2. Основные этапы истории мировой техники

2.1. Техника от зарождения до начала Нового времени

Человек и техника неразрывны. Они являются взаимообусловленными факторами мироздания. Будет справедливо сказать, что человек создал орудия труда, т. е. технические средства, а они в свою очередь способствовали выделению его из животного мира.

Человек не является единственным существом, пользующимся орудиями, так как представители некоторых видов животных применяют для добывания пищи, устройства жилищ, нападения и обороны различные природные материалы. Шимпанзе иногда даже обрабатывают их и передают эти навыки потомству. Однако у человекообразных обезьян жизнь без применения орудий нисколько бы не изменилась. Человек же без их использования не смог бы выжить, оказавшись беззащитным перед силами природы. Таким образом, главное отличие человека от животных заключается в том, что он сознательно изобретает технические средства для преобразования окружающего мира.

Человек и техника появились одновременно еще в каменном веке (2 млн лет – конец 4-го тысячелетия до н. э.). Первыми орудиями труда, сознательно изготовленными человеком, были ручные рубила. Главным сырьем для их производства служил кремень, обладавший твердостью и способностью раскалываться на мелкие пластины. Каменные рубила долгое время имели универсальное назначение и применялись для приготовления пищи, выделки шкур, копки земли, очистки дерева от коры и т. д. Затем люди научились изготавливать ручные рубила разного типа для выполнения определенного вида работы. В дальнейшем их усовершенствование привело к появлению скребков, резцов, долот, ножей, а позже даже пил и сверл из камня и кости. Прикрепляя первобытные орудия к палкам, человек получил в свое распоряжение топор, молоток, кирку, гарпун, копье. Стали создаваться примитивные инструменты для изготовления средств труда.

Примерно 100 – 150 тыс. лет назад человек научился добывать и использовать огонь. Уже тогда существовали различные способы ис-кусственного получения огня. Самыми распространенными из них были высверливание и высекание. При первом способе в куске древесины продалбливалось тонкое углубление, куда подкладывался мох и вставлялась закругленная палочка, в результате ее быстрого вращения специально высушенный мох загорался. В другом случае огненные искры высекались из кремния на легко воспламеняющийся материал. В усовершенствованном виде данный способ получения огня просуществовал до изобретения спичек.

Использование огня явилось одним из величайших открытий в истории человечества. Искусственно полученный огонь стал эффективным средством борьбы с холодом, тьмой, хищными животными. Теперь во многих случаях противостояния с природой человек стал выходить победителем. Употребление горячей пищи способствовало органической перестройке человеческого организма, активизировало развитие головного мозга. Благодаря свойствам огня сформировались новые сферы трудовой деятельности, резко возросла ее производительность.

В 12 – 7 тысячелетиях до н.э. создаются первые примитивные механизмы. Во многом оставаясь еще детищем природы, человек внимательно наблюдал за ее проявлениями. Он, например, прекрасно знал, что случайно отогнутая ветка стремительно возвращается в свое естественное положение. Это природное свойство деревьев человек использовал при изготовлении различных ловушек на птиц и зверей. В свою очередь, учитывая их принцип действия, первобытный изобретатель создает лук со стрелами. Лук стал самым эффективным механизмом каменного века, действующим на основе накопления энергии потенциальных сил упругости. Это изобретение позволило человеку поражать животных на расстоянии 100 – 150 м, а в отдельных случаях длина полета стрелы достигала 900 м.

Лук стал одним из самых важных технических достижений первобытного общества. Вместе с тем его изобретение имело труднопереоценимые социальные последствия. Применение лука со стрелами многократно сократило время человека на добычу пищи. Если раньше практически вся его жизнь уходила на ведение охоты и приготовление еды, то теперь появилась возможность посвятить себя другим видам деятельности, что впоследствии привело к глубоким изменениям социального характера.

