Важіль, блок, похила площина

Вже в глибокій старовині для підйому ваг людина стала застосовувати прості механізми: важіль, ворот і похилу площину. Пізніше до них додалися ще блок і гвинт. Ці нескладні пристосування дозволяли багаторазово збільшити мускульні зусилля людини і впоратися з такими вагами, які за інших обставин були б зовсім непідйомними. Принцип дії простих механізмів добре відомий. Наприклад, якщо потрібно витягти вантаж на певну висоту, завжди легше скористатися пологим підйомом, ніж крутим. Причому, чим положе ухил, тим легше виконати цю роботу. Цей зв’;язок має чітке математичне вираження. Якщо похила площина має кут d, то утягнути вантаж по ній буде в 1/sin d разів легше, ніж підняти його вертикально. Якщо кут складає 45 градусів, наше зусилля буде в 1, 5 рази менше, якщо 30 градусів - в 2 рази менше, при куті в 5 градусів ми витратимо в 11 раз менше зусиль, а при куті в 1 градус - в 57 разів! Правда, все, що виграється в силі, губиться в відстані, бо у скільки разів зменшується наше зусилля, в стільки ж разів зростає відстань, на яку доведеться тягти вантаж. Однак у тих випадках, коли час і відстань не грають великої ролі, а важлива сама мета - підняти вантаж з найменшим зусиллям, похила площина виявляється незамінним помічником. Іншим простим механізмом - важелем - наші далекі предки постійно користувалися для того, щоб піднімати і зрушувати з місця важкі камені і колоди. Важіль дозволяє досягти багаторазового виграшу в силі самими простими і доступними засобами. Поклавши довгий і міцний жердину на обрубок поліна (опору) і підсунувши другий кінець його під камінь, людина перетворював жердину в найпростіший важіль. У цій ситуації на камінь починали діяти два обертаючих моменту, один від ваги каменю, а другий - від руки людини. Для того щоб камінь зрушив з місця, «підштовхує» момент від м’язової сили людини повинен бути більше «притискає» від ваги каменю. Момент, як відомо, дорівнює добутку прикладеної сили на довжину плеча важеля (в даному випадку плече - це відстань від кінця жердини (точки прикладання сили) до поліна (точки опори)). Легко підрахувати, що якщо плече, на яку тисне людина в 15-20 разів довше того, яке підсунути під камінь, то сила людини відповідно теж зростає в 15-20 разів. Тобто людина, не дуже напружуючись, може зрушити камінь вагою в тонну! Нерухомий блок - третій механізм, що одержав поширення в давнину - являє собою колесо з жолобом, вісь якого жорстко прикріплена до стіни або сволока. Перекинувши через колесо мотузку і прикріпивши її протилежний кінець до вантажу, можна підняти його на висоту кріплення блоку. Нерухомий блок не дає виграшу в силі, але зате надає можливість змінити її напрямок, що найчастіше при підйомі тягарів теж має величезне значення. При всій своїй примітивності прості механізми багаторазово розширювали можливості стародавньої людини. Для того щоб переконатися в цьому, досить згадати про гігантські будівлях древніх єгиптян. Наприклад, піраміда Хеопса мала висоту 146 м. Підраховано, що для її зведення було потрібно 23300000 кам’яних брил, кожна з яких важила в середньому близько 2, 5 тонн. Але і це була не межа - при будівництві храмів єгиптяни транспортували, піднімали і встановлювали колосальні обеліски і статуї, вага яких складала десятки і сотні тонн! Які ж механізми використовували ці древні будівельники для того, щоб піднімати на величезну висоту велетенські брили і статуї? Виявляється, все це можна зробити за допомогою тих же простих пристроїв - блоку, важелів і похилій площині. Колосальні статуї і кам’яні брили перетягували на масивних санчатах, які тягнуло велика кількість