3. ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ

С древнейших времен почти во всех областях деятельности человек использовал специальные приспособления для наблюдений, измерений, взвешивания и счета. По мере развития общества эти приборы изменялись и совершенствовались.

Строительство городов, создание архитектурных ансамблей, возникновение и развитие ирригационных систем, сооружение мостов, землемерные и горные работы, расцвет торговли и мореплавания, характеризующие развитие сформировавшихся в условиях рабовладельческого общества устойчивых государств, были немыслимы без мер длины и объема, а также взвешивающих, нивелирующих, угломерных и определяющих время приборов.

Очень важную роль сыграли приборы и в развитии естествознания, без них были бы невозможны его успехи [24].

Появившиеся в рабовладельческую эпоху орудия - напильники, сверла, ножницы, пилы, рубанки, а также примитивные измерительные приспособления - отвесы, угольники, циркули, линейки позволили повысить точность изготовляемых из дерева, металла и камня научных, в частности астрономических инструментов, называемых долгое время «математическими» из-за того, что принцип их действия был основан на законах математики.

Совершенствование наблюдений позволяло уточнять и устанавливать новые закономерности. Знание же законов природы, в свою очередь, влияло на создание новых приборов, конструктивная форма которых определялась этими законами. Таким образом, изучение развития точных приборов с древнейших времен дает возможность выявить и проследить самую тесную связь естествознания и техники, постоянное их взаимовлияние.

«История научных инструментов, - говорил известный американский ученый Г. Сартон, - ...история всего лучше приближающая к пониманию научного прогресса, но она полна трудностей; каждый инструмент развивался постепенно; ни один из них не был создан в одно время и почти всегда не одним человеком» [25].

Точные приборы и инструменты, используемые в древности по их назначению, можно условно подразделить на пять основных групп [26]: 1) приборы и инструменты, используемые в торговле, строительстве и архитектуре; 2) приборы для измерения времени; 3) приборы для измерения Земли; 4) приборы для наблюдения неба и 5) приборы для научных экспериментов.

К приборам первой группы относятся используемые в торговле бытовые приборы: приспособления для определения длин - образцы мер и приспособления для взвешивания - весы [27].

Весы - наиболее древний измерительный прибор. Простейшие весы в виде равноплечего рычага изображены на египетских, вавилонских (III-II тыс. до н. э.) и более поздних греческих памятниках. Совершенствование конструкции весов впоследствии дало возможность использовать их не только в торговле, но и в научных исследованиях и в промышленности. Так, Аристотель, например, в IV в. до н. э. разработал теорию неравноплечих весов с передвижной гирей. Весы этого типа, названные позднее безменом, нашли широкое применение в Римской империи и были усовершенствованы арабоязычными учеными средневекового Востока. Известно также, что в III в. до н. э. Архимед с помощью весов определил плотность золотого венца для выяснения содержания в нем примесей серебра. Этот факт свидетельствует о весьма высокой точности взвешивания.

Схема устройства 'весов Архимеда' (из арабского сочинения ал-Хазини 'Книга о весах мудрости', XII в. н. э.)

В торговле же и в землемерии начали применять примитивные устройства для облегчения вычислений - уже в Древней Греции и Риме для арифметических вычислений существовала счетная доска - абак, а в Китае и других странах Дальнего Востока - суан-пан, аналог абака, прототип используемых и в настоящее время счетов. Родоначальником вычислительных машин наряду с абаком можно считать одометры и другие простые счетчики, основанные на принципе последовательного прибавления единиц.

В строительстве зданий и ирригационных сооружений наряду с наугольником и отвесом использовали нивелирующие инструменты, конструкции которых впоследствии постепенно совершенствовались.

К приборам первой группы можно отнести также и применяемые в архитектуре и графике чертежные инструменты - циркули (известные уже вавилонянам) и линейки с делениями, конструкции которых также на протяжении веков претерпели значительные изменения. Римляне широко пользовались пропорциональными циркулями, циркулем для гравирования делений, линейками-параллелограммами для нанесения штриховки, инструментами для проведения чернилами непрерывных линий, различными складными линейками.

