Если бы паровоз или автомобиль поехал по палубе корабля, мы заметили бы, что корабль отходит назад. Этим законом равенства действия и противодействия можно воспользоваться для устройства весьма остроумного приспособления. Представим себе, что паровоз перевернулся вверх колесами, но его машина работает и колеса вращаются в воздухе. Если положить теперь на колеса рельсы, то не паровоз будет двигаться по рельсам, а рельсы по колесам. В самом деле, опрокинутый паровоз можно сдвинуть с места, только приложив огромную силу, так как он прочно удерживается на месте силой трения о землю. Силы трения рельсов о колеса для этого недостаточно. Но равная ей, только направленная в обратную сторону, сила сможет толкать сравнительно легкий рельс. Как ни фантастичен подобный пример, все же каждый рельс при своем появлении на свет передвигается этим способом на рельсопрокатном заводе. Есть, правда, одно несущественное отличие: «колеса», по которым двигается рельс, имеют широкие ободья. Вернее, это — хорошо знакомые нам катки. Однако это не свободные катки, а закрепленные на осях валы, вращающиеся от электромоторов. Целый ряд таких валов поставлен на прокатном стане, превращающем стальную болванку в рельс. Выйдя из-под стана, раскаленная стальная лента рельса попадает на эти вращающиеся валы, автоматически передвигающие ее к пиле, которая разрезает эту ленту на части. Отрезанные куски передвигаются дальше к печам. На таких же валах подается к прокатному стану и та болванка, из которой прокатывается рельс. Подобное же устройство может быть применено и для передвижения сыпучих тел. В этом случае валы покрываются кольцевой лентой прорезиненной материи. Она идет поверх валов, загибается на последнем вниз, идет внизу до первого вала, где вновь загибается вверх. Если валы не вращаются, то и лента находится в покое; как только валы начинают вращаться, лента начинает двигаться в сторону вращения, причем с той же скоростью, что и точки, лежащие на поверхности валов (в том случае, если не будет проскальзывания ленты по валам). Тогда на ленту можно набрасывать песок, зерно, класть кирпичи и т. п. Можно установить оси всех валов в горизонтальной плоскости. В этом случае перемещение ленты тоже будет происходить горизонтально, мы будем иметь «транспортер» (конвейер). Если же полотно будет двигаться наклонно, то и лежащий на нем груз будет подниматься. Устройство будет действовать как подъемник. Можно заставить двигаться по валам ленту не из ткани, а металлическую, составленную из звеньев. На ней устраивают ступени. В этом случае подъемник превращается в самодвижущуюся лестницу — «эскалатор». Что произойдет, если мы затормозим нижнюю сторону бесконечной ленты «транспортера», например при-ведя ее в соприкосновение с землей? Очевидно, валы смогут при этом вращаться, не проскальзывая, только при условии, если их оси станут катиться вперед. С осями, конечно, будут передвигаться и их подшипники и все сооружение, с которым эти подшипники связаны, т. е. транспортер превратится в так называемый «гусеничный ход». Для того чтобы полностью избежать проскальзывания бесконечной ленты, несколько валов (колес) изготовляются зубчатыми, а на внутренней стороне ленты делаются шипы, за которые и задевают зубцы ведущих колес (рис. 6).
Рис. 6. Гусеничный ход трактора.
Гусеничный ход очень удобен в тех случаях, когда приходится перемещаться по плохим дорогам или вовсе без дорог. Дело в том, что колесо соприкасается с дорогой только на малой площади и потому, если нагрузка на него значительна, прорезает почву. Гусеница же ложится на почву почти половиной своей длины, кроме того ее ширина больше, чем ширина обода колеса. Поэтому нагрузка, приходящаяся на единицу поверхности соприкосновения, т. е. давление на почву, много меньше: гусеничный трактор может идти по вспаханному полю и даже по моховому болоту.
II. Колесо и развитие машин
Мы рассмотрели колесо как средство передвижения. Но у него имеется еще много других различных применений. Наиболее древними машинами, в которых было использовано колесо, несомненно являются гончарный станок, мельница и прялка.
Найденные при раскопках древних городов черепки, а иногда и хорошо сохранившиеся глиняные сосуды в возрасте 3000–3500 лет имеют правильную форму круга. Это с несомненностью свидетельствует о том, что они изготовлены на гончарном станке.
Гончарный круг в простейшем виде — не что иное как колесо, насаженное на вертикальную ось. Таким мы его видим на древних изображениях (рис. 7).
Рис. 7. Древнегреческое изображение гончара с гончарным кругом.
Позже было произведено некоторое его усложнение: на вертикальной оси установили два колеса; на верхнее кладется кусок глины, из которой вырабатывается сосуд, тогда как нижнее, обычно большое колесо, служит для вращения всего стана ногами гончара, оно же сообщает стану и равномерность хода (рис. 8).
Рис. 8. Гончарный круг.
