Строение механизма или анатомия машин

В конце XIX - начале XX в. в Англии жил и творил выдающийся художник-юморист Хит Робинсон. Объектом своих насмешек он избрал... машину. Он выдумывал машины для самых разнообразных и самых невозможных целей. Как правило, машины на его рисунках поражают своими размерами, грубостью техники исполнения и явным несоответствием между затраченной и получаемой работой. Сделаны они «из-под топора», связаны веревочками, карикатурны в прямом смысле этого слова, и несмотря на все это, их можно выполнить «в натуре» и даже заставить работать, что иногда и делалось, в частности, самим же художником. Более того, у него среди машиностроителей была такая высокая репутация, что они неоднократно «пользовались» его идеями.
В годы первой мировой войны карикатурист «перешел» на создание военной техники. Существует мнение, что он имеет несомненный приоритет в таких делах, как камуфляж, использование дымовых завес. Известно также, что его приглашал для разговора один из руководителей британского генерального штаба.
Генерал этот упорно старался узнать у художника, откуда он получил информацию относительно одного чрезвычайно секретного военного изобретения, и никак не хотел поверить, что художник сам додумался до него. Говорили даже, что сотрудники немецкого генштаба также не пропускали ни одного номера тех журналов, в которых карикатурист публиковал свои рисунки.
Выходит, что, несмотря на свой неприглядный внешний вид и крайнюю грубость конструкции, машины, нарисованные художником, обладали чем-то, что свойственно вообще всем машинам, - у них был присущий им «организм». Ведь, по мнению специалистов, машина есть устройство, создаваемое человеком для использования законов природы с целью облегчения физического и умственного труда, увеличения его производительности путем частичной или полной замены человека в процессе труда. Это устройство так или иначе занимается преобразованием энергии и материалов, переработкой информации.
Вычленяя то общее, что присуще любой машине, мы неизбежно придем к двум понятиям - машина и механизм. Оба эти понятия иногда перекрывают друг друга, но и в этом случае они описывают один и тот же объект, с двух, естественно, различных точек зрения. В только что приведенном определении машины на первом месте стоит ее «динамическая» сущность, т. е. то, что она производит работу, заменяя при этом человека.
Механизм - это приспособление для передачи и преобразования движения, а движение, в свою очередь, - обязательный атрибут машины; в этом ее существенное сходство с живым организмом.
Машина может состоять из одного или нескольких механизмов, которые выполняют различные функции. В своей совокупности они должны составить такую последовательность или цепь, которая, исходя из некоторого данного движения, преобразует его в тех целях, для выполнения которых и создана машина.
Выше уже говорилось, что в машине с древних времен различали три составные части: двигатель, передачу и орудие. Двигатель, или приемник, производит или принимает работу, предназначенную для приведения машины в действие; передача служит для распределения работы по рабочим органам машины, которых у машины может быть один или несколько.
Рабочие органы обязательны в каждой машине. Без них нет машины, если исходить из ее предназначения. Иными словами, рабочий орган - обязательное условие существования машины.
С давних же времен в состав машины иногда вводились еще органы, регулирующие ее ход, а иногда и управляющие им. Эти органы, очевидно, не входят в число трех обязательных.
Современная научно-техническая революция выявила наличие еще трех составных частей машины - регулирующей, логической и кибернетической, которые не обязательны, но которые все чаще встречаются в составе машин.
Интересно, что не только в каждой машине есть три вида обязательных составных частей и три необязательных, но подобное же разделение по основному назначению можно отнести и к самим машинам. Могут быть машины-двигатели, машины-передатчики, машины-орудия, логические машины и т. п. Так, например, токарный станок является рабочей машиной, или машиной-орудием. Но это в то же время и настоящая машина, в ее составе мы можем обнаружить двигатель, передачу, орудие, а возможно, и логическую группу (станки с программным управлением).
Продолжим наш анализ. Рассмотрим, из каких частей состоит механизм. Прежде всего, это - звено. Звеном называют «скелетную» часть механизма, т. е. его несущую конструкцию, но - и это надо обязательно иметь в виду - абстрагированную от физических свойств материала. Такими свойствами уже обладает та или иная деталь звена.
Число звеньев меньше числа механизмов. Известно около пяти тысяч механизмов, но звеньев же около двухсот. Сюда относятся рычаги, кулачки, зубчатые колеса, диски, «мальтийские кресты», винты и гайки, а также звенья, обладающие различными свойствами. В зависимости от своего назначения звенья могут иметь различную форму (например, зубчатые колеса: цилиндрические, конические, эллиптические, винтовые) и различные размеры.
С того времени, когда было выяснено, что машины состоят из механизмов, и до настоящего времени продолжаются попытки классификации всего этого непрерывно растущего множества. Их классифицировали по форме, по характеру передаваемого ими движения, по их функциональному значению, выясняли их теоретическую структуру. Все эти попытки вошли в фонд учения о машинах, но самая известная из них, получившая мировое признание, это классификация одного из основателей русской научной школы по теории механизмов и машинам Леонида Владимировича Ассура. Об этой классификации, разработку которой продолжила советская школа ученых-механиков, речь пойдет ниже.
Работа над систематикой механизмов не завершилась и сейчас, так как всегда обнаруживаются такие механизмы, которые не «вписываются» в общепринятую классификацию. Вплоть до настоящего времени разрабатываются и предлагаются новые квалификационные системы, основанные на различных принципах. Эти попытки имеют целью не только найти более точную универсальную систему механизмов, но и облегчить построение новых механизмов и машин, облегчить их синтез, а также дать возможность заменять механизмы одного строения другими, которые выполняют аналогичные преобразования движений.
Звенья не могут существовать в составе машины не связанными друг с другом. Каждые два звена сочленяются одно с другим кинематическими парами, которые на взаимное движение обоих звеньев накладывают определенные ограничения. Последовательность звеньев, связанных между собой кинематическими парами, называется кинематической цепью.
Таким образом, мы можем подойти и к определению механизма: механизм - это замкнутая последовательность звеньев, сочлененных между собой парами, при этом одно или несколько звеньев служит для приложения работы и одно или несколько других - для получения полезной работы. Это ведущие и ведомые звенья. Их наличие в механизме обязательно, тогда как другие - промежуточные звенья - могут и отсутствовать.
Понятие замыкания цепи является достаточно широким. Цепь замыкается не только с помощью постоянной кинематической пары, но и в процессе рабочей операции. Рабочее орудие и обрабатываемый материал также образуют кинематическую пару. Расширение понятия замыкания в особенности пригодно при изучении таких цепей, как роботы и манипуляторы, которые в нерабочем состоянии представляют собой разомкнутые цепи.
Очень важной характеристикой цепей служит число их степеней свободы. Дело в том, что каждое тело, взятое отдельно, имеет в пространстве шесть степеней свободы: оно может сделать прямолинейное движение в направлении всех трех осей в прямоугольной системе координат и криволинейное - вокруг тех же трех осей. Но реально оно может двигаться в каком-то одном направлении. Так, камень, брошенный в каком-либо направлении, в своем полете опишет определенную траекторию, форма которой будет определяться силой броска, земным тяготением, плотностью и движениями воздуха, сопротивлением воздуха, зависящим от формы камня. Аналогично этому происходит полет артиллерийского снаряда с тем лишь отличием, что в этом случае траектория полета предсказывается с некоторой возможной ошибкой.
