Глава X. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПРЕДПОСЫЛОК ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАШИННОЙ ТЕХНИКИ

1. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ КАК ЭЛЕМЕНТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ СИЛ ФЕОДАЛЬНОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА

Технический прогресс всегда был связан с использованием полезных ископаемых, поэтому в XV - первой половине XVIII в. в Западной Европе значительное развитие получила техника горного дела. Наиболее важное значение имело широкое применение в горном деле водяных колес. В XV в. они приводили в движение на рудниках буровые установки, бадьи для спуска и подъема, средства водоотлива, механизмы для дробления и промывки руды и т. д. Позже такие установки были улучшены и усовершенствованы.

В 1500 г. Леонардо да Винчи изобрел аппарат для спуска и подъема груза, основанный на использовании трения каната о цилиндр. Другим изобретением Леонардо да Винчи для горного дела был маленький бур, используемый для разведки недр.

Большое место в ведении горных работ заняло применение пороха для разрушения горных пород при добыче полезных ископаемых. В 1627 г. на руднике в Банской Штявнице (Словакия) был использован обычный черный порох для взрывных работ. Новый метод позволил заменить 30-40 рабочих, работавших ранее вручную. В 1636 г. в Германии была изобретена специальная машина для сверления шпуров, что упростило применение пороха в горном деле.

Еще в XV в. для дробления и промывки руд в Европе применяли только ступки и сита. В первых годах XVI в. в Германии было изобретено дробильное устройство, приводившееся в движение от водяного колеса, а несколько позже в практику вошло мокрое дробление, появились промывающие устройства, сита для сортировки руды, грохоты и др.

Для водоотлива с XVI в. на рудниках в Европе стали применять приводимые в движение верхнебойным гидравлическим колесом нории, которые значительно увеличивали производительность водоотлива и позволяли удалять воду с глубины до 70 м, тогда как ручные нории поднимали воду только на 14 м. Нория представляла собой бесконечную цепь с прикрепленными к ней на определенном расстоянии овальными деревянными течами, причем одна ветвь цепи двигалась снизу вверх по трубе такого же диаметра, как и течи, которые поднимали при этом воду на поверхность [1].

Для откатки руды в немецких и английских рудниках с середины XVI в. служили вагонетки, о которых говорилось в предыдущей главе. Существенное значение для развития не только горного дела, но и металлургии имело создание более технически совершенных и производительных воздуходувок (мехов). Конструкции воздуходувок в течение XV-XVII вв. непрерывно улучшались. В XV в. при отливке колоколов в кузницах применяли меха с двумя деревянными пластинами. Меха, приводимые в действие водой, упоминаются в хранящейся в Мюнхене книге 1438 г. [2, с. 367-369],

В 1494 г. Леонардо да Винчи изобрел ящичные меха. Перевернутый ящик с отверстием в дне помещали в ящик, наполненный водой. По мере опускания первого ящика во второй вода вытесняла воздух, который через отверстие в дне верхнего ящика и присоединенную к нему трубу устремлялся к горну или другому устройству. В 1513-1514 гг. ученый снабдил эти меха кожаным клапаном, и в таком виде они применялись в Европе в XVI-XVIII вв. [3, с. 72-73]. Разновидностью ящичных мехов были меха кожаные, состоящие из двух деревянных чаш, соединенных торцами. Снизу присоединялась отводящая воздух трубка, а к верхней части прикреплялся мех. При вдавливании меха в чашу воздух из нее вытеснялся в трубку.

Леонардо да Винчи Автопортрет (1452-1519 гг.)

Прототипом центрифуги можно считать изобретенное в 1494 г. и употреблявшееся во Франции еще в 1820 г. воздуходувное колесо. Разделенный перегородками барабан частично заполнялся водой. При вращении вода проникала в отсеки, вытесняла из них воздух,, который отводился в нужном направлении [2, с. 372].

