ятия.
Другие механики, жившие в эпоху Возрождения, тоже рисовали машины, но изображали их в собранном виде, не обсуждая при этом назначение и действенность отдельных компонентов прибора. Леонардо же как раз интересовал подетальный анализ переноса движения. Показывая по очереди все подвижные части — храповики, пружины, шестеренки, рычаги, оси и так далее, — он разработал метод, который помогал уразуметь функции всех этих деталей и общие инженерные принципы. Рисунок служил ему инструментом мышления. Он экспериментировал на бумаге и оценивал идеи, придавая им наглядность.
52. Подъемник с видом его отдельных компонентов.
Рассмотрим в качестве примера рисунок с прекрасной штриховкой и отлично переданной перспективой, изображающий подъемный механизм, при помощи которого, раскачивая рычаг, можно крутить зубчатые колеса и постепенно поднимать тяжелый груз (илл. 52). Здесь показано, как простое движение рукояти вверх-вниз преобразуется в непрерывное вращательное движение. В левой части страницы механизм изображен в собранном виде, а справа показаны его отдельные компоненты [361].
53. Спиральный механизм для выравнивания силы пружины.
Цель многих его самых красивых и тщательно выполненных рисунков — проследить за тем, чтобы движение сохраняло постоянную скорость, не замедляясь, когда сдавленная пружина будет медленно распрямляться. Вначале туго сжатая пружина передает механизму огромную силу и заставляет его быстро двигаться, но через некоторое время эта сила ослабевает, и тогда механизм замедляется. Это серьезно осложняет работу многих приборов — особенно часов. Важной задачей, стоявшей перед механиками позднего Возрождения, был поиск способа, который позволял бы равномерно распределять силу распрямляющейся пружины. Леонардо первым изобразил устройство, которое справляется с этой задачей, причем он воспользовался спиралью — формой, которая завораживала его всю жизнь. На одном необычайно изящном рисунке (илл. 53) показан спиралевидный механизм, который выравнивает скорость распрямляющейся бочкообразной пружины и передает постоянную силу колесу, монотонно толкающему рукоять вверх[362]. Этот рисунок — одно из самых великолепных произведений Леонардо. При помощи прямой штриховки, характерной для левши, он подчеркнул форму механизма и передал затенение, а для самого барабана использовал закругленную штриховку. Изобретательность механика соединилась здесь со страстью художника, влюбленного в спирали и завитки.
Главная цель машин — тогда, как и сейчас, — состояла в том, чтобы обуздать энергию и преобразовать ее в движение, подчиненное полезным задачам. Леонардо показывал, например, как можно использовать человеческую энергию, чтобы вертеть мельницу-топчак или крутить коленчатый рычаг, и как затем передать движение шестерням и шкивам, чтобы они выполняли определенную работу. Чтобы показать, из чего складывается человеческая энергия, он разбивал человеческое тело на составные части и демонстрировал, как именно работает каждая мышца, вычислял ее силу и пояснял, как ее можно использовать. В тетради 1490-х годов он вычислял, какой вес сможет поднять человек при помощи бицепсов, ножных, плечевых и других групп мышц[363]. «Наибольшую силу человек приложит, — писал он, — если встанет на весы с одного конца и упрет плечи в какую-нибудь надежную опору. Тогда он поднимет лежащий на другом конце весов груз, равный его собственному весу, и в придачу еще столько же, сколько положит себе на плечи»[364].
Эти занятия помогали ему определить, какие мышцы лучше всего приспособлены для того, чтобы приводить в движение летательный аппарат, управляемый человеком. Но результаты своих вычислений Леонардо применял и для решения других задач, когда речь шла о других источниках энергии. Однажды он составил перечень полезных производств, которые можно было бы обустроить, используя энергию реки Арно: «Лесопильни, шерстомойные машины, бумажные фабрики, молоты для кузниц, мукомольные мельницы, шлифовальни и точильни для ножей, полировальни для оружия, производство пороха, шелкопрядильня, подменяющая труд ста работниц, лентоткацкий станок, вытачивание ваз из яшмы» и многое другое[365].
Одна из практических задач, которыми он занимался, заключалась в использовании машин для забивки свай в берега реки, чтобы регулировать ее течение. Вначале он думал, что падающий молот следует поднимать при помощи блоков и канатов. Потом решил, что лучше поднимать его при помощи веса людей, которые заберутся вверх по лестнице, а потом опустятся в люльке[366]. А еще, размышляя над тем, как использовать силу падающей воды при помощи водяного колеса, он верно понял, что лучше всего привязать к колесу ведра, чтобы вода попадала в них, а затем ведра будут опускаться вниз сами — под действием силы тяжести. Затем он придумал систему храповиков, при помощи которых вода выливалась бы из каждого ведра именно тогда, когда оно опустится донизу. Позже, несколько изменив свой проект, он нарисовал колесо с ведрами в форме искривленных черпаков[367].