людей. Кожен з працювали мав мотузку, перекинутий через плече. Під санчата підкладалися катки, які після протягування вантажу підбиралися і знову підкладали під полози. Для подолання перешкод санчата підводилися за допомогою важелів. В якості них вживали стесалися колоди. Упорами служили спеціально виготовлені клини різного розміру. Робота супроводжувалася музикою. Головним підйомним пристосуванням єгиптян була похила площина - рампа. Остов рампи, тобто її бічні сторони і перегородки, на невеликій відстані один від одного перетинали рампу, будувалися з цегли; порожнечі заповнювалися очеретом і гілками. У міру зростання піраміди рампа надбудовувалася. За цими рампам камені тягли на санчатах таким же чином, як і по землі, допомагаючи собі при цьому важелями. Кут нахилу рампи був дуже незначним - 5 або 6 градусів. Таким чином, наприклад, похила дорога до піраміди Хафра при висоті підйому в 46 метрів мала довжину близько півкілометра. Відповідно для споруди більш високих пірамід доводилося будувати рампу ще довшим. До іншим прийомам вдавалися при підйомі довгих кам’яних брил і статуй. Для цього застосовували блоки. Однак підняти за допомогою блоків величезні камені, якими були обеліски до 300 тонн вагою і гігантські статуї царів, що досягали 1000 тонн ваги, неможливо. Для установки таких статуй і обелісків доводилося проводити значну підготовчу роботу. Як підйомний пристосування тут знову виступала похила площина - рампа. Насамперед по обидві сторони п’єдесталу зводилися кам’яні стіни. До однієї з них пристроювалася похила площина, висотою кілька менше, ніж висота встановлюваного обеліска. Всі чотири стіни рампи утворювали ніби цегляний колодязь. В одній з його стін на рівні землі робився наскрізний коридор. Весь простір всередині засипалося піском. Потім по похилій площині витягали підставою вперед закінчений обеліск. Після цього через коридор в стіні починали виносити пісок, і обеліск під власною вагою починав плавно опускатися на п’єдестал, поступово приймаючи вертикальне положення. Після установки стіна і рампа розбиралися. Широко застосовуючи похилу площину і важіль, стародавні єгиптяни, здається, не замислювалися про закони, які лежать в основі простих механізмів. Принаймні, до нас не дійшло жодного вавілонського або єгипетського тексту з описом їх дії. Цю роботу провели тільки вчені Стародавньої Греції. Класичні розрахунки дії важеля, похилій площині і блоку належать видатному античному механіку Архімеду із Сіракуз. Архімед вивчив механічні властивості рухомого блоку і застосував його на практиці. За свідченням Афінея, «для спуску на воду велетенського корабля, побудованого Сиракузським тираном Гиероном, придумували багато способів, але механік Архімед один зумів зрушити корабель з допомогою небагатьох людей; Архімед влаштував блок і за допомогою нього спустив на воду величезний корабель; він перший придумав пристрій блоку ». З цього свідоцтва видно, що Архімед не тільки вивчив властивості простих механізмів, а й зробив наступний крок - став споруджувати на їх основі більш складні машини, що перетворюють і підсилюють рух. Можливо, що корабель йому вдалося зрушити з допомогою системи рухомих і нерухомих блоків (подібної сучасним талям), використовуючи які можна багаторазово збільшити додається зусилля. Коли на рідне місто Архімеда напали римляни, він застосував свої знання у військовій техніці. За його кресленнями сіракузяни побудували безліч найрізноманітніших бойових машин. Серед них були метальні знаряддя; поворотні крани, скидає на римські кораблі величезні камені; прив’язані до ланцюгів залізні лапи, які захоплювали і перевертали ворожі кораблі.