Таким глобальным событием стал переход общества от охоты и собирательства к земледелию и скотоводству. Прежде человеку приходилось отбирать у природы необходимое продовольствие. Теперь он научился заставлять природу снабжать его тем, в чем он нуждался. Однако чтобы развивать земледелие, людям понадобились новые орудия труда. Так были созданы мотыга для рыхления почвы, деревянный или костяной серп с кремневой насадкой для жатвы злаков, цеп для их обмолота, ручной жернов для размельчения зерен.

Употребление в пищу злаков и молочных продуктов требовало специальных способов их приготовления и хранения, в результате чего появилась керамическая посуда. Поначалу плелись из веток корзины разной величины, которые обмазывались глиной. Когда эти сосуды попадали в огонь, плетеная основа сгорала, а глиняные стенки затвердевали настолько, что человек не мог не заметить преимуществ такой посуды. Специально изготовленная керамика на целые тысячелетия стала неотъемлемым атрибутом быта людей.

После изобретения гончарного круга было налажено массовое производство посуды. Впервые это произошло на территории Месопотамии примерно 5,5 тыс. лет назад. Тогда же появилась древнейшая профессия гончара, а производство различных сосудов из глины стало первой механизированной отраслью хозяйства в истории человечества.

Возникновение ткачества также сыграло заметную роль в развитии техники. Для изготовления тканей, заменивших со временем шкуры животных в качестве одежды, понадобилось изобрести прядильную машину и ткацкий станок. Первая из них появилась еще в каменном веке. Она состояла из рогатины, на которой держалась пряжа, а также короткой палки с крючком на одном конце и маховиком из камня на другом. К крючку прикреплялась скрученная пряжа, а маховик обеспечивал ее вращение, посредством которого волокна свивались в прочную нить. В свою очередь первобытный ткацкий станок изготавливался в виде двух брусков, прикрепленных к вбитым в землю колышкам, между которыми натягивались нити основы материи. Человек проталкивал свободную нить попеременно над и под нитями основы и таким образом получал ткань.

Об уровне мастерства пошива одежды в конце каменного века можно судить по мумии мужчины, найденной в 1991 г. в снегах австрийских Альп. Специалистами установлено, что жил он в первой четверти 6-го тысячелетия до н.э. в долине Этцталь. Основой его одежды служил кожаный пояс, к которому крепились чулки и передник из прочной ткани. Этци, как прозвали находку в научном мире, имел также матерчатый зипун и кожаную накидку. Обут он был в меховые чувяки. Каждый из перечисленных предметов был тщательно обработан и крепко сшит.

Кроме этого альпийская находка подтверждает, что человек позднего каменного века хорошо разбирался в древесном материале. Найденные при Этци орудия труда и предметы быта были изготовлены из 17 пород древесины, следовательно, их свойства уже тогда были известны. Еще в большей степени это относится к камню. По подсчетам археологов, в рассматриваемое время человеком использовались более 90 типов каменных орудий и инструментов для их изготовления, причем созданных из разных горных пород. Примечательно, что 7000 лет назад мужчины уже брились с помощью тончайших кремневых лезвий. Данный факт свидетельствует о высокой технологии обработки соответствующего материала на исходе каменного века.

Наряду с камнем древние люди активно использовали кости животных для своих повседневных нужд. 25 тыс. лет назад свойства этого материала были известны уже настолько, что человек научился выпрямлять бивни мамонта, рога и ребра парнокопытных млекопитающих. Об этом свидетельствуют результаты раскопок на окраине г. Владимира, где были найдены два совершенно прямых копья, изготовленных из цельных бивней. По предположению ученых, выпрямление кости осуществлялось путем ее распаривания в кипящем отваре определенных трав.

