создатель аэростата.) Однако пример первых воздухоплавателей оказался очень заразителен. Во многих странах Европы энтузиасты стали с увлечением строить аэростаты и отважно подниматься на них в воздух. В январе 1785 года знаменитый впоследствии аэронавт Бланшар перелетел через Ла-Манш из Англии во Францию, открыв таким образом эпоху воздушных путешествий.

Все позднейшие воздушные шары очень мало отличались от тех, что придумали Монгольфье и Шарль. Вообще, хотя братья Монгольфье первыми изготовили аэростат, настоящим его создателем следует считать все-таки Шарля, так как именно его конструкция оказалась наиболее практичной и удобной. Кроме того, Шарль изобрел веревочную сеть, охватывающую шар и передающую на него весовые нагрузки, изобрел клапан и воздушный якорь, первый применил песок в качестве балласта и приспособил барометр для определения высоты.

Последующие аэронавты не прибавили ничего существенного к созданной им модели аэростата. Подобно Шарлю, они по сей день пользуются для заполнения шара дешевым водородом. Он взрывоопасен, однако имеет невысокую цену и обладает наибольшей подъемной силой (1 кубический метр создает подъемную силу 1, 2 кг). Гелий, который в 40-50 раз дороже водорода, создает подъемную силу в 1, 05 кг. Нагретый же до 100 градусов воздух имеет подъемную силу всего 0, 33 кг. Поэтому монгольфьеры при одной грузоподъемности с шарльерами имеют объем в 3-4 раза больше, кроме того, они должны нести топливо для горелки. Большая площадь поверхности монгольфьера способствует огромной потере тепла.

Полет любого аэростата подчиняется закону Архимеда — подъемная сила несущего газа, заполняющего оболочку, есть разница между весом воздуха, вытесненного оболочкой, и весом несущего газа. Чем меньше удельный вес газа, то есть чем он легче, тем большей подъемной силой обладает аэростат. (Из этого видно, что наибольшей подъемной силой обладал бы аэростат, имеющий внутри своей оболочки вакуум. Впервые идею такого аэростата предложил в 1670 году монах де Лана Терци. Эта идея до сих пор не осуществлена, но если бы удалось преодолеть атмосферное давление, которое будет сжимать шар с силой 10 тонн на каждый квадратный метр, она вполне могла бы дать свои результаты.)

На большой высоте, где давление воздуха меньше, газ внутри оболочки начинает расширяться, распирать оболочку и в конце концов разрывает ее. Во избежание этого первые воздухоплаватели были вынуждены оставлять открытой трубку, через которую происходило заполнение шара водородом (аппендикс). Поднимаясь, аэростат «выдавливал» из себя через аппендикс избыток газа. Оболочке вследствие этого уже не грозил разрыв, но с утечкой газа уменьшалась подъемная сила аэростата. Приходилось облегчать гондолу, сбрасывая балласт.

Посадка аэростата всегда была опасным делом. Чтобы сделать ее менее рискованной, Шарль снабдил свой шар несколькими защитными приспособлениями. На экстренный случай он предусмотрел разрывное устройство, служившее для быстрого выпускания газа. Обычно, желая опуститься, аэронавт выпускал газ понемногу через специальный клапан, но при ветреной погоде существовала большая опасность, что шар с гондолой будет волочиться по земле, поэтому перед касанием земли пассажиры, потянув веревку, открывали большое отверстие для выхода газа. Для уменьшения скорости спуска применяли гайдроп — толстый канат длиной 60-100 метров, который сбрасывали перед приземлением. При касании гайдропом земли вес аэростата уменьшался на вес гайдропа, находящегося на земле, и спуск несколько замедлялся. Маневрируя балластом, газовым клапаном и гайдропом, опытные воздухоплаватели могли довольно успешно регулировать высоту полета, взлетать и приземляться. Что касается направления полета, то тут аэронавт был в полной власти воздушных течений. Все попытки управлять полетом воздушного шара с помощью крыльев, весел или винтов, приводимых в действие человеком, оказались неэффективными.

Во многом вследствие этого практическая польза от воздухоплавания, учитывая колоссальные затраты на него (особенно в эпоху увлечения дирижаблями, которая пришлась на первую треть XX века), всегда была ничтожна. Но не следует судить об этом замечательном завоевании человеческого ума только с точки зрения практической выгоды. Аэростат впервые дал людям возможность оторваться от земли и взмыть под облака, подобно птице; он удовлетворил многовековую мечту человека о полете. Поэтому его создание должно быть поставлено в ряд величайших человеческих изобретений.

32. ПАРОВАЯ МАШИНА

Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы (устройство прудов, строительство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом поддавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.

Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности.