55. Проект вечного двигателя с водяным винтом.
Особенно занимала его мысль о том, что вечное движение можно было бы получить при помощи водяных механизмов. В одном из проектов (илл. 55) Леонардо предполагал использовать движение воды, чтобы поворачивать закрученную в спираль трубу, наподобие так называемого архимедова винта, и эта труба поднимала бы воду наверх, а затем вода падала бы и заставляла винт снова вращаться. Леонардо задавался следующим вопросом: сможет ли вода, низвергаясь вниз, поворачивать винт с достаточной силой, так чтобы винт снова мог поднять достаточно воды и чтобы этот процесс продолжался до бесконечности? И хотя механики продолжали биться над хитрой задачей еще три столетия, Леонардо вскоре пришел к точному и верному выводу о том, что это невозможно. «Падающая вода никогда не поднимет из места своего покоя количество воды, равное ей по весу»
[372].
Рисунки служили ему наглядными мысленными экспериментами. Излишне было изготавливать и собирать все эти сложные механизмы: достаточно было зарисовать их на бумаге — и Леонардо уже мог представить себе, как именно они должны работать, и рассудить, смогут ли они производить вечное движение. В итоге, проверив множество разных методов и моделей, он заключил, что не смогут. Размышляя об этом, он показал, что есть смысл даже в попытках придумать вечный двигатель: можно убедиться, что есть задачи, не имеющие решения, и полезно понять, почему это так. «К числу неосуществимых устремлений человека относится поиск постоянного движения, которое некоторые зовут вечным колесом, — написал он во введении к своему „Мадридскому кодексу I“. — О искатели вечного движения, сколько лживых химер сотворили вы в этих поисках!»
[373]
Трение
Леонардо понял: постоянному движению мешает неизбежная потеря импульса в движущейся системе, когда та соприкасается с окружающим миром. Трение приводит к потере энергии и не позволяет движению длиться бесконечно. О том, что вода и воздух оказывают телам сопротивление, он хорошо знал, потому что изучал полет птиц и движения рыб.
Так он подошел к систематическому изучению трения, что привело к нескольким ярким догадкам. Поставив ряд опытов с тяжелыми грузами, двигавшимися по наклонной плоскости, Леонардо обнаружил взаимосвязь между тремя определяющими факторами трения: весом предмета, гладкостью или шероховатостью поверхности и крутизной наклона. Он одним из первых вычислил, что величина силы трения не зависит от площади поверхности соприкосновения тела с плоскостью. «Трение, производимое телами одинакового веса, будет встречать равное сопротивление в начале своего движения, даже если будет соприкасаться с плоскостью частями разной ширины и длины», — писал он. Эти законы трения, и в особенности представление о том, что величина силы трения не зависит от площади поверхности соприкосновения, были важными открытиями, но Леонардо не стал их публиковать. Их пришлось заново открывать почти двести лет спустя французскому физику, изобретателю и механику Гийому Амонтону
[374].
Затем Леонардо провел ряд других опытов, чтобы установить количественные закономерности. Давая предмету скатываться по наклонной плоскости, он создал прибор — известный сейчас как трибометр, — который заново изобретут лишь в XVIII веке. Пользуясь этим прибором, он нашел величину, которую сегодня мы называем коэффициентом трения, то есть отношение силы, способной сдвинуть тело вдоль поверхности, к силе, которая прижимает тело к поверхности. Леонардо подсчитал, что для деревянного бруска, скользящего по другому деревянному бруску, это отношение равняется 0,25, — и этот результат близок к правильному.
Он выяснил, что если смазать наклонную плоскость, то трение уменьшается, а потому он стал одним из первых в мире инженеров, которые обязательно смазывали маслом трущиеся элементы своих механических приборов. А еще он придумал, как можно использовать шарикоподшипники и роликовые подшипники, хотя широкое применение эти устройства получили лишь в конце XIX века
[375].
56. Винтовой домкрат с шарикоподшипниками.
В «Мадридском кодексе I», который состоит по большей части из проектов разных усовершенствованных механизмов, есть рисунок нового вида винтового домкрата (илл. 56) — одного из тех устройств, в которых большой винт поворачивается и толкает вверх тяжелый предмет. В XV веке они использовались очень широко. Одним из их недостатков является сильное трение, возникающее при толкании тяжелого груза. Леонардо (возможно, первым) предложил такое решение этой проблемы: между плоским диском и шестерней нужно поместить несколько шарикоподшипников. Эту деталь он показал крупнее слева от основного рисунка, посередине листа, а у левого края листа дал более понятное схематичное изображение. «Если груз с плоской поверхностью движется по сходной поверхности, то его движение можно облегчить, поместив между двумя поверхностями шарики или цилиндры, — написал он в пояснительном тексте. — Если шарики или цилиндры будут касаться друг друга во время движения, они будут затруднять движение, потому что когда они соприкасаются, трение вызывает движение в противоположную сторону, и два этих движения мешают друг другу. Но если оставить между шариками или цилиндрами зазоры… то желаемое движение будет облегчено»
[376]. Затем Леонардо, оставаясь верным себе, выполнил на множестве страниц зарисовки мысленных экспериментов, в ходе которых варьировал размер и расположение шарикоподшипников. Три шарика лучше, чем четыре, определил он, так как три точки задают плоскость, а значит, три шарика всегда будут соприкасаться с плоской поверхностью, тогда как четвертый шарик может выбиваться из общего строя.
А еще Леонардо первым записал рецепт лучшей смеси металлов для получения сплава, уменьшающего трение. Нужно взять «три части меди и семь частей олова и сплавить их». Похожий сплав он использовал для изготовления зеркал. «Формула Леонардо дает прекрасно работающий антифрикционный состав», — написал Ладислао Рети — историк техники, который сыграл важную роль в обнаружении и публикации «Мадридских кодексов» в 1965 году. Леонардо и здесь опередил свое время на три столетия. Создание первого антифрикционного сплава обычно приписывают американскому изобретателю Айзеку Бэббитту, который запатентовал в 1839 году сплав, содержавший медь, олово и сурьму
[377].
