Леонардо да Винчи. Настоящая история гения Алферова Марианна

Водолазный костюм Леонардо

Еще задолго до Леонардо изобретателей и ученых интересовала возможность погружения человека на значительную глубину. Леонардо, которого всегда занимала вода, не мог пройти мимо этой проблемы.

Костюм для своего водолаза Леонардо планировал изготовить из водонепроницаемой кожи. На груди располагался большой карман, который наполнялся воздухом, что помогало водолазу всплыть на поверхность. Водолаз дышал с помощью гибкой дыхательной трубки, сделанной из кусков тростника, кожаных соединений и металлических колец, которые защищали тростник от давления воды. Трубка соединяла шлем с плавучим куполом на поверхности. Купол делался из пробки, чтобы не тонул. На рисунке Леонардо изобразил аппарат для дыхания под водой с деталями клапанов для забора и выпуска воздуха.

Для ускорения плавания ученый придумал перепончатые перчатки, прототип такого известного всем изобретения, как ласты.

Мог ли такой костюм использоваться в самом деле?

Как выяснилось в наши дни – мог. Специалист по подводным съемкам и ныряльщик Жак Козан погрузился в костюме Леонардо на дно небольшого пруда. Костюм оказался вполне пригодным для использования. Правда, очень неудобным.

И опять изобретение Мастера предвосхитило реальное воплощение на сотни лет.

Считается, что устройство для погружения на большую глубину было предложено астрономом, геофизиком и математиком (это перечисление специальностей далеко не полное) Эдмундом Галлеем в конце XVII века.

Но подлинный прорыв в этом направлении произошел только в XIX веке.

Изобретение первого водолазного костюма приписывается английскому конструктору и предпринимателю немецкого происхождения Августу Зибе и датируется 1819 годом. Он предложил водолазное снаряжение, состоявшее из металлического шлема с иллюминатором, жестко соединенного с открытой кожаной рубахой, которую утяжеляли грузы. В шлем с поверхности подавался воздух, излишек которого выходил из-под нижнего края рубахи. Водолазный скафандр Зибе представлял собой миниатюрный водолазный колокол, позволявший погружаться на небольшую глубину и находиться под водой только в вертикальном положении. Этот вариант скафандра нашел практическое применение в 1834 году при водолазных работах на затонувшем корабле «Ройял Джордж». Однако он был всего лишь одним из тех, кто проводил эксперименты по созданию водолазного костюма. В 1823 году братья Джон (по прозвищу Адский Водолаз) и Чарльз Дины придумали «дымовой аппарат» для защиты при пожарах. А спустя пять лет создали водолазный костюм (вернее, водолазный шлем). Разработанное ими облачение состояло из освинцованного шлема с иллюминаторами и не соединенного с ним костюма для защиты от холодной воды. Шлем крепился на плечах водолаза и соединялся шлангом с источником воздуха на поверхности. При выдыхании воздух выходил через край шлема. Как и у Зибе, костюм был безопасен, пока водолаз находился в вертикальном положении. Однако, если он падал, шлем быстро наполнялся водой. На скользком и неровном дне такое случалось сплошь и рядом. Август Зибе усовершенствовал изобретение братьев Динов, герметично соединив костюм со шлемом. Правда, костюм доходил водолазу только до пояса. Но и такая конструкция оказалась гораздо безопаснее. Через несколько лет, в 1840 году, в водолазный костюм был добавлен выпускной клапан, что привело к созданию полномерного водолазного костюма, известного как «усовершенствованный водолазный костюм Зибе». Он стал прототипом всех последующих разработок водолазного облачения.

Сейчас водолазные скафандры подразделяются на жесткие (атмосферные) и мягкие. Кроме того, водолазное снаряжение подразделяется по способу подачи воздуха.

Да, кстати, – судя по всему, Леонардо не умел плавать…

Подводная лодка

Когда мы говорим: «Первая подводная лодка», на ум прежде всего приходит «Наутилус» Жюля Верна.

По своему вешнему виду «Наутилус» очень похож на субмарину Леонардо. Мастер придумал подводную лодку уже в конце своей жизни, в 1515 году. Его лодка не погружалась под воду полностью и предназначалась для того, чтобы топить корабли противника расположенным на носу тараном – совсем как это делал капитан Немо на своем «Наутилусе». Параллельно продумывая защиту кора блей от аналогичных субмарин-таранов противника, Леонардо предлагал делать днища кора блей двойными, чтобы уменьшить опасность потопления. Мы не знаем, была ли подводная лодка Леонардо построена. Скорее всего, нет.

Что касается дальнейшей истории подводных лодок, то в 1620 году, через сто с небольшим лет после Леонардо, голландский ученый и изобретатель, придворный врач короля Якова Первого Корнелиус ван Дреббль построил в Британии первый подводный аппарат. Эта действующая подводная лодка была сделана из дерева, обтянутого промасленной кожей для водонепроницаемости. Судно ван Дреббля погружалось на глубину до четырех метров и находилось под водой в течение нескольких часов. Для того чтобы погрузиться, кожаные мешки, прикрепленные к судну, заполнялись грузом. Для всплытия – опорожнялись. Двигалась эта подводная лодка с помощью шеста, которым отталкивались от дна. Однако изобретатель вскоре понял, что такой способ передвижения не слишком эффективен, и свою вторую подводную лодку оснастил веслами. Чтобы вода не просачивалась внутрь корпуса, отверстия для весел снабжались кожаными манжетами.

В России во времена Петра Первого ученый-самоучка Ефим Никонов построил и испытал «потаенное судно». Однако после смерти царя работы над «подлодкой» прекратились. Никонов безуспешно пытался добиться предоставления материалов и рабочих. В итоге его обвинили в «недейственных строениях», разжаловали в простые адмиралтейские работники, а в 1728 году сослали в отдаленное Астраханское адмиралтейство. Ну все как всегда.