В машине необходимая траектория движения рабочего звена должна быть точной и заранее предсказанной, что достигается с помощью связей, наложенных на движение звеньев. Именно для этого и создаются кинематические пары. Каждая пара в зависимости от конфигурации и ряда условий соприкосновения звеньев накладывает от одной до пяти связей и, таким образом, допускает от пяти до одной степени свободы. Если мы сможем вычислить числа связей, накладываемых на цепь всеми кинематическими парами, то в результате получим число степеней свободы исследуемого механизма.
По конструктивным признакам основные механизмы можно свести в следующие группы: 1) стержневые, или рычажные (шарнирные) механизмы; 2) фрикционные механизмы; 3) зубчатые механизмы;  4) кулачковые механизмы; 5) механизмы с гибкими звеньями; 6) винтовые механизмы; 7) механизмы с упругими звеньями; 8) комбинированные механизмы; 9) механизмы переменной структуры; 10) механизмы движения с остановками; 11) гидравлические механизмы; 12) пневматические механизмы; 13) электромагнитные механизмы; 14) электронные механизмы.
Естественно, что в эту классификацию не укладываются многие механизмы, применяемые в настоящее время при построении машин. Однако перечисленные группы охватывают большинство элементов - звеньев механизмов, которые известны на практике. Рассмотрим эти группы.
Рычажные механизмы. Происхождение стержневых, или рычажных, механизмов очень древнее: их прообразом был рычаг, одно из наиболее старых орудий, освоенных человеком.
Рычаг является как бы удлинением руки человека. Если рассматривать движения, возможные для тела человека, точнее, для его скелета, то окажется, что мы имеем дело с системой связанных между собой стержней. Суставы, связывающие между собой стержни, есть ничто иное, как кинематические пары, и они дают возможность звеньям всей кинематической цепи (скелета) совершать такие движения в пространстве, которые разрешает форма суставов. Суставы различаются между собой. Некоторые из них, как, например, сустав плеча, обеспечивают возможность пространственного движения руки: этот сустав идентичен сферической паре, применяемой в пространственных механизмах. Она называется сферической потому, что в ней одна сфера (головка стержня) вращается в сферической чашке (подшипнике). Другие суставы, например суставы пальцев, дают возможность только плоского движения. Таким образом, тело человека можно рассматривать как механизм очень сложной структуры, состоящий из (условно) прямолинейных звеньев, связанных между собой кинематическими парами. На протяжении двух тысячелетий усилия многих механиков были направлены на то, чтобы построить искусственный механизм, подобный этому.
В XVI-XVII вв. некоторые художники-маньеристы также пытались привести человека к совокупности звеньев, связанных шарнирами, но такие попытки не дали ожидаемого результата. Многого удалось добиться уже в наше время (в последней трети XX в.), когда вплотную занялись робототехникой. Правда, полностью скопировать движение человеческой руки, например, пока ни один робот или манипулятор не может. Рука человека, рассматриваемая как кинематическая цепь, имеет 22 степени свободы, тогда как для манипулятора 7-8 степеней свободы уже труднодостижимы. Все же поиски подобия здесь несомненны. То же самое и в еще большей степени относится к механизмам протезов, которые должны взять на себя действие отсутствующих органов человеческого тела. Правда, и теоретически и даже практически можно построить механизм, кинематика которого допускала бы 22 степени свободы и даже выше, но создание системы управления всеми этими звеньями, и притом так, чтобы в результате получалось одно определенное и точное движение, представляет собой непреодолимую (во всяком случае для настоящего времени) трудность. Иначе говоря, можно получить скелет без мускулов!
Несмотря на свое древнее происхождение, рычажные механизмы развивались чрезвычайно медленно. С известной степенью приближения к ним можно отнести ось с коленом - привод ворота. От этого колена, как уже отмечалось, ведет свое начало коленчатый вал, нашедший применение в двигателях внутреннего сгорания.
Нужно сказать, что все механизмы, и в первую очередь рычажные, выполняли какую-то определенную задачу: они воспроизводили те движения, которые умел выполнять человек. Но не просто воспроизводили (если бы это было так, то в них не было бы нужды), а придавали этим движениям новое качество - либо увеличивали, либо, наоборот, уменьшали скорость, а зато приумножали силу... К понятию работы ученые пришли путем многих и длительных размышлений в течение последних столетий, но сущность закона: то, что «выигрываем в силе, проигрываем в пути», была известна еще с античных времен, а возможно, и раньше.
В составе машин рычажные механизмы появляются относительно поздно. Во второй четверти XIII в. архитектор Виллар де Оннекур собрал в своей «записной книжке» эскизы различных строительных и механических конструкций, с которыми ему пришлось иметь дело. Здесь есть, в частности, чертеж лесопильной мельницы с водяным приводом, основным механизмом которой является шарнирный четырехзвенник. На протяжении следующих четырех столетий было изобретено всего несколько шарнирных механизмов.
Лишь в конце XVIII в. оживляется работа над созданием рычажных механизмов, и связано это было с изобретением паровой машины. В первой части книги уже говорилось о том, что Уатт для своей машины изобрел механизм параллелограмма, благодаря которому возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось в движение рабочих машин. Говорилось и о том, что еще до параллелограмма Уатта был изобретен кривошипно-ползунный механизм для преобразования движения поршня во вращательное движение кривошипа. Так, в состав машин вошли кривошипно-ползунный механизм, основной механизм первых универсальных энергетических машин, и параллелограмм Уатта, одно из самых гениальных изобретений в истории техники. Сам изобретатель писал о нем так: «... хоть я и не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем любым другим моим изобретением».
Названный механизм работает следующим образом: шток ползуна шарнирно сочленен с серединой тяги, концы которой также шарнирно связаны с двумя рычагами, из которых один шарнирно сочленен с рамой машины, а второй - с балансиром. В конечном счете концы тяги движутся по дугам окружностей, а ее средняя точка приближенно описывает прямую линию. Уникальность этого изобретения заключается в том, что впервые был синтезирован механизм для приближенного преобразования движения. Кроме того, и это весьма существенно, оно послужило отправным пунктом весьма многих теоретических и практических работ, в результате которых стержневые механизмы вышли на одно из первых мест среди органов машин.
В начале второй половины прошлого века великий русский математик Пафнутий Львович Чебышев в ряде статей заложил основы синтеза рычажных механизмов для точного и приближенного преобразования движения. Среди многих изобретенных им механизмов был и первый шагающий механизм. С этого времени начинается быстрое развитие рычажных механизмов: к концу века они насчитываются уже сотнями.
