33. Наиболее выгодная нагрузка для носильщика, который носит дрова вверх по лестнице на своих плечах, была исследована Гаспаром де Прони; но он обнаружил экспериментально, что человек, идущий вверх по лестнице без какой-либо нагрузки и поднимающий свой груз с помощью собственного веса при спуске, может выполнить за один день столько же работы, сколько четыре человека, занятые обычным способом с наиболее благоприятной нагрузкой.
34. Пропорция между скоростью, с которой движутся люди или животные, и весом, который они несут, является вопросом значительной важности, особенно в военных делах. Также очень важно для экономии труда регулировать вес той части тела животного, которая приводится в движение, вес инструмента, который оно приводит в действие, и частоту повторения этих усилий, чтобы получить наибольший эффект. Пример экономии времени за счет того, что одно и то же движение руки выполняет две операции вместо одной, встречается в простом искусстве изготовления наконечников для шнурков: эти наконечники изготавливаются из очень тонкого луженого листового железа и раньше вырезались из длинных полос этого материала на куски такой ширины, что при сгибании они как раз охватывали шнурок. Недавно к боковой стороне ножниц были прикреплены два стальных элемента, с помощью которых каждый кусок луженого железа сразу после разрезания сгибается в полуцилиндрическую форму. Дополнительная сила, требуемая для этой операции, почти незаметна, и она выполняется тем же движением руки, которое производит разрез. Работа обычно выполняется женщинами и детьми; и с улучшенным инструментом за данное время производится более чем в три раза большее количество наконечников.(1*)
35. Всякий раз, когда сама работа легкая, необходимо для экономии времени увеличивать скорость. Скручивание волокон шерсти пальцами было бы самой утомительной операцией: в обычной прялке скорость ноги умеренная, но с помощью очень простого приспособления скорость нити становится очень высокой. Кусок кетгута, проходящий вокруг большого колеса, а затем вокруг маленького шпинделя, осуществляет это изменение. Это приспособление свойственно множеству машин, некоторые из которых очень просты. В больших магазинах розничной торговли лентами необходимо через короткие промежутки времени проводить «инвентаризацию», то есть измерять и перематывать каждый кусок ленты, — операция, которая даже при таком способе ее сокращения достаточно утомительна, но без него была бы почти невозможна из-за своей стоимости. Маленькие клубки швейных ниток, такие дешевые и так красиво намотанные, формируются машиной, работающей по тому же принципу и лишь на несколько шагов более сложной.
36. При переходе от мелких инструментов, находящихся в частом употреблении, к более крупным и важным машинам экономия, возникающая от увеличения скорости, становится более заметной. При превращении чугуна в ковкое железо масса металла весом около центнера нагревается почти до белого каления и помещается под тяжелый молот, приводимый в движение силой воды или пара. Он поднимается выступом на вращающейся оси; и если бы молот получал импульс только от пространства, через которое он падал, потребовалось бы значительно больше времени для нанесения удара. Но поскольку важно, чтобы размягченная масса раскаленного железа получила как можно больше ударов до того, как она остынет, форма кулачка или выступа на оси такова, что молот, вместо того чтобы подниматься на небольшую высоту, подбрасывается рывком и почти сразу после этого ударяется о большую балку, которая действует как мощная пружина и гонит его вниз на железо с такой скоростью, что благодаря этим средствам за данное время можно нанести примерно вдвое больше ударов. В меньших тильтовых молотах это доведено еще дальше: при сильном ударе хвостом тильтового молота о небольшую стальную наковальню он отскакивает с такой скоростью, что в минуту наносится от трех до пятисот ударов. В производстве якорей, искусстве, в котором подобное приспособление имеет еще большее значение, оно было применено лишь недавно.
37. При изготовлении кос длина лезвия делает необходимым, чтобы рабочий двигался легко, чтобы быстро подводить каждую его часть к наковальне. Это достигается путем помещения его на сиденье, подвешенное на веревках к потолку: так что он может с небольшим физическим усилием изменять свое расстояние, нажимая ногами на блок, который поддерживает наковальню, или на пол.
38. Увеличение скорости иногда необходимо для того, чтобы сделать операции возможными: так, человек может кататься с большой быстротой по льду, который не выдержал бы его веса, если бы он двигался по нему медленнее. Это происходит из-за того, что для разрушения льда требуется время: как только вес конькобежца начинает действовать на какую-либо точку, лед, поддерживаемый водой, медленно прогибается под ним; но если скорость конькобежца значительна, он успевает проехать место, которое было нагружено, прежде чем прогиб достигнет точки, которая вызвала бы разрушение льда.
