ист_тех. Учебник СанктПетербург 2003 Утверждено редакционноиздательским советом спбгиэу рецензенты

• Название: Учебник СанктПетербург 2003 Утверждено редакционноиздательским советом спбгиэу рецензенты
• Анкор: ист_тех.doc
• Дата: 07.04.2018
• Размер: 29.41 Mb.
• Имя файла: ист_тех.doc
• Тип: Учебник; #17761
• страница: 4 из 19

Глава 3. Распространение сложных орудий труда в условиях рабовладельческого способа производства (от 4-3 т.л. до н.э. до IV-V вв. н.э.)

По датам этот период частично перекрывается железным веком первобытного общества, который закончился I веком до н.э.

Рабовладельческий способ производства господствовал в Месопотамии (Шумерское государство, Вавилон, Ассирия и др.), в Египте, Индии, Китае уже в 4-2 тысячелетии до н.э., в Закавказье (государство Урарту) в 1 тысячелетии до н.э., в Хорезме с VIII по VII века до н.э. по V-VI век н.э. В Греции рабовладельческий способ производства достиг своего расцвета в V-IV вв. до н.э., затем рабство развивалось в государствах Малой Азии, Египте, Македонии (IV-I вв. до н.э.).

Наивысшего развития рабовладельческий способ производства достиг в Риме в II в. до н.э.  II в. н.э.

В первом столетии н.э. происходит дальнейшее развитие славянских поселений: возникают племенные объединения, основываются поселения черняховской культуры. Славяне осваивают гончарный круг, обрабатывают кожу, ткут полотно, изготавливают посуду. Развиваются кузнечное, гончарное, ювелирное дело. В этот период появились такие способы обработки металлов как литье, пайка, волочение, сварка.

Техника и научные знания на самой ранней, восходящей стадии рабовладельческой формации сохраняли еще много пережитков доклассового общества.

В период рабовладельческого способа производства происходит окончательный переход от каменных орудий к металлическим и в соответствии с этим переход к возделыванию растений и пашенному земледелию как отраслей производства.

Крупнейшим достижением является освоение сыродутного способа выплавки Fe. Наряду с ранее известными методами обработки металлов используются литье, паяние, волочение и частично сварка.

Распределение железной металлургии и железных орудий привело большую часть человечества к последнему периоду первобытной истории, который Ф. Энгельс назвал эпохой “железного меча, а вместе с тем железного плуга и топора”.

В начале I тыс. до н.э. южные степи восточной Европы занимают племена кочевников - скифов, и античные писатели, начиная с Геродота, называют скифами и праславян.

В первые столетия н.э. происходит дальнейшее развитие славянских поселений. Эти поселения находятся уже на более высокой степени хозяйственного развития: осваивают вращательное движение, гончарный круг, начинают обрабатывать ножи, ткать полотно, изготавливать посуду. Развивается кузнечное, ювелирное, ткацкое дело.

3.1. Орудия для подъема тяжестей, применяемые в рабовладельческом обществе

Строительство крупных сооружений, например, гигантских пирамид древних египтян, потребовало решить задачу подъема тяжестей на значительную высоту и их транспортировку. Прежде всего использовали рычаг, который был известен еще в первобытном обществе для подъема и перемещение тяжестей (рис.3.1а). В Древнем Египте принцип рычага использовали при создании колодезного журавля шадуфа (рис.3.1б).

Затем был изобретен блок в форме колеса с желобом (ручьем) по окружности, через который перекидывали канат или другую гибкую тягу. Применение блока позволило изменить направление тяги и получать быстрый выигрыш в силе и скорости. Изобретение блока (рис.3.1в) привело к созданию первых подъемных механизмов (рис.3.1г). Транспортирование тяжестей в рабовладельческом обществе осуществлялось силой рабов и животных. Потребность в строительных материалах увеличило добычу руд, способствовали развитию горного дела и созданию новых методов разработки полезных ископаемых (огневой метод).



Рис. 3.1. Устройства для подъема тяжестей а – рычаг, б – египетский колодезный журавль (шадуф), в – блок, г – подъемная машина, д – ворот

При огневом методе добычи руд порода в подземной выработке разогревалась, а затем обливалась холодной водой. В результате порода трескалась. Трещины увеличивались деревянными клиньями, а затем порода вырубалась бронзовыми клиньями, а позднее железными кирками, кайлами и т.д.

Для подъема руды использовали ворот в подъемных механизмах (рис. 3.1. д).



Рис. 3.2. Схема ворота

К равновесию ворота применяется условие равенства моментов сил FR = Pr как и для рычага (рис. 3.2.).