Гончарний круг, піч для випалювання. Початок кераміки.

Пластичні властивості глини були відомі людині вже в глибоку давнину. Вона легко м’ялася і під умілими руками швидко приймала таку форму, яку було дуже важко або навіть неможливо надати іншим відомим матеріалам. Тоді ж було виявлено, що глиняні вироби після випалу їх у вогні дивним чином змінюють свої властивості - знаходять твердість каменю, водонепроникність і вогнестійкість. Все це зробило глину найбільш зручним сировиною для виготовлення посуду і кухонного начиння. Як і всі ремесла, техніка кераміки пройшла довгий і складний шлях. Тисячоліття пішли на вивчення переваг і недоліків різноманітних глин. З безлічі їх видів стародавні майстри навчилися вибирати ті, які відрізнялися найбільшою пластичністю, пов’язаністю і вологоємністю. У глиняну масу стали домішувати різні добавки, що покращують якість виробів (наприклад, великий чи дрібний пісок). Одночасно древні гончарі освоювали різні способи ліплення. Надати шматку сирої глини форму глечика або хоча б простого горщика було нелегко. Зазвичай гончар, взявши грудочку глини, шляхом видавлювання середній його частині і обережного здавлювання боків виліпив днище. Потім до краю днища майстер починав приліплювати розкатані смужки глини і так поступово отримував стінки. Зрештою виходив грубий посудина, придатний після випалу на багатті до приготування в ньому їжі. Важливим кроком у розвитку гончарного виробництва стало освоєння прийому обертання. У цьому випадку майстер приліплюються до готового днищу шматочок глини і, обертаючи днище лівою рукою, правою обводив шматочком по спіралі, поступово виліплений грані горщика. При цьому способі виріб виходило більш рівним. Пізніше для зручності роботи під заготівлю стали підкладати дерев’яний диск. Потім прийшли до думки, що процес ліплення значно спроститься, якщо змусити цей диск обертатися разом із заготівлею - так був винайдений найпростіший ручний гончарний круг. Він представляв собою диск, поглиблений посередині приблизно на половину своєї товщини. Своїм поглибленням диск насаджувався на який виступав і кілька закруглений кінець дерев’яного стрижня, щільно зміцнюється в землі. Для того щоб стрижень не вештатися і утримував вертикальне положення, між ним і кругом поміщали нерухому дерев'яну дошку з отвором посередині. Виходило добре прілаженние пристрій. Однією рукою майстер приводив коло в плавне рівномірне обертання, а другий починав ліплення. Це нескладне пристосування справила справжній переворот в гончарній справі, піднявши його до рівня мистецтва. Завдяки йому робота помітно прискорилася і покращилася. При обертанні вироби виходили набагато більш щільними і однорідними. Їх форма виходила правильною і витонченою. Новим кроком на шляху вдосконалення гончарного мистецтва став винахід ножного кола, який увійшов до вживання в 2-му тисячолітті до нової ери. Головні його переваги полягали в тому, що він дозволив у кілька разів збільшити швидкість обертання і звільнив майстру для роботи обидві руки. Основні відмінності нового кола були наступні. Веретено (вісь обертання) було видовжене. Обертовий диск був жорстко з’єднаний з ним. Для зміцнення веретена служили дві дошки. Нижня була основою всього пристрою (у ній було вирізано поглиблення, куди вставлявся кінець веретена). Верхня дошка з наскрізним отвором підтримувала веретено у вертикальному положенні. Нарешті, до нижньої частини веретена було жорстко приєднано ножне колесо. Сівши поруч з колом, гончар спирався ногою в нижній коло і приводив його в плавний рух. Завдяки тому, що нижня колесо було важче і більше діаметром, ніж робоче верхнє, воно виконувало роль маховика: зберігало обертання деякий час і після того, як нога з нього була знята. Одночасно з удосконаленням гончарного кола йшло ускладнення техніки випалу глини. В давнину випал проводився прямо на відкритому вогні при температурі в 300-400 градусів. Пізніше його стали виробляти у спеціальних печах. Вже перші примітивні печі дозволяли вдвічі збільшити температуру нагрівання. Частинки глини стали краще сплавлятися один з одним, міцність виробів помітно зростала. На зміну колишнім товстостінним судинах приходять посудини з тонкими як яєчна шкаралупа стінками (до 3 мм). Винахід печей мало величезне значення для історії техніки, так як поклало початок спорудженню високотемпературних пристроїв, які отримали потім поширення і в інших галузях господарства (насамперед, у металургії). Піч робилася наступним чином: з тонких стовбурів робили дерев’яний каркас, який обмазувався товстим шаром глини, тільки місцями залишаючи невеликі отвори. Цей каркас ставили над поглибленням, який представляв собою місце для розпалювання багаття. Від сильного вогню дерев’яні частини згорали, а глина обпікалася і утворювала щільний під з отворами. При випалюванні під і стінки печі розжарювалися до червоного і теж починали випромінювати жар. Завдяки концентрації тепла всередині печі температура в ній могла підніматися до 800 і навіть до 900 градусів.