Оригинальную конструкцию имели водяные кожаные меха (1589 г.). Их принцип действия был основан на том, что поток воды, падающий с определенной высоты, захватывал с собой воздух. Поток направляли в воронку, закрытую сверху кожей и имеющую сбоку отверстие с присоединенной трубкой для отвода воздуха. Захваченный водой воздух освобождался от нее, в воронке образовалось давление, под которым воздух направлялся по трубке к месту потребления [2, с. 371-372].

Г. Агрикола в труде «О горном деле и металлургии» описывает употреблявшиеся в XVI в. в горном деле и металлургии меха, состоящие из цилиндрического ящика, в котором вращался четырехлопастной вентилятор [1].

Агрикола (Георг Бауэр) (1494-1555 г.)

В начале XVII в. были изобретены получившие широкое распространение деревянные меха, приводимые в действие водяным колесом. В 1620 г. такие меха были впервые установлены на металлургических предприятиях в Гарце.

Подлинным техническим переворотом в черной металлургии явился переход от сыродутного способа получения железа к двухстадийному - к выплавке в домнах чугуна с последующим его так называемым кричным переделом в сталь и железо. Кричный передел соответствовал мануфактурному производству железа, предполагавшему участие в производстве нескольких рабочих, между которыми существовало определенное разделение труда. Угольный, доменный, молотильный мастера и кузнецы выполняли в этом производстве самостоятельные частичные работы [1].

В Западной Европе впервые доменные печи появились в середине XIV в.

Доменные печи XV в. имели высоту 4,5 м, внутренний диаметр приблизительно 1,8 м и производительность 1600 кг чугуна в сутки [4], тогда как в сыродутном горне за сутки удавалось получить всего 8-10 кг железа. Первые доменные заводы в России были построены в первой половине XVII в. под Тулой [5].

В XV - первой половине XVII в. были усовершенствованы отдельные металлообрабатывающие инструменты. Строили большие кузницы для отковки металла в штанги или листы с помощью механических рычажных молотов, приводимых в действие водяными колесами. Вал водяного колеса имел кулаки, поднимавшие молоты, которые при свободном падении совершали удар. Применение в кузнечных работах механической силы способствовало специализации инструментов [6, с. 428]. Так как водяное колесо трудно было соединять каждый раз с разными инструментами и использовать на различных операциях, то возникло стремление более продолжительное время выполнять однообразную работу одним инструментом. Это способствовало специализации инструментов и привело к разделению кузнецов на узкие профессии: кузнецы, изготовляющие столовые ножи, делающие гвозди, иголки и т. д.

Устройство для искусственного проветривания горных выработок. По описанию Г. Агриколы (1556 г.)

Специализировались и дифференцировались также инструменты для холодной обработки металла резанием. В конце XV в. Леонардо да Винчи изобрел для резки железа машину-ножницы, приводимую в действие силой воды. Для изготовления напильников в XVI в. использовали особое ременное приспособление, которое позволило увеличить силу удара (насечка наносилась ударами молотка) [2, с. 290-292].

В этот период идет дальнейшее усовершенствование токарного станка. В некоторых рукописях XIV в. имеются рисунки станков с очепом и ножным приводом через педаль. В 1500 г. станок такого типа был подарен императору Максимилиану I - любителю токарного дела. Этот станок сохранился до наших дней. В схеме станка присутствуют стальные центры и люнет, который мог быть укреплен в любом месте между центрами. На станках того периода обрабатывали достаточно сложные детали, представляющие собой тела вращения вплоть до шара. Подобные токарные станки использовали практически во всей Западной Европе.

Значительным недостатком этих станков было возвратно-вращательное движение заготовки. В начале XVI в. наметился переход к непрерывно-вращательному движению обрабатываемого изделия. К таким типам токарных станков относится станок с односторонним и стабилизированным вращением заготовки. Этот станок представляет наиболее совершенную схему немеханизированного токарного станка, с продуманной системой крепления и вращения заготовки. В конце XVI в. практическое использование принципа непрерывности движения детали еще находилось в стадии опытной проверки, а в начале XVII в. получило всеобщее распространение.

