Гений да Винчи: Сенсационные механические изобретения - физика и принципы механики
Итак, продолжаем ходить по выставке, посвященной Леонардо да Винчи.
Первая часть, посвящённая жизни и эпохе Леонардо да Винчи - здесь. Этот пост посвящён физике и принципам механики и является, пожалуй, самым объёмным из всех, посвящённых выставке.
Как говорил сам Леонардо: "Я убеждён в безотлагательной деятельности. Знать недостаточно, мы должны применять. Хотеть недостаточно, мы должны делать".
Леонардо верил в то, что механика является ключом к тайнам мироздания. Он изучал поведение воды, воздуха, света, и сумел определить механизм их движения в различных условиях. Да Винчи создал множество рисунков с изображением вихревого движения воды в водовороте, потока воздуха, и природы света с его тенями и отражением. Всё это время главным принципом его работы было стремление понять сокрытые от человеческого глаза физические и механические принципы.
Да Винчи считал человеческое тело сложной и развитой машиной, способной двигаться, используя принцип, схожий с механическим. Он изучал, каким образом анатомия формирует поведение человека и животных. Леонардо было также интересно, как человек выражает свои чувства и какие скрытые механизмы управляют жизнью.
Учёный предположил, что поскольку принцип движения человеческого тела и силы природы известны, на основании этого можно сделать выводы о принципах движения машин, которые бы подражали природе. Он изучал анатомию, физиогномику и механизмы, которые легли в основу большинства его научных открытий и изобретений. Сегодня они в значительной степени могут помочь нам понять мысли величайшего учёного, изобретателя и художника.
К наиболее известным изобретениям да Винчи в области механики относятся: маховик, система шарикоподшипника, винтовая пружина, устройства для трансформации непрерывного движения в переменное и наоборот, стереоскоп.
А теперь посмотрим на них поближе.
Измеритель уклона (inclinometro, slope meter). В нижнем левом углу рисунка изображён прибор, способный определять угол наклона летательного аппарата по отношению к горизонту. Отвес с маленьким шаром на конце висел внутри куполообразного сосуда, защищающего конструкцию от порывов ветра. Пилот смотрел на угол наклона линии отвеса, чтобы определить, летит аппарат горизонтально или с наклоном. Схожие приборы с грузом отвеса широко используются сегодня для измерения степени наклона откоса. Верхний рисунок изображает грузы и шкалы, а также эксперименты по измерению усиления винтовой передачи.
Подъёмное устройство на телеге (gru su carrello ad elevatore a vite, crane on cart). Леонардо спроектировал множество подъёмных кранов. На рисунке изображён высокий кран, установленный на тележку, который мог передвигаться вдоль направляющего каната, протянутого над ним. Такое устройство могло применяться при строительстве куполов многих известных соборов Флоренции. Из документов известно, что с самых ранних своих лет Леонардо воображал и проектировал конструкции, способные поднимать тяжёлые грузы. Среди работ да Винчи даже встречается проект по поднятию Баптистерия Св.Иоанна для строительства под ним фундамента, на который затем можно будет снова опустить церковное сооружение.
Телега с ручным приводом (carro a manovella, crank operated cart). Верхний рисунок показывает способ передачи движения на ось телеги. Рукоять поворачивает зубчатое колесо, которое приводит в движение проекторный механизм, соединённый с осью телеги, которая начинала вращать колёса. При повороте телеги движение передавалось только одному колесу, таким образом, второе колесо могло вращаться с другой скоростью. Работа дифференциала в конструкции привода современного автомобиля основана на этом же принципе.
Одометр (odometro, odometer). Это устройство для точного измерения расстояния. Одометр Леонардо представлял собой тачку с зубчатыми колёсами. Каждый раз после того как колесо тачки совершало полный оборот, маленькое вертикальное колесо перемещалось на один зубец. В свою очередь горизонтальное колесо также поворачивалось на один зубец и выбрасывало через маленькое отверстие камень или деревянный шарик в специальный ящик. Сбор и подсчёт этих камней давал возможность установить количество оборотов колеса на земле и тем самым измерить расстояние.Устройство Леонардо являлось доработанным вариантом инструмента, спроектированного римским архитектором и инженером Витрувием.