Первая подводная лодка ван Дреббля

В 1773 году американец Давид Бушнелл сконструировал подводную лодку «Черепаха». Корпус ее состоял из двух деревянных раковин, покрытых дегтем. Двигалась она благодаря винту, который приводился в действие человеком. В верхней части корпуса размещалась медная башенка с иллюминаторами и герметичным люком. Человек во время погружения мог вести наблюдения за тем, что творилось снаружи. По внешнему виду эта лодка в самом деле напоминала панцирь черепахи. Она погружалась, когда цистерна в нижней части лодки заполнялась водой. Для того чтобы всплыть, воду необходимо было откачать с помощью помпы. Также к лодке крепился аварийный балласт (груз свинца), его можно было сбросить в случае аварийного всплытия. Воздуха в лодке хватало на полчаса.

Такие изобретения Бушнелла, как принцип заполнения балластных цистерн забортной водой для погружения и винтовой движитель, до сих пор используются в конструкциях современных субмарин.

Лодка Бушнелла предназначалась для ведения военных действий. Планировалось, что с помощью бурава «Черепаха» закрепит мину с часовым механизмом на корпусе неприятельского корабля. Бушнелл первым доказал, что порох взрывается под водой, а также изготовил бомбу с часовым механизмом.

В 1776 году, во время Войны за независимость, «Черепаху» попытались использовать, чтобы потопить английский фрегат «Игл». Но – вот неудача – днище фрегата покрыли медными листами для защиты от обрастания морскими ракушками, и бурав не справился с медью.

Тогда Бушнелл решил атаковать корабль с помощью своей подводой лодки, но английский фрегат потопил шлюп, на котором находилась «Черепаха», и они затонули вместе.

И, если кто не знает – Жюль Верн вовсе не выдумывал «Наутилус». Американский изобретатель Роберт Фултон в 1797 году обратился к правительству Французской республики с предложением: «Имея в виду огромную важность уменьшения мощи британского флота, я думал над постройкой механического „Наутилуса“ – машины, подающей мне много надежд на уничтожение флота». Поначалу предложение было отвергнуто, но Фултон сумел пробиться к первому консулу Наполеону Бонапарту (в те годы Наполеон еще не провозгласил себя императором), и тот дал добро на разработку подводной лодки. В 1800 году Фултон построил субмарину и с двумя помощниками погрузился в своем «Наутилусе» на глубину 7,5 метра. Через год он спустил на воду усовершенствованную лодку с корпусом длиной 6,5 и шириной 2,2 метра. Эта лодка уже больше походила на современные – длинная сигара, притупленная в носовой части. На носу возвышалась небольшая рубка с иллюминаторами. Новая лодка Фултона погружалась на 30 метров – серьезное достижение для того времени. «Наутилус» стал первой в истории подводной лодкой, имевшей раздельные движители для надводного и подводного хода. В качестве движителя подводного хода использовался вращаемый вручную четырехлопастной винт. Под водой лодка развивала скорость в 1,5 узла[51]. Для движения в надводном положении ставили парус, тогда скорость лодки достигала четырех узлов. Мачта для паруса крепилась на шарнире. Перед погружением ее быстро снимали и укладывали в специальный желоб на корпусе. После подъема мачты развертывался парус, и корабль становился похож на раковину моллюска наутилуса. Так появилось название, которое дал своей подводной лодке Фултон. Спустя 70 лет его заимствовал Жюль Верн для корабля капитана Немо.

Лодка Фултона не нашла применения из-за консерватизма сначала французских, а потом британских властей. Так что Фултону предложили забыть про свое изобретение, после чего он вернулся в Америку, где построил первый пригодный для эксплуатации пароход «Клермонт».

В 1834 году в Петербурге, на Александровском литейном заводе по проекту Карла Шильдера был построен подводный корабль водоизмещением около 16 тонн. Это была первая в мире металлическая подводная лодка с корпусом длиной 6 метров, шириной 2,3 метра и высотой около 2 метров. Ее изготовили из котельного железа. Для движения использовались лопасти, похожие на лапы водоплавающей птицы. Лодка предназначалась для военных целей и потопления кора блей противника. Однако она могла передвигаться всего лишь со скоростью 0,3 узла. Было ясно, что при использовании мускульной силы металлические лодки не смогут развить большую скорость, а такой тихоходный корабль никому не был нужен.

Ученые раз за разом изобретали и испытывали подводные лодки, однако все их усилия разбивались о непреодолимую стену – малую мускульную силу человека, не способного перемещать металлическую субмарину с приличной скоростью.

В 1854 году на подводной лодке устанавливают паровую машину. Это сдвинуло дело с мертвой точки, но породило новые проблемы: паровая машина могла передвигать лодку, но она была не способна работать в замкнутом пространстве. Поэтому субмарины на паровом ходу передвигались на небольшой глубине с торчащими над водой трубами… Все попытки использовать специальное топливо или создать специальную конструкцию котла порождали новые проблемы. Поэтому изобретатели пытались придумать иной способ передвижения лодок. В 1863 году в США создается лодка, на которой для подводного хода используется электродвигатель. В 1866 году в России строится лодка, передвигать которую планируют с помощью баллонов со сжатым воздухом. После создания нескольких неудачных лодок американский изобретатель Джон Холланд в 1900 году создал субмарину «Холланд-9» («Плунжер-II»). На этой лодке был установлен бензиновый двигатель мощностью в 45 лошадиных сил, который обеспечивал скорость уже в 6 узлов. Наконец-то был создан по-настоящему удачный корабль!

В дальнейшем подводный флот начинает стремительно расти – тем более что в период Первой мировой войны подводные лодки показали себя грозным оружием.

Рассказывать более подробно о развитии подводного флота в рамках этой небольшой книги о Леонардо, думаю, нет нужды. Каждый, кто заинтересовался историей подводного флота, найдет достаточно материала в других научно-популярных книгах.

Но даже этот маленький очерк дает представление о том, сколь труден путь, который необходимо преодолеть от простой идеи «а хорошо бы человек плавал под водой в лодке» до создания реального проекта, до запуска корабля «в серию».