Логическим следствием этого было общее улучшение конструкций токарных станков. В 1671 г. кроме кривошипа и маховика в них было введено устройство для смены скоростей резанья. Однако эти конструкции были еще несовершенны.

В первой половине XVII в. появились токарные станки, в которых обрабатываемое изделие получило вращение от водяного колеса, но резец держал в руках рабочий.

В начале XVIII в. токарные станки все чаще использовали для резания металлов, и поэтому проблема жесткого крепления резца и перемещения его вдоль обрабатываемой поверхности становится насущной необходимостью. В это время появляется ряд схем крепления резца на самоходном суппорте. Предшественником его был упор, который в виде копира устанавливали на орнаментальных (гильоширных) станках.

Впервые проблема самоходного суппорта была успешно решена в копировальном станке А. К. Нартова в 1712 г. А. К. Нартов был хорошо знаком с состоянием токарного дела в Европе. Он посетил ряд стран с целью ознакомления с состоянием зарубежной техники, показывал там свои станки. Такой метод знакомства с техникой вообще был характерен для петровской эпохи. В 1718-1729 гг. Нартов предлагает более совершенную схему. В ней копировальный палец и резцовый суппорт расположены рядом, причем в движение они приводятся ходовым винтом (одним, но с разным шагом нарезки под резцом и копиром). Суппорт передвигается вдоль копира и заготовки автоматически, без вмешательства рабочего. В схеме, однако, отсутствует поперечная подача, взамен нее введено качание системы «копир - заготовка». На этом станке обрабатывали детали из кости и твердого дерева [8]. Станок сложный, с большой кинематической цепью. В некоторых станках Нартова использовались сменные шестерни, что тоже опережало западноевропейское станкостроение.

Андрей Константинович Нартов (1680-1756 гг.)

В XIV-XVII вв. в Западной Европе все большее распространение получают различные предметы, сделанные из цветных металлов (украшения, пуговицы, сосуды и др.). Изготовление предметов из латуни, бронзы, свинца и олова возродило в Западной Европе цветную металлургию, пo-существу, забытую в предшествующий период.

Станок А. К. Нартова (1718-1729 гг.)

Высокого совершенства достигла техника меднолитейного дела. Примером может служить изготовленная в 1586 г. русским литейщиком А. Чоховым «Царь-пушка», находящаяся в Московском Кремле. Ее вес около 40 т, длина более 5 м, калибр 89 см. Из «Царь-пушки» не стреляли, но она могла быть использована в боевых действиях.

'Царь-пушка', отлитая русским мастером А. Чоховым (1586 г.)

В XV - первой половине XVII в. усовершенствовались все виды ткачества. Кардное произ-зодство (карды - приспособления для расчесывания шерсти на ткацко-суконных предприятиях) и изготовление украшений повысили спрос на железную и золотую проволоку, что стимулировало усовершенствование волочильных устройств.

Большое развитие получило волочение проволоки в Нюрнберге, где в 1351 г. для этой цели использовали водяное колесо. Однако подлинный переворот в проволочном производстве совершил действующий рычажно-клещевой стан, изобретенный в XIV в. в Германии [9]. На валу водяного колеса располагались массивные кулаки, которые при вращении вала нажимали на конец соединенного с клещами рычага. Волочение проволоки происходило во время соприкосновения с кулаком. За время от схода рычага с одного и до соприкосновения его с другим кулаком рабочий подводил клещи к волочильной доске и вновь захватывал ими проволоку [10, с. 71-76].

Мануфактурное производство требовало применения энергии воды, поэтому дальнейшее развитие получили мельницы. Возникли специализированные мельницы: просяные, перловые, для получения масла, лесопильные, шнуровые и др. Отметим, что в английской и немецкой литературе конца XVII - начала XIX в. часто под словом мельница понимали не только саму машину, предназначенную для помола, но и любую мануфактуру (изготовление досок, пороха и др.), в которой использовались механические устройства, приводимые в движение силами природы.