Ко второй группе приборов относятся часы. Они делятся на два принципиально различных вида. В часах первого вида определение времени зависит от астрономических явлений - это солнечные часы, основанные на измерении длины или направления тени, отбрасываемой закрепленным на поверхности стержнем, и часы звездные, основанные на определении времени по положению околополярных звезд. В часах второго вида измерение времени не зависит от астрономических явлений и прибор просто отмечает прохождение произвольно зафиксированных периодов. К этому виду относятся часы, основанные на измерении изменяющихся объемов наполняющего вещества - наиболее древние водяные часы, часы песочные, ртутные и масляные (часы-канделябры), а также механические часы.

Существует мнение, что наиболее ранние астрономические наблюдения проводились в Вавилоне, и изобретателями способа определения времени считают вавилонян. Методы определения времени египтянами также интересны, тем более, что египетские солнечные часы конструктивно отличались от вавилонских [28]. Существует огромное множество конструкций солнечных часов.

Водяные часы - клепсидры, по-видимому, также были заимствованы египтянами и греками из Вавилона, где они были известны уже в начале II тыс. до н. э. [29]. Водяные часы египтян, вавилонян и греков основаны на принципе вытекания: промежутки времени измерялись количеством воды, вытекавшей из отверстия в сосуде. У китайцев, индусов и других народов Азии встречались также часы, основанные на принципе наполнения: пустой полушаровой сосуд с небольшим отверстием определенного диаметра плавал в большем сосуде и постепенно наполнялся водой. Но первые конструкции получили более широкое распространение. Водяные часы особенно усовершенствовались в III в. до н. э. в Александрии. Очень интересны сложные клепсидры Ктезибия [30].

Часы использовали для определения времени в быту и в науке, в частности в астрономии. Бытовые часы конструктивно отличались от астрономических и, как это ни странно, были сложнее их. Греки и римляне продолжительность светлой части каждого дня делили на 12 частей, и поэтому продолжительность часа в течение одного дня в разные дни года была различна - зимой, например, час был короче, чем летом. Греки называли такие неравные часы истинными, а римляне - временными. Астрономы же пользовались в течение всего года часами равной продолжительности; часовую шкалу на астрономические часы наносили в день весеннего равноденствия и поэтому их называли равноденственными часами. Существует мнение, что упорство, с которым долгое время в быту использовали часы неодинаковой продолжительности, не способствовало и даже значительно усложнило решение проблемы конструирования удовлетворительных механических часов [31].

Приборы для измерения Земли, прототипы геодезических приборов, также появились в глубокой древности, когда возникла необходимость измерять в хозяйственных целях большие земельные участки и сооружать каналы и плотины в странах с искусственным орошением. Для измерения линий в Египте пользовались шнуром с узлами, завязанными на определенных расстояниях один от другого; в Китае- мерными цепями.

Для нивелирования сначала использовали уровни с одним отвесом, известны также нивелирующие инструменты с двумя отвесами (например, хоробат Витрувия), а также водяные нивелиры - наполненные водой желоба с подвешенными с двух сторон отвесами. Водяной нивелир более сложной конструкции сконструировал Герон Александрийский. Ему же принадлежит и угломерный инструмент с диоптрами, который считают прототипом современного теодолита. Оба инструмента описаны Героном в сочинении «О диоптре».

Нивелир Герона Александрийского (реконструкция). I в. н. э.

Большой популярностью у римских землемеров пользовался при разбивке площадей инструмент, называемый «грома», для проложения на местности линий под прямым углом [32].

Древнейший астрономический инструмент 'меркет'