Бронза

У 3 - му тисячолітті до Н.Е. люди почали широко застосовувати у своїй господарській діяльності метали. Перехід від кам’яних знарядь до металевих мав колосальне значення в історії людства. Мабуть, жодне інше відкриття не привело до таких значних суспільних зрушень. Першим металом, який отримав широке поширення, була мідь. Постійно розшукуючи необхідні їм камені, наші предки, треба думати, вже в давнину звернули увагу на червонувато-зелені або зеленувато-сірі шматки самородної міді. У обривах берегів і скель їм попадалися мідний колчедан, мідний блиск і червона мідна руда (куприт). Спочатку люди використовували їх як звичайні камені й обробляли відповідним способом. Незабаром вони відкрили, що при обробці міді ударами кам’яного молотка її твердість значно зростає і вона робиться придатною для виготовлення інструментів. Таким чином увійшли до вживання прийоми холодної обробки металу або примітивної кування. Потім було зроблено інше важливе відкриття - шматок самородної міді або поверхневої породи, що містила метал, потрапляючи у вогонь багаття, виявляв нові, не властиві каменю особливості: від сильного нагріву метал розплавлявся і, остигаючи, набував нову форму. Якщо форму робили штучно, то виходило необхідне людині виріб. Ця властивість міді древні майстри використовували спочатку для відливання прикрас, а потім і для виробництва мідних знарядь праці. Так зародилася металургія. Плавку сталі здійснювати у спеціальних високотемпературних печах, що представляли собою кілька змінену конструкцію добре відомих людям гончарних печей. Взагалі кажучи, мідь - м’який метал, сильно поступається в твердості каменю. Але мідні інструменти можна було швидко і легко заточувати. За спостереженнями С.А. Семенова, при заміні кам’яної сокири на мідну швидкість рубки збільшувалася приблизно в три рази. Попит на металеві інструменти став швидко рости. Люди почали справжнє полювання за мідною рудою. Виявилося, що вона зустрічається далеко не скрізь. У тих місцях, де виявлялися багаті поклади міді, виникала їх інтенсивна розробка, з’являлося рудне й шахтне справу. Як показують відкриття археологів, вже в давнину процес видобутку руди був поставлений з великим розмахом. Наприклад, поблизу Зальцбурга, де видобуток міді почалася близько 1600 року до н.е., шахти досягали глибини 100 метрів, а загальна довжина відходять від кожної шахти штреків складала декілька кілометрів. Давнім рудокопам доводилося вирішувати всі ті завдання, які стоять і перед сучасними шахтарями: зміцнення склепінь, вентиляція, освітлення, підйом на гора добутої руди. Штольні зміцнювали дерев’яними підпорами. Добуту руду плавили неподалік у невисоких глиняних печах з товстими стінками. Подібні центри металургії існували і в інших місцях. В кінці 3-го тисячоліття до н.