Интересно еще одно обстоятельство. Изложенные здесь идеи в равной степени применимы и к тем машинам и механизмам, которые окружают нас, и к тем. которые были созданы после оформления изложенных идей по систематике механизмов, и к тем, которые были построены на протяжении многих прошедших столетий. Принципы построения машин и составляющих их механизмов остаются неизменными на протяжении веков. Машины, изменяясь, все более и более приближаются по сложности к живым существам, и все же их структура остается неизменной. Если бы мы захотели анализировать какую-либо машину, построенную несколько столетий назад, то могли бы найти в ее схеме все те же группы классификации Ассур а—Артоболевского, которые мы находим в современных нам механизмах. Принципы создания машин остаются неизменными, и вероятно, и в дальнейшем эти принципы будут служить машиностроителям.
Становление машин нового типа, машин автоматического и автономного действия влило новое содержание в теорию структуры механизмов; изучение кинематических цепей открытого вида и их характерных особенностей дает возможность развить далее те математические идеи, которые были впервые заложены в теорию структуры механизмов. Так же, как история машин, раз начавшись, продолжается, точно так же и структурный анализ машин и механизмов продолжает развиваться и, несомненно, даст новые результаты, которые найдут свое применение в практическом машиностроении.
Принципы движения, или „физиология" машин
Если мы построим структурную схему машины и с ее помощью в качестве одного из вариантов поставленной задачи составим кинематическую схему, то тем самым мы создадим «скелет» будущей машины. Для того чтобы этот скелет стал машиной, все составляющие его звенья должны приобрести нужную форму, а все кинематические пары—получить реальный вид. При этом должно быть учтено и то, что в каждой паре происходит трение, которое необходимо снизить.
Цель создания машины — выполнение определенной работы, и она должна быть снабжена рабочим органом, предназначенным для этой цели. Машина должна работать в движении, и следовательно, должен быть двигатель или целая система двигателей в том случае, если машина в соответствии со своей структурой имеет несколько ведущих звеньев. А для того чтобы сам двигатель был приведен в движение, необходимо к нему непрерывно доставлять рабочее «тело», которое он переработает и в результате получит нужное количество энергии. На протяжении веков существования и развития машин неоднократно менялся их двигатель. Сначала это была сила человека и животных, замененная затем водой и ветром. И, что очень важно, в процессе создания и совершенствования машины человек овладевает круговым движением. Но, конечно, переход от вращения рукоятки ворота к водяному колесу не был простым, и лишь гениальный ум какого-то безвестного древнего инженера создал это чудо.
Приведение в движение машин с помощью... живых сил. Даже когда к движущей силе воды присоединилась и движущая сила ветра, все же значительная часть машин приводилась в действие силой человека и животных. Просматривая труды механиков XVI— XVII вв. и даже XVIII в., мы найдем в них много примеров использования живых сил для приведения в действие машин.
Еще в I в. до н. э. было описано водоподъемное колесо, которое приводилось во вращение ногами раба. Спустя полторы тысячи лет появляется описание водоподъемного устройства, служащего для подъема воды из рудников и шахт. Бадья с водой висит на канате, наматывающемся на барабан, который приводится во вращение через зубчатую передачу от другого вала. С последним жестко связано ступальное колесо, которое вращают, толкая его ногами два человека. Интересно, что коленчатый вал впервые появляется в технике как удобное приспособление при использовании людского труда для привода мельницы.
Среди машин эпохи Возрождения есть несколько ступальных колес: среди них такие, которые работник вращает в основном своим весом, и такие, которые вращает сидящий человек мускульной силой своих ног, есть и наклонное ступальное колесо, плоскость круга которого работник отталкивает ногами, держась руками за горизонтальную штангу. Были и некоторые другие варианты применения силы человека для приведения в действие машины. Так, подъемные краны, работавшие в некоторых морских портах, имели в качестве двигателя барабан большого диаметра, внутри которого бегали (как белка в колесе) несколько человек.
