Вертикальная пила
Этот проект был обнаружен в Атлантическом кодексе, где собраны основные чертежи машин и механизмов Мастера.
Неизвестно, изобрел ли да Винчи эту машину для распилки бревен или только усовершенствовал – аналогичная найдена в бумагах венецианских инженеров. Но, кто знает, может быть, эти изобретения были сделаны параллельно, как это часто случается в истории науки и техники.
Привод у машины гидравлический: вода, поступающая в специальный желоб, вращает большое колесо с черпаками. Вращательное движение передается на приводной вал и далее на механизм пилы, который преобразует движение из вращательного в возвратно-поступательное, заставляя пилу с рамой двигаться вверх-вниз. Одновременно через еще один механизм и систему блоков машина накручивает на один из блоков веревку, которая тянет каретку с бревном. Каретка перемещается на колесах по рельсам, по мере того как бревно распиливается. При этом движение пилы и каретки синхронизовано. Таким образом, перед нами – станок-автомат для распиливания бревен вдоль.
Машина для насечки напильников
Ввек, когда не было ни по-настоящему производительного привода, ни такого термина, как производительность труда, Леонардо пытался конструировать машины-автоматы.
Пример такого автомата – машина для насечки напильников, которая упоминалась в первой главе этого раздела. Сохранился очень качественный и четкий ее рисунок, выполненный да Винчи. Так что реконструкторам почти не пришлось домысливать, как же она работала.
Во времена Леонардо уже существовали механические часы. Считается, что первые такие появились в самом начале второго тысячелетия. А в XIV веке большие города, в том числе Флоренция и Милан, непременно имели свои городские часы. Их создание намного опередило технологии своего времени. Механические часы в средневековой Европе – своего рода вещь из будущего.
Реконструкция машины для насечки напильников
Именно из часовых механизмов Леонардо заимствовал немало элементов. Так, подъем гирь в механизме часов для накопления потенциальной энергии он использовал в машине для насечки напильников. Из часового механизма перекочевал в его станок и анкерный механизм.
Приводилась в действие машина Леонардо, как и большинство механических устройств того времени, мускульной силой человека за счет вращения рукояти. Однако мастеровому совсем необязательно было все время крутить ручку – в начале работы с ее помощью поднимался груз на веревке, перекинутой через блок. Запасенная в грузе потенциальная энергия должна была приводить в действие машину. Чем выше находился блок и чем выше помещался груз, тем дольше могла работать машина, ведь потенциальная энергия напрямую зависит от высоты.
После того как груз поднимался на нужную высоту, машина начинала работать в автоматическом режиме. Груз, опускаясь, тянул за собой намотанную на вал веревку, вал вращался и приводил в движение барабан цевочной передачи, которая так часто встречается в механизмах Леонардо. Маленький барабан с деревянными пальцами приводило в движение большое колесо с колками-зубьями. Для привода молота для насечки напильника использовался анкерный механизм, его колесо крепилось на приводном валу. Вращаясь, большое колесо цевочной передачи приводило в движение винт винтовой передачи. (В некоторых описаниях его почему-то ошибочно называют червячным винтом. Дело в том, что червячная передача – самотормозящая, в движение ее может приводить только червяк, а попытка раскрутить червячную передачу за колесо приведет к ее блокировке.) На горизонтальном винте находилась каретка с закрепленным на ней напильником. При повороте винта каретка перемещалась на определенное расстояние. При этом анкерный механизм, колесо которого приводилось в движение все от того же привода, заставлял тяжелый молот через равные промежутки времени опускаться на напильник и производить насечку. Машина работала таким образом, что после нанесения удара каретка перемещала напильник на небольшое расстояние (на определенный шаг), и каждый новый удар приходился на равном расстоянии от предыдущего.
Подивитесь, будущие студенты машиностроительных вузов, на прапрапрабабушку ваших машин.
Робот-рыцарь
Как известно, термин «робот» ввел чешский писатель Карел Чапек (хотя, справедливости ради, замечу, что придумал слово его брат, художник Йозеф Чапек).
Механический рыцарь. Вариант реконструкции, сделанной Габриэлем Николаи. В свои чертежи Леонардо намеренно добавил «лишние» механизмы, чтобы никто не разобрался в его записях
А робота, похожего на человека и способного двигаться, сконструировал Леонардо. Пока он занимался изучением анатомии, ему пришла в голову мысль создать автомат, похожий на человека. Для чего Леонардо понадобился робот? Есть версия, что Мастер придумал его для очередного праздника. Но, возможно, им попросту завладела сама идея – как часто бывало.
Робот, облаченный в доспехи, мог подражать человеку, двигая руками, поворачивая голову, открывая рот. Чертежи робота – или, скорее, его можно назвать «механическим рыцарем» – были обнаружены в бумагах Леонардо только в 1957 году. Его судьба схожа со многими другими изобретениями да Винчи – на него не обращали внимания, пока человечество не изобретало и заново открывало то, над чем в свое время раздумывал Мастер.
Найденные чертежи свидетельствуют, что все части устройства имели достаточную координацию: их взаимодействие осуществлялось с помощью механического устройства управления. Его можно было переналаживать (перепрограммировать, сказали бы мы). Это устройство находилось в «грудной клетке» робота, а ноги приводились в движение отдельно, посредством внешней рукоятки, натягивающей трос, соединенный с важнейшими звеньями в лодыжке, колене, бедре.
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.
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…