е.. древні майстри почали використовувати властивості сплавів, першим з яких стала бронза. На відкриття бронзи людей повинна була наштовхнути випадковість, неминуча при масовому виробництві міді. Деякі сорти мідних руд містять незначну (до 2%) домішка олова. Виплавляючи таку руду, майстри помітили, що мідь, отримана з неї, набагато твердіше звичайної. Олов’яна руда могла потрапити в мідеплавильні печі і з іншої причини. Як би то не було, спостереження за властивостями руд привели до освоєння значення олова, яке і стали додавати до міді, утворюючи штучний сплав бронзу. При нагріванні з оловом мідь плавилася краще і легше піддавалася литві, так як ставала більш текучою. Бронзові інструменти були твердіше мідних, добре і легко заточувалися. Металургія бронзи дозволила в кілька разів підвищити продуктивність праці в усіх галузях людської діяльності. Саме виробництво інструментів набагато спростилося: замість того щоб довгим і наполегливою працею оббивати і шліфувати камінь, люди наповнювали готові форми рідким металом і отримували результати, які і в сні не снилися їх попередникам. Техніка лиття поступово удосконалювалася. Спочатку виливок виробляли у відкритих глиняних або піщаних формах, що представляли собою просто поглиблення. Їх змінили відкриті форми, вирізані з каменю, які можна було використовувати багато разів. Проте великим недоліком відкритих форм було те, що в них виходили тільки плоскі вироби. Для відливання виробів складної форми вони не годилися. Вихід був знайдений, коли винайшли закриті рознімні форми. Перед литтям дві половинки форми міцно з’єднувалися між собою. Потім через отвір заливалася розплавлена ​​бронза. Коли метал остигав і затвердевал, форму розбирали і отримували готовий виріб. Такий спосіб дозволяв відливати вироби складної форми, але він не годився для фігурного лиття. Але і це утруднення було подолано, коли винайшли закриту форму. При цьому способі лиття спочатку ліпилася з воску точна модель майбутнього виробу. Потім її обмазували глиною і обпалювали в печі. Віск плавився і випаровувався, а глина приймала точний зліпок моделі. В утворену таким чином порожнечу заливали бронзу. Коли вона остигала, форму розбивали. Завдяки всім цим операціям майстри отримали можливість відливати навіть пустотілі предмети дуже складної форми. Поступово були відкриті нові технічні прийоми роботи з металами, такі як волочіння, клепка, пайка і зварювання, які доповнювали вже відомі ковку і лиття. З розвитком металургії бронзові вироби всюди стала витісняти кам’яні. Але не потрібно думати, що це сталося дуже швидко. Руди кольорових металів були далеко не скрізь. Причому олово зустрічалося набагато рідше, ніж мідь. Метали доводилося транспортувати на далекі відстані. Вартість металевих інструментів залишалася високою. Все це заважало їх широкому поширенню. Бронза не могла до кінця замінити кам'яні інструменти. Це виявилося під силу тільки залізу.