Все рычажные механизмы состоят из рычагов - звеньев, сочлененных между собой шарнирами, кинематическими парами. Правда, в механизмах этого типа шарнир встречается не только в «чистом» виде, но и в виде ползунка, поступательно движущегося по прямой линии звена (например, поршня). Но поскольку движение по прямой линии равнозначно движению по окружности бесконечно большого радиуса, то и этот случай можно рассматривать как движение шарнира (точнее, отрезка шарнира). И шарнир, и сферический шарнир встречаются как в строении органов человека и животных, так и в структуре механизмов. Можно найти некоторую аналогию и для движения ползунка: очень многие технологические операции, выполняемые вручную, включают поступательное движение по прямой, некоторые из них имеют чрезвычайно древнее происхождение, например строгание дерева. Но развитие рычажных механизмов пошло в сторону умножения числа звеньев и кинематических пар, ведь изучались в основном замкнутые кинематические цепи, а разомкнутые цепи привлекли внимание лишь во второй половине XX в.
Нужно отметить еще одно важное положение, которое относится не только к рычажным механизмам, но и ко всем другим: в первом приближении звенья считаются абсолютно жесткими и неизменяемыми, неизменными считаются и расстояния между центрами шарниров. На самом же деле все обстоит не так. Механизмы сооружаются из реальных материалов, поэтому звенья имеют большую или меньшую упругость, а в результате износа размеры их меняются. Как бы точно мы ни старались выполнить их размеры, абсолютная точность остается недостижимой. Благодаря трению, которое обязательно возникает во время относительного движения звеньев, меняются размеры самой кинематической пары и зазор в ней растет. Все это приводит к определенному искажению формы движения, и инженер, проектирующий механизм, должен учесть все эти обстоятельства.
Может случиться, что одно звено связано не с одним звеном, а с несколькими. В этом случае считается, что существует не одна кинематическая пара, а несколько, по числу подсоединенных к исходному звену звеньев.
Как мы увидим далее, рычажные механизмы имеют очень важное значение при анализе и синтезе любых механизмов, поэтому на этот вид механизмов обращают особенное внимание.
Фрикционные механизмы. Далее мы рассмотрим другой вид механизмов, а именно механизмы, основанные на принципе колеса. Сюда относятся фрикционные, зубчатые и кулачковые механизмы (кроме того, колесо входит в состав и иных групп механизмов).
Использование вращательного движения человеком начинается относительно поздно. Вероятно, древнейшие постройки вынудили человека при транспортировке тяжелых глыб камня использовать бревна, очищенные от веток, в качестве катков. Произошло это между Х и IV тысячелетиями до н. э., причем это изобретение, равно как и многие другие, принадлежало разным племенам и народам и относится поэтому к разным временам.
Колесо появляется не ранее этого времени. Сперва колеса для повозок представляли из себя деревянные диски, жестко насаженные на ось. Можно сказать, что они были прообразом фрикционного механизма, который служит для передачи движения за счет сил трения между его звеньями. Очевидно, ремесленник имел уже в своем распоряжении металлическую пилу, с помощью которой он и выделывал из ствола диски - колеса. Спустя тысячелетие было изобретено колесо со ступицей, насаживающееся на неподвижную ось. Несколько позже появились колеса со спицами. Это дало возможность создать боевую колесницу с колесами большого диаметра. Почти одновременно с появлением повозки на колесах с небольшим опозданием появляется гончарный круг, в начале I тысячелетия до н. э. появляются блоки и в середине тото же тысячелетия - полиспасты. Изобретение этих подъемных приспособлений знаменовало также расширение функций колеса и создание на его базе новой группы механизмов с гибкими звеньями (впрочем, об этом речь пойдет ниже).
Зубчатые механизмы. Со временем изобретения мукомольных мельниц - первых машин в истории человечества, связано появление зубчатого колеса как важнейшего элемента многих механизмов. Первые передачи этого типа были цепочными - зубья произвольной формы врезались в обод. Позже зубья стали вырезать вручную из тела заготовки - деревянного или металлического диска. На рубеже новой эры механики знали о зубчатых колесах довольно много. Так, уже были известными сложные зубчатые механизмы - редукторы, включающие несколько пар зубчатых колес и червячную пару. Естественно, что никакой разницы между обычным и «червячным» колесом пока еще не замечали.
Как уже говорилось, использование водоподъемного колеса не ограничивалось только первоначальной задачей. Оно не только служило двигателем для мукомольных мельниц, но и приобрело новое качество универсального промышленного двигателя. В связи с этим усложняются системы передач и создаются новые. Так, в частности, возник кулачковый механизм, основной деталью которого остается все то же колесо, но с единственным зубцом - кулачком. Так создается привод мельниц, механизмы которых работают ударным действием, как, например, различные толчеи, кузнечные молоты и т. п.
Кулачковый механизм сохраняет свои элементарные формы на протяжении пяти веков - с XIV по XVIII в. Объясняется это тем, что скорости движения машин, в состав которых входил этот механизм, были крайне малыми и кулак, сделанный в полном смысле этого слова «из-под топора», функционировал вполне удовлетворительно.
Таким образом, технологические установки того времени, мельницы имели, как правило, деревянные зубчатые и кулачковые приводы. Но после того как семейство машин и механизмов пополнилось механическими часами, происходит быстрое развитие зубчатых механизмов. Мы видели, что уже в античные времена были известны редуктор и червячная передача. Последняя, по всей видимости, была изобретена еще Архимедом, а усовершенствована Леонардо да Винчи, который понял ее недостаток. Дело в том, что при уменьшении хода нарезка становилась слишком тонкой и непрочной и не могла выдерживать больших нагрузок. Ученый решил эту инженерную задачу, сделав нарезку очень крутой, в результате чего давление распределялось между несколькими ходами. Таким образом, получились два решения проблемы - вводилась червячная передача, состоящая из червяка-винта и червячного колеса, наклон нарезки которого соответствовал наклону червячной нарезки. Вторым решением той же задачи стало введение пары винтовых колес.
Часовые мастера очень скоро заметили, что от качества зубчатых колес зависит и точность хода часов, и длительность их службы: не удивительно, что в XVI в. часы больше времени проводили у часовщиков, чем у хозяина. Изобретение маятниковых часов еще больше обострило эту проблему, оказалось, что форма зубьев играет важнейшую роль в зацеплении. Нужно было найти такие кривые, согласно которым колеса могли бы катиться друг по другу с минимальным трением. Пришлось прибегнуть к помощи геометрии, и в конце XVII в. замечательный голландский ученый Христиан Гюйгенс, а также французские геометры Жирар Дезарг и Филипп де Лагир пришли к выводу, что зубья колес следует профилировать по циклоидальным кривым.
Пусть окружность катится без скольжения по прямой линии. Тогда любая точка, жестко связанная с окружностью, опишет кривую, называемую циклоидой. Если та же окружность катится без скольжения по внешней стороне другой окружности, то любая ее точка опишет эпициклоиду. Если же меньшая окружность находится внутри большей и катится по ее внутренней стороне, то кривая, описанная произвольной ее точкой, будет называться гипоциклоидой. При построении зубчатого зацепления соблюдается условие, что начальные окружности катятся друг по другу без скольжения. Начальные окружности делятся на целое число шагов каждая, а зубья строятся таким образом, чтобы часть зуба оказывалась выше начальной окружности, а другая ниже ее. Первая часть называется головкой зуба, а вторая - ее ножкой. Рабочие стороны - профили головки и ножки - строятся по циклоидальным кривым.
