История инженерной деятельности

Знаменитому и многими любимому искусству построения механических орудий положили начало Эвдокс и Архит, стремившиеся «…разрешить те вопросы, доказательство которых посредством одних лишь рассуждений и чертежей затруднительно…»

В результате завоеваний Александра Македонского (356-323 гг. до н.э.) образовалась огромная империя, где греческий язык стал государственным, возникает культура, получившая название эллинистической (от слова Ellas – Греция). Главным центром эллинистической культуры стала Александрия, новая столица Египта. Механика эпохи эллинизма развивается в основном в прикладном направлении: бурное строительство потребовало создания новых, более мощных строительных машин и более пристального внимания к оценке прочности архитектурных конструкций. Развивается практическая гидравлика и пневматика, создаются новые механические приспособления, новые военные машины. Наследники Александра Македонского ведут междусобные войны. В этой связи особое внимание обращается на строительство укреплений, обращается внимание на прочность стен. Самым крупным зданием в Афинах становится Арсенал, в котором были собраны военные машины и корабельное вооружение.

Возрастание роли механики заставило изменить отношение к этой профессии. Механикой «по совместительству» начинают заниматься архитекторы и военные инженеры. Высокого развития достигла военная техника в Александрии, где Птолемеи, правившие Египтом, тратили большие средства на сооружение боевых машин. В середине ІІІ в. до н.э. в Александрии учился Филон Византийский, который написал «Свод механики» – одно из первых сочинений по практической механике. Свод состоял из девяти книг (до нас дошли лишь четвертая и пятая): 1) Общие принципы механики; 2) Учение о рычагах; 3) О постройке гаваней; 4) О построении метательных машин; 5) Пневматика; 6) О построении автоматов; 7) Военное снаряжение; 8) О фортификации и осаде городов; 9) Тактика. Этот перечень свидетельствует о многообразии направлений в развитии механики, многообразии практических интересов.

Из александрийских механиков наибольшую известность получили Ктесибий и Герон. Ктесибий (ІІ-І вв. до н.э.) был по-видимому, самоучкой. Основные интересы его лежали в области гидравлики и пневматики; он изобрел поршневой насос, счетчик оборотов, занимался устройствами с применением сжатого воздуха. Герон Александрийский (около І в. до н.э.) написал едва ли не больше всех античных ученых по вопросам механики. Его перу принадлежали «Механика», «Книга о подъемных механизмах», «Пневматика», «Книга о военных машинах», «Театр автоматов» и ряд других. До нас дошли лишь немногие из его сочинений. Кстати, личность Герона не выяснена до настоящего времени. Существует мнение, что он был учеником Ктесибия, некоторые авторы думают, что Герон жил не в І в. до н.э., а на 100 лет позже – в первом столетии нашей эры.

В «механике» Герон изучает простые машины и их комбинации. При этом он пользуется понятием момента, но неизвестно, принадлежат ли ему открытие этого понятия или он заимствовал его у других ученых. Кроме простых машин, он описывает также и некоторые механизмы: систему зубчатых колес, системы блоков, полиспасты. Ему известно влияние силы трения, и он рекомендует при работе со сложными механизмами несколько увеличивать прилагаемые к машинам силы по сравнению с расчетными. Однако численно силу трения он не определяет.

К наиболее известным изобретениям, описанным Героном, относится эолипил – прообраз паровой турбины, в котором впервые для вращения используется реактивное действие струи пара; «геронов шар» - пневмогидравлический прибор, основанный на действии сжатого воздуха на поверхность воды; еще один пневмогидравлический прибор – «геронов фонтан». Из героновых «Пневматики» и «Театра автоматов» видно, что гидравлика и пневматика в эпоху эллинизма достигли высокой степени развития. Еще, как видим, в древности знали уже многое из механики: ведь для сооружения даже самых элементарных автоматов надо хорошо знать статику простых машин, разбираться в механизмах и их частях, уметь производить вычисления, знать отношения и пропорции, т.е. применять знания всех отделов механики. Нужно было хорошо разбираться в гидравлике и пневматике, знать свойства сжатого воздуха и пара, а также уметь работать с упругими и гибкими телами, иметь большую инженерную выдумку и развитое пространственное воображение.

