Глава 4. Зарождение элементов машинной техники в мануфактурном производстве

Технические предвидения изобретателей. Мануфактурный период был временем бурной изобретательской деятельности. Он характеризовался резким увеличением числа изобретений и усовершенствований, которые требовались для различных отраслей материального производства. Но изобретатели часто выходили за рамки потребностей производства своей эпохи. Наиболее талантливые из них предугадывали и некоторые стороны развития будущей машинной техники. Нередко это делалось в такой форме, когда границы возможного и невозможного (в то время), реального и фантастического стирались, но многие из идей, выдвигавшихся тогда изобретателями, были плодотворными и представляют большой интерес.

Необходимо прежде всего назвать имя Леонардо да Винчи, гениального итальянского художника, ученого и изобретателя (1452-1519), многие замечательные идеи которого были реализованы лишь столетиями позднее. Леонардо принадлежат разнообразные изобретения в области создания и усовершенствования машин и механизмов от самопрялки усовершенствованной конструкции (которая вошла в практику лишь в XVIII в.) до прокатных станов и токарных станков. Он разрабатывал проекты строительных механизмов и военных машин, мускульных и водяных двигателей, разнообразных передаточных механизмов и т. д.

Роль мельницы и часов в подготовке машинной техники. "...За время с XVI до середины XVIII в., то есть за период мануфактуры, развивающейся из ремесла до собственно крупной промышленности, имелись две материальные основы, на которых внутри мануфактуры происходит подготовительная работа для перехода к машинной индустрии, это часы и мельница..."^* - указывал Маркс. Слово "мельница" имело в то время очень широкое значение.

^*(Маркс К. Письмо Ф. Энгельсу от 28 января 1863 г. - Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 30, с. 262-263.)

К. Маркс указывал, что "...в мельнице с самого начала, с тех пор как была создана водяная мельница, имелись все существенные элементы организма машины: механическая двигательная сила; первичный двигатель, который она" приводит в действие; передаточный механизм; и, наконец, рабочая машина, захватывающая материал; все эти элементы существуют независимо друг от друга"^*.

^*(Маркс К. Письмо Ф. Энгельсу от 28 января 1863 г. - Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 30, с. 263.)

Развитие часов. Автоматы. Одно из великих открытий ремесленного периода - механические часы,.изобретенные еще в IX-X в-в., явились первым автоматическим прибором, созданным для практических целей. К началу XVI в. относится изобретение карманных механических (шпиндельных) часов немецким изобретателем И. Хенлейном. Большую роль в развитии маятниковых часов сыграли труды Г. Галилея и X. Гюйгенса, специально посвященные этому вопросу (середина XVII в.). В 1675 г. Гюйгенс изобрел балансовый регулятор хода часов.

Леонардо да Винчи (1452-1519). Автопортрет

В XVII-XVIII вв. мастера (умельцы, художники, как их называли в России) изготовляли разнообразные часы: настенные, настольные, карманные, башенные, часто соединенные со сложными автоматами художественного характера. Характерно, что такие разносторонние изобретатели, как Жак Вокансон во Франции или И. П. Кулибин и Е. Г. Кузнецов в России, начинали свою деятельность в качестве создателей часов с самодвижущимися декоративными устройствами, а потом прославили себя механизмами производственного назначения.

К. Маркс отмечал, что "...в XVIII в. часы впервые навели на мысль применить автоматы (а именно пружинные) к производству"^*. В частности изобретения Вокансона оказали большое влияние на деятельность английских конструкторов в период промышленного переворота.

^*(Маркс К. Письмо Ф. Энгельсу от 28 января 1863 г. - Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 30, с. 263.)

Часовая мастерская. На стенах - часы с гирями. Гравюра по рисунку И. Страдануса (1570)

Мануфактурный период был временем появления, с одной стороны, автоматических математических машин, предшественниц нынешних арифмометров и других вычислительных машин (изобретения Б. Паскаля - 1642 г., Г. Лейбница - 1673 - 1694 гг. и т. д.), а с другой - автоматов, которым придавалась внешняя форма животных и людей. Обычно эти автоматы приводились в действие пружинным механизмом, наподобие часового. Ж. Вокансон в 30-40-х гг. XVIII в. создал весьма художественно выполненные человеческие фигуры, одна из которых играла на флейте, а другая - на барабане. В 1764 г. Ф. Клаусс демонстрировал в Вене пишущего "андроида", буквально - "человекоподобного". Швейцарцы Жакэ-Дро конструировали в те же годы очень изящные автоматы, способные играть на клавесинах, писать, рисовать и т. д.