В рассматриваемый период получили распространение приводимые в действие водяными колесами пильные мельницы для резки дерева, снабженные несколькими пилами, которые одновременно разрезали на много досок одно или несколько бревен. В 1530 г. такая лесопильня имелась в Норвегии, в 1532 г.- в Нюрнберге; быстроходная лесопильня большой производительности работала в 1575 г. на Дунае под Ретенсбургом. Подобные лесопильни использовались в XVI - первой половине XVII в. во Франции, Англии, Португалии, Швеции и в других странах Западной Европы [6, с. 33-42].

В Голландии - стране ветряных мельниц - лесопильни приводились в действие силой ветра. Кроме обычных ветряных мельниц с крыльями в XV-XVI вв. появились самые различные ветряные двигатели: колеса типа турбин, планки с парусами и т. д. [2, с. 1321-1350]. Широкое распространение получили масляно-прессовальные мельницы, приводимые в движение ветром и отличавшиеся от мукомольных вертикально вращающимися жерновами, которыми расплющивали зерна перед тем, как пускать их в грубую переработку. Такие мельницы известны в Голландии с 1604 г., но возможно, что они появились и раньше. В Норвегии применяли мельницы для получения животного масла, в которых сбивающий молоко пест приводился в движение от водяного колеса [6, с. 220-227].

Значительные технические усовершенствования были введены в конструкцию пороховых мельниц. В конце XVI в. в результате замены штанги вращающимся цилиндром, который перемещался в горизонтальной плоскости, достигалась обработка всей растираемой массы. Однако с экономической точки зрения цилиндрические мельницы были менее выгодными, чем штанговые, поэтому стали делать комбинированные цилиндрическо-штанговые пороховые мельницы.

В XIV в. в Западйой Европе сформировались средневековые города. Развитие городов потребовало совершенствования организации и техники строительного дела и транспортных стредств. Возникла профессия (с цеховой организацией) строительных ремесленников. Среди орудий труда строителей упоминаются большие домкраты, дававшие 16-кратный и больший выигрыш в силе. Есть данные о том, что в XIV в. применяли передвигавшиеся на колесах домкраты, которые посредством зубчатых передач были способны поднимать очень большие тяжести [2, с. 121-126].

В городах проводят водопроводы, создают городские прачечные с механическим катанием белья. Для водопроводов и различных водоотливных и водопроводящих систем использовали деревянные трубы, техника изготовления которых значительно продвинулась вперед. В 1430 г. появилась (предположительно в Германии) специальная сверлильная машина для производства этих труб. Леонардо да Винчи значительно усовершенствовал ее, введя ускоритель вращения в устройство для горизонтального и вертикального сверления. В XVI в. эта машина стала приводиться в действие почти исключительно силой воды [11]. Очень большое значение для развития строительных работ имело изобретение известкового раствора с песком и гидравлическими добавками, получившего название «цемент» [12].

В XV-XVI вв. в Западной Европе все больше распространялось стекление окон. Широкое применение оконного стекла стимулировало развитие техники стекольного производства и инструментов для стекле-ния рам. Для резки стекол в 1495 г. стали использовать алмаз. Был изобретен аппарат для просверливания в стекле отверстий [6, с. 33-58].

С XV в. в строительном деле начали применять землечерпалки. В 1460-1476 гг. был изобретен подземный шнек для рытья земли. Механические резцы входили в землю, рыхлили ее, затем земля соскабливалась спиральным ножом и транспортером-шнеком переносилась в другое место. В конце XVI в. появляются канатные землечерпалки, землеройные механизмы с зубцами и др.

Совершенствование земляных устройств облегчило строительство дорог и проходку туннелей, которые в Европе появились с 1430 г. При строительстве мостов, набережных и других сооружений с 1430 г. стали применять водолазные аппараты, одна из конструкций которых принадлежит Леонардо да Винчи (1500 г.).

Таковы основные изобретения, прямо или косвенно улучшавшие технику цехового и мануфактурного производства. Происходившие в этот период дифференциация, улучшение и упрощение рабочих инструментов создавали «одну из материальных предпосылок машины, которая представляет собой комбинацию многих простых инструментов» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 354).

