11. Часы с катящимися шарами

Часы, приводимые в движение катящимися шарами, ни в коей мере нельзя рассматривать как одну из разновидностей вечного двигателя. Шар, движущийся вниз, выполняет роль маятникового балансира, регулирующего действие пружины. Время, за которое шар перекатывается из верхней точки своей траектории в нижнюю, всегда одно и то же, оно является аналогом иолупериода колебаний балансира с маятниковым регулятором. И все-таки механизмы с катящимися шарами, будь то часы или какие-нибудь другие приборы, иногда принимали за вечный двигатель.

Англичанин Джон Эвелин^* оставил нам описание одного такого устройства, которое ему довелось увидеть 24 февраля 1655 года: "Мне показали настольные часы, единственным балансиром которых является прозрачный шар, свободно скользящий по наклонному желобу. Этот шар скатывается все ниже и ниже, пока не падает на расположенную в нижней части устройства пружину, которая вновь подбрасывает его в самый верхний желоб. Все операции повторяются с неукоснительной точностью каждые тридцать секунд. При этом часовая стрелка чуть подвигается и раздается короткий звонок. Таким образом, сто двадцать раз в час, в те моменты, когда шар попадает на пружину, часы начинают бить. Эта в высшей степени необычная, богато украшенная вещь, была подарена каким-то немецким принцем нашему покойному королю^**. Сейчас она принадлежит узурпатору^*** и оценивается в двести фунтов стерлингов".

^* (Джон Эвелин (1620-1706) - один из основателей лондонского Королевского общества, автор множества сочинений на исторические, политические и морально-философские темы. Наибольшую известность как литератору принес ему "Дневник", опубликованный в 1818 году. Этот дневник Эвелин вел на протяжении более чем полстолетия, поэтому его можно рассматривать как достоверную хронику событий в Англии второй половины XVII века, составленную политиком умеренного толка, преданным сыном англиканской церкви.)

^** (Карлу I.)

^*** (Оливеру Кромвелю.)

Сэмюэл Пенис^* также оставил в своем дневнике описание подобных, а может быть, тех же самых часов. Его запись относится к 28 июля 1660 года: "Был в Вестминстере и встретился с мистером Хенсоном, у которого раньше были замечательные часы с катящимися шарами. Теперь эти часы принадлежат королю и являются частью его обширной коллекции".

^* (Сын портного Сэмюэл Пепис (1633-1703), окончив Кембриджский университет, начал служебную карьеру скромным клерком морского ведомства, а спустя два десятка лет, в 1679 году, занял пост секретаря адмиралтейства. Он неоднократно избирался в парламент, был президентом Королевского общества и другом И. Ньютона. Английские энциклопедии называют его (как и Эвелина) "даиэристом" - человеком, ведущим дневник. Пепис писал свой дневник шифром. Опубликованный в 1825 году шеститомный дневник Пеписа служит своеобразным источником сведений о жизни английского общества во время правления Карла II.)

В последующие годы часы с боем, которые отмечали время с помощью шара или ядра, катящихся по наклонным желобам, продолжали оставаться большой редкостью. Вуд в своей книге о "диковинных" часах пишет: "В Хенли-на-Темзе жил брат художника Гейнс-боро, священник-диссидент, обладавший незаурядными способностями механика и изобретателя. Созданные им часы отличались оригинальностью конструкции и после его смерти были переданы Британскому музею. Часы отмечали каждый час боем маленького колокола и шли за счет того, что одно из двух свинцовых ядрышек, помещенных в спиральном накопителе в верхней части часов, падало в маленькое ведерко слоновой кости. Достигнув его дна, оно с помощью противовеса выносилась вверх и выталкивало из накопителя другое ядрышко, которое проделывало тот же путь".

Если понимать написанное буквально, то может показаться, что наш механик в рясе и вправду "ухватил мечту за хвост" - создал перпетуум мобиле. На самом же деле, он всего лишь сконструировал часы со своеобразным регулятором, приводимые в действие силой тяжести падающего груза.

