Первые шаги человечества по пути создания машин

Формирование учения о механике и механизмах

Общественное разделение труда, натуральный обмен и войны приводят к возникновению частной собственности. Развивается и совершенствуется обработка металлов. Появляются новые и усовершенствуются уже применяемые машины и механизмы. Общество развивается достаточно интенсивно, появляется потребность обобщения всех достижений. Требуется описание и создание учений. Выделяются первые ученые. Наиболее яркими являются:

Древнегреческий математик и механик Архимед, который объяснил принцип действия «простых машин», начиная с наиболее элементарной - рычага. Именно Архимеду приписывают знаменитое высказывание: «Дайте мне точку опоры, и я поверну землю»[5-с.201]. Существует мнение, что изобретение зубчатого колеса также принадлежит ему. Сохранился его огромный вклад в математику, механику, физику.

Ктесибий (II-I вв. до нашей эры) изобрел счетчик оборотов, явившийся прообразом современного спидометра; водяные часы и поршневой насос, подъемную машину на сжатом воздухе - прообраз компрессора.[12]

Герон Александрийский (I в. до нашей эры) изобрел реактивную турбину. Он написал несколько трудов, в которых обобщил опыт создания машин и механизмов.[9]

Римский инженер и архитектор Марк Витрувий Поллион (конец I в. до нашей эры) написал руководство «Десять книг об архитектуре», которым в последствии пользовались полторы тысячи лет. Очень много информации в этом труде посвящено машинам, описан опыт, накопленный в Греции и других странах по проектированию машин.

Одним из изобретателей механических часов считают бенедиктинского монаха Герберта из Орильяка.

Начиная с ХIII в. развитие ускоряется. Появляются новые схемы механизмов, потребность в их систематизации и описании.

Георг Агрикола (1494-1555) создает фундаментальный труд, первые шесть томов которого, посвящены горному делу; седьмой - способам опытной плавки руд для определения содержания металлов; восьмой - обогащение и подготовка руд к переработке; в девятом описаны способы выплавки; десятом - методы разделения; одиннадцатый содержал подробные сведения о металлургическом оборудовании, а двенадцатый - описание процессов получения соды, селитры, соли, битума и стекла. Работа ознаменовала рождение научной металлургии. Отличалась четкостью и ясностью описания технологических процессов и оборудования и была иллюстрирована 292 гравюрами на дереве.[4;с.11-12]

Саксонский инженер Якоб Леупольд (1674-1727) систематизировал накопленные к тому времени знания в десяти томах книги «Театр машин». Он дал более широкое определение машины: «Машина или приспособление, есть искусственное произведение, при помощи которого могут осуществляться движения, а также экономиться время и сила».

Первые русские кузнецы Марк Васильевич Сидоров и оружейник Василий Антонович Пастухов уже в начале XIX в. применяли процесс горячей штамповки железа.

Отдельные представления и теории описываются и объединяются, формируется наука. И в годы позднего средневековья в учебных заведениях начинают преподавать основы механики, как науки о строении и принципах работы механизмов и машин. В Оксфордском, Парижском и некоторых других учебных заведениях начинают уделять все большее внимание преподаванию математики в связи с тем, что она необходима для сооружения машин.

Чернов Д. К. и Губкин И. являются создателями современной теории обработки металлов давлением и теории кузнечных машин.[6;с.14]

Наука возникает и развивается во взаимосвязи с производством. Контроль технологических процессов, стремление усовершенствовать их - это и стимул развития, и ближайшая, непосредственная цель науки.

Первые шаги человечества по пути создания машин

Сотни тысяч лет назад, когда человек жил в условиях каменного века, ударив камнем о камень, он получил острые кромки, которые сумел применить с большой пользой. Человек приспосабливает это орудие для разных работ, именно тогда и появляется подобие ножу. Период, когда человек создает первичные орудия, используя камень, дерево, кости животных и рыб, длится 800-900 тысяч лет и называется эпохой раннего палеолита.

В XII-VII тысячелетиях до нашей эры начинают появляться механизмы, имеющие источник энергии, например лук со стрелой, или приспособление для добычи огня.

Следующим периодом развития человечества считается эпоха неолита (VII-III тысячелетия до нашей эры). В этот период появляются такие механизмы, как зернотерка, жернова, гончарный круг, ткацкий станок. Эта первичная техника свидетельствует о том, что охотничьи и пастушьи племена переходят на оседлый образ жизни и начинают заниматься земледелием. Крупнейшим изобретением этого времени является сверление, применявшееся как для добычи огня, так и для изготовления орудий. Для усиления действия сверла использовался песок и вода. Затем человек стал применять для сверления пустотелую кость и, наконец, изобрел специальные сверлильные снаряды.

В результате значительного расхода камня поверхностные запасы его стали истощаться, приходилось применять другие виды горных пород (графит, нефрит и т.д.), а также перешли к добыче камня из недр земли, что в свою очередь способствовало развитию горного дела.