Залізо

Вільне самородне залізо в земній корі, на відміну від міді, майже не зустрічається. Але воно входить до складу багатьох мінералів і поширено набагато ширше кольорових металів. У давнину його можна було добувати буквально всюди - з озерних, болотистих, лугових та інших руд. Однак, у порівнянні з металургією міді, металургія заліза є досить складним процесом. Залізо плавиться при температурі 1539 градусів. Така висока температура була зовсім недоступна древнім майстрам. Тому залізо увійшло в побут людини значно пізніше міді. Його широке застосування в якості матеріалу для виготовлення зброї та інструментів почалося тільки в 1-му тисячолітті до Н.Е., коли став відомий сиродутний спосіб відновлення заліза (втім, деякі народи навчилися металургії заліза значно раніше; наприклад, племена, що населяли територію сучасної Вірменії , вміли отримувати залізо з руд вже на початку 3-го тисячоліття до Н.Е.). Найбільш поширені залізні руди (магнітний залізняк, червоний залізняк і бурий залізняк) являють собою або з’єднання заліза з киснем (оксид заліза), або гідрат окису заліза. Для того щоб виділити металеве залізо з цих з’єднань, необхідно відновити його - тобто відняти у нього кисень. Зрозуміло, древні майстри не мали поняття про складних хімічних процесах, які відбувалися при відновленні заліза. Однак, спостерігаючи за «плавкою» руди, вони зрештою встановили кілька важливих закономірностей, які й лягли в основу найпростіших методів виробництва заліза. Насамперед, наші пращури помітили, що для отримання заліза зовсім не обов’язково доводити його до температури плавлення. Металеве залізо можна одержувати і при набагато менших температурах, але при цьому має бути більше палива, ніж при виплавці міді, і це паливо має бути кращої якості. Необхідно також, щоб вогонь був якомога більш «гарячим». Все це вимагало особливого пристрою печі та умов плавки. Як правило, приступаючи до «плавці» заліза, майстри спочатку викопували круглу яму, стінки якої зсередини обмазувалися товстим шаром глини. Із зовнішнього боку до цієї ямі підводилося отвір для нагнітання повітря. Потім над округлою нижньою частиною споруджували верхню у вигляді конуса. В якості палива використовувався деревне вугілля. Його засипали в самий низ печі - в яму. Зверху на нього укладали шарами шихту - подрібнену руду і вугілля. На самий верх засипали товстий шар вугілля. Після того як паливо внизу підпалювалося, починався сильний розігрів руди. При цьому йшла хімічна реакція окислення вуглецю (вугілля) і відновлення заліза. У вигляді найдрібніших пелюсток тістоподібне залізо, яке було в три рази важче шлаку, опускалося вниз і осідало в нижній частині печі. У результаті на дні ями збирався ком м’якого зварного заліза - криця, вагою від 1 до 8 кг. Вона складалася з м’якого металу з порожнечами, заповненими твердими шлаками. Коли «плавка» закінчувалася, піч розламували і витягували з неї крицю. Подальша обробка відбувалася в кузні, де крицю знову розігрівали в горні й обробляли ударами молота, щоб видалити шлак. У металургії заліза кування на багато століть зробилася основним видом обробки металу, а ковальська справа стало найважливішою галуззю виробництва. Тільки після кування залізо здобувало задовільні якості. Чисте залізо, втім, неможливо використовувати через його м’якості. Господарське значення мав тільки сплав заліза з вуглецем. Якщо отриманий метал містив від 0, 3 до 1, 7% вуглецю, виходила сталь, тобто залізо, яке придбало нову властивість - здатність до загартування. Для цього виготовлений інструмент нагрівали до червоного, а потім охолоджували у воді. Після гарту він ставав дуже твердим і набував чудові ріжучі якості. При природному припливі повітря температура в печі піднімалася не вище 1000 градусів. Вже в давнину було помічено, що з тієї ж руди можна отримати більше заліза і кращої якості, якщо в піч штучно нагнітати повітря за допомогою міхів. Хутра робилися з шкур, забезпечувалися Дульц і приводилися в рух вручну. За допомогою сопел і хутра в піч нагнітали сирої непідігрітої повітря, звідки і пішла назва всього процесу. Однак і при цьому способі температура могла підніматися тільки до 1200 градусів, і з руди витягалося не більше половини містився в ній заліза. Будучи загальнодоступним і дешевим матеріалом, залізо дуже скоро проникло у всі галузі виробництва, побуту і військової справи і зробило переворот у всіх сферах життя. Залізна сокира і соха із залізним лемешем дозволили освоїти землеробство тим народам, яким до цього воно було абсолютно недоступно. Тільки після поширення заліза землеробство у більшості народів перетворилося на найважливішу галузь виробництва. Залізо дало реміснику інструменти такої твердості і гостроти, яким не могли протистояти ні камінь, ні бронза. Вони стали тією основою, на якій стали бурхливо розвиватися інші ремесла. Ці великі зрушення поклали кінець первісного суспільству. На зміну йому прийшло більш розвинене - класове суспільство.

