Архимед

Машины, с помощью которых грузы поднимались за счет силы людей, тянущих канаты, в античную эпоху применялись. Витрувий описал подъёмный кран: "Груз крепится к параллельным трехкратным или пятикратным полиспастам, от которых три каната спускаются к особому блоку, который привязывается к основанию машины и содержит три ролика, через которые канаты, будучи продеты, передаются в руки людей для тяги. Таким образом, три ряда людей тянут без помощи ворота и быстро поднимают тяжесть на надлежащую высоту".

Предполагаемое действие машины Архимеда было следующим. При приближении вражеского корабля машину подтаскивали (скорее всего, на полозьях) к опасному месту и машинисты, манипулируя стрелами, пытались захватить вражеский корабль. В это время канаты полиспастов были распущены и не мешали движению машины. Но как только корабль оказывался "зачаленным", нижние блоки полиспастов зацеплялись за один из анкеров, заранее заделанных в грунт вдоль стены, и сотни людей, впрягшись в канаты, бежали, притягивая внутренний конец стрелы к земле. При этом машина поднимала "клюв" и опрокидывала судно.

У Полибия сказано, что лапы "поднимали воинов в полном вооружении и швыряли вниз". Если корабль еще можно подцепить крюком, то применение такого же приема против воина сомнительно. Кроме того, в этом случае "лапа", судя по тексту, не сбрасывалась, а расстегивалась.

Что касается самой "железной лапы" - устройства для захвата судов, то это мог быть механический захват типа клещей или крюк. Сообщение Полибия о том, что "лапа и цепь отделялись при помощи каната", т.е. тонули вместе с кораблем, естественное в случае применения крюка, не находится также в противоречии с возможностью использования самозатягивающихся клещей: открыть такие клещи под нагрузкой практически невозможно. В пользу клещей свидетельствует применение "железных лап" против пехоты.

Принцип этого несложного устройства описан в "Пиротехнике"итальянского инженера Вануччо Берингуччо, изданной в 1540 г. Клещи, сжимавшиеся надетым на их изогнутые ручки кольцом, применялись для захвата проволоки при волочении. Видимо, конструкция эта очень старая. Во всяком случае несомненно, что создание подобного захватного устройства не представляло для Архимеда неразрешимой проблемы. "Железные лапы" Архимеда были уникальными машинами - предками современных манипуляторов и подъемных кранов. Ни до, ни после Архимеда никто таких военных машин не использовал. Психологический эффект их применения на нападавших был огромен. Плутарх пишет: "Наконец, римляне стали так трусливы, что если замечали, что над стеной движется кусок каната или бревно, то кричали: "Вот, вот оно!" - и, думая, что Архимед хочет направить на них какую-нибудь машину, ударялись в бегство".

Бойницы в стенах

Античная фортификация знала только сплошные стены. Амбразуры в теле крепостных укреплений (так называемый "нижний и средний бой") появились в средние века с распространением огнестрельного оружия. Недаром Полибий описывает бойницы сиракузских стен как некую хитрость, придуманную Архимедом.

Из этого следует, что Архимед был не только механиком, но и строителем, причем строителем незаурядным.

Бойницы сильно усложняют конструкцию стены, ведь в ее толще требуется поместить ниши для стрелков, оснастить ее соответствующими помостами и лестницами.

О том, что Архимед занимался строительным делом, свидетельствует и его не дошедшее до нас сочинение "Книга опор". Отрывки из нее сохранились в "Механике" Герона, которая дошла до нас в переводе арабского ученого IX в. н.э. Косты ал-Балбаки.

Изложение содержания "Книги опор" Герои открывает знаменательной фразой: "Нам совершенно необходимо разъяснить кое-что о давлении, его передаче и переносе с количественной стороны".