Такое зацепление оказалось весьма удобным для часовых механизмов, где сохраняется неизменное расстояние между осями двух зацепляющихся колес: вспомним, что часы изготавливаются на «таком-то количестве камней», при этом чем больше «камней», тем лучше. Камнями в часовых механизмах называются каменные подшипники для вращающихся осей колес. Это же циклоидальное зацепление в XVIII в. и в первой половине XIX в. применялось при построении машин. Но оказалось, что здесь циклоидальное зацепление не совсем пригодно. Дело в том, что вследствие трения срабатываются детали, расстояние между центрами колес изменяется и колеса перестают правильно зацепляться друг с другом: постепенно происходит срабатывание колес, увеличиваются зазоры между зубьями и колеса выходят из строя. Не случайно к этому времени ученые разработали другой тип зацепления. Предложил его великий математик Леонард Эйлер.
Только что мы катили окружность по прямой линии. Теперь выполним обратную операцию: прокатим прямую линию по окружности. Эту операцию можно воспроизвести следующим образом: прикрепим карандаш к кончику нитки, намотанной на катушке, и будем сматывать нить, сохраняя ее в натянутом состоянии. Тогда кончик карандаша вычертит на бумаге кривую линию, которая называется разверткой круга, или эвольвентой.
Как оказалось, эвольвентное зацепление при построении машин имеет существенное преимущество перед циклоидальным: оно допускает колебания в расстоянии между центрами обоих зацепляющихся колес, не нарушая при этом правильности зацепления. Это стало очень важным при переходе от индивидуального построения машин к серийному, а затем и к массовому.
Получившиеся при этом отклонения в размерах не нарушали правильности хода машины.
Вместе с развитием машин убыстряется и развитие зубчатых механизмов. Подобно тому как в животном мире развитие органов направляется к совершенствованию их в том отношении, чтобы они могли наилучшим образом выполнять свои функции, развиваются и совершенствуются и механизмы машин. Существенное различие заключается в том, что в животном мире развитие происходит весьма длительное время и оно является следствием изменения условий жизни данного вида, тогда как в развитии органов машин проявилась целенаправленность их изобретателей.
Зубчатые механизмы на протяжении своего двухтысячелетнего существования были известны техникам в целом ряде вариантов, число которых росло. Однако никакой попытки установить какие-либо связи между отдельными вариантами не производилось. Даже в курсе построения машин Ланца и Бетанкура, по существу, первом учебнике теории механизмов, зубчатые механизмы появляются в различных разделах классификационной таблицы. Этой же непоследовательности в классификации придерживался и Роберт Виллис, который внес в систему механизмов определенный порядок. В середине прошлого века он сформулировал и доказал основную теорему зацепления - общий закон, устанавливающий связь между скоростями вращения колес и их параметрами. Этот закон утверждает, что нормаль в точке зацепления двух колес делит линию центров на части, обратно пропорциональные угловым скоростям. Тогда же была издана книга французского ученого Теодора Оливье «Геометрическая теория зацеплений», в которой он показал, что правильно зацепляться могут колеса при любом расположении осей вращения. В качестве общего способа получения зацеплений любого вида был предложен способ огибающих поверхностей. Наиболее существенным было то, что здесь были введены пространственные зацепления.
При непрерывном совершенствовании зубчатых механизмов увеличивается их ассортимент, повышается точность изготовления зубчатых колес. Сочетание двух колес уже образует механизм, но с помощью одной такой пары можно только в небольшой степени снизить угловую скорость вращения или, наоборот, увеличить ее. Но развивающееся машиностроение требовало устранения подобного недостатка, и на протяжении века происходит развитие Специальных агрегатов-редукторов, предназначенных для этой цели. В сущности, редукторы в своей элементарной форме существовали и раньше. Уже в I в. был известен многоступенчатый редуктор, включавший и червячную передачу. Известна была и винтовая передача - кинематическая пара винт - гайка. Коническая передача - передача вращения между двумя осями, расположенными перпендикулярно одна относительно другой, была известна и значительно раньше: она являлась главным передаточным механизмом водяной мельницы. Самая последняя из «классических» систем зубчатых колес - планетарная передача - была изобретена в XVIII в. в целях преобразования поступательного движения поршня паровой машины во вращательное движение шкива.
Мы видели, что уже в XVII-XVIII вв. ученые нашли методы профилирования зубчатых колес. Несмотря на это, еще больше столетия после исследований Эйлера в этом направлении пары колес выполнялись индивидуально, и для замены изношенного колеса его следовало выполнять «по месту».
По словам Чебышева, делая различные предположения относительно вида зуба одного колеса, можно было найти бесчисленное множество различных видоизменений зубчатых колес, но из всех этих видоизменений на практике употреблялись очень немногие.
Таким образом, несмотря на то что вопрос о профилировании зубчатых колес был уже давно решен в трудах механиков, практики все еще не вполне представляли себе его сущность. Объясняется это тем, что значительная часть продукции машиностроительных заводов все еще была занята индивидуальным производством машин по заказам и колеса не были стандартизированы: заводы и не были заинтересованы в этом, они не хотели терять заказов на производство запасных частей для поставленных ими ранее машин. Однако вскоре уже возрос спрос на серийную и массовую продукцию. Понятие зубчатого зацепления первоначально применялось лишь для обозначения числа зубьев колес.
В последней четверти прошлого века производство колес полностью переходит на научную основу: колеса стандартизируются, и возникает возможность заменять изношенные колеса соответствующими запасными колесами. Постоянно развивается и совершенствуется ассортимент колес, и для того чтобы удовлетворить всевозрастающим требованиям машиностроения, изобретаются новые типы колес, имеющие более совершенные механические характеристики.
Как мы уже говорили, подавляющее большинство колес профилируются по эвольвенте, и в сущности, в этом отношении единственным путем улучшения их качества было совершенствование их механической обработки и износоустойчивости. Лишь в середине XX в. советский ученый М. Л. Новиков изобрел новый тип зацепления, получив на него авторское свидетельство. Тем самым был предложен принципиально новый класс пространственных зацеплений с точечным контактом для передачи с различным взаимным положением осей обоих зацепляющихся колес.
Но подобно тому как кости человеческого скелета служат человеку не по одиночке, но в сочетаниях, сочленяясь попарно, точно так же и зубчатые колеса (равно как и все прочие звенья механизмов) не имеют самостоятельного бытия и лишь в паре образуют механизм. Поэтому и вся история зубчатых зацеплений, начавшаяся в середине первого тысячелетия до нашей эры, - это история зубчатых механизмов. Начиная от элементарных сочленений двух колес, как это было в древнейших водяных мельницах и лебедках, сочленения колес умножаются: уже в первом веке нашей эры известно несколько типов развитых редукторов. Сейчас описано около семисот зубчатых механизмов. При этом все чаще появляются новые типы механизмов, в которых комбинируются не только зубчатые сочленения, но и зубчатые с рычажными, с винтовыми и другими типами механизмов.