Млин

Першими інструментами для подрібнення зерна в борошно були кам’яна ступка і товкач. Деяким кроком вперед у порівнянні з ними з’явився метод перетирання зерна замість товчіння. Люди дуже скоро переконалися, що при перетирання борошно виходить набагато краще. Проте це також була вкрай виснажлива робота. Великим удосконаленням став перехід від руху терки вперед і назад до обертання. Маточка змінився плоским каменем, який рухався по плоскому кам’яного страви. Від каменя, який перетирає зерно, було вже легко перейти до жорно, тобто змусити один камінь ковзати при обертанні по іншому. Зерно потроху підсипати в отвір в середині верхнього каменя жорна, потрапляло в простір між верхнім і нижнім каменем і розтирати в борошно. Ця ручний млин отримала саме широке поширення у Стародавній Греції і Римі. Конструкція її дуже проста. Підставою млини служив камінь, опуклий посередині. На його вершині розташовувався залізний штифт. Другий, що обертається камінь мав два дзвіноподібних поглиблення, з’єднаних між собою отвором. Зовні він нагадував пісочний годинник і був усередині порожній. Цей камінь насаджували на підставу. В отвір вставлялася залізна смуга. При обертанні млина зерно, потрапляючи між каменями, перетирають. Борошно збиралися біля основи нижнього каменю. Подібні млини були самих різних розмірів: від маленьких, зразок сучасних кофемолок, до великих, які приводили в обертання два раба або осел. З винаходом ручного млина процес розмелювання зерна полегшився, але як і раніше залишався трудомістким і важким справою. Не випадково, саме в мукомольній справі виникла перша в історії машина, яка працювала без використання м’язової сили людини або тварини. Мова йде про водяному млині. Але спочатку стародавні майстри повинні були винайти водяний двигун. Стародавні водяні машини-двигуни розвинулися, мабуть, з поливальних машин чадуфонов, за допомогою яких піднімали з річки воду для зрошення берегів. Чадуфон представляв собою ряд черпаків, які насаживались на обід великого колеса з горизонтальною віссю. При повороті колеса нижні черпаки занурювалися у воду річки, потім піднімалися до верхньої точки колеса і перекидалися в жолоб. Спочатку такі колеса оберталися вручну, але там, де води мало, а біжить вона по крутому руслу швидко, колесо стали постачати спеціальними лопатками. Під напором течії колесо оберталося й саме черпало воду. Вийшов найпростіший насос-автомат, який не потребує для своєї роботи присутності людини. Винахід водяного колеса мало величезне значення для історії техніки. Вперше людина отримала в своє розпорядження надійний, універсальний і дуже простий у своєму виготовленні двигун. Незабаром стало очевидним, що рух, створюваний водяним колесом, можна використовувати не тільки для качання води, а й для інших потреб, наприклад, для перемелювання зерна. У рівнинних місцевостях швидкість течії річок мала для того, щоб обертати колесо силою удару струменя. Для створення потрібного напору стали запруджують річку, штучно піднімати рівень води і направляти струмінь по жолобу на лопатки колеса. Однак винахід двигуна відразу породило іншу задачу: яким чином передати рух від водяного колеса тому пристрою, яке повинно здійснювати корисну для людини роботу? Для цих цілей був необхідний спеціальний передавальний механізм, який міг би не тільки передавати, а й перетворювати обертальний рух. Вирішуючи цю проблему, стародавні механіки знову звернулися до ідеї колеса. Найпростіша колісна передача працює таким чином. Уявімо собі два колеса з паралельними осями обертання, які щільно стикаються своїми обіддям. Якщо тепер одне з коліс починає обертатися (його називають провідним), то завдяки тертю між обіддям почне обертатися і інше (ведене). Причому шляху, прохідні точками, що лежать на їх ободах, рівні. Це справедливо при всіх діаметрах коліс. Стало бути, більшу колесо буде робити порівняно зі зв’язаним з ним меншим у стільки ж разів менше оборотів, у скільки разів його діаметр перевищує діаметр останнього. Якщо ми розділимо діаметр одного колеса на діаметр іншого, то отримаємо число, яке називається передавальним відношенням даної колісної передачі. Уявімо собі передачу з двох коліс, в якій діаметр одного колеса в два рази більше, ніж діаметр другого. Якщо веденим буде більша колесо, ми можемо за допомогою цієї передачі в два рази збільшити