Возникновение элементов машины

Стимулом к применению машин явилась потребность в выполнении таких трудовых процессов, которые человеку стало трудно или совершенно невозможно выполнять.

Одним из первых трудовых процессов, который оказался непосильным для человека, был процесс подъема и перемещения тяжестей. Исследование сохранившихся жилищ и сооружений ритуального характера, сложенных из громадных каменных плит, указывает на применение для подъема и перемещения этих плит рычага. На рисунке 1-8 показаны последовательные положения камня при его подъеме и перемещении методом террасирования с использованием рычагов. Следует отметить, что в этом случае, как и во многих других, научное обобщение опыта последовало на целые тысячелетия позднее его практического применения (Архимед, 287-212 гг. до н. э., см. стр. 60).

Рис. 1-8. Подъем и передвижение крупных камней: а и б - при помощи рычагов и катков камень поднимается на некоторую высоту; в - под камень подкладывается опора; г - подняв опорные катки на более высокий уровень путем подсыпки земли, производят те же операции, что и в случаях а и б; д, е и ж - поднятый указанным выше методом камень передвигается на новое место; з - подъем камня в гору посредством террасирования

Возникновение элементарной транспортной машины раньше машин других видов и назначений объясняется тем, что с задачей подъема и перемещения тяжестей, превосходящих физические возможности, человек столкнулся прежде всего, а простейшие возможности решения подобной задачи, подсказанные опытом в виде применения рычага, уже имелись в наличии.

Однако первобытное общество оставило следы своей деятельности и в области технологических машин в их простейшей форме. К числу таких машин следует отнести уже упоминавшийся примитивный станок для сверления (рис. 1-7). В отличие от рычага с преобразованием сил в данном случае преобразуется характер движения. Свойственное живому организму возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное движение сверла, необходимое для процесса сверления.

Рис. 1-9. Дощечка и палочки для добывания огня (Государственный Исторический музей. Москва)

Вращательное движение, наиболее широко распространенное в современной технике, осваивалось в ранний период жизни общества в устройствах для добывания огня. Сначала это были дощечки из мягких пород дерева (рис. 1-9), подвергавшиеся сверлению палочкой из твердой породы, вращаемой между ладонями. Позднее вращение палочки осуществлялось посредством "огневого сверла" (рис. 1-10), из которого выросли первые сверлильные станки.

Рис. 1-10. Огневое сверло

Кроме возвратно-вращательного движения зажигательных и сверлильных устройств, было освоено и однонаправленное вращательное движение в устройствах для изготовления сосудов из глины.

Рис. 1-11. Способ изготовления глиняного сосуда из глиняного шнура

Одним из древнейших методов изготовления сосудов была лепка их из длинных глиняных валиков, накладываемых спиралью (рис. 1-11). Форме сосудов в виде окружности в плане способствовало использование в качестве основы для посуды плетенки из гибких прутьев, обмазываемых глиной, - один из путей возникновения гончарного ремесла. Плавная прогибь прута, исключавшая его поломку, приводила к форме окружности. Процесс изготовления сосудов, имеющих такую форму, потребовал от ремесленника поворачивания изделия, которое постепенно привело к применению быстрого вращательного движения (рис. 1-12). Так возникла еще одна простейшая технологическая машина - гончарный круг, дающая новый пример использования закономерностей природы на основании практического опыта задолго до формирования научных представлений о них. В гончарном круге был впервые применен маховик для выравнивания импульсов движения, получаемых кругом от ног гончара. Первобытный гончар не имел понятия о том, что выравнивающий эффект маховика зависит от его массы и квадрата числа оборотов, но это не мешало ему с успехом применять маховик на практике.

Рис. 1-12. Эволюция гончарного круга: 1 - неподвижный круг; 2 - круг с медленным вращением от руки; 3 - круг с быстрым вращением. Гончар толкает ногами массивный нижний круг, выполняющий функцию маховика; руки высвобождаются для изготовления быстро вращающегося на верхнем круге сосуда

Так практика подготавливала данные для научных обобщений. В связи с этим уместно напомнить высказывание Ф. Энгельса о том, что наука обязана производству не в меньшей степени, чем производство науке.

Рис. 1-13. Ручная мельница (зернотерка): 1 - вращающийся жернов; 2 - камень с выдолбленным углублением; 3 - рукоятка для вращения жернова; 4 - размалываемое зерно

Особое внимание следует уделить зерновой мельнице первобытного общества, как ранней технологической машине. Сначала процесс размола зерна обеспечивался возвратно-поступательным движением одного камня по плоской поверхности другого. Низкая производительность подобного устройства определялась медленным движением верхнего камня, ускорить которое очень трудно вследствие проявления инерции при переменах направления движения камня. Единственным правильным решением являлся переход от возвратно-поступательного движения к вращательному, скорость которого можно было значительно увеличить. И это решение было найдено в результате труда многих поколений и выразилось в конструктивной форме вращающегося камня-жернова (рис. 1-13), расположенного в соответственном углублении неподвижного нижнего камня. В подобной мельнице энергетические функции отчетливо отделены от технологических. Технологическая машина жестко определила характер отдачи работы энергетической машины (двигателя) в форме однонаправленного вращательного движения по неизменяемой траектории, заданной самой машиной. Отсюда ранняя энергетическая "живая машина" - человек - освобождалась от выполнения логических и контрольных функций почти полностью. В основном человек-двигатель выполнял только энергетическую функцию, которую с таким же успехом могло выполнить животное или энергия неорганической природы в виде водного потока.

Таким образом, в зерновой мельнице сочеталась потребность в передаче энергетической функции машине (поскольку процесс размола - энергоемкий процесс) с возможностью осуществления этой передачи (поскольку энергетическая функция выступает здесь в чистом виде). Так, в зерновой мельнице сложились предпосылки первой замены человека машиной в сфере выполнения энергетической функции производственного процесса.

Другой ранний прототип технологических машин, сложившихся только в XVIII в., - вертикальный ткацкий станок. В этом станке применено характерное для многих машин вплоть до XIX в. использование силы тяжести. Тяжесть используется для натягивания нитей основы, отделенных от нитей утка, что явилось первым шагом перехода от плетения к ткачеству. Следующим шагом в развитии ткачества было отделение четных нитей основы от нечетных (рис. 1-14).

Рис. 1-14. Вертикальный ткацкий станок: Четные нити основы отделены от нечетных и натягиваются весом самого ткача, а челнок с намотанной на нем нитью утка протаскивается руками между нитями основы. (Из книги М. Зикмунда и И. Ганзелки 'К охотникам за черепами', Прага, 1959.)