Кулачковые механизмы. Как уже говорилось, кулачковые механизмы сходны с зубчатыми, т. е. их можно рассматривать как зубчатые колеса с одним зубом в сочетании с обычным зубчатым колесом. Такие механизмы и существуют в действительности, их применяли в некоторых типах вычислительных машин. Все же основная схема кулачкового механизма - это вращающееся звено, кулачок и второе звено, приводимое в движение кулачком, которое или движется поступательно по прямой линии между двумя крайними точками, или закреплено в одной точке и качается около нее, описывая дугу.
Особенное развитие получили кулачковые механизмы, когда появились технологические мельницы. Если в случае обычных мукомольных мельниц вращательное движение водяного колеса при помощи несложной передачи преобразовывалось во вращательное движение жернова, то теперь задача усложняется, поскольку вращательное движение надо преобразовать в поступательное. Это достигается следующим образом: к вращаемуся деревянному валу крепится деревянный же кулак, который на протяжении части своего оборота входит в зацепление с другим кулаком, прикрепленным к вертикально движущемуся штоку. Когда оба кулака входят в зацепление, шток поднимается на определенную высоту, а затем при разрыве зацепления падает, а прикрепленный к нему боек производит технологическую операцию. Так работает мельница-толчея для производства пороха, бумаги, крупы. Несколько по-другому работает кузнечный молот, «рукоятка» которого посажена на ось, закрепленную в подшипниках, и опускается кулаком. При этом боек, посаженный на противоположный конец рукоятки, поднимается на определенную высоту и падает, когда кулак выходит из зацепления с рукояткой.
Существовало еще несколько схем кулачковых механизмов, соответствующих технологическим операциям, для производства которых были устроены разного типа мельницы. В некоторых случаях от одного водяного или ветряного двигателя колеса приводилось в движение несколько технологических установок. В этом случае вводились промежуточные механизмы распределения.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания и необходимость обеспечить точную последовательность тактов работы двигателя вызвали необходимость решить задачу газораспределения с помощью кулачкового механизма. Кулачковый механизм прошлого века уже лишь отдаленно напоминает своего многовекового предшественника: большие скорости двигателя требуют точности от всех составляющих его звеньев, в особенности от формы рабочей поверхности кулачка, его профиля. В дальнейшем такой механизм становится одним из ведущих при создании машин автоматического действия: отдельные операции выполняются при помощи кулачковых механизмов, действующих в соответствии с так называемой циклограммой, т. е. законом движения ведомого звена.
Несмотря на различия в применении кулачковых механизмов, их схема, в сущности, остается все той же, которая была выработана на протяжении веков: ведущее звено - кулачок, вращающийся около своей оси, приводит в движение ведомое звено, или движущееся по прямой линии, или качающееся около некоторой оси. Теоретически можно при помощи кулачкового механизма осуществить самые различные законы движения, однако на практике не все они оказываются одинаково приемлемыми: пользуются лишь теми из них, которые обеспечивают более простую технологию обработки профиля кулачка и удовлетворяют всем требованиям к построению механизма.
Как правило, движение ведомого звена механизма (толкателя или коромысла) соответствует четырем фазам: его подъему, так называемому выстою в верхнем положении, спуску, выстою в нижнем положении (оба выстоя или один из них могут и отсутствовать). Профиль кулачка выполняется в соответствии с этими фазами. При выстоях ведущее звено в течение некоторого угла поворота кулачка остается неподвижным. Следовательно, соответствующий участок профиля описывается дугой окружности. Профили же подъема и спуска выполняются по некоторым кривым, которые должны плавно переходить в участки выстоев. В противном случае ведомое звено, а следовательно, и выполняемая им технологическая операция будут испытывать удары, что, вообще говоря, недопустимо.
Иногда технологическая операция предполагает выстой некоторой длительности в одном положении, а затем передвижение с большой скоростью в следующее положение. Для этого был изобретен простейший механизм, так называемый мальтийский крест, который состоит из крестообразной основы с равномерно расположенными радикальными пазами, кривошипа с пальцем и неподвижного звена, обязательного для каждого механизма. При вращении кривошипа палец входит в паз креста и поворачивает его на угол, обусловленный заданной схемой. После выхода пальца из паза крест останавливается до тех пор, пока палец не начнет входить в следующий паз, тогда движение возобновляется. Тем самым обеспечивается прерывистый характер движения ведомого звена.
В качестве примера можно привести обработку деталей на многошпиндельных автоматах одновременно в нескольких позициях, число которых равно числу шпинделей. Все это дает возможность обрабатывать сложные детали путем совмещения переходов операций, при этом обеспечивается высокая производительность обработки. Естественно, что все это можно было сделать и с помощью кулачкового механизма, однако механизм мальтийского креста оказывается более простым, более надежным и долговечным в работе. Поэтому в некоторых случаях такой механизм просто незаменим.
Существует много вариантов мальтийского креста: он выполняется с внутренним и внешним зацеплением, с различным числом и расположением пазов, что, естественно, зависит от выполняемой механизмом операции (наименьшее число пазов равно трем). На практике применяют кресты с числом пазов, равным 4, 6, 8; наибольшим числом пазов считается 15. Как выяснено, кресты внутреннего зацепления имеют некоторые преимущества по сравнению с крестами внешнего зацепления. Совершенствование мальтийского креста было определено развитием кинотехники и некоторых классов машин-орудий. В процессе применения этого механизма он видоизменяется, приспосабливается к новым технологическим условиям и приобретает новую форму.
Мы рассмотрели, таким образом, наиболее значительную группу механизмов, преобразующих вращательное движение во вращательное непрерывное, во вращательное с остановками, в возвратно-поступательное. Их далеким «предком» было, очевидно, очищенное от веток дерево, при помощи которого облегчался перенос грузов. Таким образом, форма вращающегося тела была заимствована у природы и затем подвергнута дополнительным изменениям для выполнения определенной работы. Так возникает новое пополнение движений, возможных для человека, новый орган, который, развиваясь, порождает механизмы, описанные выше.
Гибкие передачи. Во второй половине первого тысячелетия до нашей эры появляется еще один механизм, прообразом которого является простой блок, известный еще ассирийцам. Блок порождает полиспаст. А отсюда уже недалеко до гибкого привода, когда вращение передается между осями, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Гибкий элемент в простейшем случае является бесконечной нитью, направления нитей могут пересекаться, и в этом случае диски, которым передается движение, вращаются в противоположном направлении. В более сложных случаях можно получить с помощью гибкой передачи и различные виды возвратно-поступательного движения.
Средневековая техника пользуется различными типами бесконечной передачи, а когда интерес к машинам возрос в значительной степени, она уже применялась довольно часто, причем не только отдельно, но и в сочетании с другими типами передач, например с зубчаткой. Так, Джероламо Кардано применил перекрещивающуюся гибкую передачу в сочетании с зубчатым механизмом, причем учел и то обстоятельство, что в перекрещивающейся передаче угол обхвата шкива канатом больше, чем в обычной, а следовательно, больше и трение, а это позволяло избежать или, точнее, уменьшить проскальзывание.
