Гений Леонардо да Винчи, часть 3 - Механика

Физика и принципы механики.
..........................................
«Я убежден в безотлагательной деятельности. Знать недостаточно – мы должны применять. Хотеть недостаточно – мы должны делать».
Леонардо да Винчи.


Всю свою жизнь Леонардо работал над многочисленными инженерными проектами, изобретая аппараты, способные увеличить производительность труда. Он сконструировал устройство для подъёма тяжелых предметов, кран, механизм для бурения и экскаватор. Еще в подростковые годы в мастерской Верроккьо он создал проект «зеркального отражателя», который бы плавил и сливал металлы путем воздействия на них отраженного теплового потока.

«Существуют три типа людей: которые видят; которые видят то, что им показывают; которые не видят».
Леонардо да Винчи

Леонардо верил в то, что механика является ключом к тайнам мироздания. Он изучал поведение воды, воздуха, света и сумел определить механизм их движения в различных условиях.
Да Винчи создал множество рисунков с изображением вихревого потока воды в водовороте, потока воздуха и природы света с его тенями и отражением. Все это время главным принципом его работы было стремление понять скрытые от человеческого глаза физические и механические принципы.
Да Винчи считал человеческое тело сложной и развитой машиной, способной двигаться на основании принципа, сходного с механическим. Он изучал, каким образом анатомия формирует поведение человека и животных, как человек выражает свои чувства, и какие скрытые механизмы управляют жизнью.
Ученый предположил, что, поскольку принцип работы человеческого тела и силы природы известны, на основании этого можно сделать выводы о принципах работы машин, которые бы подражали природе. Он изучал анатомию, физиогномику и механику, которые легли в основу большинства его научных открытий и изобретений. Сегодня они в значительной степени могут помочь понять мысли величайшего ученого, изобретателя и художника.
К наиболее известным изобретениям Леонардо в области механики относятся: маховик, шарикоподшипниковая система, спиральная пружина, устройства для трансформации движения, эксцентриковый кулачок.

Самоходная телега
Этот рисунок – один из самых известных технических чертежей Леонардо. Изображенный аппарат считается прототипом современного автомобиля. Судя по всему, Леонардо планировал использовать эту машину в качестве реквизита в своих многочисленных театральных постановках при королевском дворе Милана. Самоходная телега могла ехать по прямой и поворачивать.  Она двигалась с помощью арбалетного механизма, который через пружины передавал энергию приводам, соединенным с рулем. Задние колеса имели дифференцированные приводы и могли вращаться независимо друг от друга. На сцене телега могла передвигаться самостоятельно.


Подъёмный кран  с кольцевой платформой.
В период с 1420 по 1436 архитектор Филиппо Брунеллески проектирует кирпичный купол собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции. Осуществление этого проекта поставило перед архитектором ряд чрезвычайно сложных технических задач, т.к. купол должен был быть построен без единой деревянной опоры и поддержки.
Спустя десятилетия, изучая работы Брунеллески, Леонардо создаст рисунки нескольких его аппаратов с целью их усовершенствования.
В этом подъёмном кране груз мог перемещаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении при помощи системы винтов и противовесов.
]

Подъемное устройство на телеге
Леонардо спроектировал множество подъемных кранов, некоторые из которых представлены на этой выставке. На его рисунке изображен высокий кран, установленный на тележку, который мог передвигаться вдоль направляющего каната, протянутого над ним. Такое устройство могло применяться при строительстве куполов многих известных соборов во Флоренции. Из документов известно, что с самых ранних своих лет Леонардо воображал и проектировал конструкции, способные поднимать тяжелые грузы. Среди работ да Винчи даже встречается проект по поднятию Баптистерия св. Иоанна для строительства под ним фундамента, на который затем снова можно будет опустить церковное сооружение.


Автоматический блокирующий механизм.
В любом механическом процессе с участием тяжелых предметов важно, чтобы в случае неполадки движение колеса в устройстве не вышло из-под контроля. Леонардо занимался изучением нескольких разновидностей системы, позволяющей блокировать вращение колеса в неверном направлении в процессе поднятия груза. Задвижка на устройстве зажимает зубцы колеса, не давая ему вращаться в противоположную сторону, бросив груз. Изначально идея использовалась при зарядке катапульт. Сегодня тот принцип лег в основу храпового механизма.