швидкість руху, але при цьому в два рази зменшиться крутний момент. Таке поєднання коліс буде зручно в тому випадку, коли важливо отримати на виході більшу швидкість, ніж на вході. Якщо, навпаки, веденим буде менше колесо, ми втратимо на виході у швидкості, але зате крутний момент цієї передачі збільшиться в два рази. Ця передача зручна там, де потрібна «посилити рух» (наприклад, при підйомі ваг). Таким чином, застосовуючи систему з двох коліс різного діаметру, можна не тільки передавати, а й перетворювати рух. У реальній практиці передавальні колеса з гладким ободом майже не використовуються, так як зчеплення між ними недостатньо жорсткі, і колеса прослизають. Цей недолік можна усунути, якщо замість гладких коліс використовувати зубчасті. Перші колісні зубчасті передачі з’явилися близько двох тисяч років тому, проте широке поширення вони одержали значно пізніше. Справа в тому, що нарізка зубів вимагає великої точності. Для того щоб при рівномірному обертанні одного колеса друге оберталося теж рівномірно, без ривків і зупинок, зубцям необхідно надавати особливого обрис, при якому взаємний рух коліс відбувалося б так, як ніби вони переміщаються один по одному без ковзання, тоді зубці одного колеса будуть потрапляти під западини іншого. Якщо зазор між зубами коліс буде занадто великий, вони стануть заглиблюватися один про одного і швидко обламаються. Якщо ж зазор занадто малий - зуби врізаються один в одного і кришаться. Розрахунок та виготовлення зубчастих передач представляли собою складну задачу для древніх механіків, але вже вони оцінили їх зручність. Адже різні комбінації зубчастих коліс, а також їх з’єднання з деякими іншими передачами давали величезні можливості для перетворення руху. Наприклад, після з’єднання зубчастого колеса з гвинтом, виходила черв’ячна передача, що передає обертання з однієї площини в іншу. Застосовуючи конічні колеса, можна передати обертання під будь-яким кутом до площини ведучого колеса. Поєднавши колесо з зубчастої лінійкою, можна перетворити обертальний рух в поступальний, і навпаки, а приєднавши до колеса шатун, отримують зворотно-поступальний рух. Для розрахунку зубчастих передач зазвичай беруть стосунок не діаметрів коліс, а відношення числа зубів ведучого і веденого коліс. Часто у передачі використовується кілька коліс. У такому випадку передавальне відношення всієї передачі буде дорівнює добутку передавальних відносин окремих пар. Коли всі труднощі, пов’язані з отриманням і перетворенням руху, були благополучно подолані, з’явилася водяний млин. Вперше її детальне пристрій описано давньоримським механіком і архітектором Витрувием. Млин в античну епоху мала три основні складові частини, з’єднані між собою в єдиний пристрій: 1) руховий механізм у вигляді вертикального колеса з лопатками, вращаемого водою; 2) передавальний механізм або трансмісію у вигляді другого вертикального зубчастого колеса; другий зубчасте колесо обертало третє горизонтальне зубчасте колесо - шестерню; 3) виконавчий механізм у вигляді жорен, верхнього і нижнього, причому верхній жорно був насаджений на вертикальний вал шестерні, за допомогою якого і приводився в рух. Зерно сипалося з воронкоподібного ковша над верхнім жорном. Створення водяного млина вважається важливою віхою в історії техніки. Вона стала першою машиною, що отримала застосування у виробництві, свого роду вершиною, яку досягла антична механіка, і вихідною точкою для технічних пошуків механіки Відродження. Її винахід було першим боязким кроком на шляху до машинного виробництва.

2. Вчені та винахідники стародавнього світу

   АВІЦЕННА (Ибн-Сина Абу Али) (біля. 980 - 1037), середньоазіатський учений, філософ, лікар, музикант. Провів узагальнення поглядів і досвіду грецьких, римських, індійських і середньоазіатських лікарів.

ДЕМОКРІТ (бл. 460-370 рр. До н. Е. ), Давньогрецький філософ, один із засновників античної атомістики. Представляв атом неподільним матеріальним елементом .

Евкліда (III в . До н . Е.), Давньогрецький математик. Головна праця - «Начала», що містить основи античної математики, елементарної геометрії, теорії чисел та ін, - Зробив величезний вплив на розвиток математики.

КТЕСІБІЙ (бл. 2-1 в. До н . Е.), Давньогрецький механік, винахідник. Винайшов нагнітальний пожежний насос, водяні поплавкові годинник, водяний орган ( гідравлос ).

93