Пишущий (1766) и рисующий (1773) автоматы братьев Жакэ-Дро. Внешний вид

Устройство механизма 'рисовальщика'

Устройство механизма 'писца'

Сами конструкторы видели в "андроидах" остроумные механизмы, не более. Но философы придавали большое значение изучению различных автоматических устройств. Так, интерес Р. Декарта к автоматам был тесно связан с выдвинутой им теорией автоматизма поведения животных. Впоследствии его тезис "животное - машина" был распространен (с критическими поправками) представителем механистического материализма Ж. О. Ламетрй и на людей. Наличие "андроидов", способных выполнять сложные операции, казалось сторонникам этого философского направления дополнительным аргументом для сопоставления человеческого организма с самозаводящимся механизмом.

Появление паровых двигателей. Примерно с последней трети XVII в. в странах с наиболее развитым мануфактурным производством зарождаются элементы новой машинной техники, которым предстоит получить полное развитие в период промышленного переворота. Это относится прежде всего к освоению силы пара.

Первые проекты использования силы пара для приведения в действие различных механизмов мы можем встретить в работах многих изобретателей XVII в. (Дж. Бранка, С. де Ко, Э. Сомерсета-Вустера и др.).

В разработке проектов первых паровых машин в конце XVII в. видную роль сыграл Денй Папен. Как показывают новые исследования, идея такой машины могла быть исходно подана Папену ученым X. Гюйгенсом.

В 1673 г. Гюйгенс представил в Парижскую академию наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем. Порох, взрываясь под поршнем, должен был толкать его вверх. Предполагалось, что после остывания пороховых газов обратное движение поршня будет происходить под действием атмосферного давления. Эксперименты с моделью двигателя проводились два года, но не дали существенных результатов. Проект Гюйгенса интересен в том отношении, что он предвосхищал идею двигателя внутреннего сгорания.

Папен помогал Гюйгенсу в его опытах. В 1688 г. он опубликовал описание изобретения Гюйгенса со своими конструктивными дополнениями.

Отметим сразу же, что Гюйгенс не ограничился предложением об использовании силы пороховых газов. Еще в 1666 г. он в самой общей форме писал о необходимости "исследовать силу воды, разреженной силою огня", т. е. пара.

По этому пути и пошел Папен. Его решающие опыты производились в Гессене и были связаны с теоретическими трудами другого известного ученого - Лейбница, с которым Папен поддерживал переписку на протяжении целого ряда лет.

Проект порохового двигателя Гюйгенса. Вариант 1687 г. с изменениями, внесенными Папеном

В 1690 г. Папен предложил паровую поршневую машину, сходную по конструкции с двигателем Гюйгенса. Паровой котел, цилиндр и конденсатор не были отделены друг от друга (вода и кипятилась, и охлаждалась в рабочем цилиндре). Папен предполагал, что новый двигатель может быть применен не только "к подъему воды или руды из шахт", но и "для множества других подобных вещей". Но ни этот, ни последующие (например, выдвинутый в 1705-1706 гг.) проекты и модели Папена практического применения не получили. Кстати, в своих последних проектах Папен уже учитывал опыт английского инженера Томаса Севери.

Схематичное изображение паровой машины Т. Севери для откачки воды в усовершенствованном виде (1702) с двумя камерами

В 1698 г. Севери построил первую практически применимую паровую машину ("огневой насос") своеобразной конструкции. Изобретатель назвал ее "друг горняка". Машины Севери имели очень узкое назначение - откачку воды из подземных выработок, хотя теоретически Севери допускал возможность применения "огнедействующей" машины и для других нужд.

Паровая машина Ньюкомена для откачки воды. Гравюра из книги Белидора 'Гидравлические сооружения'

В машине Севери котел был отделен от рабочего сосуда, но работа пара (перегонявшего воду из сосуда вверх по трубе непосредственным давлением на ее поверхность) и его конденсация происходили в одном и том же сосуде. Ни цилиндра, ни поршня в машине не было. В 1715 г. машина Севери была усовершенствована французским физиком Ж. Т. Дезагюлье.

Машина этого улучшенного типа была первой паровой машиной, появившейся в России. В 1717-1718 гг. Петр I выписал машину такой системы для обслуживания фонтанов в Летнем саду.

