О движении (Из истории механики)

Это простое изобретение широко применяется в технике нашего времени.

Сифон Герона. Когда из дугообразной трубки будет удален воздух и она заполнится водой, то вода вытекает из длинного колена до тех пор, пока короткое будет погружено в воду. Поплавок на коротком колене трубки позволяет сохранить постоянство разности уровней жидкости и нижнего конца длинного колена. Вследствие этого скорость истечения постоянна.

Сложнее — двойной сифон, который используется фокусниками, удивляющими зрителей «волшебным кубком».

Стоящий на столе глубокий кубок с поднимающимся с его дна столбиком не возбуждает никаких подозрений.

В него можно наливать воду, которая остается, как в любом другом сосуде. Но как только уровень воды поднимется до верха столбика, то он начинает быстро понижаться, и кубок скоро опорожняется.

Этот фокус объясняется просто: столбик в кубке — двойной сифон; это широкая трубка, закрытая сверху и сообщающаяся через незаметное отверстие в ее стенке с кубком; внутри нее есть не видная зрителю, открытая с обеих сторон узкая трубка, доходящая почти до верха широкой трубки, а нижним концом выходящая наружу; наливаемая в кубок вода стоит на такой же высоте и в широкой трубке; как только она заполнит ее доверху, то начинает вытекать через узкую трубку наружу до тех пор, пока кубок не опорожнится.

Действие сифона объясняется разностью давлений на поперечное сечение водяного столба у концов изогнутой трубки.

«Волшебный кубок» — двойной сифон Герона.

Герон, не зная о давлении атмосферы, сравнивал струю, вытекающую из сифона, с веревкой, огибающей блок. Нельзя, впрочем, в связи с этим не упомянуть, что столб воды в трубке сифона действительно оказывает большое сопротивление разрывающему усилию.

В своих многочисленных изобретениях Герон постоянно сталкивался с вопросами механики. Действие всех приборов Ктезибия и Герона было основано на равновесии твердых и жидких тел. Герон развивал основы статики, заложенные еще Архимедом.

Сохранилось сочинение Герона «Механика». В нем автор математически доказывал закон рычага, выводил условия равновесия и описывал устройство других простых машин.

«Желая поднять тяжесть, — писал Герон, — мы должны тянуть привязанную к ней веревку с силой, равной весу тяжести. Если же мы привяжем один конец этой веревки к неподвижному месту, а другой перекинем через привязанный к тяжести блок, то поднять тяжесть будет легче».

Итак, Герону было известно свойство подвижного блока. Пользуясь этим, он уже сконструировал полиспаст.

Подъемная машина античного времени. Тяжелое бревно поднимается при помощи полиспаста.

Рассмотрев действие простых машин, Герон вывел так называемое «золотое правило» механики. Он высказал это правило в такой форме: «отношение времен равно обратному отношению движущих сил».

В наше время «золотое правило» выражается так: «сколько выигрывается в силе, столько теряется в скорости».

Только теории клина и винта не мог создать Герон. Для этого нужно было знать закон наклонной плоскости, открытый лишь в XIII веке строителями зданий.

Античная техника получила большое развитие в эпоху расцвета Рима. Завладев во II веке до н. э. Грецией, римляне быстро восприняли культуру древних греков.

В Римской империи устраивались греческие школы. Появились подражания греческим литературным произведениям и скульптуре. Римляне сильно развили греческую технику. Они применили в большом количестве в военном деле баллисты, катапульты и другие машины; в строительном деле — подъемные краны и различные механизмы.

Из сочинений римских техников до нашего времени дошла работа «Об архитектуре» Витрувия (конец I века до н. э. и начало н. э.).

Под архитектурой Витрувий понимал вообще технику сооружения зданий, производства часов и построения машин. Из его сочинения можно видеть, какого развития достигла техника в эпоху расцвета цивилизации в Римской империи.

«Ступальное» колесо, вращающееся под тяжестью человека, переступающего по ступенькам на ободе колеса. Черпаки забирают воду из реки и выливают ее в желоб.

При возведении зданий в большом употреблении были подъемные машины. Они строились из дерева. Даже блоки были деревянные, хотя железо широко использовалось для изготовления инструментов. Выигрыш в силе достигался применением полиспастов. С помощью таких машин поднимались бревна и другие громоздкие, тяжелые строительные материалы.

Орошение полей производилось с помощью водочерпальных колес. Задолго до римлян искусственное орошение полей было распространено в Вавилонии, в Индии и в Египте. В этих странах водочерпальные колеса приводились в движение силой упряжных животных. Применялись также колеса, приводимые в движение и тяжестью человека, поднимавшегося по ступеням на ободе колеса.

От водочерпального колеса было нетрудно прийти к идее простейшего водяного двигателя — колеса, снабженного по ободу поперечными лопатками. Течение воды захватывает лопатки и вращает колесо. От него при помощи передач приводили в движение рабочие машины. Примером может служить римская водяная мельница.

Римская водяная мельница. Водяное колесо А через зубчатую передачу В приводит во вращение жернов С.

На ось водяного двигателя насаживалось зубчатое колесо. Оно зацепляло шестерню значительно меньшего диаметра, ось которой получала более быстрое вращение.

Ось второго колеса, установленная перпендикулярно к оси первого, укреплялась в жернове. Вращаясь, жернов истирал в муку зерна, поступавшие из находящегося над ним ковша.

Все эти механизмы доказывали, что римские техники были хорошо знакомы с большинством простых машин. Они с успехом пользовались ими для передачи движения от водяных двигателей и производства работы.

Но теория машин не разрабатывалась римскими техниками и механиками. В этой области они довольствовались статикой Архимеда. То же самое можно сказать о гидростатике. И в этой науке древние римляне не дали ничего нового.

Отсутствие разработанной теории простых машин при широко развитом применении их должно было вредно отражаться на античной технике.

В соответствии с механическими познаниями составлялись в античное время и представления о «механизме» вселенной.

Античные ученые были знакомы лишь с некоторыми законами статики. Им были известны также простые машины. Но свободное движение тел в пространстве совершенно не было изучено ими. Поэтому греческим философам казалось самым простым объяснять движение небесных тел как связанных между собой частей машины.

Античная механика и система мира

Вселенная — это солнца-звезды и планеты, свободно движущиеся в пространстве. Чтобы понять ее строение, нужно знать законы движения тел.

Первое, что поражает наблюдателя неба, — кажущееся суточное круговращение светил.

В северной части неба звезды движутся, как в хороводе, вокруг небесного северного полюса, лежащего вблизи Полярной звезды. В южной части они восходят, описывают дугу по небесному своду и заходят под горизонт. Остальная часть их кругового пути скрыта от наших глаз.

В суточном вращении, происходящем, как кажется наблюдателю, вокруг Земли, участвуют также Луна, Солнце и планеты.

Эти наблюдения и легли в основу естественно-научного мировоззрения древних греков.

Ученые античного мира были далеки от мысли, что суточное вращение неба — только кажущееся явление. Они считали восходы и заходы действительным круговым движением светил. Но в то же время они не могли представить себе, чтобы свободные тела совершали такое движение в пространстве. Поэтому греческие астрономы решили, что звезды, планеты, Луна и Солнце прикреплены к твердой вращающейся сфере. Внутренняя поверхность этой сферы, по мнению древних ученых, и есть видимое нами голубое небо.