3.2. Военные машины рабовладельческого общества

Особенно бурно развивалась военная техника, способствующая ведению войн с целью получения рабов. Постоянная военная опасность заставляли укреплять города стенами, рвами, насыпями и другими оборонительными сооружениями. Необходимость, как ведения осады, так и обороны городов требовала создания осадных и оборонительных машин и механизмов. На основе совершенствования лука и пращи было создано два основных типа военных машин: баллисты и катапульты. Снарядами для баллист (рис.3.3 а) служили камни, бревна, заостренные и окованные в передней части. Снаряды бросались по настильной траектории на расстоянии до 400м.

Рис. 3.3. Военные машины: а – баллисты, б – катапульты

Для разрушения крепостных стен поражении защитников крепости стали применять катапульты (рис.3.3 б), которые перебрасывали снаряды через стены по линейной траектории. Снарядами для катапульт служили камни и бочонки с горящей смолой. Движителем в метательных машинах была упругая сила канатов, свитые их воловьих жил или из их волос. Военные машины  первые приспособления, размеры которых рассчитывались. Расчетным модулем служила величина отверстия, через которое пропускали канат. Были малые машины, метавшие камни по два фунта весом, но строились и машины внушительных размеров, которые метали камни по двести-триста фунтов. При закручивании каната перед броском обе его ветви настраивались по слуху на один тон.

Метательные машины были очень тяжелыми, поэтому их строили непосредственно перед осадной крепостью. Обслуживались баллисты и катапульты большим числом воинов и требовалось для подготовки выстрела несколько часов.

3.3. Развитие токарного станка в рабовладельческом обществе

Изготовление орудий труда вручную было трудоемким процессом. Поэтому наряду с развитием ручных операций шла механическая обработка с помощью станка, который позволял снимать с тел вращения стружку при точении. Древнеегипетский станок лучкового типа был похож на токарный станок по дереву (рис.3.4 а). Заготовка закреплялась между держателями, которые укрепляли на верхней доске, уложенной на нескольких плоских опорах  основаниях. Тетиву лука обвивали вокруг заготовки, при движении лука, заготовка вращалась. С помощью резца снималась стружка, придавая нужную форму изделию.

В дальнейшем, более 2500 лет назад в Древней Греции был изобретен станок с ножным приводом (рис.3.4 б), который подобен переносному станочку для заточки ножей и ножниц.



Рис. 3.4. Токарные станки: а – древнеегипетский, б – древнегреческий

Данное открытие связано с легендой. Ночью, на острове Самос в Эгейском море вблизи Греции, где жил греческий мастер Феодор, высадились воры. Они вскрыли 12 замков в храме и выкрали драгоценности властителя Поликрата. Береговая охрана обнаружила воров, и все добро вернулось в храм. В связи с этим, Феодор изготовил новые замки. Детали этих замков Феодор обтачивал на станке с кривошипно-шатунным приводом, сконструированным им самим для этой цели.

3.4. Средства транспорта, применяемые в античную эпоху

Торговые отношения и военные походы привели к улучшению, способов передвижения по суше и воде. Сделав путь проходимым, удалив с него камни, деревья и кустарники, люди при движении экономили время и главное физические силы, делая более доступными источники воды и склады с пищевыми запасами.

В период рабовладельческого общества строили много дорог, и различные мосты через пропасти и реки, по которым люди передвигались пешком, но приручив животных, они стали их использовать и для верховой езды.

Крупнейшим достижением IV тыс. до н.э. явилось создание колесной повозки. Открытие вращательного движения произошло у разных народов в разное время. Оно сопровождалось постепенным изобретением многочисленных технических приспособлений и новых путей использования вращательного движения. Но только изобретение колеса позволило коренным образом изменить способы движения по суше.

Колеса древнейших повозок были сплошными, обычно изготовленными из 3-х пластин дерева. С III тыс. до н.э. колеса стали снабжаться деревянным ободом, а иногда и медным обручем - шиной. Колеса повозок имели в диаметре 0,5 м (III тыс. до н.э.) до 1,15 м (середина II тыс. до н.э.). В повозку впрягались обычно 2 тяговых животных - ослы, быки, позднее лошади.

Под влиянием военных нужд, связанных с необходимостью создания легких повозок, способных двигаться с большой скоростью, на рубеже III и II тыс. до н.э. на смену сплошному колесу пришло колесо со спицами, например, древнегреческие колесницы (рис. 3.5. а).

Для передвижения по суше помимо мускульной силы человека и животных уже в древности стали использовать силу ветра. Так почти 4 тыс. лет назад фараон Анемхет I катался по пустыне под парусом на доске с колесами. Этого фараона-спортсмена можно по праву назвать отцом сухопутного виндсерфинга.