В 1711 - 1712 гг. английский изобретатель, кузнечный мастер Томас Ньюкбмен построил совместно с Джоном Колли (или Коули) первую паровую (точнее пароатмосферную) поршневую машину.

Двигатель Ньюкомена предназначался вначале также лишь для откачки воды. Посредством балансира он соединен был с насосной установкой.

Движение поршня вверх (холостой ход) в открытом сверху вертикальном цилиндре совершалось под действием пара, поступающего под поршень из котла, расположенного под цилиндром. Подъему поршня содействовал также вес насосной штанги и добавочного груза (противовеса), прикрепленного на противоположном конце балансира. Движение поршня вниз (рабочий ход) совершалось силой атмосферного давления, после того как пар под поршнем охлаждался путем впрыскивания в цилиндр под поршень холодной врды.

Однако даже после усовершенствований, внесенных в конструкцию машины Ньюкомена Бейтоном, Смитоном и, наконец, знаменитым английским изобретателем Джеймсом Уаттом в 1769-1774 гг., паровая машина Ньюкомена сохраняла свое узкое назначение - для откачки воды.

Паровые машины не применялись для непосредственного приведения в движение каких-либо заводских или транспортных механизмов, хотя теоретически такая возможность допускалась рядом изобретателей.

В тех случаях, когда (в середине XVIII в.) делались отдельные попытки использовать силу "огня" (пара) для приведения в действие заводских механизмов (сверлильных станков, воздуходувок и т. д.), паровую машину (системы Севери или Ньюкомена) заставляли подымать воду в резервуар, а затем пускали эту воду на колесо, которое и приводило в движение данный механизм.

"...Паровая машина в том виде, как она была изобретена в конце XVII века, в мануфактурный период, и просуществовала до начала 80-х годов XVIII века, не вызвала никакой промышленной революции"^*, - подчеркивал К. Маркс^*.

(Маркс К. Капитал, т. 1. - Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 386.)

Идею применить силу пара для "продвижения судов против ветра" выдвинул впервые Дени Папен в 1690 г. (в развитом виде, с описанием парового судна, - в 1708 г.). В 1736 г. проект парового судна с двумя гребными колесами за кормой разработал английский изобретатель Дж. Халз (в литературе именуемый часто Гулльзом или Гуллем). Но к осуществлению обоих проектов даже не приступали.

Перспективные нововведения в области металлургии и горного дела. В области металлургии важным нововведением, также получившим систематическое применение лишь в период промышленного переворота, была выплавка металла на минеральном топливе.

Следует отметить, что разработка каменноугольных месторождений быстро росла на протяжении всего мануфактурного периода. С начала XVII в. первое место по добыче каменного угля перешло к Англии. Уголь применялся для выпарки соли, для производства кирпичей и черепицы, в красильном, рафинадном и пивоваренном деле, для домашнего отопления и т. д.

Еще в XVI-XVII вв. в Англии выдвигались различные проекты использования каменного угля при выплавке чугуна из руды и производились соответствующие опыты. Однако эти попытки не могли иметь успеха до тех пор, пока не научились удалять из каменного угля серу и преодолевать его спекаемость путем коксования, что было достигнуто к началу XVIII в.

Окончательного успеха в этом деле добился владелец металлургических Коулбруксдельских заводов (Шропшир) А. Дерби, осуществивший удачные доменные плавки на коксе в 1713- 1717 гг. Затем опыты прекратились и были .возобновлены А. Дерби-младшим лишь в 1730-1735 гг. С середины XVIII в. доменная плавка на коксе получила систематическое распространение.

Важным усовершенствованием воздуходувных приспособлений в доменном процессе было введение английским инженером Смйтоном в 1760 г. цилиндрических поршневых воздуходувок, приводимых в движение водяным колесом. В результате применения этих воздуходувок производительность домен возросла в 4 раза.

Немаловажное значение для будущего имело усовершенствование способов получения стали. Так, например, английский часовщик-изобретатель Б. Хантсмэн (40-е гг. XVIII в.) усовершенствовал способ получения литой стали в тиглях.

Зарождение рельсового транспорта. В горном деле при добыче каменного угля, руды и других полезных ископаемых зародились также элементы будущего рельсового транспорта, сыгравшего важную роль в период промышленного переворота.

При подземной откатке угля и других полезных ископаемых с XV-XVI вв. в Чехии, Саксонии и в Англии стали применяться деревянные лежневые пути. Поперечины (предшественницы шпал) на таких путях были введены около 1630 г. В дальнейшем лежневые пути были вынесены на поверхность и соединили копи и рудники с заводами. Грузовые повозки (составы повозок) передвигались по таким деревянным путям конной тягой.

