Средневековая наука и техника (V-XVI вв.)

Распространение сложных орудий труда, приводимых в действие человеком

Феодальные производственные отношения были основаны на полной собственности феодала на землю и другие средства производства, а также на работников производства – крепостных крестьян и ремесленников. Крепостные крестьяне и ремесленники находились в личной зависимости от феодалов, осуществлявших в отношении своих крепостных судебную и административную власть. Феодал – собственник земли - присваивал созданный трудом крепостных прибавочный продукт в виде различных форм феодальной ренты.

Завоевавшие Римскую империю племена обладали более низкой техникой, чем римляне. Германцы умели добывать железо, пользовались железными лемехом, топором и лопатой, применяли тягловую силу скота, занимались полеводством, прибегали к раскорчевыванию лесов и расчистке их под пашню и луг. Им оказалась не по плечу римская техника с ее передковым плугом, грузоподъемными приспособлениями и сильно специализированными ремеслами.

Техника земледелия

В этот период получает распространение паровая система земледелия. Вначале срок оставляемой многолетней залежи (пара) сокращался до нескольких лет, а затем стал одногодичным. Стремясь повысить плодородные почвы, стали подвергать пар усиленной обработке, использовать его для пастьбы скота, искусственно удобрять.

В дальнейшем происходит переход к трехпольной системе, при которой пашня делится на три поля, причем поочередно одно поле используется под озимые культуры, другое – под яровые, а третье остается под паром, свободным. Затем через год порядок изменяется. Такая система сохранила свое значение до XIX в.

Орудиями труда служили соха с железными сошниками, борона, мотыга, серп, коса, грабли, вилы, цеп, лопата, топор. Несколько позже стал применяться плуг двух видов: легкий и тяжелый с колесным передком. Также была сделана замена деревянных частей плуга и бороны железными.

Развитие ремесла

Одним из крупных средневековых городов был Лондон, население которого в XIV в. достигало 40 тыс. чел. Борьба против эксплуатации и притеснений феодалов, рост конкуренции стекающихся в города беглых крестьян заставили ремесленников объединяться в цехи. Цех объединял городских ремесленников одного или нескольких близких промыслов. Полноправными членами цехов были только ремесленники-мастера, имевшие небольшое количество подмастерьев и учеников. Цех регламентировал процесс производства. Он являлся феодальной формой организации ремесла.

В XI-XV вв. был достигнут более высокий уровень развития производительных сил, но техника ремесла основывалась на ручном труде, в ремесле использовались орудия, приводимые в действие руками человека. Отсюда и название ремесла - «рукомесло».

В производстве тканей были заняты цехи шерстобитов, прядильщиков, ткачей. После тканья сукно подвергалось валянию, которое происходило в особых валяльных мастерских-сукновальнях. Далее производились стрижка, ворсование, окраска, и только после этого сукно уже шло в продажу. Только в Париже в начале XIV в. было свыше 300 ремесленных цехов, объединявших 5,5 тыс. ремесленников.

Выплавка металла

Вначале основным способом получения железа был сыродутный процесс, при котором происходит прямое восстановление железа из руды. Сыродутный горн VI – VIII вв. сооружался из глины и иногда обкладывался камнем. Высота сыродутного горна достигала 35 см, диаметр – 60 см, толщина стенок – 5-7 см. В горн закладывались железная руда и древесный уголь, и мехами нагнетался воздух. В результате восстановления руды получалась железная крица до 8 кг весом. Процесс восстановления железа продолжался 2-2,5 час.

В сыродутном горне вследствие высокой температуры, одинаковой по всему объему рабочего пространства горна, происходил процесс прямого восстановления железной руды. Извлекаемая из горна крица (кусок малоуглеродистого железа губчатого строения с некоторым количеством серы, фосфора, кремня, марганца и других примесей со шлаковыми включениями) в дальнейшем проковывалась, в результате чего получалось сварное железо. Низкая степень извлечения железа из руды (не больше 50%) и очень незначительная производительность не удовлетворяли увеличивающегося спроса на металл.

Стремление устранить эти недостатки привело к увеличению высоты самого горна и к усилению дутья путем применения водяного колеса для приведения в действие воздуходувных мехов. Эти преобразования изменили и сам процесс. Температура в верхней части горна понизилась до 750-900°, и поэтому железная руда восстанавливалась раньше, чем образовывался шлак. Благодаря этому уменьшились потери железа в шлаке, а само железо сильнее науглероживалось.

В результате в нижней части печи, где температура под влиянием дутья повысилась до 1350°, вместо твердого железа получался жидкий чугун. Сперва чугун получался случайно вследствие отклонения сыродутного процесса от нормального хода. С течением времени его начали применять для производства отливок, а несколько позже негодный для литья чугун пускали вместе с рудой во вторичную переплавку. Передел чугуна в мягкое железо во второй плавке требует меньшего расхода топлива и руды, а железо получается лучшего качества. Впоследствии сыродутный процесс стал постепенно вытесняться двухступенчатым способом получения стали: сначала чугун, потом – сталь. Первая стадия называется доменным процессом, вторая – кричным переделом.