Четвертая группа, самая многочисленная, приборы для наблюдения неба. С их помощью измеряли величины, характеризующие движение и положение небесных тел в пространстве. Это наиболее точные приборы древности, они воплощали в себе достижения астрономической науки и высокое инструментальное мастерство. Принципиальные схемы астрономических приборов были заим9твованы из самой природы. В древности, наблюдая за Солнцем, люди обратили внимание на движение и изменение длины тени, отбрасываемой вертикально расположенными предметами, Наблюдения в течение дня и года позволили установить в этих изменениях определенные закономерности. Таким образом, шест, установленный вертикально на горизонтальной площадке, можно считать первым созданным человеком, астрономическим прибором, позволившим в дальнейшем определять высоту Солнца над горизонтом, направление меридиана, наступление равноденствий и солнцестояний, отсчитывать время. Из природы же была заимствована схема угломерных астрономических инструментов. Наблюдатели, считавшие себя неподвижными, воспринимали движения небесных тел и всего небесного свода как абсолютные движения, которые можно было воспроизвести с помощью механических моделей. Звездные глобусы изображали звездное небо, вращение их вокруг оси имитировало видимые вращения небесного свода. Движения: Солнца, Луны и планет получили отражение в движении кругов армиллярных сфер.

Проведение астрономических наблюдений с помощью 'меркета'

Наибольшего развития астрономические инструменты достигли в античной Греции, причем греческие астрономы не только заимствовали и совершенствовали инструменты, использовавшиеся другими народами, но и конструировали оригинальные. Так, из Вавилона пришли в Грецию теневой шест, названный греками гномоном, упоминаемые выше солнечные и водяные часы; оригинальные конструкции разработали сами греки: Архимед, например, сконструировал и описал [33] прибор для определения диаметра Солнца; Гиппарх (II в. до н. э.) проводил многочисленные астрономические наблюдения с помощью сконструированных им самим и заимствованных от предшественников инструментов. Эти наблюдения и инструменты наряду с собственными инструментами и наблюдениями описал Клавдий Птолемей (II в. н. э.). Благодаря Птолемею сведения о греческих астрономических инструментах: экваториальной армилле, меридианальной армилле, квадранте, стенном инструменте, параллактическом инструменте, или трикветруме (называемом иногда линейками Птолемея), диоптрийном инструменте для определения диаметров Солнца и Луны и, наконец, «астролябоне» Птолемея (иногда неправильно называемом в литературе астролябией) - сложном инструменте, состоящем из семи концентрических бронзовых колец, устанавливаемых в определенных плоскостях, - сделались достоянием последующих поколений.

Принципиальная схема квадранта Клавдия Птолемея Схема трикветрума Клавдия Птолемея ('параллактические линейки'), 11 в. н. э

Развитие конструкций астрономических инструментов в Китае с древнейших времен шло, по-видимому, независимо от аналогичных работ на Ближнем и Среднем Востоке и на Западе. В ранний период развития китайской астрономии - с XII в. до н. э. (к этому времени относятся наиболее достоверные астрономические сведения) и до 265 г. н. э. использовались солнечные часы, гномоны, клепсидры, вращающиеся глобусы, армиллярные инструменты и компасы (в виде ложки) [34].

Приборы пятой группы - для научных экспериментов, в рассматриваемый период находились в зачаточном состоянии, так как ученые, не свободные от рабовладельческой идеологии, считали основным методом познания логические построения и недооценивали роль опытов, в основе которых лежал физический труд, унижавший, по их мнению, достоинство свободного человека и предназначенный для рабов. Известны лишь отдельные сопровождавшиеся опытами работы Архимеда, Евклида, Эратосфена, Герона, Птолемея.

В период развития рабовладельческого строя возникает противоречие: с одной стороны, низкий уровень техники, с другой - расцвет некоторых видов духовной и материальной культуры (наука, строительство, зодчество). Занятие умственным трудом требовало досуга, а досуг мог быть обеспечен только богатством, которым владел класс эксплуататоров, класс рабовладельцев. Производительные силы развивались не благодаря созданию новой техники, а вследствие использования рабского труда. Дешевизна рабского труда обеспечивала экономическую выгоду при исключительно низкой технике: рабовладельцы не стремились к усовершенствованию орудий труда. Достижения в области искусства, архитектуры шли на удовлетворение потребностей рабовладельцев. Отсюда и возникал антагонизм между умственным и физическим трудом. Рабовладелец не интересовался сохранением здоровья и физической силы рабов: бесконечные войны все время пополняли рынок рабской силы. Отделение умственного труда от физического стало одним из средств порабощения труда. Труд был обращен против созидателей материальных благ, был превращен в орудие их угнетения.