Анатолий Шейпак - История науки и техники. Энергомашиностроение

Рис. 2.1. Подача воды в Древнем Египте

Основной задачей инженеров при использовании мускульной силы состояла в создании механизмов и устройств, приспосабливающих человека или животное для выполнения определенного типа работы, не свойственной живому организму при обычной, обусловленной эволюцией, жизни биологического вида.

Человек приводил в движение механизмы либо руками, либо ногами, мышцы которых сильнее. В последнем случае использовались так называемые ступальные машины или топчаки. Одно из первых описаний таких устройств приведено в книге инженера и архитектора Марка Витрувия, жившего во времена Юлия Цезаря и императора Августа (примерно 16 г. до н. э.) «Архитектура».

Эта «машина» служила для подъема воды из природного водоема в водохранилище. Вокруг вала устанавливалось колесо с диаметром, соответствующим высоте, на которую должна подаваться вода. Обшивка колеса делалась из планок и реек для упора ног. Вал колеса закреплялся между двумя вертикальными столбами, укрепленными в дне водоема. В верхней части столба имелась горизонтальная перекладина, за которую можно было держаться руками. Вращательное движение колеса обеспечивалось ступательным движением человека (или нескольких людей) по цилиндрической поверхности колеса.

Рис. 2.2. Пахота в Древнем Египте

В книге Вануччо Бирингуччо из Сиены(Италия), жившим в середине XVI века, описан другой принцип ступального способа передачи энергии человека для привода воздуходувного меха. К потолку привязывался пеньковый канат таким образом, чтобы он свисал между двумя мехами. На канате укреплялся поперечный брус, причем каждый его конец привязывался веревкой к одной из крышек меха. Брус одновременно служил опорой для рук рабочего. Когда наступали попеременно то на один, то на другой мех, то создавали сильную струю воздуха.

Поперечный брус, пропущенный через вертикальный вал, позволял эффективно использовать энергию двух людей при вращательном движении. Такое устройство с зубчатым механизмом описано Георгием Агриколой (1490–1555 гг.), жившем в Саксонии (историческая область в Германии).

Иногда ступальный принцип для привода воздуходувных мехов и водяных насосов использовался в устройствах типа качелей. Рабочий попеременно переносил вес своего тела на правую или левую ногу, создавая усилие на приводной механизм.

Сила веса рабочего использовалась и в некоторых типах ступальных колес, когда он находился вне колеса на специальном помосте и наступал ногой на короткие радиальные лопатки, закрепленные на наружной окружности. Такой механизм описан в начале XVI века Фаустом Верантием, жившим в Венецианской республике.

Одной из трудоемких технологий в Древнем мире и средневековье был помол зерна в муку. В бронзовом веке зерно толкли в ступе или растирали на камне. Примерно в VI в. до н. э. была изобретена ручная вращательная мельница. В ней зерно растиралось между двумя каменными жерновами, причем верхний жернов вращался на бронзовом или железном стержне, укрепленном в нижнем, более массивном жернове. При больших размерах такую мельницу вращали, ходившие по кругу рабыни, или осел, упряжь которого крепилась к верхнему жернову.

Так как упряжь вплоть до развитого средневековья была несовершенной, ступальный принцип использования энергии применялся достаточно часто. Георгий Агрикола описал топчак, на который лошадь наступала передними ногами. Перед лошадью подвешивалась корзина с овсом. Поэтому она не пятилась назад. Якоб де Страда (1523–1588 гг. – военный дворцовый комиссар в Священной Римской империи – описал в своей книге ступальное колесо для привода мельницы, которое лошадь вращала задними ногами. Перед лошадью находилась кормушка, благодаря которой животное стоит на месте.

Наклонное ступальное колесо для привода мельницы применялось в двух вариантах: при использовании работы людей или животных. Диаметр такого колеса достигал 6–8 метров, угол наклона плоскости был в пределах 16–18 градусов. При движении животных колесо вращалось, а быки или лошади оставались на месте. Ступальные колеса такого типа для животных, описанные в книге Витторио Цонка (1568–1602) – городского архитектора г. Падуя (Италия) – имеют ограждение для того, чтобы животные меньше пугались. Вариант для людей, описанный Агостино Рамелли (1530–1590) – «инженером христианнейшего короля Франции и Польши», выполнялся без барьеров.