Владимирская находка не является единственной в своем роде. Недалеко от с. Черноозерье Саргатского района Омской области был обнаружен кинжал, сделанный из ребра быка 14 тыс. лет назад. По его краям находятся пропилы, куда вставлены ножевидные каменные пластины. Система насечек на кинжале складывается в достаточно четкий узор, для нанесения которого необходимо было владеть как минимум десятичным счетом. Данная находка пополнила коллекции Омского государственного историко-краеведческого музея. Экспонат наглядно демонстрирует уровень знаний и технического мастерства людей завершающей стадии каменного века.

Следующим этапом в развитии техники стало овладение человека металлом в качестве основного сырья для производства орудий. Люди, постоянно использующие огонь, не могли не заметить, что прокаливание некоторых горных пород с древесным углем приводило к появлению совершенно нового вещества, способного при охлаждении принимать любые формы. Этим веществом оказалась медь, для получения которой потребовались специальные печи и дутье, осуществляемое поначалу силой легких через особые трубки. Со временем в плавильные печи стали добавлять олово. Так образовался первый в истории техники сплав, получивший название «бронза». Сделанные из него орудия труда и боевое оружие оказались значительно прочнее медных изделий и быстро вытеснили их. Не случайно следующая эпоха человеческой цивилизации стала называться бронзовым веком, продолжавшимся с 4-го по начало 1-го тысячелетия до н.э.

Очевидно, для практического использования бронзы понадобились многие вспомогательные изобретения, а также специалисты, выполняющие необходимые операции. Так появились рудокопы, литейщики, кузнецы, освобожденные обществом от какой-либо другой работы. Эти специальности наряду с профессией гончара стали определяющими в жизни многих племен и народов.

Параллельное развитие металлургии и земледелия привело к изобретению плуга. С его помощью стало возможным не просто взрыхлять, а вспахивать почву, т. е. переворачивать поверхностный слой земли. Это способствовало существенному увеличению объемов сельскохозяйственной продукции. С появлением плуга связано и другое важное изобретение человека, а именно упряжь для животных. Так люди впервые нашли способ использования внечеловеческого источника энергии. Силой вьючных или запряженных в полозья быков и лошадей начали доставляться излишки продовольствия в города и несельскохозяйственные районы. Затем был сделан решающий шаг не только в развитии транспортных средств, но и во всей истории техники. Речь идет об изобретении колеса. По одним данным это произошло в Шумере примерно в 3500 г. до н. э., по другим – на несколько веков раньше в Индии. Однако наиболее широкое распространение колесные повозки получили 5000 лет назад в Западной Азии. Там же впервые была применена боевая колесница.

Изобретение колеса и его использование в гужевом транспорте позволили в гигантских размерах увеличить скорость, объем и дальность перевозок, коренным образом видоизменить военный потенциал многих стран.

Одновременно с применением мускульной силы животных человек стал использовать энергию ветра для парусных судов. В Древнем Египте они появились более 5000 лет назад. К 2500 г. до н. э. египтяне уже свободно плавали в Средиземном и Аравийском морях. Их корабли достигали 35 м в длину, а численность экипажей судов могла составлять 120 чел. О возможностях древнеегипетских мореплавателей свидетельствует эксперимент норвежского ученого и путешественника Тура Хейердала. В конце ХХ в. им была построена лодка «Ра» из стеблей папируса, соответствующая параметрам среднего судна древних египтян. За 54 дня она прошла 2700 миль по Атлантическому океану, в то время как кратчайшее расстояние от Африки до Америки составляет 1600 морских миль. Таким образом, египтяне вполне могли открыть Новый Свет задолго до Колумба.

Итак, плуг, колесо, парус стали поистине революционными открытиями в истории техники бронзового века. Они во многом повлияли на жизнь как современников, так и будущих поколений.