Особенно сильно стало развиваться в рабовладельческом обществе морское дело. Расширение мореплавания было тесно связано с ростом техники. В древних странах Востока мореплавание было почти исключительно каботажным, т.е. плавали в основном вдоль берегов или от острова к острову. Однако уже в греческую эпоху крупные суда отваживаются пускаться в открытое море и плавают круглые сутки.

Передвижение первых судов осуществлялось с помощью гребцов, но наряду с гребным судном появляются парусные. С помощью паруса можно осуществлять движение судна как по ветру, так и под углом против ветра при определенном положении паруса. Первые парусные суда появились свыше 5 тысяч лет назад в Египте (рис.3.5 б), Китае, Греции (рис.3.5 в).



Рис. 3.4. Транспортные средства: а – древнегреческая колесница; б – папирусное судно древних египтян; в – древнегреческое судно; г – римская трирема

Нил был первой многоводной рекой, на которой стало развиваться речное судоходство. В Египте V тыс. до н.э. практиковалась постройка судов из стеблей тростникового папируса. Это была серповидная, связанная из пучков папируса ладья с изогнутыми кверху носом и кормой. Для придания кораблю прочности корпус стягивался тросами. Используемый египтянами прямой парус позволял им плыть только по ветру. Основным двигателем корабля мускульная сила гребцов. Египтянам принадлежит изобретение уключин. Отборные гребцы на судах фараонов делали 26 гребков в минуту, что позволяло развивать скорость 12 км/час. Управляли такими кораблями с помощью 2-х рулевых весел, расположенных на корме.

Первое гребное судно, т.е. искусственное сооружение, способное передвигаться по воде появилось в XV веке до н.э. в Финикии (располагалось на береговой полосе современных Сирии и Ливии). Финикийское судно было длиной 30-36м, шириной 4,5-4,8 метров и водоизмещением до 150 тонн. Экипаж состоял из 140 человек, и из них 44 гребца. Длина весел была около 4,5 метров. Это количество гребцов соответствует мощности 15л.с. Впервые были применены шпангоуты, Финикийцы впервые построили килевое судно, что придало корпусу устойчивость и позволило установить продольные и поперечные связи. К ним крепились доски обшивки. Все это явилось основой для быстрого развития судостроения. Финикийцы активно вели торговлю, плавая по средиземному морю и проникая в районы Черного моря и через Красное море в Индию.

Дальнейшее усовершенствование гребных судов связано с увеличением числа рядов гребцов. Именно финикийцы построили первые триремы - трехъярусные корабли, которые оказались наиболее оптимальным вариантом гребного судна с точки зрения скорости и других параметров. Это были корабли весьма значительных размеров, имевшие 3 ряда весел, расположенных один под другим в шахматном порядке. Весла были различной длины. Самые сильные сидели на верхней палубе, т.к. им приходилось управлять самыми длинными веслами. Триремы были очень легки на ходу, маневренны и обладали хорошей скоростью. В III веке до н.э. – XX в. н.э. была создана римская трирема (рис. 3.5. г). Греческие и египетские суда с тремя рядами гребцов назывались триеры, которые насчитывали в экипаже до 200 гребцов. Не раз делались попытки увеличить число гребных ярусов. Создавались судна с четырьмя рядами гребцов (квадраремы), по пять (пентеры) и семь рядов гребцов (гентеры). Но все такие корабли были громоздкими и неповоротливыми, поэтому самыми распространенными судами остались триремы.

Греческие торговые корабли были плоскодонными, имели широкий корпус с поднимающимися носом и кормой. Помимо весел грузовые суда имели от одной до 3-х матч, каждая из которых несла по одному 4-хугольному парусу. Для плавания против ветра использовали дополнительный треугольный парус.

Римские торговые корабли, так же как и греческие, были парусными, и только в редких случаях в качестве движителя употребляли весла.

Общей чертой военных кораблей было то, что все они являлись в основном гребными, а парусная оснастка играла второстепенную роль. Это позволяло судам маневрировать в любую погоду. Военные корабли были длиннее и уже коммерческих. Наиболее распространены были трехпалубные суда длиной 40-45 м, греческие триеры и римские триеры.

В рабовладельческий период входит эпоха античности, которая захватывает Древнюю Грецию и Древний Рим, как центры материальной и духовной культуры с VI в. до н.э. до V в. н.э.

