Механический барабан
Леонардо разработал несколько конструкций механических барабанов. Они мог ли использоваться как для праздников, так и во время боевых действий.
Как вариант, рассматривался механический барабан на колесах, его можно было устанавливать на повозке. Человек толкал повозку, та ехала, и одновременно приводилось в действие механическое устройство: приходило в движение большое колесо цевочной передачи машины, помещенное в центре. Деревянные пальцы торчали с двух сторон и заставляли вращаться соединенные с ними барабаны – сразу две штуки. На одном валу с этими барабанами находились валки с колышками. Колышки надавливали на барабанные палочки и заставляли их ударять в определенном ритме по барабану с двух сторон.
Особенность механизма – возможность менять ритм барабана с помощью перестановок колышков в отверстиях валков.
Механический вертел
Диапазон машин и механизмов, которые разрабатывает Леонардо, необыкновенно велик. Он конструирует огромные краны, военные машины и одновременно – устройства для автоматизации работы и станки. Не чуждается он придумывать и механизмы, которые облегчат труд людей на кухне.
В архивах Мастера сохранился рисунок механического вертела, который постоянно поворачивался над огнем, и мясо не подгорало. Леонардо поместил в дымоходе на вертикальном валу пропеллер. Горячий воздух, идущий вверх из печи, заставлял пропеллер вращаться. Движение с вертикального вала пропеллера с помощью цевочной передачи передавалось на горизонтальный вал и с него через ременную передачу – на сам вертел. Чем сильнее разогревалась печь, тем сильнее становился поток горячего воздуха и тем быстрее вращался вертел, предотвращая мясо от подгорания.
Перед нами машина с системой обратной связи.
Сам Мастер считал свое изобретение уникальным и зашифровал подписи к чертежу.
Токарный станок
Токарный станок того времени выглядел довольно примитивно. Основание «станка» – деревянная скамейка вместо современной станины. На этой скамейке-станине находилось две бабки, соединенные бруском, служившим опорой для резца. Передняя бабка станка служила для поддержания деталей и передачи движения, задняя – только для того, чтобы поддерживать деталь. Наличие бруска избавляло токаря от необходимости держать резец на весу. Однако резец все равно приходилось держать в руках – таких механизмов, как суппорт, в котором закрепляют резцы в современных токарно-винторезных станках, в то время еще не было. Детали станка изготовлялись из дерева. Над станком свешивалась укрепленная на столбе гибкая жердь, к ее концу прикреплялась веревка. Веревка обвивалась вокруг вала, спускалась вниз и привязывалась к деревянной педали. Нажимая на педаль, токарь приводил во вращение деталь. Когда токарь отпускал педаль, гибкая жердь тянула веревку назад. При этом заготовка вращалась в обратную сторону, так что токарю приходилось попеременно то прижимать, то отодвигать резец. Леонардо решил применить в станке маховое колесо, создающее инерционность движения заготовки, зажатой в центрах, то есть попросту обеспечивающее равномерное вращение заготовки, что очень важно для обработки деталей. К слову, резцы того времени (речь идет об обработке дерева) почти не отличались от современных собратьев.
У Леонардо есть еще одна конструкция станка – небольшой токарный станок опять же с маховиком, где движение от педали передается через кривошип на коленчатый вал.
Для создания новых механизмов требовалась нарезка винтовой резьбы – помните, такие механизмы не раз встречаются в машинах Леонардо. Наружную резьбу на винте в то время выпиливали с помощью напильника. А как выпиливать – намечали с помощью бумажной ленты, которую оборачивали вокруг заготовки. Леонардо рассчитал шаг резьбы как четвертую часть от диаметра стержня и предложил нарезать резьбу на токарном станке. Именно для этого он и занялся созданием механизма, который бы мог обеспечить равномерное вращение заготовке.
Еще одно нововведение да Винчи – плавающая винторезная оправка.
К сожалению, полностью станок Леонардо так и не был построен.
Подъемник
Вообще, в записях Леонардо немало рисунков с изображениями кранов и подъемников. Их можно было бы выделить в особую главу, особенно для поклонников подъемно-транспортных машин.
В двухколесном подъемном механизме, который сконструировал Леонардо, движение вертикального рабочего рычага, который перемещается взад-вперед, при помощи колес с пальцами-зубьями и цевочного зацепления преобразуется в движение для равномерного подъема груза. Особенность этого рисунка в том, что механизм изображен как в собранном, так и в разобранном виде. При этом чертеж-рисунок выполнен столь тщательно, что для изготовления по нему деталей не хватает только размеров. При этом две детали представлены в увеличенном виде – так делается и теперь для показа узлов, которые на общем сборочном чертеже выглядят слишком мелко или не видны вовсе.