Мы уже упоминали труды жившего в Саксонии профессора греческого языка Георга Бауэра. Фамилия его, очевидно, намекала на его крестьянское происхождение («бауэр», по-немецки, - «крестьянин»), и поэтому он пользовался ее латинским переводом (Агрикола), что, впрочем, означало то же самое. По-видимому, греческий язык был ему не по душе, он оставил преподавание и начал изучать медицину, а затем минералогию и горное дело. Он написал несколько книг, из которых важное значение получило его сочинение «Горняк или о металлических делах», в котором он досконально изложил технологию горного дела и описал грузоподъемные машины, которые тогда применялись. Среди других он описывает и гибкие передачи. Так, в горном деле зачастую надо передать движение с верхнего горизонта на нижний, для этого пользовались цепной передачей, которая в условии рудника надежнее и долговечнее канатной. Использовались также разомкнутые гибкие передачи, цепные и канатные, применявшиеся в подъемных кранах.
С течением времени применение гибких передач расширялось: ими стали пользоваться для привода токарных станков, в текстильных станках, в некоторых технологических установках. Особенно много различных гибких приводов, причем самого различного назначения, показано в книге Агостино Рамелли «Различные и искусные машины», которая многократно переиздавалась и много послужила инженерам прошлых веков. Как уже говорилось, сам Рамелли был военным инженером. Можно предполагать, что он был учеником Леонардо да Винчи. Во всяком случае он стал его преемником в качестве военного инженера французского короля. У всех машин, описанных в упомянутой книге, есть одна общая черта: они чрезвычайно сложны, что не всегда обусловлено необходимостью. Но это не мешает им быть правильно построенными, и конечно, инженеры того времени зачастую воспроизводили не форму, а принципы построения машины, придавая ей форму по своему усмотрению. Кроме того, приходилось учитывать возможности построения машин, которые в те годы были невелики, и потому вместо одной машины большой мощности нередко устанавливали несколько машин малой мощности. Тем большее значение имели механизмы привода, передачи движения, в частности, цепная передача в различных, порой самых неожиданных формах. Так, при передаче качания одного балансира на другой, ведомый, балансир преобразовывается в ролик, и вокруг него и второго ролика, связанного с приводимым рычагом, прокладывается бесконечная цепь. Встречается в книге разомкнутая канатная передача для передачи вращения с одного барабана на другой.

Водяная мельница
Ветряная мельница
Счетчик оборотов (Герон)
Проект экскаватора (Леонардо да Винчи)
Машина Для насечки напильников (Леонардо да Винчи)
Зубчатая передача (XVII в.)
Модель сустава руки человека
Прядильная машина (Кромптон)
Паровая машина (Уатт)
Землечерпалка-экскаватор (Бетанкур)
Экскаватор
Тушитель бомб (Робинсон)
Луноход
Промышленный робот

Гибкая передача конструируется в предположении, что между гибким элементом и блоком или барабаном возникает сила трения, которая не дает возможности гибкому элементу проскальзывать. Два века назад этой проблемой заинтересовался Леонард Эйлер, который вывел известную формулу, связывающую полезную нагрузку и угол охвата барабана гибким элементом. Эта формула значительно облегчила инженерам построение гибких передач. Не говоря уже о том, что с самого начала прошлого века несущим элементом мостов становятся канаты или цепи, т. е. значение гибких передач в машиностроении быстро растет. Если мы будем рассматривать изображение какого-либо цеха того времени, то сразу же бросится в глаза то, что все свободное пространство цеха перегружено ременными передачами: энергия, получаемая от паровой машины, распределялась между несколькими длинными валами, на которые были насажены шкивы. Через последние перекидывалась ременная передача, приводившая в движение отдельные станки. В качестве примера можно привести знаменитую картину Адольфа фон Менцеля «Железопрокатный завод» (1875). Естественно, что с точки зрения безопасности цехи прошлого века оставляли желать лучшего, что и было достигнуто уже в следующем столетии с помощью индивидуального электропривода.
В целом максимум применения гибких передач падает на XIX в. Однако это не значит, что в XX в. от них отказались: они были усовершенствованы, получили новую форму и в виде клиноременных передач, вариаторов и других механизмов; продолжают служить машиностроению в том числе и многочисленные виды разомкнутой гибкой передачи, применяемой в подъемных кранах, экскаваторах и других подобных машинах.
Таким образом, гибкие элементы обеспечивают передачу и преобразование движения между двумя частями машин, которые не соприкасаются между собой, причем необходимое условие успешной работы таких механизмов - наличие трения, исключающего возможность проскальзывания. Но есть целая группа механизмов и таких, в которых трение является условием работы двух или нескольких соприкасающихся частей машин. Такие механизмы, как уже говорилось, называются фрикционными. К самым простым из них, правда, имеющим малое применение в машиностроении, относится передача движения между двумя дисками, вращающимися около параллельных осей и прижимаемыми друг к другу некоторой силой. Вследствие этого между дисками возникает трение, и вращение одного из дисков повлечет за собой вращение другого в противоположном направлении.
Такого типа движение, по существу, было прообразом зубчатого зацепления: если присоединить к двум окружностям зубья и покатить одну окружность по другой, то они и образуют те две окружности, которые были названы вначале. Есть и другие виды фрикционных передач, которые нельзя заменить соответствующими механическими, так как в них необходимо сохранить возможность проскальзывания. Таковы, например, фрикционные передачи, применяемые в конструкциях автомашин и других транспортных средств: они предохраняют машину от возможной поломки и в то же время обеспечивают точную передачу движения.
Иногда нужно регулировать передаточное число механизма. Этого тоже можно достичь при помощи фрикционной передачи. Представим себе конус, вращающийся около своей оси. На образующую этого конуса нажимает каточек, вращающийся вокруг оси, параллельной образующей конуса. Каточек может двигаться вдоль своей оси; таким образом, по мере передвижения каточка передаточное отношение изменяется.
Основной недостаток фрикционных механизмов - неспособность передавать значительные мощности. Это затруднение было преодолено в так называемой передаче Мехварта. В этом случае два катка, ведущий и ведомый, устанавливаются внутри упругого стального закаленного кольца, а между ними с некоторым напряжением вставляется вспомогательный ролик. Под влиянием трения вращения ведущего катка охватывающее кольцо слегка поднимается вверх и заклинивает все три катка, которые оказываются теперь расположенными не по диаметру, а по хорде кольца: с помощью этого механизма оказывается возможным передавать даже значительные мощности.
Винтовые механизмы. Предполагается, что первый механизм изобрел великий древнегреческий математик и механик Архимед. В простейшей форме этот механизм состоит из двух звеньев - винта и гайки. Одним из первых его применений стал известный римлянам винтовой пресс, служивший для получения оливкового масла, а иногда и вина. Изготовление двух основных деталей винтового механизма сперва было очень сложным делом, и только изобретение токарного станка дало возможность изготовлять винты и гайки правильной формы. Вероятно, поэтому на протяжении многих столетий этот механизм не пользовался популярностью, пока не было найдено новое применение винта в устройствах для подъема тяжестей и в домкратах. При строительстве зданий и судов такие грузоподъемные устройства использовались в тех случаях, когда не помогали обычные краны.