Творчество великих александрийских механиков было в основном направлено на постройку военных машин, водоподъемную технику, на сооружение малых автоматов, где они достигли большого совершенства. Они применяли и знали механизмы, изобретенные и распространившиеся значительно позже. В частности, Филон применял в своих приборах так называемый «карданов шарнир». Занимались они также механикой - геометрией и другими отделами математики: для них характерной была связь теории и практики.

Последним известным механиком александрийской школы был Папп Александрийский (ІІІ в. н.э.). В «Математическом собрании» Паппа механике посвящена восьмая книга. Папп называет механику наукой о материи и о природе элементов мира и указывает, что она изучает положение и тяжесть тел, движение их в пространстве, причины естественных и насильственных движений. Он различает теоретическую и практическую механику. К первой он относит результаты, связанные с арифметикой, геометрией, физикой и астрономией; практическая же механика изучает обработку меди, железа, дерева, строительное дело, живопись и прочие ремесла. Затем он описывает различные механические искусства: военные машины, строительные машины, автоматы и иные механические приспособления.

Учение о центре тяжести Папп излагает по Архимеду и Герону, а также описывает собственные исследования. Особое внимание он уделяет подъему тел по наклонной плоскости и передаче движения зубчатыми колесами. В частности, доказывает, что скорости вращения двух колес, находящихся в зацеплении, обратно пропорциональны числам зубьев и что числа зубьев соотносятся как диаметры колес. Он решает также задачу об определении диаметра колеса по числу его зубьев и по диаметру и числу зубьев другого колеса, находящегося в зацеплении с ним.

Можно сказать, что механика в Древней Греции достигла высокого уровня развития. Так, в частности, гидравлика развивалась так успешно, что уже в ХІV в. до н.э. на территории Греции строились публичные бани с водопроводом, сложной системой канализации. К 600 г. до н.э. относится первая попытка прорыть канал на коринфском перешейке, в конце VI в. до н.э. был построен водопровод в Афинах, в V в. до н.э. был сооружен канал, соединивший Нил с Красным морем, во ІІ в. до н.э. построен водопровод в Антиохии, Пергаме.

К механике эпохи эллинизма примыкает механика Рима и Карфагена. Достаточно подробные сведения об уровне римской механики можно получить из сочинения «Об архитектуре» Марка Витрувия, архитектора эпохи Августа (І в. до н.э.).

Так, книга Х этого трактата посвящена описанию машин и механических приспособлений и их действию. Почти половина Х книги трактата (главы 10-16) посвящены описанию военных машин и прочей военной техники. К этому времени военные машины достигли большого совершенства и разнообразия. Как правило, они работали за счет энергии, накапливаемой при закручивании упругого элемента, в качестве которого применялись сухожилия животных или волос (большей частью женский).

Баллисты, катапульты, палинтоны применялись для метания камней, бревен, стрел. Создавались эти машины в большом количестве, и конструкции их были разработаны весьма тщательно. В качестве основания для расчета брались толщина пучка жил, называемая модулем катапульты или вес снаряда. Например, катапульта «в один талант» (талант – около 26 кг) метала снаряд весом 1 талант; длина его равнялась 7,6 м., высота – около 7 м. При обороне Сиракуз Архимед строил катапульты «в три таланта», которые метали камни «на одну стадию» – около 185 м.

Строили и иной конструкции машины – онагры, скорпионы (метали стрелы). Так, Дионисий Александрийский построил полибол, в котором к скорпиону было добавлено приспособление для быстрой подачи стрел – античный пулемет. Ктесибию принадлежало изобретение аэротона - военной машины, в которой роль упругого элемента играл сжатый воздух.