Машина приводилась в действие движением рычага, который человек двигал вправо-влево. На первый взгляд казалось, будто машина состоит из двух деревянных колес и вала между ними, на который наматывается веревка с поднимаемым грузом. Однако внутри деревянных колес был сконструирован механизм, с помощью которого при каждом движении рычага – как вправо, так и влево – одно из колес поворачивалось, заставляя вращаться цевочный барабан в одну и ту же сторону и, вращая вал, поднимать груз. Достигалось это за счет того, что внутри колес расположен храповой механизм – универсальный механизм для лебедок и домкратов.
С помощью храпового механизма возвратно-поступательное движение (движение рукояти туда-сюда) преобразовывается в прерывистое движение в одном направлении. Храповой механизм состоит из зубчатого колеса с несимметричными зубьями, имеющими упор с одной стороны, и собачки (упора). Собачка не дает колесу вращаться в обратную сторону. К храповому колесу собачка прижимается с помощью пружины.
Можно сказать, что столь красиво и вдохновенно на своем рисунке Леонардо изобразил предка современных лебедок и домкратов.
Вентилятор
Да Винчи придумал вентилятор, то есть устройство, которое сжимает воздух и гонит его по трубам. Его можно применять для вентиляции комнат или разжигания печей.
Учитывая, что в жаркой Италии в то время женщины ходили в тяжелых платьях до полу, а мужчины носили длинные одеяния из сукна, наличие вентилятора в комнатах во время многочасовых празднеств было совсем нелишним.
Вентилятор Леонардо – это цилиндрический барабан, покрытый снаружи лопастями, в движение его приводит либо вода, либо ручной привод, внутри барабан разделен на четыре секции с открытыми створками между ними (для выпуска наружу сжатого воздуха). Определенное количество воды циркулирует внутри, перетекая из одной секции в другую по мере вращения барабана, сжимая воздух и проталкивая его наружу по трубе, расположенной в середине.
Печатный станок
Разумеется, все вы знаете, что печатный станок изобрел Иоганн Гуттенберг. В пятнадцатом веке многие города обзаводятся своими печатными дворами. Появились печатни и во Флоренции – как раз во времена Леонардо, около 1470 года.
Но да Винчи не мог пройти мимо такой замечательной машины, как печатный станок. И уж если он обратил на нее внимание, то непременно по своему обыкновению усовершенствовал. Леонардо добавил в станок механизм автоматической подачи бумаги.
Итак, посмотрим, как работает станок.
Пресс приводится в действие с помощью рычага, который вращает червячный винт. Пресс движется вниз, к листу бумаги, а наверху от того же привода вращается большое зубчатое колесо, которое приводит в движение вертикально расположенный барабан цевочного зацепления. Барабан цевочного зацепления вращает вал с блоком, на который наматывается веревка. С помощью этой веревки каретка (ее направляющие расположены под наклоном) подтягивается вместе с листом под пресс. Механизм рассчитан таким образом, что, когда пресс находится в нескольких сантиметрах над листом, каретка останавливается. После получения оттиска пресс поднимался наверх, а каретка скользила назад под действием силы тяжести вместе с готовым листом. Обычно операция выполнялась вручную, требуя больших затрат времени и энергии. К тому же человеку приходилось доставать готовый оттиск из-под пресса, что всегда угрожает безопасности. В станке Леонардо снимать и закладывать бумагу очень удобно.
Машина для шлифовки зеркал
В 1468 году мастерской Андреа Вероккио заказали для завершения проекта архитектора Брунеллески исполнить золоченый шар с крестом, который должны были установить на вершине купола Санта-Мария-дель-Фьоре. Диаметр медного шара был около двух метров, весила конструкция более двух тонн. Инженерная задача не из легких – сначала надо было сварить сферу, потом поднять ее над куполом и припаять. Когда сфера была готова (а на ее изготовление ушло несколько лет), ее подняли на купол с помощью подъемного крана и в течение трех дней приваривали при помощи вогнутых зеркал. Это был первый сложный проект, в котором участвовал Леонардо.
Машина для шлифовки зеркал
В 1468 году мастерской Андреа Вероккио заказали для завершения проекта архитектора Брунеллески исполнить золоченый шар с крестом, который должны были установить на вершине купола Санта-Мария-дель-Фьоре. Диаметр медного шара был около двух метров, весила конструкция более двух тонн. Инженерная задача не из легких – сначала надо было сварить сферу, потом поднять ее над куполом и припаять. Когда сфера была готова (а на ее изготовление ушло несколько лет), ее подняли на купол с помощью подъемного крана и в течение трех дней приваривали при помощи вогнутых зеркал. Это был первый сложный проект, в котором участвовал Леонардо.