Упоминание о часах с катящимися шарами встречается в книгах по часовому делу, выпущенных в свет в семнадцатом и восемнадцатом столетиях. Первый рассказ об устройстве такого рода содержится в книге Каспара Шотта "Достопримечательности техники", которая была опубликована в Нюрнберге в 1664 году. Шотт учился в Риме вместе с Атаназиусом Кирхером, однако большую часть своей жизни провел в Аугсбурге^*. К сожалению, описания многочисленных механизмов, оставленные Шоттом, сделаны крайне невразумительно. Но в четвертой книге его "Механических чудес" есть довольно подробное и хорошо иллюстрированное описание вечного двигателя, приводящего в действие часовой механизм. Это изобретение принадлежит австрийскому священнику Вильгельму Шретеру, жившему в XVI веке.

^* (Атанасиус Кирхер (1602-1680) - член ордена иезуитов, профессор математики, философии и восточных языков в Вюрцбурге и позднее в Риме. Автор сочинений, содержащих обзор практически всех областей современного ему знания, огромное количество самых разнообразных сведений, фактов, наблюдений, часто смешных, нелепых и неправдоподобных. Живя в век, когда трудами Кеплера, Декарта, Ньютона, Бойля и других естествоиспытателей создавалось Новое Знание, свободное от теологии и слепого преклонения перед догмой, Кирхер по существу оставался на позициях старой описательной науки и не внес заметного вклада в развитие естествознания. Вероятно, главная заслуга Кирхера перед наукой - создание при римской иезуитской школе одного из первых естественнонаучных музеев. Кирхер неоднократно писал о вечном движении, пытался теоретически обосновать "самовращающееся колесо". Особое внимание он уделял перпетуум мобиле с использованием магнитов, посвятив им сочинение "Магниты, или Искусство магнетическое" (см.: P. Connor Reilly. Athanasius Kircher, master of a hundred arts. Wiesbaden-Roma, 1974).

Иезуит Каспар Шотт (1608-1666) - ученик Кирхера в Вюрцбурге и ассистент в Риме. Преподавал моральную теологию и математику в Палермо и Риме, а в последние годы жизни был профессором физики в вюрцбургской иезуитской школе. Автор объемистых трудов, в которых следовал стилю и характеру сочинений Кирхера. Книга, о которой упоминает А. Орд-Хьюм, называется "Достопримечательности техники, или Чудесное искусство... содержащее описание различных экспериментов и хитростей в пневматике, гидравлике, гидротехнике, механике, графике, хронометрии, автоматике, кабаллистике...")

В слегка наклоненном желобе, расположенном в верхней части конструкции, помещалось шесть шаров. Шары падали один за другим через отверстие в желобе на установленное под ним вращающееся колесо, на ободе которого были сделаны углубления в форме чашек. Благодаря специальному предохранительному устройству шары вываливались из чашек лишь в определенной точке траектории вращения и попадали в углубления-чашки другого колеса, расположенного пониже. Это второе колесо, в свою очередь, переносило шары на третье колесо. Каждое из этих трех колес насаживалось на общий вал с аналогичным колесом большего диаметра. Очередной шар, пройдя по трем малым колесам сверху вниз, по направляющим попадал в углубление на ободе нижнего большого колеса и начинал подниматься вверх. Затем шар переносился на второе колесо, расположенное повыше, и, наконец, на третье, которое поднимало его до уровня желоба и сбрасывало в него. Шотт верил, что непрерывное движение шаров (вниз и затем вверх) сможет обеспечить работу часового механизма, связанного посредством зубчатых передач с вращающимися осями (или валами) устройства.

Странно, однако, что Шотт не заметил ошибочности идеи, делающей весь проект неосуществимым, ибо она видна даже из беглого ознакомления с ним. Поскольку изобретатель сконструировал "возвратные" колеса большего диаметра, чем "ведущие", ни один из падающих вниз шаров не достигнет верха конструкции. Причина этого заключается в том, что шар, находящийся в углублении колеса большего диаметра, создает больший вращающий момент, нежели шар, находящийся на меньшем колесе. Вращение колес, едва начавшись, прекратится, и система придет в равновесие (см. об этом четвертую главу).

Сам Шотт высказал идеи по крайней мере двух вечных двигателей. Одним из них было устройство, предназначенное для подзавода различных механизмов. Оно содержало "бесконечный" (замкнутый) ремень, приводимый в движение шарами. Шары располагались на опускавшейся части ремня, несущего маленькие черпаки. Достигнув нижней части устройства, шары поднимались вверх, и весь цикл повторялся.