Подъёмный кран с кольцевой платформой (gru a piattaforma anulare, annular platform crane). В период с 1420 по 1436 год архитектор Филиппо Брунелески проектирует кирпичный купол собора Санта-Мария-дель-Фиоре во Флоренции. Осуществление этого проекта поставило перед архитектором ряд чрезвычайно сложных технических задач, так как купол должнен был быть построен без единой деревянной опоры и поддержки. Спустя десятилетия, изучая работы Брунелески, Леонардо создаст рисунки нескольких его аппаратов с целью их усовершенствования. В этом подъёмном кране груз мог перемещаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении при помощи системы винтов и противовесов.
Подъёмный кран с боковой лебёдкой (gru ad argano laterale, lateral winch crane). В период жизни во Флоренции Леонардо изучал различные виды подъёмных приспособлений. Он пытался довести до ума уже существующие в то время подъёмники, в особенности те, что были спроектированы архитектором Филиппо Брунелески в период его работы над куполом Санта-Мария-дель-Фиоре. Вращающийся кран с лебёдкой был предназначен для поднятия лёгких строительных материалов. Груз поднимался посредством рукояти и лебёдки и далее с помощью горизонтального ходового винта и системы блоков мог быть передвинут в ту сторону, куда его необходимо было подать. Подобный механизм позволял управляющему краном осуществлять подъём груза из различных положений.
Устройство для поднятия столбов (macchina rizzantenne, pole erecting machine). Эта модель представляет собой простое устройство для поднятия столбов и колонн. Леонардо позаимствовал эту идею у итальянского инженера Франческо Мартини. Колонна устанавливалась на двухколёсной платформе и тянулась вперёд при помощи горизонтального и наклонного каната. Горизонтальный канат наматывался через лебёдку на рукоятку, что требовало меньшего усилия, так как при подъёме колонны сила трения оставалась постоянной. При использовании наклонного или косового каната нагрузка значительно увеличивалась, и в конечном итоге весь вес колонны приходился на канат.
Велосипед (bicicletta, bicycle). Находка рисунка велосипеда среди рукописей Леонардо вызвала большое количество споров, возникших в период работы над реставрацией Кодекса Атлантикус в 1960-е годы. Некоторые учёные полагают, что этот набросок мог быть выполнен одним из молодых учеников Леонардо по имени Салаи, который скопировал оригинальную идею мастера или его рисунок. По сути, имя ученика - единственное слово на наброске. Безусловно, стиль рисунка во многом напоминает стиль да Винчи. Однако последние исследования показали, что скорее всего эта работа является подделкой, выполненной в ХХ веке, и следует считать, что Леонардо вообще не изобретал велосипед. На рисунке велосипеда отсутствовали типичные для работ Леонардо жирные, ярко выраженные линии, видимые на оборотной стороне листа. Также было установлено, что набросок был выполнен грифитом (грифитовым карандашом), который был изобретён лишь спустя десятилетия после смерти да Винчи.
Идеальный город (città ideale, the ideal city). В 1484 году старые, узкие, грязные и многолюдные улочки способствовали быстрому распространению чумы во многих итальянских городых. После эпидемии архитекторы задумались над совершенствованием городской среды. Идея Леонардо состояла в создании многоуровневого города с домами, соединёнными улицами, проходящими над водой. Широкие улицы в таком городе были задуманы перпендикулярно друг другу, здания имели несколько функциональных уровней, а каналы обеспечивали связь города с морем. Некоторые из спроектированных Леонардо зданий с арочными колоннадами повторяют традиционные формы классической архитектуры.
Устройство для нарезки винтов (macchina per filettare le viti, screw threading machine). Винт играл важную роль во многих изобретениях Леонардо в области механики и использовался в механизме многих его аппаратов. Во времена Леонардо на смену деревянным винтам стали приходить металлические. На рисунке представлен проект устройства для нарезки винтов. Прут, изображённый на рисунке в центре устройства, предназначался для изготовления винта. При повороте рукояти двусторонние винты двигали устройство с винторезом, одновременно вращая центральный прут. В нижней части конструкции располагались приводы разных размеров, которые могли менять шаг винта.
Самоходная телега (carro ad autotrazione, self-propelled car). Этот рисунок один из самых известных технических чертежей Леонардо. Изображённый аппарат считается прототипом современного автомобиля. Судя по всему, Леонардо планировал использовать эту машину в качестве реквизита в своих многочисленных театральных постановках при королевском дворе Милана. Самоходная телега могла ехать по прямой и поворачивать. Она двигалась с помощью арбалетного механизма, который через пружины передавал энергию приводам, соединённым с рулём. Задние колёса имели дифференцированные приводы и могли вращаться независимо друг от друга. На сцене телега могла передвигаться самостоятельно.