54. Машина для шлифования иголок.
Еще Леонардо изобрел машину для шлифования иголок, которая могла бы принести большую пользу текстильной промышленности Италии. Рабочие должны были вращать поворотную платформу, прикрепленную к шлифовальным механизмам и полировальным ремням (илл. 54). Леонардо рассчитывал, что это изобретение озолотит его. «Завтра утром, 2 января 1496 года, велишь сделать широкий ремень и испытание», — записал он в тетради. Он даже прикинул, что сто таких машин будут давать сорок тысяч готовых иголок в час, а каждую тысячу можно продать за 5 сольдо. Путем старательных подсчетов, и с ошибкой на порядок при умножении, он подсчитал, что сможет иметь годовую прибыль в размере 60 тысяч дукатов, что в золотом эквиваленте на 2017 год составляло бы более 8 миллионов долларов. Даже с учетом его ошибки в расчетах, прибыль в шесть тысяч дукатов выглядела весьма привлекательной: имея на руках такой капитал, можно было никогда больше не писать на заказ мадонн и алтарные образа. Но, разумеется, Леонардо так и не довел свой замысел до конца. Ему достаточно было сформулировать идею[368].
Вечное движение
Леонардо пользовался понятием импульса (impeto), имея в виду толчок, получаемый предметом, когда на него действует какая-то сила. «Тело в движении стремится сохранять то направление движения, которое оно получило в начальной точке, — писал он. — Каждое движение стремится сохранять самое себя; или, скорее, каждое тело, пребывающее в движении, продолжает двигаться до тех пор, пока в нем сохраняется влияние той силы, которая привела его в движение»[369]. Догадки Леонардо предвосхищали идеи Ньютона, спустя двести лет сформулировавшего первый закон механики: движущееся тело будет сохранять свое движение, пока другая сила не вынудит его изменить это состояние[370].
Леонардо рассуждал так: если бы можно было устранить все силы, замедляющие движение тела, тело могло бы продолжать двигаться вечно. Поэтому в 1490-х годах он исписал и изрисовал 28 тетрадных страниц, пытаясь понять: возможно ли построить вечный двигатель? Он искал способы помешать ослаблению импульса, размышлял над тем, как система могла бы сама создавать или восполнять импульс. Он придумывал самые разные механизмы: колеса с молотками на шарнирах, которые поворачивались бы, когда их часть колеса будет опускаться; приспособления для подвешивания к колесам грузов, которые заставляли бы эти колеса вращаться; винты, образующие двойную спираль; колеса с изогнутыми отсеками, внутри которых помещались бы шары, скатывающиеся к нижней точке при повороте колеса[371].
55. Проект вечного двигателя с водяным винтом.
Особенно занимала его мысль о том, что вечное движение можно было бы получить при помощи водяных механизмов. В одном из проектов (илл. 55) Леонардо предполагал использовать движение воды, чтобы поворачивать закрученную в спираль трубу, наподобие так называемого архимедова винта, и эта труба поднимала бы воду наверх, а затем вода падала бы и заставляла винт снова вращаться. Леонардо задавался следующим вопросом: сможет ли вода, низвергаясь вниз, поворачивать винт с достаточной силой, так чтобы винт снова мог поднять достаточно воды и чтобы этот процесс продолжался до бесконечности? И хотя механики продолжали биться над хитрой задачей еще три столетия, Леонардо вскоре пришел к точному и верному выводу о том, что это невозможно. «Падающая вода никогда не поднимет из места своего покоя количество воды, равное ей по весу»[372].
Рисунки служили ему наглядными мысленными экспериментами. Излишне было изготавливать и собирать все эти сложные механизмы: достаточно было зарисовать их на бумаге — и Леонардо уже мог представить себе, как именно они должны работать, и рассудить, смогут ли они производить вечное движение. В итоге, проверив множество разных методов и моделей, он заключил, что не смогут. Размышляя об этом, он показал, что есть смысл даже в попытках придумать вечный двигатель: можно убедиться, что есть задачи, не имеющие решения, и полезно понять, почему это так. «К числу неосуществимых устремлений человека относится поиск постоянного движения, которое некоторые зовут вечным колесом, — написал он во введении к своему „Мадридскому кодексу I“. — О искатели вечного движения, сколько лживых химер сотворили вы в этих поисках!»