Однако без первоначальной идеи, без того момента, когда изобретатель восклицает «Эврика!», трудный путь так и не начнется.

Спасательный круг

Вода не только влекла и завораживала Леонардо, но и пугала. Он оставил немало рисунков, где изображал все ужасы потопа. Эти рисунки он сделал уже в конце жизни. Гигантские волны уничтожают мир, и ничто не может им противостоять.

«Наводнения опередят все другие разрушительные ужасы. Причиной их станут вышедшие из берегов реки», – писал Леонардо.

И далее указания, как рисовать потоп, – самому себе, быть может…

«Пусть темный сумрачный воздух будет движим стремительным натиском яростных ветров и прорезаем нескончаемым дождем, смешанным с градом… И пусть горы обрушиваются вниз, на дно долины, и образуют там барьер для поднимающихся вод; а воды все равно прорывают этот барьер, вздымаясь громадными волнами…»

В самом ли деле опасался Леонардо грядущего потопа или просто дал волю воображению и выпустил на свободу все потаенные страхи?

Быть может, пытаясь спастись от пугавшей и завораживающей его стихии, Леонардо придумал спасательный круг.

Это изобретение Мастера могло бы спасти немало жизней – окажись оно внедрено в практику. На рисунке, найденном в записках Леонардо, спасательный круг выглядит точно так же, как современный. Неизвестно, из какого материала да Винчи собирался его изготовить, возможно из пробки. Во всяком случае, не было никаких препятствий для создания спасательного круга в XV веке.

В Англии спасательный круг называют «кольцом Кизби» – в честь военно-морского офицера XIX века.

А надо бы назвать кольцом Леонардо.

Машина для очистки речного дна (землечерпалка, драга)

Для строительства каналов и очистки дна Леонардо изобрел машину-землечерпалку. Скорее всего, он разрабатывал этот проект, когда жил в Риме, и предполагал использовать свое детище для очистки Понтийских болот.

Сама машина помещалась между двумя баржами, что делало ей устойчивой, – конструкция напоминает современный катамаран[52]. Механизм приводился в движение с помощью ручки, которую вращал один человек или даже целая бригада. Усилие передавалось на колесо цевочной передачи. Маленькое колесо в виде барабана с деревянными пальцами вращало большое, давая выигрыш в силе. Большое зубчатое колесо находилось на одной оси с барабаном, на который было насажено четыре черпака. Черпаки были сделаны в виде клювов – так, чтобы извлеченный ил не выпадал обратно, пока его не сгрузят на баржу, плывшую вместе с машиной в просвете «катамарана». Глубина забора ила регулировалась с помощью вертикального перемещения цилиндра, на котором крепились ковши. Одновременно с движением черпаков на барабан наматывалась веревка, прикрепленная к колу, вбитому в берег. Здесь в конструкции опять применяется принцип – от одного привода усилие передается на несколько механизмов и исполнительных органов. Живи Леонардо в наши дни, он бы непременно стал непревзойденным специалистом в области автоматизации производства, создавая роботизированные линии.

Леонардо да Винчи. Машина для очистки речного дна

К сожалению, у этой машины имелся серьезные недостаток: землечерпалка могла работать только на мелководье – потому как глубина очистки не превышала длины рычага. А если увеличить длину рычага – придется увеличить необходимое усилие для вращения барабана. К тому же при этом уменьшалась устойчивость машины. Возникает также вопрос: хватило бы мускульного усилия нескольких людей, чтобы одновременно приводить в действие землечерпалку и перемещать «катамаран»?

Однако да Винчи придумал машину и для очистки глубоких каналов – в этом случае ковш напоминает большой плуг, который перемещают по дну.

Для рытья нового канала Мастер придумал ковш с клапаном, который открывался на днище – совсем как у современного экскаватора. Однако опять перед Леонардо встала проблема двигателя: мощности человеческих рук не хватало, чтобы приводить в движение эти машины.

Экскаватор (кран для рытья каналов)

В чертежах Леонардо сохранилась еще одна машина для рытья каналов. Она была разработана в то время, когда он решал задачу, как сделать судоходной реку Арно. Эти работы велись по заказу Флорентийской республики, которой необходима была судоходная река, – в то время это был самый удобный и экономичный вид перевозки грузов.

Название «экскаватор» для этой машины весьма условно. Это скорее способный перемещаться кран для подъема и транспортировки за границы канала вынутого грунта, а не для рытья как такового. Подобная машина должна была облегчить труд землекопов. С ее помощью можно вырыть ров шириной 18 и длиной 6 метров, после чего ее необходимо переместить. Подъемный кран со штангами разной длины мог использоваться на нескольких уровнях, так что землю можно было вынимать одновременно – там, где канал только начинали рыть, и там, где рабочие уже дошли до нужной глубины. Стрелы крана поворачивались на 180° и перекрывали всю ширину канала.

Машина Леонардо передвигалась по двум направляющим (рельсам) с помощью лебедок и винтовой передачи, перемещающей каретку. Работала она так: землекопы наполняли ящик землей из траншеи, в то время как вторая бригада выгружала вынутую землю за пределами будущего канала. При этом нагружаемый и разгружаемый ящики были связаны одной веревкой. Придумка заключалась в чередовании бригад, занятых загрузкой и выгрузкой земли.

Возможно даже, что эта машина была построена и использовалась.

Леонардо да Винчи. Кран для рытья каналов (экскаватор)

Однако первое применение экскаваторов зафиксировали уже в тридцатых годах XIX века. Эту машину, которая передвигалась по железнодорожному полотну с помощью парового двигателя в 15 лошадиных сил и могла заменить поначалу пятьдесят рабочих, построил американский изобретатель Элиш Грейвс Отис. Этот прапрапрадед современных экскаваторов был снабжен ковшом объемом немногим более одного кубического метра и предназначался исключительно для выемки грунта.