Вращающийся шарикоподшипник
В этом устройстве три шара двигались свободно, независимо друг от друга и располагались в специальном основании в форме полусферы. Шары передавали силу трения, создаваемую посредством давления на них вертикального столба. Леонардо заметил, что необходимы три сферы, а не четыре. Четыре сферы двигались бы неравномерно и производили бы большее с противление, что сделало бы устройство менее эффективным.
Как и многие другие изобретения Леонардо, это устройство не вспоминали на протяжении нескольких веков, и лишь в 1791 году в Уэльсе этой идеей воспользовались при изготовлении карет.


Устройство для поднятия столбов.
Эта модель представляет собой простое устройство для поднятия колонн и столбов. Колонна устанавливалась на двухколесной платформе и тянулась вперед при помощи горизонтального или наклонного каната. Горизонтальный канат наматывался через лебедку на рукоятку, что требовало меньшего усилия, т.к. при подъёме колонны сила трения оставалась постоянной. При использовании наклонного или косого каната нагрузка значительно увеличивалась, и в конечном итоге весь вес колонны приходился на канат.


Спорная находка
Находка рисунка велосипеда среди рукописей Леонардо вызвала множество споров в период работы над реставрацией Кодекса Атлантикус в 1960-е годы. Некоторые ученые полагают, что этот рисунок мог быть выполнен одним из молодых учеников Леонардо по имени Салаи, который скопировал оригинальную идею мастера или его рисунок. По сути, имя ученика – единственное слово на наброске. Безусловно, стиль рисунка во многом напоминает стиль мастера. Однако последние исследования показали, что, скорее всего, эта работа является подделкой, выполненной в 20 веке, и следует считать, что Леонардо вообще не изобретал велосипед. На рисунке велосипеда отсутствовали типичные для работ Леонардо жирные, ярко выраженные линии, видимые на оборотной стороне листа. Также было установлено, что рисунок был выполнен графитом (графитовым карандашом), изобретенным лишь спустя десятилетия после смерти да Винчи.

Спиральный механизм
Этот механизм для передачи вращательных движений встречается в работах Леонардо довольно часто. Спираль в верхней части устройства контактировала с зубчатым колесом по всей его дуге, а не только по отдельной его части. Поскольку спираль захватывала сразу несколько зубцов, сила распространялась на большую площадь, что сокращало риск повреждения в случае поломки под давлением одного зубца. В этом устройстве Леонардо продолжал развивать принципы Архимедова винта. Механизм да Винчи обладал мягкой трансмиссией, характерной для современных приборов.

Телега с ручным приводом
Один из рисунков показывает способ передачи движения на ось телеги. Рукоять поворачивает зубчатое колесо, которое приводит в движение проекторный механизм, соединенный с осью телеги, которая начинает вращать колеса. При повороте телеги движение передавалось только одному колесу, таким образом, второе колесо могло вращаться с другой скоростью. Работа дифференциала в конструкции привода современного автомобиля основана на этом же принципе.

Шестереночный механизм
Зубчатое колесо, изобретенное Архимедом в 3 веке до н.э., было хорошо известно во времена Леонардо, который работал над усовершенствованием различных видов механизмов, способных передавать движение и усилие. Сочетание зубчатого колеса с цевочной шестерней неоднократно встречается в разработках Леонардо. Цевочная шестерня представляет собой несколько маленьких цилиндров, находящихся между дисками. На рисунке Леонардо изображено зубчатое колесо с перпендикулярными штырями, расположенными по окружности колеса. Устройство передавало движение в момент , когда рукоять поворачивала цевочную шестерню, цеплявшуюся за штыри зубчатого колеса и вращавшая колесо.
Во втором варианте устройства рукоять приводила в действие зубчатое колесо. Схожий механизм применяется в устройстве некоторых современных часов.

