X веке. Леонардо же в своих записях изучает отдельные базовые механизмы – колесо, червяк, пружину… Он написал «Трактат об элементах машин». К сожалению, эта часть его рукописей потеряна.
В тех бумагах, что сохранились до нашего времени, содержится порядка пятнадцати тысяч зарисовок различных машин и механизмов. Разумеется, в этой книге будут представлены далеко не все гениальные идеи Мастера. Леонардо оставил нам множество загадок на страницах своих записных книжек. Во-первых, нет никаких указаний, что именно Мастер заимствовал, а что придумал сам. Поэтому каждый раз ученым при анализе его записей приходится решать, какой же элемент новизны он внес в ту или иную машину или в тот или иной механизм. Во-вторых, многие его проекты дошли в виде быстрых на бросков, и реконструкторы вынуждены домысливать, как же должна была действовать та или иная модель. К тому же зачастую схемы не содержат никаких подсказок. Так, например, понадобилась работа целого коллектива, чтобы «разгадать» и построить модель «автомобиля» Леонардо, который на самом-то деле не является автомобилем. Есть десятки, сотни людей, буквально «заболевших» механизмами Леонардо. Они строят машины по его чертежам, раз за разом пытаются отправить в полет очередной орнитоптер. В Винчи, Риме и Милане есть музеи изобретений Леонардо, выставки с его работами путешествуют по миру … И, когда кажется, что все загадки вроде бы решены, Леонардо, улыбнувшись загадочной улыбкой, непременно подкинет какую-нибудь новую…
Иногда представляется, что Мастер изобрел практически все значимые машины нашего времени. Все, кроме велосипеда. Посему какой-то неизвестный хранитель рукописей, быть может раздосадованный подобным упущением, нарисовал на обратной стороне одного из листов Атлантического кодекса Леонардо велосипед. Рисунок этот обнаружили во время реставрационных работ в 1974 году.
Это явная подделка: рисунок сделан графитным карандашом, который был изобретен уже после смерти Мастера. К тому же изображена почти точная копия современного велосипеда, что, сами понимаете, несколько странно. Да и выполнен он не в манере Леонардо – не его рука.
Но кто знает – быть может, настоящий велосипед Мастера остался где-то в уничтоженных рукописях: ведь до нас дошло меньше половины его архива.
Во всяком случае, цепную передачу Леонардо изобрел…
Почему нам так интересен Леонардо-изобретатель? Да потому, что все его инженерные изобретения в принципе несложно понять (если, конечно, у вас есть хороший качественный рисунок с реконструкцией). К примеру, как работает система блоков, знает каждый школьник. С одной стороны, мы поражаемся сложности устройств, с другой – конструкторские решения Леонардо базируются на знаниях современной средней школы. Мы знаем, что Леонардо гений, но легко разгадываем тайны его машин (после небольших подсказок, но что с того?). Та к что получается, мы беседуем с гением на равных, на одном языке.
Леонардо да Винчи. Страница из рукописи Леонардо с изображением различных машин
Кое-что о механизмах, которые использовал Мастер
В зарисовках Леонардо часто встречаются зубчатые передачи – но большинство из них не похожи на современные. Обычно это колесо с торчащими по окружности колками (пальцами), оно соединяется с колесом в виде двух дисков, между которыми закреплены по окружности цилиндрические стержни. Эти стержни называются цевками, а такая передача – цевочной. Эти передачи передают небольшие усилия. Применяются они и сейчас. Такое колесо с цевками похоже на круглую решетчатую клетку. Цевочная передача может передавать движение как между параллельными валами, так и между расположенными перпендикулярно. В машинах Леонардо цевочная передача зачастую заменяла современную коническую. Сохранился рисунок Леонардо, где он изобразил зацепление зубьев двух зубчатых колес. В чем сложность создания зубчатого колеса? В работе должна быть всегда только одна пара зубьев, при входе и выходе колес из зацепления их не должно клинить, необходимо точно выдерживать шаг между зубьями. Первые зубчатые передачи делались треугольными со скругленными краями. Зубья на передаче нарезались вручную по шаблонам, каждый мастер эмпирическим методом находил оптимальную форму зубьев колеса (как это делал Леонардо на своем рисунке). И только Леонард Эйлер в XVIII веке разработал эвольвентный профиль передач[47].
Леонардо использовал также червячную передачу – например, для изменения угла поворота бомбарды. Опять же его колесо в червячной передаче деревянное с колками-пальцами.
Леонардо да Винчи. Рисунок зубчатой передачи. Обратите внимание на форму зубьев в зацеплении. По форме они отличаются от современных
Леонардо да Винчи. Установка для проведения испытаний махового крыла
Лист рукописи Леонардо. Рисунки машин и механизмов
Цепная передача. Manuscript-de-madrid
Современный вид червячной передачи
Валы червячной передачи перекрещиваются. Червяк – винт со специальной резьбой. У червячной передачи большое передаточное число, и к тому же передача обладает свойством самоторможения (то есть не работает в обратную сторону от колеса к червяку).