Разборные мосты Леонардо

Это и есть те самые «легкие и прочные мосты», которые обещал Леонардо правителю Милана Лодовико Сфорца в своем «рекламном» письме. Такие сооружения без особого труда можно построить из доступных материалов – стволов растущих поблизости деревьев, их удобно перемещать с помощью канатов. Мосты предназначались для военных целей, чтобы облегчить форсирование рек. С помощью таких незамысловатых конструкций войска мог ли передвигаться быстро и незаметно. А всем известно, как важен в военной кампании фактор неожиданности. Этот мост кажется довольно неуклюжим на первый взгляд. Но проведенные опыты показали, что конструкция устойчива и вполне пригодна для переброски армии того времени.

В своих дневниках Леонардо записал, как именно стволы должны быть размещены и как они должны быть связаны друг с другом. Он также упоминает материалы, которые должны использоваться, и технические уловки.

Еще одна идея временного военного моста – это вращающийся однопролетный мост в форме параболы.

По замыслу Леонардо, подвижная часть моста крепилась канатами к вертикальному пилону[53]. В основании моста находилась опора, вокруг которой мост вращался. С двух сторон от моста помещались лебедки в виде барабана, насаженного на деревянный вал. В морском деле они называются кабестанами. Наверняка вы видели кабестаны в фильмах, когда моряки, горланя залихватскую песню, выбирают якорь.

При вращении лебедки на нее наматывается канат, соединенный через блок с мостом. Одна лебедка поворачивала мост так, что переправа прекращалась, вторая – приводила его в рабочее состояние, и мост соединял берега.

Леонардо да Винчи. Разборный мост

В обычном положении мост стоит на берегу. Чтобы обеспечить переправу, его вращают с помощью канатов и лебедки вокруг опоры. Внизу, под мостом, на коротком «плече» моста располагалась клеть, набитая камнями. Она служила противовесом при балансировке и опускании моста на противоположный берег. Такой мост прост в управлении и легко перемещается с одного места на другое.

На рисунке есть пометка Леонардо: «Очень легкий и все же крепкий мост, прост для перемещения, удобен для вылазок и преследования врага, по сравнению с другими мостами является безопасным и не может быть сожжен от огня сражений и легко разбирается и устанавливается».

Сейчас модель этого моста можно купить в магазине. Вот насколько идеи Леонардо вошли в нашу жизнь!

Леонардо да Винчи. Поворотный мост. Рисунок Леонардо, сделанный пером и чернилами, с пояснительными записями

Реконструкция поворотного моста

В 1502 году да Винчи сделал чертеж самого амбициозного своего проекта в области мостостроения. Он придумал огромный однопролетный мост. Пролет над водой составлял 233 метра, а вся длина – порядка 350 метров. Ширина моста – 23,75 метра (Леонардо указывает размеры во флорентийских локтях, а не метрах, разумеется, – метрической системы во времена да Винчи еще не существовало). Построить это грандиозное сооружение Леонардо предлагал турецкому султану Баязиду II. Огромный мост должен был обеспечить переправу через пролив Босфор в месте, которое называется Золотой Рог. Этот мост должен был соединить Галату – предместье Константинополя, где жило много генуэзцев, со Стамбулом. Флорентийцы поддерживали в те годы с турками дружеские отношения. В письме к султану Леонардо писал: «Я слышал, что ты имеешь намерение соорудить мост из Галаты в Стамбул, но что ты не соорудил его из-за отсутствия знающего мастера». Под мостом Леонардо могли свободно проплывать парусные суда. Сами понимаете, мост в то время так и не был построен, первый (понтонный) мост через пролив появился лишь в 1836 году.

Что касается проекта Леонардо, то на тот момент это были размеры просто фантастические. Самый большой существовавший при жизни Мастера мост – это мост через реку Адду, построенный в 1370–1377 годах, с пролетом 72 метра и высотой в 21 метр. Так что наверняка грандиозность замыслов Леонардо отпугнула заказчика.

Но мост Леонардо все же появился…

В 2001 году в Норвегии, в городке Арс построили по наброскам Леонардо пешеходный мост, правда, куда меньших размеров. Это первый случай за 500 лет, когда архитектурный проект, намного опередивший свое время, получил наконец реальное воплощение. «Архитектурные формы 70-х годов выглядят более старомодными, чем чертеж Леонардо», – считает инициатор работ, архитектор Вебьюрн Санд.

Мост в Норвегии, построенный по чертежам Леонардо спустя 500 лет после создания проекта Мастером

Норвежскому коллеге да Винчи удалось убедить дорожное ведомство Норвегии принять решение о реализации проекта, которому уже несколько столетий. Новый мост уступает своему прототипу в длине – 100 метров вместо 350-ти, – однако он в точности повторяет все конструкторские и эстетические достоинства моста Леонардо. Мост этот находится в 35 километрах к югу от Осло и служит пешеходным переходом над автострадой Е-18. Высота его 8 метров. При реализации проекта пришлось отказаться лишь от одной задумки Леонардо – мост построили из дерева, тогда как Мастер планировал сделать его из камня. Но каменный мост был слишком дорог даже для норвежцев, поэтому решено было взять в качестве материалов сосну и тик. Так что мост обошелся всего в 1,36 миллиона долларов.

История этого моста – пример того, что прекрасная идея все равно дождется своего воплощения. Если найдется энтузиаст, чтобы ее воплотить.

Лодка с гребными колесами

Подобные механизмы встречаются еще у Франческо ди Джорджо Мартини – итальянского художника, скульптора, архитектора, изобретателя и военного инженера, который был тринадцатью годами старше Леонардо. Самого же ди Джорджо вдохновляли исследования в области механики, принадлежавшие сиенскому нотариусу и университетскому секретарю Мариано ди Якопо по прозвищу Таккола (то есть «Галка»). Так что предшественники у да Винчи были. Но он, как всегда, двинулся дальше.