В 20-е гг. XVIII в. повозки на этих дорогах были снабжены чугунными колесами с закраинами (ребордами). Несколько позже деревянные лежни стали покрывать железными полосами или чугунными профильными набойками (прообраз будущих рельсов).

Изобретения в текстильной промышленности, подготовлявшие промышленный переворот. Если в каменноугольной промышленности и связанных с ней других отраслях горного дела и металлургии раньше всего зарождались элементы техники эпохи "пара и железа", то хлопчатобумажная промышленность стала отраслью, где непосредственно готовился первый этап промышленного переворота.

Выше уже говорилось о введении различных машин и механизмов мануфактурного периода в шелковом и ленточном производстве до середины XVIII в. Ноттингемские мастера-вязальщики усовершенствовали вязальный станок Ли. К 1714 г. подобных станков насчитывалось в Англии до 8 тыс. Однако все эти изобретения не могли оказать существенного влияния на уровень техники текстильной промышленности в целом.

Положение изменилось, когда рабочие машины нового типа получили распространение в хлопчатобумажном производстве.

Сюда относится прежде всего изобретение в 1733 г. "самолетного" челнока для ткацкого станка Джоном Кэем, ткачом и механиком.

Переброска челнока вручную с одной стороны станка на другую приводила к необходимости ткать лишь узкое полотнище. Кэй ввел особое приспособление, посредством которого ткач мог перебрасывать челнок между нитями основы произвольной ширины, дергая за шнурок. Операция ткачества значительно ускорилась.

Повышение производительности ткацкого станка вызвало, в свою очередь, необходимость усовершенствований в прядении. В 1733-1735 гг. талантливый конструктор Джон Уайетт и его компаньон Льюис Поль построили прядильную машину нового типа, в которой пальцы прядильщика были заменены несколькими парами вытяжных валиков. Машина была рассчитана на двигательную силу животных.

Хотя в то время машина Поля и Уайетта не получила распространения л осталась лишь первым опытом создания устройства "чтобы прясть без помощи пальцев", но К. Маркс придавал большое значение этому изобретению, указывая, что "...Джон Уайетт в 1735 г. возвестил о своей прядильной машине, а вместе с этим - о промышленной революции XVIII века..."^*.

^*(Маркс К. Капитал, т. 1. - Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 383.)

Идеи, которым предстояло осуществиться лишь в отдаленном будущем. Летательные аппараты. В рассматриваемый период выдвигалось также немало идей, а иногда и подробных проектов (сопровождаемых опытами), которые смогли реализоваться лишь в конце XIX в. или даже позже. Это относится прежде всего к творчеству Леонардо да Винчи. В 80-90-х гг. XV в. он разрабатывал проекты парашюта, а также выдвинул идею использования воздушного винта для вертикального подъема. Леонардо производил многочисленные опыты по созданию летательных аппаратов тяжелее воздуха. Однако его проекты не могли осуществиться, потому что Леонардо не предусматривал иных двигателей для своих аппаратов, чем мускульная сила человека или сила пружины.

Чертежи Леонардо да Винчи (1485). Слева - человек, спускающийся на парашюте. Справа - воздушный винт для подъема

Томазо Кампанелла, автор прославленной утопии "Город Солнца", созданной в начале XVII в., писал, что жители его идеального государства "уже изобрели искусство летать - единственно, чего, кажется, недоставало миру".

Выдающийся английский мыслитель и общественный деятель Фрэнсис Бэкон в утопии "Новая. Атлантида" (1627) нарисовал картину общества, где наука и техника достигли наивысшего уровня. В частности, там, по словам Бэкона, "подражали полету птиц, и знали несколько принципов полета".

Иногда смелые догадки о будущих открытиях высказывались писателями в виде шутки. Так, в середине XVII в. поэт и ученый, вольнодумец Сирано де Бержерак, - стремясь в замаскированной форме буффонады изложить свои передовые материалистические идеи, написал сатирический, фантастико-приключенческий роман "Иной свет или государства и империи Луны". Там, между прочим, высмеивая библейские легенды, он писал, будто один из праведников наполнил дымом два сосуда и с их помощью полетел на небеса.