Мы видим, что за три с лишним тысячи лет гончарный круг по существу почти не изменился. Первый рисунок — грубое изображение неумелого художника того времени, а второй — современный чертеж. Однако сам станок и способ работы на нем в основном остались прежними.
Другое применение колеса можно видеть на примере жернова. Первобытные земледельцы либо вовсе не дробили зерна, либо разбивали (толкли) его камнями. Позднее они растирали его одним камнем на другом большом плоском камне («терка»). Это была крайне утомительная работа. Сохранилось изображение женщины, растирающей «теркой» зерно (рис. 9).
Рис. 9. Древнеегипетское изображение девушки, растирающей зерно ручной «теркой».
Многие племена Африки и до сих пор пользуются этим первобытным способом. Большим усовершенствованием явилась замена движений «терки» вперед и назад вращательным движением. Оба камня стали делать одинаковыми — в виде горизонтально расположенных колес. Нижнее колесо оставалось неподвижным, а верхнее вращалось. Зерно понемногу подсыпалось в отверстие в середине верхнего камня — жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнями и растиралось.
Третьим примером применения колеса в простейших машинах является прялка. Простейшее веретено, иногда с грузилом внизу, вращали пальцами и пряли на нем сначала шерсть, а потом и растительные волокна. Позднее веретено стали вращать с помощью колеса, перекинув через веретено и обод колеса бесконечный шнурок (рис. 10).
Рис. 10. Прялка по рисунку XV века.
В таком устройстве было осуществлено изменение числа оборотов при вращении: при сравнительно медленном вращении приводного колеса веретено вращалось быстро. Второе важное изобретение, усовершенствовавшее самопрялку, — это топчан (механизм, позволяющий превращать качательное движение доски во вращательное движение колеса) (рис. 11).
Рис. 11. Ножная самопрялка.
Приведем еще рисунок стенной росписи, обнаруженный в одном из разрушенных зданий древнеримского города Помпеи[1] (рис. 12).
Рис. 12. Древнеримское изображение «бегунов».
На нем изображен пресс для выжимания винограда и «бегуны» для выдавливания оливкового масла. «Бегуны» (пара катающихся жерновов с общей горизонтальной осью) и сейчас имеют почти такой же вид. Они применяются, например, в современных машинах для размола массы в бумажном производстве.
Огромную роль издавна играет колесо в машинах-двигателях. Древнейшие машины-двигатели, например, использовали напор воды и развились, повидимому, из поливных машин — «чадуфов», при помощи которых воду из реки поднимали для орошения берегов. Ряд черпаков насаживался по ободу большого колеса с горизонтальной осью, нижние черпаки погружались в воду реки, при повороте колеса они поднимались к верхней точке колеса и опоражнивались в желоб.
На рис. 13 изображено водяное колесо, применявшееся в Осетии.
Рис. 13. Водяное колесо в Осетии (начало XX в.).
Первоначально оно вращалось вручную. Но там, где воды мало, а бежит она по крутому руслу быстро, водяные колеса стали приспосабливать для работы с помощью напора воды. Очевидно, что такие колеса можно приспособить и для других надобностей, например для размола хлеба. Их ось может быть и горизонтальной и вертикальной.
В равнинных местностях реки и речки полноводны, но скорость их течения мала для того, чтобы вращать колесо силою удара струи, поэтому приходилось запруживать реку, поднимая уровень воды, и направлять струю по желобу в ковши колеса. Под действием тяжести воды колесо поворачивалось и ковш опоражнивался внизу. Такие водяные мельницы появились всего лишь две тысячи лет тому назад.
Шло время, и наряду с водяными стали строить ветряные мельницы (рис. 14).
Рис. 14. Ветряная мельница.
Однако произошло это совсем «недавно», каких-нибудь девятьсот лет тому назад. У тибетских жрецов имелись уже и раньше маленькие ветряные мельницы, однако назначение их было весьма своеобразное: они вращали маленькие барабанчики, на которых были написаны молитвы.
Голландцы с давних времен использовали ветряные двигатели для полезной работы. Испытывая недостаток в земле, они огораживали валами неглубокие участки моря и при помощи насосов, приводимых в движение ветром, откачивали соленую воду моря и излишнюю влагу, которая не могла сама стекать в море, так как уровень почвы был ниже уровня моря. В 1836 г. для этой цели в Голландии служили уже 12000 ветряных двигателей.
Ветряные мельницы имеют одно неоспоримое преимущество перед водяными: их можно строить везде, тогда как водяные устанавливают только там, где есть текучая вода. Зато у ветряных мельниц имеются крупные недостатки: их работа зависит от ветра, от его силы. Временами подолгу бывает безветрие, тогда поневоле такие мельницы бездействуют. Однако иногда они оказывают совершенно неоценимую услугу. На высоких горах, куда затруднена доставка горючего для моторов, в настоящее время применяются ветряки для вращения динамомашин, снабжающих электрическим током высокогорные обсерватории (рис. 15).