Раздумывая над тем, как улучшить навигацию по рекам и каналам, Леонардо придумал лодку с гребными колесами. У нее нет весел, она напоминает колесный пароход, который появится только в XIX веке. Разумеется, у да Винчи не было в распоряжении паровой машины, так что лодка приводилась в движение с помощью педалей. Это мог делать один человек или сразу несколько. С помощью остроумного механизма возвратно-поступательное движение преобразуется в равномерное вращательное.

Реконструкция лодки с гребными колесами

Работает вся система следующим образом. Ремень, продетый в прорези педалей, вращает шкив, а вместе с ним и барабан цевочной передачи. С него движение передается на два колеса с деревянными пальцами. Колеса имеют пальцы-зубья как на окружности по внутренней плоскости, так и по ободу. Эти распложенные на ободе пальцы еще через два барабана цевочной передачи заставляют вращаться валы с гребными колесами.

В принципе эта лодка отдаленно напоминает водный велосипед.

Спустя несколько лет колесо, подобное гребному колесу лодки, Леонардо использует при испытании своего проекта центрифуги. Машина предназначалась для откачки воды из пруда. Леонардо изготовил «лабораторную» модель для исследования работы центрифуги. А рабочая модель так и не появилась.

Подобные гидравлические машины для исследований будет спустя много лет строить Галилей.

Шлюзы и другие гидравлические сооружения

Во времена Леонардо весь Милан был окружен каналами. Самый большой – он так и назывался: Большой канал – был длиной в 50 километров. Теперь многие из этих водных артерий засыпаны и зачастую превратились в улицы.

На службе у Лодовико Сфорца кроме всего прочего Мастер занимался проектированием каналов и системы шлюзов. Также Леонардо придумал специальную водную лестницу из 130 ступеней, чтобы вода, стекая по ним, не заболачивала лежащую внизу долину. Сохранилось немало рисунков, как со схемами каналов, так и с различными конструкциями шлюзов с раздвижными дверями.

В том числе Леонардо придумал новую схему открытия и закрытия шлюзовых ворот. Прежде всего, он предложил делать двустворчатые ворота. В закрытом виде они по форме напоминают букву V. Эта форма сохранилась в современных шлюзах – такие ворота самозапираются встречным потоком. Также Леонардо предлагал делать маленькие шлюзовые ворота в нижней части больших, снабдив их засовом на основании. Засов позволял впустить именно столько воды, сколько необходимо для выравнивания давления с обеих сторон главных ворот, после чего большие ворота легко открывались.

Но не только в Милане Леонардо разрабатывал гидротехнические системы. Во Флоренции он предлагал перенаправить воды реки Арно так, чтобы они потекли вдоль западной городской стены Пизы. В результате Флоренция могла бы завладеть очень важным ресурсом – источником чистой питьевой воды. При этом сама Пиза – соперник Флоренции – осталась бы без воды.

Также Леонардо планировал с помощью регулирования уровня воды в реке Арно сделать ее судоходной до самого моря. Что было очень важно в те времена, когда путешествие по рекам было и безопаснее, и дешевле, нежели по дорогам, не говоря о перевозке грузов. Еще да Винчи придумал систему плотин, которые должны были препятствовать разрушению берегов. Этот проект был разработан и даже начал воплощаться в жизнь. Завершить его строительство помешали очередное наводнение и нехватка средств.

Возле Флоренции до наших дней сохранился небольшой участок вырытого канала.

Леонардо предложил проект затопления долины реки Изонцо в случае турецкого вторжения. Находясь в Риме, он занимается проектом осушения Понтийских болот и проектированием порта. И наконец во Франции он проектирует сложную систему фонтанов.

Разрабатывая свои проекты, Леонардо порой заботится о пользе людей, живущих вокруг рек и будущих каналов, а порой совершенно о них забывает, как это случилось с предложением затопить земли вокруг Венеции. Похоже, с Мастером происходило то, что часто случается с изобретателями и учеными, – идея захватывала его сама по себе. И это притом, что Леонардо, как никто другой, видел все в мире взаимосвязанным.

Вертикальная пила

Этот проект был обнаружен в Атлантическом кодексе, где собраны основные чертежи машин и механизмов Мастера.

Неизвестно, изобрел ли да Винчи эту машину для распилки бревен или только усовершенствовал – аналогичная найдена в бумагах венецианских инженеров. Но, кто знает, может быть, эти изобретения были сделаны параллельно, как это часто случается в истории науки и техники.

Привод у машины гидравлический: вода, поступающая в специальный желоб, вращает большое колесо с черпаками. Вращательное движение передается на приводной вал и далее на механизм пилы, который преобразует движение из вращательного в возвратно-поступательное, заставляя пилу с рамой двигаться вверх-вниз. Одновременно через еще один механизм и систему блоков машина накручивает на один из блоков веревку, которая тянет каретку с бревном. Каретка перемещается на колесах по рельсам, по мере того как бревно распиливается. При этом движение пилы и каретки синхронизовано. Таким образом, перед нами – станок-автомат для распиливания бревен вдоль.

Машина для насечки напильников

Ввек, когда не было ни по-настоящему производительного привода, ни такого термина, как производительность труда, Леонардо пытался конструировать машины-автоматы.

Пример такого автомата – машина для насечки напильников, которая упоминалась в первой главе этого раздела. Сохранился очень качественный и четкий ее рисунок, выполненный да Винчи. Так что реконструкторам почти не пришлось домысливать, как же она работала.

Во времена Леонардо уже существовали механические часы. Считается, что первые такие появились в самом начале второго тысячелетия. А в XIV веке большие города, в том числе Флоренция и Милан, непременно имели свои городские часы. Их создание намного опередило технологии своего времени. Механические часы в средневековой Европе – своего рода вещь из будущего.

Реконструкция машины для насечки напильников

Именно из часовых механизмов Леонардо заимствовал немало элементов. Так, подъем гирь в механизме часов для накопления потенциальной энергии он использовал в машине для насечки напильников. Из часового механизма перекочевал в его станок и анкерный механизм.