Сирано, конечно, не предвидел, что один из столь нелюбимых им иезуитов, итальянец Терци де Лана, 20 лет спустя совершенно всерьез разработает проект летающего судна, которое должно было подыматься вверх посредством четырех шаров, из которых был бы выкачан весь воздух. Итак, Сирано в шутку, а Терци де Лана всерьез писали о летающем аппарате легче воздуха. Неосуществимость обоих проектов очевидна. Разница в весе пустых или наполненных горячим дымом сосудов и таких же сосудов с воздухом совершенно ничтожна, и они вверх не взлетят.

Упоминание в сатире Сирано жертвенного дыма получило неожиданное уподобление в практике. Первые воздушные шары были наполнены горячим дымом.

Кстати, любопытно, что не Сирано, человек военный и большой забияка, а иезуит Лана указал на возможность военного применения летательных аппаратов. Ни один город не оказался бы застрахованным от нападения, доказывал Лана. В морской войне летающие лодки стали бы сверху атэковывать суда противника и т. д.

Почти сто лет спустя, в 1755 г., французский монах-доминиканец Ж. Гальен в своем (тоже совершенно нереальном) проекте огромного корабля, наполненного "легким воздухом" верхних слоев атмосферы, писал, что его аппарат предназначается для "плавания по воздуху и для перевозки, если мы пожелаем, многочисленной армии... вплоть до глубин Африки или иных стран, столь же неизвестных". Рассуждения Лана и Гальена были характерны для эпохи колониальных захватов и постоянных войн между державами.

Применение реактивных устройств. Мы знаем, что в XIV- XV вв. ракеты получили военное применение в Западной Европе. Однако дело не ограничивалось их усовершенствованием как боевого орудия. Многие авторы пытались применить реактивный принцип для других целей, прежде всего при создании автоматов. С XV в. изобретатели проектировали или строили автоматы в виде птиц и фантастических демонических фигур, которые поднимались в воздух под действием вделанного в них реактивного двигателя. Сирано де Бержерак описал - опять-таки в комическом духе - летательный аппарат, к которому привязали ракеты. На ней герой рассказа вознесся на Луну.

Пусть в форме шутки, но Сирано первым высказал мысль о возможности использования ракет для полетов.

Мы уже упоминали, что И. Ньютон выдвинул в 1663 г. идею использования реактивной силы пара в своем проекте паровой самодвижущейся повозки.

В первой половине XVIII в. ряд изобретателей (Дж. Аллен в Англии - 1729 г., Д. Бернулли во. Франции - 1753 г. и др.) предлагали использовать реактивный принцип для создания водометных судов. Паровая машина или иной двигатель должны были набирать в резервуар; а затем с силой выбрасывать воду из кормовой части судна, двигая его вперед. Эти проекты также не осуществились.

Подводные суда и скафандры. Создавались и проекты подводных судов. В собрании рисунков первой половины XV в. было найдено изображение водолаза в кожаном костюме с водолазным шлемом и воздушным шлангом. Это поразительный пример технического предвидения, учитывая, что скафандры с подачей воздуха по шлангу вошли в практику в 60-х гг. XIX в., т. е. 430 лет спустя.

В 1460 г. проект подводного судна разработал Р. Вальтурио. Судно имело гребные колеса, приводимые в движение мускульной силой.

Набросок водолазного шлема со шлангом был обнаружен и в рукописях Леонардо да Винчи.

В "Новой Атлантиде" Ф. Бэкона также предусматривались "суда и лодки для плавания под водой".

Ньютоновский проект повозки с реактивным двигателем. Позднейшая реконструкция. Схема

Производились и практические опыты в этой области. Первый опыт применения воздушного колокола для водолазных работ был сделан в 1535 г. в Италии. В конце XVI в. Б. Лорйни разработал проект воздушного колокола для производства строительных работ под водой.

Проект водолазного костюма. Рисунок времен гуситских войн (1430)

Опыт подводного путешествия по Темзе проделал в 1624 г. в лодке, приводимой в движение веслами, голландец К. Дреббель. В 1691 г. подводную лодку сконструировал Д. Папен. Через особый шланг, выходящий наружу, она должна была получать свежий воздух. Однако практического применения это предложение изобретателя не получило.

В 1718 г. русский изобретатель-самоучка Ефим Никонов представил Петру I проект подводного судна для боевых целей и водолазного костюма. Всегда проявлявший большой интерес к новым техническим идеям, Петр дал изобретателю возможность строить и испытывать это судно. Но Никонов успеха не добился. После смерти Петра за безрезультатную трату казенных средств изобретатель был сослан на каторгу.