Вращающийся шариподшипник (cuscinetto a sfere e a rulli, rolling ball bearings). В этом устройстве три шара двигались свободно, независимо друг от друга и располагались в специальном основании в форме полусферы. Шары передавали силу трения, создаваемую посредством давления на них вертикального столба. Леонардо заметил, что необходимы три сферы, а не четыре. Четыре сферы двигались бы неравномерно и производили бы большее сопротивление, что сделало бы устройство менее эффективным. Как и многие другие изобретения Леонардо, это устройство не вспоминали на протяжении нескольких веков. и лишь в 1791 году в Уэльсе этой идеей воспользовались при изготовлении карет.
Прокатный стан (calandra o laminatoio, rolling mill). Данная машина предназначалась для производства листов металла. Леонардо предполагал её применение для изготовления узких листов жести. Рукоять поворачивала верхний цилиндр, после чего начинали вращаться другие два цилиндра. Металлические листы прокатывались между цилиндрами, и благодаря давлению производимый лист был однородно гладким. Этот принцип работы прокатного стана не изменился по сей день.
Компенсатор (equalizzatore, stabilizer). Во времена Леонардо было довольно много городских часов. Леонардо отдавал предпочтение пружинным часовым механизмам перед гиревыми. Он рассчитывал, что, если уменьшить силу трения в пружинах, механизм часов станет более точным. В модели да Винчи использовалась система зубчатых колёс, пружин и ходового винта для регулировки скорости вращения стрелки часов. В момент ослабевания завода пружина переводила ось на вторую ступень вращения, сохраняя таким образом постоянную скорость. Спустя несколько лет будут изобретены более простые механизмы компенсаторов.
Шестерёночный механизм (ingranaggio a lanterna, cog-wheel mechanism). Зубчатое колесо, изобретённое Архимедов в III веке до н.э., было хорошо известно во времена Леонардо. Да Винчи работал над усовершенствованием различных видов механизмов, способных передавать движение и усилие. Сочетание зубчатого колеса с цевочной шестернёй неоднократно встречается в разработках Леонардо. Цевочная шестерня представляет собой несколько маленьких цилиндров, находящихся между дисками. На рисунке изображено зубчатое колесо с перпендикулярными штырями, расположенными по окружности колеса. Устройство передавало движение в момент, когда рукоять поворачивала цевочную шестерню, цеплявшуюся за штыри зубчатого колеса и вращавшую колесо. Во втором варианте устройства рукоять приводила в движение зубчатое колесо. Схожий механизм применяется в устройстве некоторых современных часов.
Трансформация возвратно-поступательного движения в постоянное (trasformazione moto alternato in continuo, transformation of alternating to continuous motion). В основе работы нескольких аппаратов да Винчи лежал принцип трансформации движения. На рисунке изображены отдельные детали машины и её механизм в полной сборке. Данное устройство предназначалось для поднятия тяжёлых грузов и работало, используя принцип трансформации возвратно-поступательного движения во вращательное или постоянное. Вертикальный рычаг приводил в движение зубчатые колёса, которые вращались в противоположные стороны. Зубцы колёс цепляли шестерёнку горизонтального вала и вращали его, таким образом нить наматывалась на вал, поднимая груз. При движении рычага и зубчатых колёс в обратную сторону шестерёнка вала проскальзывала на зубцах колёс, не давая нити разматываться и опускать груз.
Трансформация постоянного движения в возвратно-поступательное (trasformazione del moto alternato, transformation of continuous to alternating motion). На рисунке показан способ трансформации постоянного движения в возвратно-поступательное. Рисунок был создан для проекта текстильной машины. Он демонстрирует способ равномерного наматывания нити на катушку. Когда колесо начинало вращаться, рычаг, присоединённый к шатуну, приводил в движение вал вдоль оси вперёд и назад. Катушка на конце вала двигалась вместе с ним, таким образом намотка нити осуществлялась равномерно.
Молот, приводимый в движение диском (martello a camme, hammer driven by en eccentric cam). Леонардо часто использовал вращающийся диск (колесо с выступами) для того, чтобы привести в действие тот или иной механизм. В изображённом аппарате рукоятка приводила в действие диск, выступы которого при круговом движении на диске меняли своё положение вверх-вниз. Диск поднимал молот, который затем совершал повторяющиеся удары в определённое место. Этот механизм мог предназначаться для кузнецов, которые использовали молот и наковальню, чтобы ковать мечи, подковы и другие инструменты.