Раздумывал о конструкции часов с катящимися шарами и итальянский иезуит Франческо Эсчинарди, родившийся в 1623 году и умерший около 1700 года. В книге "Отчеты отца Франческо Эсчинарди... его парижскому другу" содержится описание часового механизма, предназначенного для использования на кораблях. Автор писал, что в начале 1670 года он вместе с князем Леопольдом Медичи сконструировал часы, которыми можно было пользоваться, находясь в открытом море. При этом он весьма скептически отзывался о часах, приводимых в действие падающими грузами. Такие часовые механизмы, по его мнению, показывали время с большой ошибкой. В своих "Отчетах" Франческо Эсчинарди обнаружил глубокие познания в сложной проблеме точного определения времени в открытом море, которая была полностью решена лишь с изобретением хронометра Гаррисоном в 1735 году. В часах, сконструированных отцом-иезуитом, вместо пружин или тяжелых грузов использовались корончатое колесо и барабан, который обвивала цепь с маленькими черпаками в форме чашек. Через отверстия, находящиеся над цепью, шар падал в один из черпаков и тянул цепь вниз, вращая при этом вал. Внизу шар выпадал из черпака и оказывался на пружинном спусковом устройстве, с помощью которого второй шар попадал на цепь с черпаками. Достигнув нижней части устройства, этот второй шар толкал первый так, что, когда второй шар выпадал из чашки, первый мог вновь попасть на цепь с черпаками и, приводя ее в движение, повторял весь цикл. По мнению автора, конструкция представляла собой вечный двигатель.

Правда, было неясно, каким образом Эсчинарди собирался поддерживать работу часов. Похоже, он рассчитывал на то, что каждый шар, выпадая из черпака и оказываясь на спусковом устройстве, подзаводил бы пружину, обеспечивавшую ход часов. Невозможно не восхищаться той твердой убежденностью, с которой почтенный святой отец верил, что энергии падающего шара будет достаточно не только для того, чтобы поднять вверх равный по весу шар, но и сообщить импульс, необходимый для подзавода пружины.

В своем "Сборнике сочинений о достопримечательностях математики и механики", опубликованном в 1719 году, Гролье де Cepвьер (1596-1689) описал четыре типа часов с катящимися шарами. Именно благодаря этой книге часы подобной конструкции стали известны мастерам часового дела в разных странах мира.

Первые часы Сервьера имели форму шестигранной башни, в основании которой помещался собственно часовой механизм. Купол башни поддерживался шестью колоннами. Вокруг башенных колонн с их внешней стороны спирально тянулись два параллельных медных желоба, по которым металлический шар медленно катился сверху вниз. Так и не установлено, каким образом движение шаров по наклонным желобам приводило в действие часовой механизм. Вторые часы Сервьера имели аналогичную конструкцию, единственное отличие их от первых заключалось в том, что шар возвращался в верхнюю точку траектории с помощью системы черпаков, подбирающих его в нижней части устройства, а затем выносящих его в желоб наверху башни.

По всей видимости, в основе конструкции третьих часов тоже лежал принцип нисходящего движения катящихся шаров. Основным отличием этих часов было использование одного наклонного желоба и двух медных шаров. Когда один шар завершал свой путь, начинал движение второй шар. Внизу второй шар выталкивал первый, и тот через некоторый промежуток времени вновь подавался в верхнюю часть устройства.

Во внешнем оформлении своих четвертых часов Сервьер снова обратился к идее башни. Но на этот раз она была четырехугольной в поперечном сечении, а часовой механизм вновь помещался в ее основании. Часы имели: два циферблата, отдельно для часовой и минутной стрелок. На помещенной в книге иллюстрации видны четыре колонны, поддерживающие купол башни. Вокруг колонн проложены "железнодорожные" пути для движения шаров. Как только один из двух шаров достигает основания башни, он попадает на вращающийся винт Архимеда, который вновь увлекает его наверх.

Все схемы описанных здесь часов приведены лишь в самых ранних работах, посвященных часовому делу. Мне нигде, однако, не встретилось упоминание о том, что часы подобной конструкции были когда-либо построены. Похоже, что они так и остались плодом богатого воображения изобретателей.

На протяжении длительного времени в музее земли Гессен в немецком городе Касселе хранился редкий экспонат, имевший каталожное название "Вечный двигатель". Это были часы на катящихся шарах. Они погибли во время воздушного налета в 1943 году.

