Клинья – это двойные наклонные поверхности, распространяющие большие боковые силы на малые расстояния. Их использовали повсеместно для раскалывания камней, когда куски дерева вбивали в трещины и затем смачивали, или как режущие поверхности тесаков и секир. Винты, впервые примененные в прессах для давки оливок и винограда в античной Греции, – циркулярные наклонные поверхности, обернутые вокруг цилиндра. Как отмечалось в предыдущей главе, винты также использовались для подъема воды на небольшую высоту. Их значительный выигрыш в силе означает, что работники способны обеспечить высокое давление при минимальном усилии. Во многих вариантах винты (производимые сейчас массово и обычно затягиваемые поворотом по часовой стрелке) используются в качестве постоянных креплений.
Простой шкив или блок, состоящий из колеса с желобчатым ободом, на который намотана веревка или канат, был изобретен в VIII веке до н. э. и значительно облегчил обращение с грузами. Он перенаправляет силу, но при этом не обеспечивает выигрыша в ней, и его использование может привести к случайному падению груза. Храповик и защелка помогли решить последнюю проблему, а применение нескольких блоков дало шанс справиться с первым недостатком, поскольку сила, требующаяся для подъема объекта, почти в точности обратно пропорциональна количеству блоков (рис. 4.3). Mechanica, труд, приписанный Аристотелю, но сочиненный не им (Winter 2007), показывает ясное понимание выигрыша в силе при использовании такого устройства.
Рисунок 4.3. Силы равновесия в блоках определяются числом тросов. Нет никакого выигрыша в силе в случае А. В случае В вес 3 распределен на два параллельных троса, и поэтому на свободный конец необходимо поместить только Р/2, чтобы восстановить равновесие, в случае С Р/6, и так далее. Работник; перемещающий строительные материалы с помощью ступенчатого шкива, похожего на архимедов (D), может поднять (игнорируя трение) камень в 200 кг с силой в 25 кг, но подъем на 10 метров потребует вытянуть 80 метров троса. Храповик и защелку можно использовать, чтобы не тянуть непрерывно
Китайцы в древности настолько часто пользовались блоками, что даже дворцовые представления не обходились без них, и однажды целый кордебалет из 220 девушек в лодках был вытянут по склону из озера (Needham 1965). Но определенно самым известным античным свидетельством эффективности ступенчатого шкива стала демонстрация Архимеда перед царем Гиероном, отраженная в «Жизнеописаниях» Плутарха. Когда Архимед «заявил, что если бы существовал другой мир и он мог попасть туда, то мог бы подвинуть этот», Гиерон попросил его продемонстрировать должным образом это утверждение.
«Архимед остановился на трехмачтовом торговом корабле из царского флота, который вытащили на берег благодаря усилиям многих людей, и после того, как корабль взял на борт множество пассажиров и обычный груз, Архимед расположился на расстоянии от него и без каких-либо усилий, но простым движением руки привел в движение ступенчатый шкив, и корабль двинулся к нему быстро и ровно, как если бы шел по воде» (Plutarch 1961, iv: 78–79).
Три класса механических устройств – лебедки и капстаны, ступальные колеса и зубчатые передачи – стали наиболее важными элементами приложения человеческой силы, необходимыми для подъема, дробления, разбивания и трамбования (Ramelli 1976 [1588]). Лебедки обычно использовали не только для подъема воды и строительных материалов (с помощью кранов), но также для того, чтобы заряжать самое разрушительное стационарное оружие древности, большие катапульты, которые применяли при осаде городов и крепостей (Soedel and Foley 1979). При использовании горизонтальных лебедок, на которые для удобства хватки ставили четыре рукоятки (рис. 4.4., слева) и вертикальных капстанов (рис. 4.5), энергия вращательного движения передавалась с помощью веревок или цепей. Коленчатые рычаги, впервые появившиеся в Китае во II веке н. э., а в Европе на несколько столетий позже (рис. 4.4., справа), еще больше облегчили эту задачу, за исключением того, что скорость ручного (или ножного) привода должна была соответствовать скорости приводимой в движение машины (часто – токарного станка).
Рисунок 4.4. Шахтеры использовали как горизонтальные лебедки (слева), так и коленчатые рычаги (справа), чтобы откачивать воду из шахты. Тяжелое деревянное колесо, иногда с кусками свинца на спицах, помогало трансформировать импульс и облегчало задачу. Воспроизведено из Agricola «De re metallica» (1912 [1556])
Рисунок 4.5. Восемь человек вращают большой вертикальный капстан на французской мануфактуре середины XVIII века. На капстан накручивается веревка, прикрепленная к пинцету, а тот протаскивает золотой провод через волочильную машину. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)
Это ограничение было преодолено только с помощью коленчатого рычага, способного двигать большое деревянное или железное колесо (барабанное колесо), которое независимым образом монтировалось на тяжелом валу, а его движение уже передавалось на станок с помощью ремня. Это позволило применять различные скорости вращения, а импульс большого колеса помогал держать темп, даже когда случались флюктуации в приложении мускульной энергии. Данная средневековая инновация сделала возможной аккуратную обработку деревянных и металлических деталей, которые использовались для создания большого числа точных механизмов, от часов до первых паровых двигателей, но она не устранила потребности в тяжелой работе при резке металла (рис. 4.6). Работники Джорджа Стефенсона, который применял барабанное колесо, чтобы изготовить детали первого парового локомотива, должны были отдыхать каждые пять минут (Burstall 1968).
Рисунок 4.6. Барабанное колесо, приводимое в движение рычагом, использовалось для металлообрабатывающего станка. Меньшее колесо применяли для работы с большими диаметрами, и наоборот. На заднем плане мужчина работает на деревообрабатывающем станке с ножным приводом. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)
Использование сильнейших мышц человеческого тела (спины и ног) на ступальных колесах позволяло добиться большей мощности, чем на устройствах с ручным приводом. Крупнейшие ступальные колеса (их тоже иногда называли барабанными колесами) были двойными, и их ободы, соединенные обшивкой, создавали поверхность, на которую и вступали люди. Барельеф из римской гробницы Хатери (100 год н. э.) – самое раннее из дошедших до нашего времени изображений ступального колеса (по-гречески polyspaston). Римские колеса могли поднимать до 6 тонн; такие большие машины стали обычным зрелищем в Европе Средневековья и начала Нового времени там, где велось крупное строительство, а также в доках или на шахтах, где их применяли для откачивания воды (рис. 4.7).