Домкрат (martinetto o crick, jack). Современный автомобильный домкрат состоит из зубчатой рейки и шестерни. Домкрат преобразует вращательное движение в поступательное, позволяя тем самым поднимать тяжёлые предметы с малой затратой усилий. Рукоятка была присоединена к маленькому зубчатому колесу. Когда колесо поворачивали, круглая шестерня цеплялась за зубчатую рейку и двигала её по направлению вверх. В свою очередь любой предмет, находящийся наверху этой рейки, мог быть поднят. Опустить предмет можно было, изменив направление поворота рукоятки.
Маховик (studio di volano, flying wheels). Маховик представлял собой механическое устройство для стабилизации скорости вращения. Согласно идее Леонардо, если достаточно быстро раскрутить рукоять, четыре сферических шара поднимутся вверх благодаря центробежной силе, в конечном итоге цепи натянутся и примут горизонтальное положение. Когда будет достигнута максимальная скорость вращения, шары и рукоять будут вращаться с постоянной скоростью. Маховик должен был поддерживать скорость вращения и сокращать усилия для её сохранения. Он также помогал стабилизировать вращение рукояти в момент её колебаний или нестабильного усилия. На момент создания рисунка Леонардо было известно об использовании такого принципа в работе гончарного круга.
Шарикоподшипник (cuscinetto a sfere, ball bearings). Изобретение Леонардо является предшественником современного шарикоподшипника, используемого для сокращения силы трения. Деревянные шарики находились между шпинделями, имевшими изогнутые стороны. Шарики могли вращаться во всех направлениях, а шпиндели - только вокруг своей оси. Поскольку шарики не соприкасались с друг другом, это спасало их от износа. Леонардо планировал использовать это устройство для строительства огромной вращающейся сцены для одной из своих театральных постановок при королевском дворе Милана.
Спиральная пружина (molla a spirale, coil spring). Спиральная пружина чаще всего применяется в часах и других приборах, не требующих большой затраты энергии. Такие пружины были хорошо известны во времена Леонардо, создавшего большое количество их рисунков. Он также спроектировал аппарат, способный раскатывать металлический пруток под действием давления, делая его плоским как листок бумаги. Такие тонкие листы затем можно было закручивать в обычные спиральные пружины.
Механизм для исследования веса, или составная лебёдка (studio di pesio tirare composto, weight study mechanism or compound hoist). Леонардо рисовал и анализировал систему блоков и канатов. Он заметил, что такая система позволяла поднимать тяжёлые предметы равномерно. И наоборот, устройство с использованием зубчатого колеса и цепи было менее эффективно и обладало большим риском сломаться под напряжением. Леонардо предполагал, что каждый отдельный блок мог поднять единицу массы. Таким образом, тридцать три блока, как изображено на рисунке, могли поднять 33 килограмма с противовесом всего в 1 килограмм на конце верёвки. Чем больше было петель и блоков, тем эффективнее было устройство.
Спиральный механизм (ingranaggio elicoidale o vite senza fine, helicoidal mechanism). Этот механизм для передачи вращательных движений встречается в работах Леонардо довольно часто. Спираль в верхней части устройства контактировала с зубчатым колесом по всей его дуге, а не только отдельной его части. Поскольку спираль одновременно захватывала сразу несколько зубцов, сила распространялась на большую площадь, что сокращало риск повреждения в случае поломки под давлением одного зубца. В этом устройстве Леонардо продолжил развивать принципы Архимедова винта. Механизм да Винчи обладал мягкой трансмиссией, характерной для современных приборов.
Автоматический блокирующий механизм (meccanismo autobloccante, automatic blocking mechanism). В любом механическом процессе с участием тяжёлых предметов важно, чтобы в случае неполадки движение колеса в устройстве не вышло из-под контроля. Леонардо занимался изучением нескольких разновидностей системы, позволяющей блокировать вращение колеса в неверном направлении в процессе поднятия груза. Задвижка на устройстве зажимает зубцы колеса, не давая ему вращаться в противоположную сторону, бросив груз. Изначально идея использовалась при зарядке катапульт. Сегодня этот прицип лёг в основу храпового механизма.
Думаю, что на этом изучение открытий Леонардо в области физики и механики можно считать завершённым. Следующие на очереди - оптика и музыка.
Продолжение следует.