Даже в эпоху буржуазных революций и изобретения парового двигателя машины, работавшие в городских цехах, приходилось приводить в движение силой животных или чаще силой человека, что было удобнее. По свидетельству одного из крупнейших деятелей Французской буржуазной революции, прозванного «организатором ее побед», военного специалиста, математика и механика Лазара Карно, в то время был изобретен новый, весьма остроумный способ приложения силы человека к машинам. Крупным преимуществом этого нового способа было то, что человек попеременно действует ногами и руками на большую рукоятку, которая движется вперед и назад, и при этом -сидит, что «весьма облегчает его труд и дает возможность использовать на машину ту силу, которую он затратил бы на поддержание себя в стоячем состоянии».
Таким образом, долгое время сам человек или в лучшем случае животные включались в работу машины. В наиболее тяжелых случаях, в особенности если это разрешало местоположение машины, роль двигателя передавалась потоку воды или ветру. Что касается материалов, из которых строились машины, то основным из них было дерево. Недаром первое из известных определений машины, высказанное Витрувием, характеризует ее как «сочетание соединенных вместе деревянных частей, обладающее огромными силами для передвижения тяжестей». Он добавляет, что «действует она посредством круговращения».
С того времени прошло более чем полтора тысячелетия, а основным материалом для изготовления машин продолжало оставаться дерево. Из дерева делались не только валы, колеса, оси, тяги, но и зубчатые колеса, даже тогда, когда уже была создана теория зубчатого зацепления и было найдено, что для профилирования зубчатых колес лучше всего подходят две кривые — циклоида и эвольвента. Но начали «входить в строй» и металлические детали, в особенности после того, как началась работа над изобретением паровой машины, длившаяся почти целое столетие, а известные и безвестные изобретатели создали первые технологические машины для хлопчатобумажной и шерстяной промышленности.
Начавшаяся техническая революция была непосредственно связана с преобразованием наук. Рядом со становлением математики и механики — двух наук, сыгравших первенствующую роль в научной революции, на протяжении всего века идут поиски таких особенностей, которые роднили бы живой организм с машиной. Естественно, что такое направление в развитии биологии и физиологии в качестве отправной точки имело все ту же механику: быстрый рост знаний в этой науке стимулировал поиски таких явлений в живом мире, которые также можно было бы пояснить с помощью механики.
Как уже говорилось, английский врач Уильям Гарвей, основоположник физиологии и первооткрыватель кровообращения, попытался создать механическое учение о движении крови в организме. Это учение, принятое медиками того времени с большим сопротивлением и не сразу, в сущности, было приложением динамики к физиологии и сразу же натолкнуло ученых на мысль о том, не являются ли животные своего рода машинами. Напомним, что в начале XVII в. динамика еще не только находилась в процессе становления, но гидравлика, т. е. учение о течении воды, была изучена достаточно хорошо, и поэтому установить параллель между сердцем, подающим кровь в сосуды, и насосом, подающим воду в трубу или в русло канала, было нетрудно.
К этому нужно добавить и то, что понятие «машина» не существовало, и бытовало определение, приближавшееся к определению Витрувия. Таким образом, механическое учение о кругообороте крови в организме, позволявшее проводить некоторые численные подсчеты, могло дать механикам материал для размышления: сердце работало, подобно машине, следовательно, оно и было своеобразной машиной.
Вспомним и то, что с другой стороны подошел к изучению человека итальянский механик и врач Джованни Борелли, основоположник нового научного направления—так называемой ятромеханики. Он применил к исследованию человека законы механики. Рассматривая сердце как насос, легкие как пневматическую систему, руки и ноги как рычаги, ученый вычисляет при этом механические возможности организма. В частности, он пытался рассчитать, может ли плавать под водой и в какой степени его физиологические функции соответствуют аналогичным функциям машины.
Более определенно высказался в этом отношении Рене Декарт. Он прямо называл животное машиной, умолчав при этом о человеке: в его время нельзя было не только излагать подобные мысли, но и думать так было опасно. Однако идея подобия человека и машины или животного и машины продолжала развиваться. Некоторые высказывания в этом направлении можно найти, например, у доктора физики Роберта Гука. Известно также, что многие механики старались построить искусственное животное или искусственного человека, который обладал бы некоторыми функциями живого существа. При этом не забывали и о некотором .физиологическом подобии: механическая утка не только клевала зерно, но и имела пищеварительный тракт, через который удалялись «отходы».