Надо сказать, что "Книга опор", по-видимому, является единственной в античной технике работой, посвященной строительным расчетам. Дошедшие до нас тексты этого рода относятся либо к определению пропорций между частями сооружений, либо к вычислению объемов и стоимости нужных материалов. Но расчетов на прочность не только в эпоху Архимеда, но и гораздо позже архитекторы не вели. Это приводило иногда к огромным запасам прочности, невероятно удорожавшим сооружения, а иногда к крупным авариям. Так, в 27 г. н.э. в городе Фиденах под Римом рухнул во время гладиаторского боя амфитеатр, полный публики. В результате этой грандиозной катастрофы погибло несколько тысяч человек.

Задачи, рассматриваемые в "Книге опор", состоят в определении давлений на колонны, подпирающие длинную балку или стену. Архимед решает задачу следующим образом: он мысленно рассекает балку в местах, где ее подпирают средние колонны, и таким образом получает вместо одной "многоопорной" балки ряд "двухопорных"; в этом случае определение нагрузки не составляет труда (достаточно поделить вес нужного отрезка балки пополам). С точки зрения современной науки такое решение задачи не совсем правильно: не учтена несущая способность самой балки.

Все же решение Архимеда в ряде случаев (когда "балка" не обладает значительной жесткостью) приводит к правильным результатам (например, при расчете подпорок перекрытия с земляным потолком, опор под сложенной из камней стеной или столбов, держащих желоб, в котором главной нагрузкой является вода).

В "Книге опор" рассматривалось также давление двухопорной балки на колонны в случае действия на нее сосредоточенных нагрузок (подвешивание груза); эта задача решалась правильно.

Особый интерес представляет задача о балке, имеющей выступающие концы. В этом случае Архимед рассматривал балку как рычаг и решение было неверно. Причиной этого было отсутствие представления о центре тяжести, что заставляет считать "Книгу опор" ранним произведением Архимеда, написанным до введения им этого понятия.

Водоподъемный винт

Историк Диодор в одном из своих сочинений пишет: "Нил после разливов наносит на поля новые количества ила, и обитатели легко могут орошать все поле с помощью изобретенной Архимедом Сиракузским машины, которая по причине своей формы носит название улитки (кохлеи)". Речь идет о винте Архимеда.

В сочинении писателя II в. н.э. Атенея об удалении воды из трюма корабля сказано: "Ее отсасывал один человек при помощи изобретенного Архимедом бесконечного винта".

"Улитка" устроена просто, и изготовление ее по силам любому плотнику. Вот как говорит об этом Витрувий:

"Берут балку... и придают ей форму вала, обтесав по циркулю. На круглую поверхность наносят продольные и поперечные (охватывающие) линии. Потом берут гибкую просмоленную рейку и прибивают ее к бревну так, чтобы она проходила наискось через точки пересечения разметочных штрихов, т.е. шла по винтовой линии. Сверху на эту рейку набивают такую же, потом еще и еще, пока виток не станет достаточно высоким. Таким образом, рейки образуют собой винтообразные канальцы,...т.е. настоящую натуральную имитацию улитки. К этим спиралям прибивают обшивку из досок, чтобы закрыть спиральные ходы, затем пропитывают ее смолой и обвивают железными обручами для того, чтобы она не могла лопнуть под влиянием воды. Выступающие концы бревна кладут на опоры так, чтобы один конец обшивки был в воде, а другой поднимался над тем местом, куда надо подавать воду. В установленном наклонно винте между витками и обшивкой образуются карманы, которые заполняются водой. Поскольку эти карманы при вращении "улитки" как бы бегут вверх, то и захваченная ими вода поднимается, пока не выплеснется.

Сохранилась помпейская фреска, на которой изображена эта машина. Вращает ее человек, переступающий ногами по самой обшивке винта.

На изготовление "улитки" уходит меньше дерева, чем на изготовление водоподъемного колеса, что важно для южных стран, где дерево - дефицитный материал.

В Египте архимедову "улитку" можно найти и сейчас.

Очень удобным оказался водоподъемный винт для откачки воды из шахт. Винты не занимали много места и хорошо вписывались в наклонные выработки.