Перед этими законами природы человек и машина равны. Это хорошо известная истина позволяет сравнивать и сопоставлять устройство и действие механизмов машины и живого организма, видеть, в чем они похожи и в чем различаются. Об этом также пойдет речь в книге.
Существуют математические методы — их называют методами экстраполяции, которые позволяют, зная историю развития некоторого процесса или события, предсказывать его дальнейший ход.
Так, зная, как росло народонаселение земного шара за ряд прошедших лет и применяя методы экстраполяции, можно предсказать, сколько жителей будет населять нашу планету через 5, через 10, через 50 и даже через 100 лет. Каждому понятно, что чем лучше известна прошедшая история события, тем яснее становится его последующий ход.
Попытка ответить на вопрос «кто — кого?» — это попытка предсказать ход истории технического прогресса. Прислушиваясь к прогнозам на будущее, следует твердо помнить, что чем больший промежуток времени пытаются охватить при подобных прогнозах, тем менее они достоверны, тем больше отличаются результаты экстраполяции. Иначе с чего бы это началась дискуссия? И тем более интересно время от времени оглянуться назад и посмотреть, как развивались события в прошлом, как выглядят сегодня некоторые главы истории машины.
Мы так и будем поступать.
Мир машин мертв без человека. От первой линии на листе ватмана и первой формулы до последнего мазка краски на готовом образце — все процессы создания и совершенствования машины продуманы и предопределены человеком. Можно ли говорить об этих процессах и не попытаться заглянуть во «внутреннюю лабораторию» изобретателя, ученого, инженера.
В истории науки и техники золотыми буквами записаны тысячи выдающихся имен, и не вина автора, что на страницах книги вы встретитесь лишь с некоторыми из них.
Ведь это книга не по истории техники. Она всего только прогулка в мир машин.
Как всякая прогулка, одному она может показаться слишком короткой, другому — длинной. Понимая, что каждому угодить нельзя, автор вместе с тем постарается ее сделать по возможности интереснее.
Начнем «от печки»
Окружающий нас мир устроен так, что он оказывает сопротивление любым действиям, которые мы совершаем. Чтобы двигаться, поднимать и переносить тяжести, работать в поле и на станках, человек должен развивать усилия, достаточные для преодоления сопротивлений, которые при этом возникают. Поднимаясь по лестнице, мы преодолеваем сопротивление силы тяжести нашего тела. Если мы, кроме того, несем груз, то к силе тяжести прибавляется вес груза.
Из опыта хорошо известно, что чем выше лестница, чем больше груз, тем тяжелее его донести доверху. О работе, требующей затраты больших усилий, говорят как о тяжелой физической работе. Но вместе с тем в обыденной жизни в термин «работа» вкладывают подчас самый различный смысл. О лифтере, мирно дремлющем на стуле возле открытой двери лифта, говорят, что он работает. Про альпиниста, поднимающегося с двухпудовым рюкзаком по отвесной стене, говорят, что он отдыхает. А в технике термин «работа» имеет точное количественное выражение независимо от того, кто или что и с какой целью эту работу выполняет.
Так, например, чтобы поднять четырехкилограммовый кирпич на высоту в один метр, надо затратить четыре килограммометра работы. Чтобы поднять его на два метра, надо затратить восемь килограммометров. Такую же работу надо затратить, чтобы поднять на один метр два кирпича и т. д.
Во всех случаях затраченная работа определяется как произведение силы сопротивления на путь, на протяжении которого эту силу приходится преодолевать. При таком подсчете не имеет никакого значения, поднимает кирпичи человек или подъемный кран.
Силы сопротивления испытывают крылышко мухи и крыло воздушного лайнера, электрический ток, бегущий по тончайшему проводничку, резец станка и ковш экскаватора. Всем действиям живых существ и машин противостоит крайне «неудобный» внешний мир, и, чтобы преодолевать его сопротивления, они должны расходовать энергию.
Из собственного опыта мы знаем, что способность человека выполнять физическую работу ограничена. Почему? Потому, что ограничен запас энергии, за счет которой живет и действует любой живой организм.
Энергия — это то «таинственное» качество живого организма, которое позволяет ему выполнять механическую работу. Но ведь механическую работу может производить машина! Значит, она тоже обладает таким «таинственным» качеством?!
Энергия — привычное теперь слово. Однако если вы без специальной подготовки попробуете объяснить, что оно означает, то вам это удастся сделать только очень приблизительно, по-общежитейски. Но даже для первой прогулки в мир автоматов такого интуитивного приблизительного знания недостаточно. Ведь вся история техники, прошлая и настоящая, — это в значительной мере история борьбы за энергию, многие машины — результат этой борьбы.
Хочешь не хочешь, придется нашу прогулку начать «от печки», с повторения того, что большинством из вас прочно забыто.
Так что ж такое энергия? Откуда и как ее черпают живые существа и машины?
Средневековый воин, согнувшись под тяжестью камня, тащит его на верхушку башни, чтобы в подходящий момент сбросить на головы непрошеных гостей. Чтобы поднять камень наверх, надо затратить энергию. Но вот камень уже наверху, положен на край парапета башни, и человек отошел в сторону. Куда исчезла та энергия, которую он израсходовал, неся вверх тяжелую глыбу? Она никуда не исчезла, она только скрылась, изменила спою форму и уже готова к новым измерениям. Величина этой скрытой, или, как ее называют, потенциальной, энергии увеличивалась по мере того, как человек вносил камень по лестнице башни. Каждый килограммометр энергии, который он тратил на подъем, невидимкой оседал в форме накапливающейся в камне потенциальной энергии. Подножие башни и ее верхушка находятся на разных уровнях, и в точном соответствии с изменением уровня изменяется потенциальная энергия камня. А теперь столкнем камень с парапета. Он падает, и накопленная в нем энергия постепенно начинает принимать новое обличье.
Любое движущееся тело, живое или неживое, обладает энергией тем большей, чем больше скорость его движения. Эту энергию — энергию движения — называют кинетической энергией. По мере того как камень падает вниз с башни, скорость его растет. Потенциальная энергия камня убывает, зато возрастает его кинетическая энергия.
Нет ни одной машины, которая в процессе работы не двигалась бы целиком или не имела бы движущихся частей. Все действия, которые мы совершаем, работая, разговаривая, даже дыша и размышляя, сопровождаются движениями. Чтобы машина или живое существо могли двигаться, совершать работу, им нужна энергия движения — механическая энергия.
Мы сами и весь мир вокруг нас состоим из мельчайших частиц — атомов различных химических элементов. Атом каждого элемента состоит из ядра, окруженного тем или иным количеством электронов. Они вращаются вокруг ядра примерно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.
Много примеров придумывают, чтобы дать представление о размерах атома. Вот еще один. Вообразите себе самую малую песчинку. Если атомы, из которых она состоит, разделить поровну между 8 миллионами москвичей, то, чтобы сосчитать свою долю, каждому из них придется затратить 50 лет, занимаясь счетом круглые сутки.
Самое удивительное, что, как ни мал атом, он больше похож на «ничто», чем на «что-то». Если мысленно увеличить атом до размеров, например, Большого театра, то ядро будет выглядеть не больше, чем песчинка, а электроны вообще не будут видны. И вместе с тем движутся электроны по своим орбитам с гигантской скоростью, достигающей 35 тысяч километров в секунду. В миллионные доли секунды они успевают миллиарды раз обернуться вокруг ядра.