В его записях, относящихся к тому времени, сохранился проект машины для шлифовки зеркал. Машина, чертеж которой сохранился в бумагах Леонардо, довольно проста по своей конструкции. Однако и здесь Леонардо применяет свой любимый принцип – один привод для нескольких механизмов, которые работают взаимосвязано.
В машине Леонардо человек вращает ручку и приводит в движение большой шлифовальный камень. Чтобы привести камень в движение, придется попотеть – во время шлифовки возникает солидная сила трения. При этом с помощью знакомой нам цевочной передачи через зубчатое колесо и два дисковых барабана с пальцами вращалась деревянная форма, в которой был установлен шлифуемый камень для параболического зеркала. Таким образом, по мере вращения абразивного колеса поворачивалась форма, и камень постепенно обрабатывался. Такая работа была очень долгой. Порой процесс продолжался несколько дней.
В мастерской Вероккио Леонардо научился живописи и конструированию машин, ваянию и методам отливки. Многое, что привлекло его внимание в юные годы, занимало его потом до конца жизни. Как будто зерна, брошенные в годы его юности во Флоренции, прорастали потом годы и годы в его душе…
Множество изобретений, машин и механизмов, даже просто перечислить которые невозможно…
В записях Леонардо есть чертеж поршня в цилиндре – возможно, он первым его изобрел. Он придумал ружье, стреляющее с помощью пара, механизм для забивки свай, прибор для измерения скорости ветра, разводной ключ, гидравлическую турбину, редуктор, раздвижную лестницу, механизм для выгрузки рыбы из рыбачьих шаланд (не построен до сих пор)…
Вот некоторые из них…
Цепная передача
На рисунке да Винчи сохранилось подробное изображение цепи, которую используют в современных цепных передачах, в том числе в велосипедах. Неизвестно, где планировал Леонардо применить этот механизм, на практике такая передача была использована впервые в 1832 году.
Шарикоподшипник
У механизмов во времена Леонардо зачастую возникали две проблемы. Первая – это проблема прочности: дерево – не сталь, а почти все машины да Винчи изготавливались из дерева. Вторая проблема: как справиться с силой трения. Попробуйте прокатиться на санках с деревянными полозьями, а затем – на санках с металлическими (алюминиевыми или стальными), и вы сразу заметите, что санки с металлическими полозьями (или обитыми металлом) едут быстрее. Все дело в том, что сила трения, которая препятствует движению, зависит от материала. И у стали коэффициент трения скольжения гораздо ниже, нежели у дерева. Эту информацию вы можете найти в любом учебнике или в Интернете. А во времена Леонардо мало кто исследовал подобные проблемы. Изучая этот вопрос, да Винчи делает очередное открытие – у разных тел разное трение. Он замечает также, что сила трения меняется от угла наклона поверхности, по которой перемещается груз. Сейчас в каждом учебнике по физике (в том разделе, что относится к механике) можно найти картинку с изображением груза на наклонной плоскости и распределение сил в зависимости от угла наклона. Но во времена Леонардо не преподавали физику в школе.
Леонардо да Винчи. Рисунок шарикоподшипника
Разумеется, вы знаете, что тащить волоком груз гораздо труднее, чем катить. Это потому, что коэффициент трения качения меньше коэффициента трения скольжения (чтобы понять, почему так происходит, надо рассмотреть суть происходящих процессов). Так, для дерева по дереву – это разница в десять раз. А вот современный шарикоподшипник даст выигрыш уже в тысячу раз. Но знать это далеко не значит – придумать, как справиться с проблемой.
А вот Леонардо придумал, что делать: он изобрел шарикоподшипник. Благодаря такому изобретению он легко мог поворачивать огромный груз на большой платформе. Скорее всего, этот механизм понадобился ему для поворота механизмов сцены на очередном празднике.
Будильник
Леонардо не любил долго спать. По его мнению, сон – это младший брат смерти. Чтобы просыпаться в назначенное время, он придумал оригинальный будильник: струя воды медленно течет из верхнего сосуда в нижний. Когда нижний сосуд наполняется, то сдвигает рычаг, который подбрасывает ноги спящего человека вверх. После чего тот поднимается и приступает к своим занятиям.