Приводилась в действие машина Леонардо, как и большинство механических устройств того времени, мускульной силой человека за счет вращения рукояти. Однако мастеровому совсем необязательно было все время крутить ручку – в начале работы с ее помощью поднимался груз на веревке, перекинутой через блок. Запасенная в грузе потенциальная энергия должна была приводить в действие машину. Чем выше находился блок и чем выше помещался груз, тем дольше могла работать машина, ведь потенциальная энергия напрямую зависит от высоты.

После того как груз поднимался на нужную высоту, машина начинала работать в автоматическом режиме. Груз, опускаясь, тянул за собой намотанную на вал веревку, вал вращался и приводил в движение барабан цевочной передачи, которая так часто встречается в механизмах Леонардо. Маленький барабан с деревянными пальцами приводило в движение большое колесо с колками-зубьями. Для привода молота для насечки напильника использовался анкерный механизм, его колесо крепилось на приводном валу. Вращаясь, большое колесо цевочной передачи приводило в движение винт винтовой передачи. (В некоторых описаниях его почему-то ошибочно называют червячным винтом. Дело в том, что червячная передача – самотормозящая, в движение ее может приводить только червяк, а попытка раскрутить червячную передачу за колесо приведет к ее блокировке.) На горизонтальном винте находилась каретка с закрепленным на ней напильником. При повороте винта каретка перемещалась на определенное расстояние. При этом анкерный механизм, колесо которого приводилось в движение все от того же привода, заставлял тяжелый молот через равные промежутки времени опускаться на напильник и производить насечку. Машина работала таким образом, что после нанесения удара каретка перемещала напильник на небольшое расстояние (на определенный шаг), и каждый новый удар приходился на равном расстоянии от предыдущего.

Подивитесь, будущие студенты машиностроительных вузов, на прапрапрабабушку ваших машин.

Робот-рыцарь

Как известно, термин «робот» ввел чешский писатель Карел Чапек (хотя, справедливости ради, замечу, что придумал слово его брат, художник Йозеф Чапек).

Механический рыцарь. Вариант реконструкции, сделанной Габриэлем Николаи. В свои чертежи Леонардо намеренно добавил «лишние» механизмы, чтобы никто не разобрался в его записях

А робота, похожего на человека и способного двигаться, сконструировал Леонардо. Пока он занимался изучением анатомии, ему пришла в голову мысль создать автомат, похожий на человека. Для чего Леонардо понадобился робот? Есть версия, что Мастер придумал его для очередного праздника. Но, возможно, им попросту завладела сама идея – как часто бывало.

Робот, облаченный в доспехи, мог подражать человеку, двигая руками, поворачивая голову, открывая рот. Чертежи робота – или, скорее, его можно назвать «механическим рыцарем» – были обнаружены в бумагах Леонардо только в 1957 году. Его судьба схожа со многими другими изобретениями да Винчи – на него не обращали внимания, пока человечество не изобретало и заново открывало то, над чем в свое время раздумывал Мастер.

Найденные чертежи свидетельствуют, что все части устройства имели достаточную координацию: их взаимодействие осуществлялось с помощью механического устройства управления. Его можно было переналаживать (перепрограммировать, сказали бы мы). Это устройство находилось в «грудной клетке» робота, а ноги приводились в движение отдельно, посредством внешней рукоятки, натягивающей трос, соединенный с важнейшими звеньями в лодыжке, колене, бедре.

Механический барабан

Леонардо разработал несколько конструкций механических барабанов. Они мог ли использоваться как для праздников, так и во время боевых действий.

Как вариант, рассматривался механический барабан на колесах, его можно было устанавливать на повозке. Человек толкал повозку, та ехала, и одновременно приводилось в действие механическое устройство: приходило в движение большое колесо цевочной передачи машины, помещенное в центре. Деревянные пальцы торчали с двух сторон и заставляли вращаться соединенные с ними барабаны – сразу две штуки. На одном валу с этими барабанами находились валки с колышками. Колышки надавливали на барабанные палочки и заставляли их ударять в определенном ритме по барабану с двух сторон.

Особенность механизма – возможность менять ритм барабана с помощью перестановок колышков в отверстиях валков.

Механический вертел

Диапазон машин и механизмов, которые разрабатывает Леонардо, необыкновенно велик. Он конструирует огромные краны, военные машины и одновременно – устройства для автоматизации работы и станки. Не чуждается он придумывать и механизмы, которые облегчат труд людей на кухне.

В архивах Мастера сохранился рисунок механического вертела, который постоянно поворачивался над огнем, и мясо не подгорало. Леонардо поместил в дымоходе на вертикальном валу пропеллер. Горячий воздух, идущий вверх из печи, заставлял пропеллер вращаться. Движение с вертикального вала пропеллера с помощью цевочной передачи передавалось на горизонтальный вал и с него через ременную передачу – на сам вертел. Чем сильнее разогревалась печь, тем сильнее становился поток горячего воздуха и тем быстрее вращался вертел, предотвращая мясо от подгорания.

Перед нами машина с системой обратной связи.

Сам Мастер считал свое изобретение уникальным и зашифровал подписи к чертежу.

Токарный станок

Токарный станок того времени выглядел довольно примитивно. Основание «станка» – деревянная скамейка вместо современной станины. На этой скамейке-станине находилось две бабки, соединенные бруском, служившим опорой для резца. Передняя бабка станка служила для поддержания деталей и передачи движения, задняя – только для того, чтобы поддерживать деталь. Наличие бруска избавляло токаря от необходимости держать резец на весу. Однако резец все равно приходилось держать в руках – таких механизмов, как суппорт, в котором закрепляют резцы в современных токарно-винторезных станках, в то время еще не было. Детали станка изготовлялись из дерева. Над станком свешивалась укрепленная на столбе гибкая жердь, к ее концу прикреплялась веревка. Веревка обвивалась вокруг вала, спускалась вниз и привязывалась к деревянной педали. Нажимая на педаль, токарь приводил во вращение деталь. Когда токарь отпускал педаль, гибкая жердь тянула веревку назад. При этом заготовка вращалась в обратную сторону, так что токарю приходилось попеременно то прижимать, то отодвигать резец. Леонардо решил применить в станке маховое колесо, создающее инерционность движения заготовки, зажатой в центрах, то есть попросту обеспечивающее равномерное вращение заготовки, что очень важно для обработки деталей. К слову, резцы того времени (речь идет об обработке дерева) почти не отличались от современных собратьев.