3.5. Машины, созданные александрийскими механиками Героном и Ктесибием

В Эллинский период строительное искусство стало дополняться математическими расчетами и геодезическими приборами. Не позже VI в. до н.э. стали применяться методы расчета пропорций статуй и храмов. В VII-VII век до н.э. наибольший прогресс наблюдался в металлургии, ткачестве, гончарном производстве.

Простейшие механические приспособления можно было бы назвать динамическими, т.к. они создавались для экономии человеческой силы. Но почти одновременно появляются приспособления, которые можно назвать кинематическими, потому что они служат для преобразования движения. Их можно назвать автоматами.

Сочинение об автоматах написал ученый эпохи позднего эллинизма Герон Александрийский, живший в I в. н.э. Движение фигур и их элементов в театре автоматов – марионеток осуществлялось по прямой, по кругу и по производной кривой. Каждое движение производилось при помощи нитей, навернутых на барабаны или блоки различного диаметра и натягиваемых грузиками. В некоторых местах нити имели ненатянутые участки (петли), для того, чтобы одно движение запаздывало относительно другого. Со временем система привода у автоматов усложнялась, у них уже есть, что-то общее с современными автоматами (главный вал) и манипуляторами (по элементный привод). С помощью таких автоматов производились театрализованные и религиозные действия: наряду с малыми автоматами были и большие, управляющие движением статуй.

Герон изобрел также автомат для продажи “святой воды” храмовыми жрецами. По принципу действия современный торговый автомат очень напоминает древнеегипетский, выдававший воду в обмен на монетку. Герон изобрел гидравлическую машину для подъема тяжестей (рис. 3.6. а).

Герон изобрел прибор, названный им годометром (греч. hodos - путь, греч. metreo - измеряю) - измерителем пути. В настоящее время такие приборы называются в зависимости от назначения спидометрами или таксометрами. Годометр Герона (рис. 3.6. б) состоял из системы зубчатых колес, приводившихся в движение при езде повозки. Пройденный путь фиксировался стрелками на циферблате с делениями.

Еще больший интерес представлял эолипил Герона (рис. 6.20) (греч. aiolos - эол - повелитель ветров, греч. pilos - мяч), действовавший по реактивному принципу. Пар поступал в шар из котла по 2-м полым осям и заставлял шар вращаться в вертикальной плоскости. Т.о., Герон впервые использовал принцип, который лег в основу устройства паровой турбины почти 2 тыс. лет спустя.



1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающие клапаны; 4 – нагнетательные клапаны; 5 – колпак; 6 – насадка

Рис. 3.6. Машины, созданные Героном: а – гидравлическая; б – счетчик оборотов; и Ксесибеем – в – водяной насос.

Героном были изобретены счетчик оборотов (рис.3.5а) и гидравлические машины (рис.3.5б).

Изобретение пневматики связывается с именем александрийского механика (III в. до н.э.) Ктесибия. Александрия, столица Египта, была тогда центром прикладной науки. Ксесибей занимался пневматическими и гидравлическими приборами. Он изобрел двухцилиндровый пожарный насос, который ни в чем существенно не отличается от современного (рис.3.6 в). Насос был снабжен всасывающим и нагнетающим клапанами, воздушным уравнительным колпаком и рычагом – балансиром для ручного привода. Ксесибеем были изобретены водяные часы, водяной орган, а также аэротрон (греч. aer – воздух + греч. thronos – место) – военную машину, в которой роль упругого тела играл сжатый воздух. Как пожарный насос, так и аэротрон представлял собой цилиндр, с движущимися внутри него поршнями. Это первое в истории техники упоминание о кинематической паре цилиндр – поршень.

Водяные часы (греч. klepsydra - клепсидра) были известны в Греции с V в. до н.э. В часах Ктесибия вода через трубку медленно наполняла резервуар с поплавком. Фигурка на поплавке указывала время по делениям, нанесенным по вертикальной шкале. Ктесибий построил орган, действующий от воздушного насоса. Орган был снабжен устройством, помещавшимся под водой и позволявшим регулировать подачу воздуха в трубы.

3.6. Вклад Архимеда в развитие техники

Древнегреческий ученый, математик и механик Архимед (около 287-212 гг. до н.э.) родился в Сиракузах на острове Сицилия, но учиться поехал в ту же Александрию. Он добился очень многого. В математике он дошел до изобретения интегрального исчисления, намного опередив свое время. Архимедом разработана первая в истории система научно-технических знаний на основе абстрагирования и решения задач механики. Им разработана теория равновесия рычага под действием сил тяжести и общее условие равновесия рычага.