Когда точно человек познакомился с самородными металлами медью и золотом сказать сложно. Наиболее древние изделия, найденные археологами, были изготовлены около 8000 лет назад. Самый древний район обработки меди, датированный IV-III тысячелетием до нашей эры, был обнаружен в районе современной Молдовы и Украины, по берегам рек Днепра и Днестра. Исследования находок подтверждают, что в начале первобытный человек не знал способа плавки самородной меди и в основном применял ковку. Для защиты от зверей и врагов, а также для охоты и обработки земли первобытный человек ковкой изготавливал орудие. Простейшими инструментами и оборудованием для ковки были молоток, клещи, наковальня и горн.

Из меди древние люди с помощью каменных орудий мастерили рыболовные снасти, крючки, ножи, шильца и другие предметы быта. Места обработки меди были найдены и в Карелии и в районах Казахстана, Якутии, на Урале и Алтае. Основными центрами добычи золота в древности считаются Верхний Египет, Нубия, Испания, Кавказ; имеются сведения о добыче Благородных металлов и на Американском континенте (Центральная и Южная Америка) и в Азии (Индия, Алтай, Казахстан, Китай).[8]

В это же время человек знакомится с метеоритным железом, а в III тысячелетии до нашей эры племена, жившие на территории Кавказа, уже получали кричное железо из озерных и болотных руд путем прямого восстановления. Так зародилась металлургия - искусство извлечения металлов из руд.

Вскоре люди научились выплавлять серебро, олово, свинец. Хотя добывать медь было сравнительно легко, и она хорошо обрабатывалась, изделия из нее не годились для изготовления инструментов, были слишком мягкими. Поэтому из чистого металла чаще изготавливали украшения и предметы домашнего обихода. Тогда люди стали смешивать металлы между собой. Методом подбора был получен сплав меди с оловом - бронза, который оказался тверже и прочнее, чем простая медь. И бронза пришла на смену камню. Наступил бронзовый век. Металлургия и металлообработка бронзового века зародилась в первых крупных культурных центрах древности - в долинах Тигра, Евфрата, а также Нила. Считается, что в Египте бронзовые изделия стали изготавливать в начале второго тысячелетия до нашей эры. Благодаря торговле бронзу узнали и другие народы, очаги бронзовой культуры возникали и развивались во многих уголках древнего мира. Из бронзового века до нас дошло немало изделий: инструменты, украшения посуда, которые и сегодня можно увидеть в музеях и на выставках.

Главные преимущества бронзы заключаются в лучших литейных свойствах, большей твердости и прочности. Если медное оружие в основном ковалось, то бронзовое отливалось, что имело большое значение, т.е. это открывало возможность массового производства. Раскопки позволили обнаружить жилища ремесленников и мастерские с инструментами. Уже в это время были освоены и виртуозно применялись такие приемы как чеканка, выколотка, инкрустация, высечка и др. Наряду с бронзой люди все чаще стали использовать железо. Первые железные изделия, датированные концом бронзового века, были найдены на Урале. Около 1500 года до нашей эры много железа было в Закавказье у легендарного народа халибов. По сравнению с медью железные руды встречались гораздо чаще, а значит, были дешевле. Орудия труда, изготовленные из железа, намного ускоряли и облегчали труд. Изготовление предметов быта и оружия производилось не только для своих потребностей, но и для торговли. Найденные в раскопках предметы отличаются высокой техникой исполнения, сложнейшими приемами и уникальностью подходов. Железо окончательно вытеснило каменные орудия. Таким образом, постепенно наступает последний период первобытной эпохи - железный век. Железо относится к самым распространенным элементам, оно сравнительно легко выплавляется из руд и минералов. Чистое железо - блестящий серебристый металл. Он легко режется, куется, прокатывается. Распространено железо больше в состоянии сплавов. Наибольшее признание получили сплавы железа с углеродом - стали и чугуны.

Активно использовались все известные металлы и сплавы. Таким образом, кузнецы стали основоположниками металлообработки и металлургии. Человечество совершенствует существующие и изобретает новые приспособления и механизмы с целью облегчения труда. В начале первого тысячелетия до нашей эры при усовершенствовании жернов получают мельницу, приводимую в движение животными, и простейший токарный станок, а это уже машины. Итак, машина - это механизм, придуманный человеком, для того чтобы выполнять полезную работу.

В это же время древние греки при создании военных машин начинают использовать силу упругости, создавая катапульты, способные кидать камни весом до 25 килограмм на расстояние до 400м. Знаменитый древнегреческий математик и механик Архимед в 287-212 годах до нашей эры изобретает винт, на основе которого строит винтовой насос для подъема воды.[7] Орудия совершенствовались и специализировались, но производить их мог далеко не каждый. За умение и мастерство таких людей уважали и ценили. До наших дней дошли мифы, отражающие отношение к кузнецам.[4;с.6-8]