Дрель с двумя рукоятями
Достаточно простое, но оригинальное изобретение. Дрель может сверлить дерево и бурить землю. Ра ботала она следующим образом: при вращении верхнего рычага сверло погружалось в землю, а при вращении нижнего поднималось, не вращаясь, и поднимало грунт на поверхность.
Совместная печать рисунка и изображения[54]
Поразительно, как Леонардо в любой области, какой он начинал интересоваться, тут же придумывал нечто новое. В его времена печатные листы текста набирались отдельно и от дельно печатались иллюстрации-гравюры. В 1505 году да Винчи придумал способ, благодаря которому можно соединить на одном листе и рисунок, и текст. Однако изобретение не было внедрено. Только в конце XVIII века (то есть почти триста лет спустя) поэт, английский художник и гравер Уильям Блейк придумал, как внедрить подобный метод печати.
И конечно же, вечный двигатель
Средневековая наука годами искала конструкцию вечного двигателя.
Мечта получать больше, нежели затратил, заставляла ученых долгое время проектировать машины, которые, как они надеялись, могли бы совершать работу, не получая при этом энергию извне.[55]
Пробовал создать нечто подобное и Леонардо. В его записях сохранилось несколько схем, с помощью которых да Винчи пытался реализовать схему вечного движения. Как и любая другая конструкция вечного двигателя, схемы Леонардо тоже не могут работать. Даже его гению неподвластно создать то, что противоречит законам физики.
В итоге Мастер осознал, что создание вечного движения невозможно. Рано или поздно потери из-за трения заставят любой механизм остановиться, если он будет работать без дополнительной энергии извне.
«Я понял, что одна из самых бессмысленных и неосуществимых иллюзий человечества – это поиск непрерывного движения, которое кое-кто называет вечным колесом», – написал Леонардо.
Увы, еще много лет после него люди тратили время и силы на создание того, чего в принципе быть не может.
Заключение
По меркам пятнадцатого века, Леонардо прожил долгую жизнь, но отпущенного срока ему не хватило, чтобы составить из своих записей полноценные научные книги и издать их. Модель для его самой знаменитой скульптуры погибла, а лучшая фреска находится в плачевном состоянии. И все же он был и остается величайшим гением человечества. Потому что, обращаясь к его творчеству, глядя на его картины или рассматривая рисунки его изобретений, мы не можем не ощущать всего величия, всей грандиозности его личности, его удивительной жажды знаний, его неистребимого желания докопаться до истины, и создавать, и творить, и познавать…
Приложения
Посмертная история трудов Леонардо
Согласно завещанию Леонардо да Винчи все бумаги, книги и инструменты достались его ученику Франческо Мельци. Почти сорок лет Леонардо заносил в свои записные книжки схемы и рисунки изобретений, расчеты, научные гипотезы. Рисунки сопровождали все его записи. После смерти Мастера его архив составлял около 13 000 страниц (из них сохранилась примерно половина).
Мельци перевез архив из Амбуаза, где скончался Леонардо, в небольшой городок близ Милана под названием Ваприо. Здесь у его семьи было поместье, и здесь Франческо прожил долгие годы до самой смерти. Он прекрасно понимал, что Учитель оставил ему великое сокровище, но совершенно не представлял, что с этим сокровищем делать. Мельци был обычным человеком и, к сожалению, не смог разобрать и систематизировать архив. Через тридцать лет после смерти Леонардо, в 1566 году, Джорджо Вазари, занятый написанием огромного труда «Жизнеописания наиболее знаменитых живописцев, ваятелей и зодчих», посетил Ломбардию и побывал в гостях у Франческо Мельци. Престарелый ученик Леонардо с охотой продемонстрировал гостю свои сокровища. Вазари смог лишь полюбоваться на удивительные рукописи великого Мастера, еще раз восхититься Леонардо как рисовальщиком. Кстати, Вазари в своей книге сообщает, что обладает рисунком Леонардо, сделанным серебряным карандашом. Из всех обширных текстов Мельци составил «Трактат о живописи» – сам, будучи живописцем и учеником Леонардо, сумел выбрать из загадочной тайнописи наиболее понятные ему куски. Мельци, разумеется, знал тайну почерка Леонардо. О том, что Леонардо писал справа налево зеркальным почерком упоминает и Вазари. При этом он сообщает, что записи Леонардо напоминают каракули. Однако Мельци не сумел издать составленного им трактата – было сделано лишь несколько рукописных копий. В печать «Трактат о живописи» попал через 80 лет после смерти Мельци сильно искаженным и сокращенным, его напечатали в Париже с иллюстрациями Никола Пуссена.