Высота доменной печи XV-XVI вв. доходила до 4,5 м, а внутренний диаметр был равен примерно 1,8 м. Меха приводились в движение уже водяным колесом. Если из одного сыродутного горна при напряженной работе в сутки могли получить только 8 кг железа, то в такой доменной печи уже производили 1,6 т чугуна.

Для передела чугуна в железо сооружали кричный горн, в который загружали 150-200 кг чугуна, располагая его на слое горящего древесного угля. Плавясь, чугун капля за каплей стекал вниз, проходил через окислительную область против фурм, через которые подавался воздух, теряя часть углерода. Здесь же окислялось железо, образуя двойной силикат железо-марганца, который, попадая на дно горна, расплавлялся в шлаке, оставшемся от предшествующей операции. Этот шлак постепенно окислял углерод металла, лежащего на дне горна, отчего температура его плавления повышалась, металл «загустевал». Его поднимали ломом повыше фурм с тем, чтобы он проплавился еще раз. Под воздействием дутья и вытапливающегося на губчатой массе шлака происходило дальнейшее выгорание углерода, и вновь осевший на дно горна металл быстро становился мягким, легко сваривающимся. Постепенно на дне горна образовывался ком, крица (весом 30-100 кг и более), которая извлекалась из горна для проковки под молотом с целью ее уплотнения и выдавливания жидкого шлака.

Кричный передел протекал от 1 до 2 час. В сутки в кричном горне можно было получить около 1 т металла, причем выход горного кричного железа составлял 90-92% веса чугуна.

Горное дело

Расширению горного дела мешала феодальная собственность на землю и отсутствие определенных правил ведения работ. Впервые положения горного права были выработаны в Чехии. Первый горный закон был введен в 1249 г. королем Вацлавом для горного города Иглавы. По горному закону поисками и разработкой месторождений мог заниматься каждый. Горняк был обязан на своем участке заложить не менее трех шахтных стволов. Для подъема руды применялся обычный ворот, приводимый в движение вручную. Водоотлив производился через ствол шахты в кожаных мешках.

Крупнейшие изобретения

Старейшим из взрывчатых веществ является дымный порох – взрывчатая смесь, состоящая из калиевой селитры, серы и древесного угля. Первое упоминание о применении дымного пороха в Китае относится к 1232 г. В середине VII в. византийцы употребили так называемый «греческий огонь», состоящий из серы, горной смолы, селитры и льняного масла.

Применение черного пороха в качестве метательного средства положило начало огнестрельной артиллерии, которая вызвала настоящую революцию в военном деле.

Крупнейшим изобретением этого периода является книгопечатание – размножение текстов и иллюстраций путем прижимания бумаги или другого материала к покрытой краской печатной форме. Бумага была изобретена около II в. н. э. Чай-Лунем. В XI-XII вв. бумага появилась в Европе. В качестве основного сырья для выделки бумаги употреблялись стебли бамбука или шелковичного дерева, пеньковое и льняное тряпье, солома.

В IX в. началось печатание с печатных досок. В Китае был изобретен способ изготовления печатных форм из готовых рельефных элементов, т. е. набор подвижными литерами. В XIII в. вместо глиняных были введены литеры, отливавшиеся из бронзы.

В середине XV в. на смену печатанию с досок приходит книгопечатание с подвижных литер. Изобретателем печати с подвижных наборных литер в Европе был немец Иоганн Гутенберг (1400-1468 гг.) Он применил металлические наборные литеры. Сначала путем выдавливания в мягком металле углублений в форме букв изготовлялась матрица. Потом в нее заливали свинцовый сплав и изготовляли необходимое количество букв-литер. Буквы-литеры располагались в систематическом порядке в наборных кассах, откуда и вынимались для набора.

Для печатания были созданы ручные печатные станки. Печатный станок представлял собой ручной пресс, где соединялись две горизонтальные плоскости: на одной плоскости устанавливался наборный шрифт, к другой прижималась бумага. Предварительно матрица покрывалась смесью сажи и льняного масла. Такой станок давал не больше 100 отпечатков в час.

Впервые оптические очки появились в Европе, в Венеции, в XIII в. Изготовление и применение очков подготовили изобретение подзорной трубы, микроскопа и привели к созданию теоретических основ оптики.

Использование явления магнетизма и создание компаса позволили человеку значительно расширить масштабы путешествий как по суше, так и по морю. Магнетизм был впервые обнаружен в виде естественной намагниченности некоторых железных руд. Наиболее древнее практическое применение магнетизма известно в Китае, где в летописи III в. до н. э. имеются записи о применении компаса. Первое упоминание о компасе в Европе относится к XII-XIII вв.