В начале 1-го тысячелетия до н.э. на смену бронзовой эпохе приходит железный век. Научившись выплавлять железо, человек приобрел долговечные орудия труда, резко увеличившие его производительность. Стало возможным использование механизмов, которые не могли состоять из бронзовых деталей по причине их хрупкости. Так появились ручная мельница и водоподъемное колесо. Примерно с 200 г. до н.э. эти механизмы стали приводиться в действие животными, которые ходили по кругу и тем самым вращали вал. В дальнейшем для вращения вала стала применяться энергия воды. Это был очень эффективный способ использования на практике естественных сил природы, но в рассматриваемое время он ограничивался лишь мукомольным делом.

В период железного века достаточно много изобретений появилось в Древней Греции. Среди ученых античности, серьезно занимавшихся механикой, особое место принадлежит Архимеду (287 – 212 гг. до н. э.). Родился он на острове Сицилия в г. Сиракузы. Его отцом был известный астроном и математик Фидий. Архимед являлся также родственником сиракузского царя Гиперона II, который с уважением относился к изобретателям и старался воплотить их проекты в жизнь. Так на практике было использовано устройство Архимеда для подъема воды на более высокий уровень под названием «винтовой насос». Он мог долгое время действовать в воде с большим содержанием ила и в отличие от поршневого насоса не засорялся. Это изобретение впоследствии стали именовать «архимедов винт». Созданные Архимедом различные системы блоков и рычагов успешно использовались в строительном деле.

Наибольшую известность Архимед приобрел во время второй Пунической войны за господство в Средиземном море. Для обороны Сиракуз он сконструировал механизмы такой силы, что атакующие римляне были вынуждены перейти к длительной осаде города. В античную эпоху основным оружием дальнего действия служила машина, напоминающая катапульту. При ее функционировании использовалась сила упругости скрученных веревок. Подобные установки были изобретены в начале IV в. до н.э. После целого ряда доработок они стали метать камни весом до 30 кг на расстояние 180 м. Архимед значительно усовершенствовал конструкцию таких механизмов и создал их новые виды. В результате его метательные машины бросали различные снаряды весом до 200 кг на 500 – 1000 м в длину. Кроме того, защитники Сиракуз благодаря специальным сооружениям Архимеда прямо с береговых стен крепости подцепляли вражеские корабли, поднимали их и топили.

Наряду с этим Архимед был выдающимся теоретиком. Он фактически положил начало теоретической механики. Его научный труд «О рычагах» не потерял своей актуальности в наши дни, а произнесенная им фраза «Дайте мне точку опоры, и я переверну весь мир» стала крылатой. Еще в конце I в. до н. э. римский архитектор Витрувий отнес Архимеда к числу тех немногих гениев, которые с помощью расчетов и знаний тайн природы сумели сделать большие открытия в механике. Не будет ошибкой сказать, что Архимед был первым крупным инженером в истории мировой техники.

Занимались изобретательской деятельностью и другие ученые античных времен. Об этом можно судить по трактатам Герона Александрийского, в которых описывались многие механизмы, бывшие в употреблении в 70 – 20-х гг. до н. э. В частности, он раскрыл принцип действия прибора для опре-деления преодоленных расстояний, портативного насоса, пожарной помпы, приспособления для автоматического регулирования фитиля и уровня масла в лампах. Однако все эти механизмы не имели тогда массового распространения. Из собственных изобретений Герон описал устройство ветряной мельницы, а также простейшей паровой турбины. Правда, последнюю при существовавшем уровне технических знаний нельзя было превратить в двигатель. В свою очередь ветряная мельница вполне могла применяться на практике, но, видимо, такой задачи перед ученым не стояло. При массовом использовании в античных обществах мускульной силы рабов вопрос об облегчении их труда не был принципиальным.