В 18 лет он сконструировал подъемник в виде дощечки, висевшей на четырех шнурах, которая поднималась за счет специального колеса, проводимого в движении мышью. Она бегала по колесу и поднимала дощечку. Отец Архимеда показал игрушку царю Гиерону. Она ему понравилась. Царь позвал Архимеда и поручил ему сделать подъемник для подачи метательных машин и других грузов на крепостную стену. Через три месяца заказ был выполнен. Подъемник собственного изобретения установили в башне городской стены, и с помощью него можно было поднять сразу десять человек, а в движении он приводился ступальным колесом.

Во время 2-й Пунической войны (218 г. до н.э.) Архимед (тогда главный механик города) организовал инженерную оборону Сиракуз от римских войск за счет применения метательных машин. Он изобрел водоподъемный механизм (Архимедов винт) (рис.3.6а), который явился прообразом корабельных и воздушных винтов. Этот винт использовался Архимедом в Египте для полива сада, а позже использовался для откачки воды из рудников. Арх
имед изобрел перископ, зажигательное зеркало полиспаст, план
етарий, червячный винт (рис.3.6б) и др.

а) б)

в
)

Рис. 3.6. Механизмы, изобретенные Архимедом: а – архимедов винт; б – бесконечный винт; в – водочерпальное колесо

Архимед открыл закон плавания тел. Согласно легенде царь Гиерон решил пожертвовать в храм золотую корону, отпустив мастеру необходимое количество золота. Возникло подозрение, что мастер часть золота заменил серебром. По поручению царя Архимед исследовал это дело и случайно нашел решение этой задачи после купания в ванне. Вне себя от радости он выскочил из воды и раздетый побежал по улицам города, повторяя слова ”эврика” (от гр. heureka – нашел, т.е. восклицание радости при каком- либо открытии или появлении новой осеняющей мысли).

Действительно, при опускании в сосуд с водой венца он вытесняет воды меньше, когда в нем имеется примесь серебра. Путем несложных измерений можно даже определить, сколько золота было заменено серебром. В результате мастер был изобличен в обмане, а наука обогатилась замечательным открытием. Это послужило Архимеду основанием для изучения плавания тел в жидкости. Свои исследования он изложил в сочинении “О плавающих телах”, которое дошло до наших дней.

Будучи увлеченный рычагами Архимед, в порыве восторга произнес знаменитое изречение: ”Дайте мне точку опоры, и я подниму землю”.

Для подъема воды и орошения земель кроме колодезных журавлей применяли водяные колеса с черпаками (рис. 3.6в).

3.7. Зарождение элементов новых наук

В это время зарождаются элементы новой науки, особенно в области астрономии, механики и физики, благодаря работам Пифагора, Архимеда, Птоломея и др.

Пифагор жил в 580-500 г. до н.э. и подал много идей в области математики, геометрии, астрономии, физики. Например: “теорема Пифагора”.

Аристотель (384-322 гг. до н.э.) проучился 20 лет в школе знаменитого философа Платона, изучая медицину, философию, механику, зоологию, ботанику, историю и др. Он систематизировал все сведения и заложил основы науки о природе, называемой физикой.

Аристотель ввел понятие силы и рассматривал движение в пространстве и времени.

В Римской империи были изобретены некоторые сельскохозяйственные и строительные машины. В конце I века до н.э. римский архитектор и инженер Марк Витруний Полиор написал “Десять книг об архитектуре”, которыми пользовались, по крайней мере, 1,5 тысяч лет.

В десятой книге, посвященной машинам, дано, вероятно, первое определение машины. «Машина есть сочетание соединенных вместе деревянных частей, обладающее огромными силами для передвижения тяжестей». Согласно Витрунию машины и орудия отличаются тем, что машины для выполнения работы требуют большего числа рабочих или применения большой силы (таковы, например, баллисты и давильные прессы), орудия же выполняют задание умелой рукой человека.

В IV-V вв. до н.э. началось великое переселение народов. Около 372 г. в Европу вторглись гунны. В IV в. Римская империя разделилась на Восточную со столицей в Византии (Константинополь), и Западную со столицей в Риме. Западная империя под натиском германских племен крала одну провинцию за другой и 476 г. была уничтожена, на ее развалинах целый ряд кельтских и германских государств.

В восточной Византийской империи уровень познаний в практической механике был высок. Известно, что в Константинополе был арсенал с большим количеством военных машин.

Одновременно в границах Арабского халифата создавалась новая наука силами проживавших там народов: хорезмийцев, сирийцев, тюрцев, египтян, арабов, испанцев. Объединял их арабский язык – язык науки и религии. Главный источник знаний для них – сочинения греческих ученых, переведенные на арабский язык. Эти знания были не только усвоены, но и развиты.