У Леонардо есть еще одна конструкция станка – небольшой токарный станок опять же с маховиком, где движение от педали передается через кривошип на коленчатый вал.

Для создания новых механизмов требовалась нарезка винтовой резьбы – помните, такие механизмы не раз встречаются в машинах Леонардо. Наружную резьбу на винте в то время выпиливали с помощью напильника. А как выпиливать – намечали с помощью бумажной ленты, которую оборачивали вокруг заготовки. Леонардо рассчитал шаг резьбы как четвертую часть от диаметра стержня и предложил нарезать резьбу на токарном станке. Именно для этого он и занялся созданием механизма, который бы мог обеспечить равномерное вращение заготовке.

Еще одно нововведение да Винчи – плавающая винторезная оправка.

К сожалению, полностью станок Леонардо так и не был построен.

Подъемник

Вообще, в записях Леонардо немало рисунков с изображениями кранов и подъемников. Их можно было бы выделить в особую главу, особенно для поклонников подъемно-транспортных машин.

В двухколесном подъемном механизме, который сконструировал Леонардо, движение вертикального рабочего рычага, который перемещается взад-вперед, при помощи колес с пальцами-зубьями и цевочного зацепления преобразуется в движение для равномерного подъема груза. Особенность этого рисунка в том, что механизм изображен как в собранном, так и в разобранном виде. При этом чертеж-рисунок выполнен столь тщательно, что для изготовления по нему деталей не хватает только размеров. При этом две детали представлены в увеличенном виде – так делается и теперь для показа узлов, которые на общем сборочном чертеже выглядят слишком мелко или не видны вовсе.

Машина приводилась в действие движением рычага, который человек двигал вправо-влево. На первый взгляд казалось, будто машина состоит из двух деревянных колес и вала между ними, на который наматывается веревка с поднимаемым грузом. Однако внутри деревянных колес был сконструирован механизм, с помощью которого при каждом движении рычага – как вправо, так и влево – одно из колес поворачивалось, заставляя вращаться цевочный барабан в одну и ту же сторону и, вращая вал, поднимать груз. Достигалось это за счет того, что внутри колес расположен храповой механизм – универсальный механизм для лебедок и домкратов.

С помощью храпового механизма возвратно-поступательное движение (движение рукояти туда-сюда) преобразовывается в прерывистое движение в одном направлении. Храповой механизм состоит из зубчатого колеса с несимметричными зубьями, имеющими упор с одной стороны, и собачки (упора). Собачка не дает колесу вращаться в обратную сторону. К храповому колесу собачка прижимается с помощью пружины.

Можно сказать, что столь красиво и вдохновенно на своем рисунке Леонардо изобразил предка современных лебедок и домкратов.

Вентилятор

Да Винчи придумал вентилятор, то есть устройство, которое сжимает воздух и гонит его по трубам. Его можно применять для вентиляции комнат или разжигания печей.

Учитывая, что в жаркой Италии в то время женщины ходили в тяжелых платьях до полу, а мужчины носили длинные одеяния из сукна, наличие вентилятора в комнатах во время многочасовых празднеств было совсем нелишним.

Вентилятор Леонардо – это цилиндрический барабан, покрытый снаружи лопастями, в движение его приводит либо вода, либо ручной привод, внутри барабан разделен на четыре секции с открытыми створками между ними (для выпуска наружу сжатого воздуха). Определенное количество воды циркулирует внутри, перетекая из одной секции в другую по мере вращения барабана, сжимая воздух и проталкивая его наружу по трубе, расположенной в середине.

Печатный станок

Разумеется, все вы знаете, что печатный станок изобрел Иоганн Гуттенберг. В пятнадцатом веке многие города обзаводятся своими печатными дворами. Появились печатни и во Флоренции – как раз во времена Леонардо, около 1470 года.

Но да Винчи не мог пройти мимо такой замечательной машины, как печатный станок. И уж если он обратил на нее внимание, то непременно по своему обыкновению усовершенствовал. Леонардо добавил в станок механизм автоматической подачи бумаги.

Итак, посмотрим, как работает станок.

Пресс приводится в действие с помощью рычага, который вращает червячный винт. Пресс движется вниз, к листу бумаги, а наверху от того же привода вращается большое зубчатое колесо, которое приводит в движение вертикально расположенный барабан цевочного зацепления. Барабан цевочного зацепления вращает вал с блоком, на который наматывается веревка. С помощью этой веревки каретка (ее направляющие расположены под наклоном) подтягивается вместе с листом под пресс. Механизм рассчитан таким образом, что, когда пресс находится в нескольких сантиметрах над листом, каретка останавливается. После получения оттиска пресс поднимался наверх, а каретка скользила назад под действием силы тяжести вместе с готовым листом. Обычно операция выполнялась вручную, требуя больших затрат времени и энергии. К тому же человеку приходилось доставать готовый оттиск из-под пресса, что всегда угрожает безопасности. В станке Леонардо снимать и закладывать бумагу очень удобно.

Машина для шлифовки зеркал

В 1468 году мастерской Андреа Вероккио заказали для завершения проекта архитектора Брунеллески исполнить золоченый шар с крестом, который должны были установить на вершине купола Санта-Мария-дель-Фьоре. Диаметр медного шара был около двух метров, весила конструкция более двух тонн. Инженерная задача не из легких – сначала надо было сварить сферу, потом поднять ее над куполом и припаять. Когда сфера была готова (а на ее изготовление ушло несколько лет), ее подняли на купол с помощью подъемного крана и в течение трех дней приваривали при помощи вогнутых зеркал. Это был первый сложный проект, в котором участвовал Леонардо.