Период средневековья, длившейся с V по первую половину XV в., оказался в целом благоприятным для технического развития, что имеет свое объяснение. В 476 г. н. э. под напором варваров рухнула Римская империя – последний оплот рабовладельческого строя в Западной Европе. Это привело к острой нехватке рабочих рук. В результате использование природных источников энергии стало в высшей степени актуально. На первых порах резко активизируется применение водяного колеса. Появляется новая разновидность мельницы, приводимой в движение силой прилива. В 1086 г. на юге Англии действовали уже почти 6000 водяных мельниц, примерно по одной на каждые 50 хозяйств. В XI – XIV вв. водяное колесо стало применяться в качестве двигателя в суконоваляльных мастерских, токарных и кузнечных цехах, на лесопилках и рудодробилках. В средние века начинается использование энергии ветра для хозяйственных нужд. Поначалу это осуществлялось за пределами Европы. В странах мусульманского Востока ветряные мельницы встречались уже в конце VII в. Побывавшие там европейцы утверждали, что приверженцы Магомета умеют запрягать ветер. В Европе ветряные мельницы появились лишь к концу XII в., но в дальнейшем они использовались значительно активнее, чем на Востоке.

Революционным событием в развитии средневековой металлургии стало изобретение доменной печи. До середины XIV в. выплавленное в горне обычной печи железо тщательно проковывалось и шло в дело. Таким способом удавалось получить продукцию довольно высокого качества. Однако данный процесс имел существенные недостатки. Во-первых, извлечение железа из руды составляло менее 50 %, во-вторых, производительность плавильных печей была крайне низкой, в-третьих, полученный металл содержал различные примеси и шлаковые включения и поэтому был не пригоден для литья.

В доменную печь закладывались руда и уголь с высоким содержанием углерода. Данная смесь интенсивно продувалась снизу воздухом. В результате, с одной стороны, заметно понижалась температура в домне и поэтому железная руда восстанавливалась раньше, чем образовывался шлак, а с другой стороны, под воздействием дутья происходило постепенное выгорание углерода. Добываемый из доменной печи металл получил название «чугун». Он делился на две категории: литейный, т. е. предназначенный для литья, и передельный для дальнейшей переплавки его в сталь. В XV в. высота доменной печи достигала 4,5 м, а ее внутренний диаметр составлял 1,8 м. Если из одного горна обычной плавильной печи в сутки получали 8 кг металла, то доменная печь за это время способна была выдать до 1,6 т продукции.

Доменную печь можно назвать самым эффективным техническим сооружением средневековья, в то время как самым сложным механизмом данной эпохи были часы. Сначала равномерность их хода обеспечивалась тяжелыми гирями, поэтому неудивительно, что первые часы предназначались для зданий. Простейшие башенные часы с одной стрелкой появились в Милане еще в 1335 г. Затем уже двухстрелочные часы стали предметом гордости средневековых городов. К концу 1450 г. были созданы пружинные часы, которые со временем становятся переносными. Эти наработки в XVII в. позволили голландскому ученому Христиану Гюйгенсу сконструировать прототип современных механических часов, однако имена его пред-шественников так и остались неизвестными.

Крупнейшим изобретением средневекового времени явилось книгопечатание, которое, естественно, не могло существовать без производства бумаги. И то и другое впервые появились в Китае. В этой стране уже в VI в. стали печатать отдельные тексты с деревянных форм. Примерно в 1045 г. Би-Шэном был изобретен подвижный шрифт, набираемый из керамических литер. Позднее их стали изготавливать из бронзы. С XI в. бумага получает распространение в Европе, а с конца XIV в. здесь уже начинают пользоваться металлическими литерами для набора текстов, как это делалось в Китае. Однако революционный переворот в деле книгопечатания был все же совершен европейцами. Он связан с созданием в 40-х гг. XV в. печатного станка. Данное изобретение принадлежит немцу Иоганну Гуттенбергу. Печатный станок представлял собой ручной пресс с двумя горизонтальными плоскостями, на одной из них устанавливалась матрица наборного шрифта, а к другой прижималась бумага. Предварительно буквы набранного текста покрывались смесью сажи и льняного масла. Затем обе плоскости соединялись и получалась печатная продукция. Такой станок давал до 100 отпечатков текста в час. К 1500 г. печатный станок использовался уже в 12 странах Европы. За 60 лет его применения было издано свыше 30 тыс. названий книг, тираж каждой из них составлял не менее 300 экземпляров.