По-видимому, Архимед же заменил в зубчатой передаче одно из колес винтом и тем самым создал так называемую червячную передачу. По-иному использовался винт в водоподъемных машинах, где длительное время не претерпевал никаких изменений. Только в XVI в. французский механик Жак Бессон построил горизонтальное водяное колесо для привода мельницы, снабдив его винтообразно изогнутыми лопастями. Прошло еще почти триста лет, и винт был применен для приведения в движение парохода. Затем начиная со второй трети прошлого века винт используется для профилирования лопаток турбин. Так старое изобретение нашло себе новое применение.
Гидравлические и пневматические механизмы. Через винт мы подходим к еще одной группе механизмов - к гидравлическим и пневматическим передачам. Представим себе центробежный насос, который в процессе своего вращения нагнетает жидкость по трубе в гидравлический двигатель, откуда по другой трубе жидкость возвращается в насос. Тем самым поддерживается непрерывный процесс, в котором жидкость служит звеном, передающим движение с тем же числом оборотов, что и у ведущего звена - ротора центробежного насоса. Если же на трубе, ведущей от насоса к двигателю, поставить тройниковый кран, с помощью которого лишь часть жидкости пойдет в двигатель, а другая ее часть от крана через соединительный патрубок направится в трубу отработанной жидкости, то краном можно плавно регулировать скорость двигателя, и мы получаем простейший гидравлический редуктор.
Гидравлические механизмы имеют целый ряд преимуществ перед механическими и сейчас широко применяются в технике. Значительное распространение получили и пневматические механизмы, действующие сжатым воздухом. В некоторых случаях, например в угольных шахтах, т. е. там, где применение электроэнергии может быть опасным, роль пневматики оказывается чрезвычайно важной.
Гидравлические и пневматические механизмы известны с античных времен. Более того, силу воды и ветра человек испытывал едва ли не с самых ранних времен своего существования. Вода и ветер были одними из тех сил природы, к которым людям пришлось длительные столетия и тысячелетия приспосабливаться, пока они не овладели ими хотя бы в малой степени.
Выше мы говорили о Ктесибии, с именем которого связывают изобретение гидравлических и пневматических механизмов. Можно предполагать, что некоторые сведения о подобных механизмах имелись и ранее, в частности, у египетских жрецов. Но они в основном обслуживали храмовые театрализованные представления, тогда как Ктесибий применил их к «делу». Во всяком случае ему принадлежит изобретение кинематической пары: цилиндр - поршень, которую он использовал при построении пожарного насоса и которая с тех пор получила поистине мировое распространение, составляя основной механизм паровой машины, двигателя внутреннего сгорания и многих других.
Много гидравлических и пневматических механизмов описаны в древнегреческих сочинениях. Благодаря великим ученым Средней Азии и Ближнего Востока их описание (зачастую в арабском переводе) попало в Европу и стимулировало интерес к той группе механизмов. Ведь, в сущности, и водяное колесо, и колесо ветряной мельницы можно считать гидравлическими и пневматическими механизмами, если смотреть на них лишь с кинетической точки зрения.
Гидравликой и пневматикой интересовались и механики эпохи Возрождения. Интересно еще одно обстоятельство: когда врачи начали изучать тело животных и человека (что было сопряжено с большим риском), они обнаружили некое подобие между системой кровеносных сосудов и известными им очень несовершенными гидравлическими системами. В анатомических эскизах Леонардо да Винчи рядом с чертежами сердца и кровообращения художник изобразил схемы гидравлических механизмов. И совершенно несомненно, что теория Рене Декарта, увидевшего в животных лишь высокоорганизованные машины, в основной своей части базировалась на сходстве кровообращения и гидравлического механизма. Интересно, что основоположник гидродинамики петербургский академик Даниил Бернулли одну из своих первых работ посвятил исследованию течения крови в живом организме.
Другие виды механизмов. Мы уже говорили о том, что еще два столетия назад механизмы не отличались особым разнообразием, правда, некоторые из них уже были известны техникам того времени в разных вариантах. Несколько механизмов изобрел куратор Лондонского королевского общества замечательный английский ученый Роберт Гук. Особую известность приобрел изобретенный им шарнир, который позволил управлять телескопом, т. е. направлять его на произвольную точку неба.
В связи со становлением и развитием машиностроения изобретение механизмов для передачи и преобразования движений убыстряется. В особенности этот процесс ускорился в последней четверти прошлого века. Появляются новые виды устройств, включающие механизмы комбинированные (с рычажными и зубчатыми элементами), механизмы движения с остановками, механизмы с упругими звеньями, механизмы переменной структуры и др. В новых механизмах применяются электромагнитные и электронные элементы.
Таким образом, оказалось возможным, получив «движение», передать его в нужном направлении, а если это необходимо, то и преобразовать его так, чтобы выполнить необходимую работу. Тем не менее следует вспомнить, что машина состоит не только из тех механизмов, которые управляют движением: движение нужно еще получить и использовать. Еще Леонард Эйлер установил на основании изучения машин своего времени, что они обязательно должны включать двигатель или приемник, который производит или воспринимает движение и посредством Механизмов передает его дальше, к рабочему органу, который и производит необходимую полезную работу.
На протяжении почти двух с половиной тысячелетий вплоть до начала прошлого века основным двигателем было водяное колесо, и лишь в XI в. таковым стала также ветряная мельница. Правда, одновременно с ними роль двигателя доставалась также человеку и животным, но в этом случае следовало бы включить в состав машины не двигатель, а приемник. Другими словами, на протяжении многих лет основой двигателя служил гидравлический или соответственно пневматический механизм.
Как упоминалось выше, рабочий орган, для которого, собственно, и строилась та или иная мельница, находился в соответствии с технологическим процессом. Сперва это были жернова, т. е. мельница выполняла свою первоначальную функцию, затем толчея, пила, молот и т. д. Но все это составляло единое целое, и поэтому мельница первоначально составляла одну машину. Но с течением времени к одному двигателю начали присоединять несколько механических устройств, приводившихся в движение одним валом. Можно ли и в этом случае считать мельницу единой машиной? Представляется, что да. Действительно, если мы рассмотрим какой-либо современный автомат, снабженный несколькими рабочими органами, исполняющими различные операции, то от этого он не становится совокупностью машин. Поэтому мельницы в том виде, в котором они строились механиками прошлых столетий, следует также считать едиными машинами.
Водяные колеса не оставались неизменными. Было замечено, что те колеса, лопатки которых поворачиваются под влиянием потока текущей воды, дают меньшее количество работы, чем те, на которые вода падает сверху (так называемые верхнебойные колеса). В середине XVIII в. английский инженер Джон Смитон изменил во втором случае форму лопаток, придав им форму сосудов, и получил еще большую эффективность. Дальнейшее совершенствование двигателя привело к изобретению турбин, первой из которых была турбина Фурнейрона. Но это произошло уже после выделения двигателя в отдельную машину.