Леонардо использует ручной привод, поэтому в его механизмах нужны большие передаточные числа для получения большого усилия. Однако, выигрывая в силе, такие механизмы тут же проигрывают в расстоянии, а значит, и в скорости перемещения.
Также да Винчи использовал винтовую передачу для перемещения каретки (в машине по насечке напильников, например), анкерный механизм – также в машине по насечке напильников и в других машинах. В его рисунках встречается чертеж цепной передачи (не применявшейся прежде).
Одной из проблем для механиков эпохи Ренессанса было осуществление передачи движения с одного уровня на другой. Сейчас для этого разработаны стандартные схемы при конструировании машин. А тогда подобная проблема могла озадачить инженера. Однако Леонардо легко справлялся с этим. В его конструкциях зачастую движение передается валами, на которых сидят зубчатые колеса или колеса цевочных передач, по нескольку раз.
Летательные аппараты. Грезы о полете. Орнитоптеры и самолет
Идея создать машину, которая поможет человеку подняться в воздух, буквально преследовала Леонардо всю жизнь. Много часов он наблюдал за полетом птиц, изучал их анатомию. Как механик Мастер пытался придумать механизм, которым человек должен был управлять с помощью рук и ног, приводя в движения машущие крылья. Большинство летательных механизмов Мастера – орнитоптеры, то есть машины, которые помог ли бы человеку уподобиться птице. Предполагалось, что человек поднимется в воздух, взмахивая крыльями, как большой орел.
Леонардо да Винчи. Рисунок вертикального орнитоптера. Перо, чернила. Здесь человек сидит в машине и приводит в движение педали. Механизм помещался внутри кожуха в форме шара. Это скорее фантазии на тему полета, нежели реальный чертеж машины
Леонардо построил испытательный стенд с крылом, пытаясь выяснить, как же поднять человека в воздух. Воссозданные по чертежам Леонардо модели орнитоптеров не могут летать – но они в малейших деталях воспроизводят движения птичьих крыльев.
Механизмы, в которых человек приводит крылья движениями рук и ног, можно встретить в записях Леонардо в различных вариантах. Иногда это одна пара крыльев, иногда две. Один из проектов – рисунок летательного аппарата, в котором человек должен был лежать, продев ноги в устройства, напоминающие стремена, – одна нога поднимает крыло, другая опускает. Проще сказать: человек лежа крутит педали, а привод с помощью тросов и рычагов заставляет двигаться крылья. Это похоже на воздушный корабль, сев на который, человек станет грести по воздуху, как по воде.
У да Винчи есть еще один вариант орнитоптера – когда две пары крыльев приводятся в движение как руками, так и ногами. При этом человек поднимает крылья руками с помощью барабана, а опускает ногами. Человек опять же находится в аппарате лежа. Но Леонардо довольно скоро понял, что человеку попросту не хватит силы мышц, чтобы привести в движение крылья со скоростью, достаточной, чтобы поднять его в воздух. В самом деле, парадокс заключается в том, что довольно простые расчеты показывают: размахивать такими крыльями может только тяжеловес, но при этом его усилий хватит лишь на то, чтобы поднять в воздух щуплого парнишку. То есть, если бы один человек мог махать за другого, то человек давно бы летал, как птица. Но физику не обманешь, в отличие от учителя физики, когда ученик выдает списанное решение за свое.
Придя к столь неутешительным выводам (имеется в виду – нехватка мускульной силы), Мастер стал искать механизмы, способные помочь в этом человеку. На одном из рисунков появился механизм, в котором используются пружины. Сама схема, придуманная Леонардо, с точки зрения механики, была оригинальной, но опять же не имела практического воплощения.
В конце концов Леонардо отказался от идеи машущего крыла и стал думать о крыле планирующем. На одной странице с его записями изображен планирующий лист и рядом – изображение неподвижного крыла. Так в его фантазиях явился механизм, напоминающий современный дельтаплан. Для того чтобы управлять планером, использовался механизм балансировки и подвижное крыло. Сохранился рисунок, на котором человек расположен в подвеске, чем-то напоминающей нынешнюю подвеску дельтаплана. Правда, пилот изображен вертикально. Мастер исследовал равновесие планера – тот должен быть построен из бамбука и с оттяжками из сырого шелка или из кожи. Человек располагался намного ниже этой плоскости, что позволяло уравновесить конструкцию.
Реконструкция орнитоптера Леонардо, получившего наименование «Большая птица». Википедия. В данной конструкции Леонардо тщательно сымитировал движения птичьих крыльев
Уже в наше время в Великобритании из материалов времен Леонардо построили «дельтаплан» по его чертежам, и аппарат с успехом прошел испытания на меловых утесах Англии.