Достижения в сферах промышленности и культуры периода позднего средневековья, а также изобретения компаса и микроскопа подготовили почву для триумфа естествознания в эпоху Возрождения (вторая половина XV – начало XVI в.). Вместе с тем широкое распространение приобретали и технические знания. Стали создаваться научно-технические общества. Одно из них функционировало при Академии тайн природы в Неаполе. В его задачи входили систематизация конструкций машин, внедрение их в производство, поощрение изобретательства. В самом начале эпохи Возрождения началась публикация работ по прикладной механике, машиностроению, промышленному производству. Самым заметным из них был труд немецкого ученого Георга Агриколы «О горном деле и металлургии», состоящий из 12 томов. Это произведение, издававшееся в 1550-х гг., в течение 200 лет являлось основным руководством по развитию горной промышленности в Европе и за ее пределами.

Гениальным ученым-изобретателем эпохи Возрождения был Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.). Он являлся незаконнорожденным сыном нотариуса. Когда Леонардо исполнилось 15 лет, отец устроил его учеником в одну из художественных мастерских. Со временем Леонардо становится известным живописцем в Италии, но не меньшее значение он придавал изобретательству. В 1482 г. он поступает на службу к миланскому герцогу Моро. В предвари-тельном письме к нему Леонардо перечислил свои инженерные способности, о которых мало кто знал. В частности, он утверждал, что способен изготовить легкие и прочные переносные мосты, знает способы прокапывать тайные ходы, в том числе под реками, может сделать закрытые и совершенно неуязвимые повозки с артиллерийскими орудиями, а также огнеметы, стрелометы и катапульты, знает способы разрушения любой цитадели и уничтожения кораблей в море.

Этот список не был пустой похвальбой или плодом фантазии, о чем свидетельствуют рукописи Леонардо да Винчи, превышающие 5000 страниц. Значительная часть его изобретений и усовершенствований могла быть реализованной на практике того времени. Однако из-за недостатка специалистов и материалов, а также по инертности властей этого сделано не было. Речь в данном случае идет о таких инженерных разработках, как центробежный насос, гидравлический пресс, прибор для шлифования стекла, станок для выделки сукна, машины для изготовления напильников и игл. Многие изобретения Леонардо были внедрены в более позднее время. Это относится к некоторым текстильным и землеройным машинам, устройству для регулирования работы насосов, пистолету с колесным затвором, названному впоследствии мушкетом, а также к роликовым подшипникам, о которых автор говорил как о «чуде механики». Не исключено, что им были сконструированы также прокатный стан и огнестрельное нарезное оружие.

Как известно, Леонардо да Винчи занимался изобретением летательных аппаратов (включая вертолет), парашюта, подводной лодки. Все это не было простым полетом фантазии, хотя ученый осознавал невозможность реализации данных проектов в обозримом будущем. Более того, соединение теории с практикой он считал необходимым условием инженерной деятельности. По его убеждению, увлекающийся наукой без практики подобен кормчему, ступа-ющему на корабль без руля и компаса, ибо не знает, куда плывет. Вполне очевидно, Леонардо опередил свое время как минимум на 50 и как максимум  на 500 лет, в зависимости от конкретного изобретения. Его труды стали публиковаться и пропагандироваться только во второй половине XIX в., поэтому многое из созданного им пришлось изобретать заново.

Об инженерных проектах Леонардо да Винчи, внедренных при его жизни, известно очень мало. В частности, можно утверждать, что в 1495 г. он разработал принципиально новую систему шлюза, почти не отличающуюся от современной. Через два года она уже действовала на Миланском канале. Однако даже не реализованные изобретения Леонардо ярко характеризовали творческий дух инженерной мысли эпохи Возрождения.