Совершенствовались и ветряные мельницы. Принципиально по своей структуре они не отличаются от водяных мельниц: тот же самый механизм, только повернутый на 180°, колесо наверху, а не внизу. Несмотря на то что ветряные мельницы появились в Европе в конце XII столетия, первые изображения их появились относительно поздно - уже в XVI в. Это не были чертежи, но искусный механик мог по этим изображениям соорудить работающую мельницу. И только в самом начале XVIII в. были опубликованы не только чертежи, но и описание ветряной мельницы, но их строили уж четыреста лет!
Европейская практика выработала два основных типа этих машин: с вращающимся корпусом и башенного типа, когда поворачивалась только «головка» мельницы вместе с крыльями и валом. Как в том, так и в другом случае передача к рабочему органу осуществлялась через зубчатый передаточный механизм, колеса были, как правило, деревянными, а зубья вырубались топором.
Не забудем, что водяные мельницы были привязаны к воде, а ветряные можно было поставить лишь в местах, доступных для ветра. Там же, где не было ни того, ни другого, роль двигателя приходилось выполнять или животным, или самому человеку.
И вот два века назад человек опять столкнулся с той же задачей, которая была решена (в отношении мукомольных мельниц) еще его пращурами прошлых тысячелетий. Новые технологические машины стали улучшенными органами человека, они делали ту же самую работу, что и ремесленник, но лучше и быстрее. Впрочем, вначале, вероятно, не лучше. Но управлять ими, приводить их в движение приходилось самому человеку или животным. По словам Карла Маркса, когда изобретение прядильной машины возвестило о промышленной революции, ее изобретатель ни звуком не обмолвился о том, что осел, а не человек приводит эту машину в движение, и тем не менее эта роль действительно досталась ослу.
Не следует недооценивать роли «живых сил» в развитии промышленной революции: человек далеко не сразу передал «силовую часть» производства машине. Мы видели, что ранее машина заменяла лишь физическую силу человека. Теперь она заменила его руку, и стало ясно, что физических сил-то и не хватает. Интересно, что в то время когда промышленный переворот завершился в Англии и завершался во Франции, математик и механик академик Шарль Дюпен (ученик Гаспара Монжа) дал сравнительную оценку продуктивных сил обеих стран, приравняв силу одной лошади силе семи человек. Он подсчитал также силы водяных и ветряных мельниц, кроме того, силы паровых машин в промышленности и судоходстве. У него получилось, что к концу первой четверти прошлого века во Франции действовало (округленно) 49 000 сил, а в Англии - 60 000 сил. Как следовало из его расчетов, во-первых, в результате промышленного переворота Англия удвоила свой энергетический потенциал, а Франция лишь на одну треть увеличила его; во-вторых, в сельском хозяйстве оказалось занято более половины производительных сил, в-третьих, эти цифры показали, какая значительная доля промышленного труда (6000-8000 сил) падала на «живые силы». И наконец, из расчетов с очевидностью вытекало, каким колоссальным энергетическим потенциалом становилась паровая машина.
Поиски промышленного двигателя, на который можно было бы возложить существенную часть труда и который к тому же не был бы связан с какой-то определенной местностью, продолжались на протяжении всего XVIII в. Испанец Бласко де Гарай, француз Дени Папен, немец Готфрид Лейбниц, русский Иван Ползунов, англичанин Томас Ньюкомен и много других большей частью безвестных изобретателей старались найти такую машину, которая смогла бы освободить человека от тяжелой и изнурительной работы и обеспечила бы быстрое развитие промышленности. Как известно, честь решения этой задачи выпала на долю Джеймса Уатта, и вскоре изобретенная им паровая машина, вытеснив сначала человека и животных, затем водяные и ветряные двигатели, становится основным поставщиком энергии для промышленности и транспорта.
Модификацией паровой машины явился двигатель внутреннего сгорания. При этом принципиальная схема рабочей части машины не менялась, но в зависимости от характеристик газообразующего тела менялось все ее оснащение. Следующим шагом стал... возврат к водяному колесу, но уже на новой технической основе, появляются турбины, активная и реактивная, приводимые в движение паром и водой.
В середине XIX в. начинается активное освоение электричества - новой силы природы, которая до тех пор была известна лишь в некоторых своих проявлениях. Внедряются электрические машины - динамо-машины и электродвигатели. Все они основаны на роторном принципе; интересно, что во всех машинах-двигателях используются лишь два принципиальных типа движения - возвратно-поступательное движение известное еще до нашей эры, и вращательное движение характерное для водяных и ветряных колес, турбинн электрических машин. Там, где машина заменяет непосредственно физическую силу человека, как оказывается, можно пользоваться самыми простыми из всех возможных типов движения.
Совершенно иное положение с теми машинами которые заменяют умение человека или, образно говоря, его руку. Здесь можно изобрести бесчисленное множество вариантов, и уже давно изобретатели стремятся воспроизвести движение руки человека или хотя бы получить при помощи механизмов тот же самый результат. Начатые в текстильной промышленности, поиски эти распространились затем и на другие отрасли производства, что привело к созданию современных технологических машин. Одновременно идут поиски человекоподобных машин, которые могли бы выполнять если и не все, то хотя бы некоторые функции человека. Эти поиски оказались безуспешными, но в их результате механики создали целый ряд автоматов: их опыт даже с отрицательным результатом не пропал даром.
Рождается стремление вообще выключить человека из технологического процесса: это стремление вело к созданию машин автоматического действия. Нельзя не вспомнить, что, вероятно, первая такая попытка была сделана на Руси, на Соловецких островах, где соловецкий игумен, а впоследствии московский митрополит Филипп (Федор Степанович Колычев) создал автоматическую систему машин. Было это более чем четыре века назад. Прошло почти два с половиною столетия, и на Алтае гидротехник Козьма Дмитриевич Фролов создает грандиозную гидросиловую систему, а в США механик и изобретатель Оливер Эванс построил автоматическую мельницу, в которой был автоматизирован весь технологический процесс. В начале прошлого столетия французский механик Жозеф Жаккар построил ткацкий станок, работавший по специальной программе.
Следующий этап в развитии автоматики связан с именем английского математика и экономиста Чарльза Беббиджа, который еще в 30-е годы прошлого века запроектировал аналитическую вычислительную машину, как бы прообраз современных ЭВМ. К сожалению, его идеи не соответствовали техническим возможностям эпохи, и машина «не пошла».
Но проходит еще столетие, возникает и развивается электронная техника, и вычислительные машины становятся реальностью. Одновременно разрабатываются и машины нового типа, которые воспринимают все те идеи, которые были реализованы в механической технике. Постоянно совершенствующиеся машины в годы научно-технической революции приобретают новые качества. В их состав, кроме классических двигателя, передачи и орудия, входят теперь органы управляющие и регулирующие.
Развитие автоматизации влечет за собой создание полностью автоматизированных цехов, в которых некоторые операции выполняют машины автономного действия - роботы и манипуляторы. Таким образом, сам цех превращается в огромную машину, управляемую единым «мозгом», - получается та же «мельница», но уже на новых технических основаниях.