Многие из чертежей и рисунков да Винчи являются настоящими произведениями искусства. Другие же выполнены в форме черновых набросков и в большей степени сконцентрированы на конструкции того или иного аппарата. Зачастую такие наброски включали заметки, написанные зеркальным почерком, о том, как оптимизировать эффективность устройства и увеличить его скорость. Нередко таким образом да Винчи удавалось усовершенствовать уже существовавшие на тот момент аппараты.
Интерес к механике не угасал у Леонардо на протяжение всей его жизни. Даже будучи в преклонном возрасте, да Винчи продолжал вносить изменения в свои работы в области металлургии, текстильных и строительных машин с целью их дальнейшего совершенствования.

Маховик
Маховик представляет собой механическое устройство для стабилизации скорости вращения. Согласно идее Леонардо, если достаточно быстро раскрутить рукоять, четыре сферических шара поднимутся вверх благодаря центробежной силе, в конечном итоге цепи натянутся и примут горизонтальное положение. Когда будет достигнута максимальная скорость вращения, шары и рукоять будут вращаться с постоянной скоростью. Маховик должен был поддерживать скорость вращения и сокращать усилия для её сохранения. На момент создания рисунка Леонардо было известно об использовании такого принципа в работе гончарного круга.

Прокатный стан
Данная машина предназначалась для производства листов металла. Леонардо предполагал её применение для изготовления узких листов жести.  Рукоять поворачивала верхний цилиндр, после чего начинали вращаться другие два цилиндра. Металлические листы прокатывались между цилиндрами, и благодаря давлению производимый лист был однородно гладким. Этот принцип работы прокатного стана не изменился по сей день.

Механический молот и наковальня


Устройство для нарезки винтов
Винт играл большую роль во многих изобретениях Леонардо да Винчи в области механики и использовался в механизме многих его аппаратов. Во времена Леонардо на смену деревянным винтам стали приходить металлические. На рисунке представлен проект устройства для нарезки винтов. Прут, изображенный на рисунке в центре устройства, предназначался для изготовления винта. При повороте рукояти двусторонние винты двигали устройство с винторезом, одновременно вращая центральный прут. В нижней части конструкции располагались приводы разных размеров, которые могли менять шаг винта.  

Трансформация постоянного движения в возвратно-поступательное.
На рисунке Леонардо показан способ трансформации постоянного движения в возвратно-поступательное. Рисунок был создан для проекта текстильной машины. Он демонстрирует способ равномерного наматывания нити на катушку.
Когда колесо начинало вращаться, рычаг, присоединенный к шатуну, приводил в движение вал воль оси вперед и назад. Катушка на конце вала двигалась вместе с ним, таким образом, намотка нити осуществлялась равномерно.


Шарикоподшипники


Идеальный город
В 1484 году старые грязные узкие и многолюдные улочки способствовали быстрому распространению чумы во многих итальянских городах. После эпидемии архитекторы задумались над совершенствованием городской среды.
Идея Леонардо состояла в создании многоуровневого города с домами, соединенными улицами, проходящими над водой. Широкие улицы в таком городе были задуманы перпендикулярно друг к другу, здания имели несколько функциональных уровней, а каналы обеспечивали связь города с морем.
Некоторые из спроектированных Леонардо зданий с арочными колоннадами повторяют формы классической архитектуры.


Одометр (для измерения расстояний)
Это устройство для точного измерения расстояния. Одометр Леонардо представлял собой тачку  зубчатыми колесами. Каждый раз после того, как колесо тачки совершало полный оборот, маленькое вертикальное колесо перемещалось на один зубец. В свою очередь горизонтальное колесо также поворачивалось на один зубец и выбрасывало через маленькое отверстие камень или деревянный шарик в специальный ящик. Сбор и подсчет этих шариков (камней) давал возможность установить точное количество оборотов колеса на земле, и тем самым измерить расстояние. Устройство Леонардо являлось доработанным вариантом  инструмента, спроектированного римским архитектором и инженером Витрувием.

Трансформация вращательного движения
Когда зубчатое колесо такого устройства начинало вращаться, поршневой шток, расположенный на оси горизонтальной перекладины, двигался вперед и назад по горизонтальной оси. Благодаря системе рычагов рукоять поворачивала колесо, присоединенные стержни двигались вперед-назад. Современные косилки работают по такому же принципу.
Помимо этого данный принцип заложен в устройстве работы поезда с паровой тягой.

Механизм для исследования веса