В XVI-XVII вв. происходил процесс совершенствования конструкций водяных и ветряных двигателей. Большие улучшения в конструкцию водяных двигателей внес Леонардо да Винчи, который в 1500 г. создал колесо с искривленными лопатками. По принципу действия это было, пo-существу, уже не водяное колесо, а водяная турбина. Более совершенное колесо такого типа, с касательными к потоку лопастями, было создано в 1578 г. в Тулузе.

Важную роль в распространении водяного колеса сыграл кривошипный механизм, который был известен в Европе еще в XIV в. В рассматриваемый период кривошипный механизм встречается почти во всех сохранившихся машинах и описывается во всех технических книгах. Благодаря кривошипному механизму стало более совершенным передаточное устройство, связывающее вал водяного колеса с инструментом, что облегчало и создавало новые возможности его применения.

Широкое распространение в качестве передаточных механизмов имели кулачковые валики, изготовление которых находилось на достаточно высоком уровне еще в XV в. Существенное значение имело применение цепного колеса (создано в 1438 г.), позволявшего поднимать якорную цепь одному человеку, а в 1565 г.- цепного машинного привода.

В конце XV - первой половине XVI в. значительного совершенства достигли в изготовлении зубчатых передач, в частности появились шестерни с косыми зубьями. Зубчатые передачи применяли главным образом в часовых механизмах. Большой вклад в улучшение зубчатых зацеплений внес Леонардо да Винчи [3, с. 74-77]. Еще 1494 г. он, используя систему зубчатых передач, сконструировал механизм превращения колебательно-поступательного движения во вращательное [13]. Во многих технических книгах XVI-XVII вв. имеются описания и рисунки шестереночных передач весьма совершенных по своей конструкции [14].

Улучшению передаточного механизма по-прежнему во многом способствовало развитие часового дела и постоянное совершенствование часовых механизмов. Наиболее существенным из них было применение в качестве двигательной силы эластичной спирально свернутой пружины, позволившей изготавливать карманные часы. Главным в этом изобретении был запор, не позволявший пружине распрямляться сразу. Он представлял собой маленькую щеколду, помещенную в зубья колеса и позволявшую пружине раскручиваться только так, что одновременно поворачивался весь ее корпус, а вместе с ним колеса часового механизма. Первые карманные шпиндельные часы сделаны в 1500 г. в Нюрнберге П. Хенлейном. Недостатком карманных часов была неравномерность хода (более медленный ход к концу завода), когда сила пружины ослабевала. Задача была решена изобретением в первой половине XVI в. чешским мастером Яковом Чехом улитки - конического барабана, соединенного с пружиной тонкой скрученной струной, которая благодаря храповику раскручивалась не сразу, что корректировало неравномерность силы пружины.

В 1657 г. голландский ученый X. Гюйгенс изобрел часы с маятником в качестве регулятора. Он создал специальное устройство - спуск, которое под действием пружины (завода часов) содействовало равномерному движению маятника. В 1658 г. был опубликован его трактат «Маятниковые часы» - одна из первых работ, в которой рассмотрены некоторые основы теории часов [15, 16].

Проблема равномерности вращения механизма была важной не только в часовом деле, но и для устройства мельниц, особенно мельниц ручных и ветряных, движущая сила которых могла все время изменяться. Чтобы компенсировать изменения направления ветра, создали ветряную мельницу с подвижной крышей (середина XVI в.), которая позволяла ветряному крылу обращаться к ветру при любом его направлении. Эту крышу, расположенную на деревянных роликах, поворачивали с помощью рычага или вращения вала, передаточный механизм которого зацеплялся с зубчатым венцом крыши.

Для компенсации неравномерности силы в водяных, ручных и ветряных мельницах, и вообще в механизмах, находящихся во вращательном движении, в первой половине XVII в. стали вводить маховик. Это важное изобретение способствовало дальнейшему развитию механики и машиностроения.