В его записях, относящихся к тому времени, сохранился проект машины для шлифовки зеркал. Машина, чертеж которой сохранился в бумагах Леонардо, довольно проста по своей конструкции. Однако и здесь Леонардо применяет свой любимый принцип – один привод для нескольких механизмов, которые работают взаимосвязано.

В машине Леонардо человек вращает ручку и приводит в движение большой шлифовальный камень. Чтобы привести камень в движение, придется попотеть – во время шлифовки возникает солидная сила трения. При этом с помощью знакомой нам цевочной передачи через зубчатое колесо и два дисковых барабана с пальцами вращалась деревянная форма, в которой был установлен шлифуемый камень для параболического зеркала. Таким образом, по мере вращения абразивного колеса поворачивалась форма, и камень постепенно обрабатывался. Такая работа была очень долгой. Порой процесс продолжался несколько дней.

В мастерской Вероккио Леонардо научился живописи и конструированию машин, ваянию и методам отливки. Многое, что привлекло его внимание в юные годы, занимало его потом до конца жизни. Как будто зерна, брошенные в годы его юности во Флоренции, прорастали потом годы и годы в его душе…

В записях Леонардо есть чертеж поршня в цилиндре – возможно, он первым его изобрел. Он придумал ружье, стреляющее с помощью пара, механизм для забивки свай, прибор для измерения скорости ветра, разводной ключ, гидравлическую турбину, редуктор, раздвижную лестницу, механизм для выгрузки рыбы из рыбачьих шаланд (не построен до сих пор)…

Вот некоторые из них…

Цепная передача

На рисунке да Винчи сохранилось подробное изображение цепи, которую используют в современных цепных передачах, в том числе в велосипедах. Неизвестно, где планировал Леонардо применить этот механизм, на практике такая передача была использована впервые в 1832 году.

Шарикоподшипник

У механизмов во времена Леонардо зачастую возникали две проблемы. Первая – это проблема прочности: дерево – не сталь, а почти все машины да Винчи изготавливались из дерева. Вторая проблема: как справиться с силой трения. Попробуйте прокатиться на санках с деревянными полозьями, а затем – на санках с металлическими (алюминиевыми или стальными), и вы сразу заметите, что санки с металлическими полозьями (или обитыми металлом) едут быстрее. Все дело в том, что сила трения, которая препятствует движению, зависит от материала. И у стали коэффициент трения скольжения гораздо ниже, нежели у дерева. Эту информацию вы можете найти в любом учебнике или в Интернете. А во времена Леонардо мало кто исследовал подобные проблемы. Изучая этот вопрос, да Винчи делает очередное открытие – у разных тел разное трение. Он замечает также, что сила трения меняется от угла наклона поверхности, по которой перемещается груз. Сейчас в каждом учебнике по физике (в том разделе, что относится к механике) можно найти картинку с изображением груза на наклонной плоскости и распределение сил в зависимости от угла наклона. Но во времена Леонардо не преподавали физику в школе.

Леонардо да Винчи. Рисунок шарикоподшипника

Разумеется, вы знаете, что тащить волоком груз гораздо труднее, чем катить. Это потому, что коэффициент трения качения меньше коэффициента трения скольжения (чтобы понять, почему так происходит, надо рассмотреть суть происходящих процессов). Так, для дерева по дереву – это разница в десять раз. А вот современный шарикоподшипник даст выигрыш уже в тысячу раз. Но знать это далеко не значит – придумать, как справиться с проблемой.

А вот Леонардо придумал, что делать: он изобрел шарикоподшипник. Благодаря такому изобретению он легко мог поворачивать огромный груз на большой платформе. Скорее всего, этот механизм понадобился ему для поворота механизмов сцены на очередном празднике.

Будильник

Леонардо не любил долго спать. По его мнению, сон – это младший брат смерти. Чтобы просыпаться в назначенное время, он придумал оригинальный будильник: струя воды медленно течет из верхнего сосуда в нижний. Когда нижний сосуд наполняется, то сдвигает рычаг, который подбрасывает ноги спящего человека вверх. После чего тот поднимается и приступает к своим занятиям.

Дрель с двумя рукоятями

Достаточно простое, но оригинальное изобретение. Дрель может сверлить дерево и бурить землю. Ра ботала она следующим образом: при вращении верхнего рычага сверло погружалось в землю, а при вращении нижнего поднималось, не вращаясь, и поднимало грунт на поверхность.

Совместная печать рисунка и изображения[54]

Поразительно, как Леонардо в любой области, какой он начинал интересоваться, тут же придумывал нечто новое. В его времена печатные листы текста набирались отдельно и от дельно печатались иллюстрации-гравюры. В 1505 году да Винчи придумал способ, благодаря которому можно соединить на одном листе и рисунок, и текст. Однако изобретение не было внедрено. Только в конце XVIII века (то есть почти триста лет спустя) поэт, английский художник и гравер Уильям Блейк придумал, как внедрить подобный метод печати.

И конечно же, вечный двигатель

Средневековая наука годами искала конструкцию вечного двигателя.

Мечта получать больше, нежели затратил, заставляла ученых долгое время проектировать машины, которые, как они надеялись, могли бы совершать работу, не получая при этом энергию извне.[55]

Пробовал создать нечто подобное и Леонардо. В его записях сохранилось несколько схем, с помощью которых да Винчи пытался реализовать схему вечного движения. Как и любая другая конструкция вечного двигателя, схемы Леонардо тоже не могут работать. Даже его гению неподвластно создать то, что противоречит законам физики.

В итоге Мастер осознал, что создание вечного движения невозможно. Рано или поздно потери из-за трения заставят любой механизм остановиться, если он будет работать без дополнительной энергии извне.

«Я понял, что одна из самых бессмысленных и неосуществимых иллюзий человечества – это поиск непрерывного движения, которое кое-кто называет вечным колесом», – написал Леонардо.

Увы, еще много лет после него люди тратили время и силы на создание того, чего в принципе быть не может.