Часы были сделаны знаменитым итальянским изобретателем и часовщиком Джузеппе Кампани, изготовлявшим также линзы для телескопов. Он жил и работал в Риме примерно с 1650 но 1715 год и приобрел широкую известность как автор нескольких часов оригинальной конструкции. Свой вечный двигатель он продал ландграфу Карлу Гессенскому во время поездки последнего по Италии в декабре 1699 - апреле 1700 года^*.

^* (Джузеппе Кампани (1635-1715) изобрел станок для обработки и полировки линз и оптических стекол. Это позволило изготовлять лучшие в Европе телескопы и микроскопы (см.: S. A. Bedini. The optical workshop of Giuseppe Campani. - Journal of the history of medicine and allied science, 1961, XVI, № 1, pp. 18-38).)

В книге Ф. X. Шминке "Описание резиденции курфюрста земли Гессен и города Касселя" (1767) есть такое описание часов Кампани: "Часы Джузеппе Кампани работают с помощью двух шаров, которые поочередно скатываются вниз по наклонным медным желобам. Как только один шар заканчивает свое движение, с помощью двойной лопасти выпускается второй шар. Когда закончено движение второго шара, лопасть вновь выбрасывает первый шар в желоб, и он снова совершает весь свой путь. Затем наступает очередь второго шара и т. д. Движение каждого шара длится во времени ровно 30 секунд. Именно за счет этого движения перемещаются стрелки на циферблате, расположенном в верхней части часов".

Эти удивительные часы имели 1,8 метра в высоту, 0,75 метра в ширину и 0,4 метра в длину. Помещались они в застекленном шкафу эбенового дерева, украшенном золоченой бронзой: капителями, балюстрадой и изящными венками, расположенными в передней части и по бокам шкафа.

Беглый внешний осмотр часов убеждал в том, что они шли благодаря периодическому скатыванию одного из медных шариков по наклонной плоскости, которую образовывали восемь посеребренных желобов, проходящих по внутренней стороне каркаса часового механизма. Позади желобов находилась система зеркал. Зритель всегда видел только один скатывающийся шар.

На самом же деле это устройство, сделанное талантливым инженером, было искусным обманом. Весь механизм работал благодаря наличию трех пружин, размещенных в свободном пространстве между зеркалами и незаметных для наблюдателя. Отличительной особенностью этих замечательных часов был совершенно бесшумный регулятор хода, ранее уже применявшийся Кампани в бесшумных "ночных" часах. Регулятор содержал небольшое коромысло, непрерывно вращавшееся в направлении против часовой стрелки вокруг центральной оси. Плечи коромысла равны между собой, и каждое оканчивается сферическим углублением в форме ложек. Регулятор установлен таким образом, что дважды за период вращения эти ложки оказываются на уровне верхней и нижней точек траектории движения шаров. Коромысловый регулятор посредством шестеренки сообщал движение другому регулятору, так называемому билянцу^*. Последний состоит из штанги, совершавшей колебания вокруг центральной оси (в горизонтальной плоскости). На каждом плече штанги имелся груз; изменяя положение грузов относительно этой оси, можно было регулировать скорость вращения регуляторов.

^* (Или регулятору фолио.- Прим. ред.)

Чтобы привести вечный двигатель в действие, достаточно было поместить один шар в верхнюю ложку главного регулятора, а второй - в верхнюю часть спирального желоба. Скатываясь по желобу вниз, этот второй шар падал на стопор и оставался в таком положении, пока проходящее мимо него плечо коромыслового регулятора не принимало его и нижнюю ложку. Шар скатывался вниз за тридцать секунд.

Именно такое время требовалось и для того, чтобы коромысло совершило пол-оборота; при этом шар, находившийся в нижней точке траектории, вновь оказывался в верхней части желоба. Стрелки часов, соединенные с регулятором, дважды в минуту передвигались под действием его толчков.

Успешная работа часов во многом определялась высоким качеством их изготовления. Хорошо замаскированный бесшумный часовой механизм, соединенный с минутной стрелкой, и был тем самым средством обмана, о котором я уже упоминал. Впрочем, нет никаких прямых доказательств, что изобретатель называл свое творение "вечным двигателем". Вполне вероятно, что это название механизм получил в более позднее время. В XVII веке часы были еще диковинкой и представляли собой большую ценность. Возможно, Джузеппе Кампани хотел сконструировать такой часовой механизм, который явил бы миру образец мастерства, и намеревался создать хитроумное устройство, принцип действия которого был бы непонятен окружающим. Не хотелось бы быть несправедливым к изобретателю и приписывать ему сознательный обман.