39. Эффект, не очень отличающийся от этого, мог бы иметь место, если бы лодкам была сообщена очень большая скорость. Давайте представим плоскодонную лодку, нос которой образует наклонную плоскость с дном, находящуюся в покое в стоячей воде. Если мы представим, что какая-то очень большая сила внезапно толкает эту лодку, наклон плоскости в передней части заставил бы ее подняться в воде; и если бы сила была чрезмерной, она могла бы даже подняться из воды и продвигаться серией скачков, как кусок сланца или раковина устрицы, брошенная при игре в «блинчики».
Если бы силы было недостаточно, чтобы вытащить лодку из воды, но было бы как раз достаточно, чтобы поднять ее дно к поверхности, она двигалась бы с большой быстротой с неким скользящим движением; ибо в каждой точке своего пути потребовалось бы определенное время, прежде чем она могла бы погрузиться до своей обычной осадки; но прежде чем это время истекло бы, она продвинулась бы к другой точке и, следовательно, была бы поднята реакцией воды на наклонную плоскость в ее передней части.
40. Тот же факт, что тела, движущиеся с большой скоростью, не имеют времени проявить полный эффект своего веса, по-видимому, объясняет обстоятельство, которое кажется очень необъяснимым. Иногда случается, что когда пешеходов сбивают экипажи, колеса проезжают по ним почти без повреждений, хотя, если бы вес экипажа покоился на их теле хотя бы несколько секунд, это раздавило бы их насмерть. Если приведенный выше взгляд верен, травма в таких обстоятельствах будет главным образом приходиться на ту часть тела, по которой ударяет движущееся колесо.
41. Операция, в которой быстрота имеет существенное значение, — это подъем продукции шахт на поверхность. Шахты, через которые поднимается продукция, проходятся с очень большими затратами, и, конечно, желательно проходку как можно меньшего их числа. Поэтому извлекаемый материал поднимается паровыми машинами с значительной скоростью, и без этого многие из наших шахт не могли бы разрабатываться с прибылью.
42. Эффект большой скорости в изменении формы когезивного вещества прекрасно показан в процессе изготовления оконного стекла, называемом «флэшинг» (flashing), который является одной из самых поразительных операций в наших домашних искусствах. Рабочий, окунув свою железную трубку в горшок со стеклом и нагрузив ее несколькими фунтами расплавленного «металла», выдувает большой шар, который соединен с его стержнем коротким толстым полым горлышком. Другой рабочий теперь прикрепляет к шару непосредственно напротив его горлышка железный стержень, конец которого был окунут в расплавленное стекло; и когда это прочно прикреплено, несколько капель воды отделяют горлышко шара от железной трубки. Стержень с прикрепленным к нему шаром теперь удерживается у отверстия раскаленной печи: и путем вращения стержня шар заставляют медленно вращаться, чтобы он равномерно подвергался воздействию тепла: первым эффектом этого размягчения является то, что стекло сжимается само на себя и расширяет отверстие горлышка. По мере того как размягчение продолжается, шар вращается быстрее вокруг своей оси, и когда он становится очень мягким и почти раскаленным, его вынимают из огня, и скорость вращения постоянно увеличивается, отверстие расширяется под действием центробежной силы, сначала постепенно, пока, наконец, устье внезапно не расширяется или «вспыхивает» в один большой круговой лист раскаленного стекла. Горлышко первоначального шара, которое должно стать внешней частью листа, оставляют толстым, чтобы допустить это расширение, и оно образует край круглой пластины стекла, которая называется «стол» (Table). Центр представляет собой вид толстого выступа или выпуклости, называемой «бычий глаз» (Bull's-eye), в той части, которой он был прикреплен к железному стержню.
43. Наиболее частая причина использования приспособлений для уменьшения скорости возникает из необходимости преодоления больших сопротивлений с помощью малой силы. Системы блоков, кран и многие другие иллюстрации также могли бы быть приведены здесь в качестве примеров; но они более уместно относятся к некоторым другим причинам, которые мы приписали преимуществам механизмов. Обычный дымовой вертел — это инструмент, в котором сообщаемая скорость слишком велика для требуемой цели, и она передается через колеса, которые уменьшают ее до более умеренной скорости.
44. Телеграфы — это машины для передачи информации на большие расстояния с большой быстротой. Они, как правило, были созданы для целей передачи информации во время войны, но растущие потребности человека, вероятно, скоро сделают их полезными для более мирных целей.
Несколько лет назад телеграф передал в Париж информацию об открытии кометы Гаспаром де Прони в Марселе: сообщение прибыло во время заседания Французского бюро долгот и было отправлено в записке от министра внутренних дел Лапласу, президенту, который получил ее, пока автор этих строк сидел рядом с ним. Целью в данном случае было придать факту самую раннюю огласку и обеспечить Гаспару де Прони титул его первооткрывателя.
В Ливерпуле установлена система сигналов для целей торговли, так что каждый купец может общаться со своим собственным судном задолго до того, как оно прибудет в порт.
ПРИМЕЧАНИЯ: 1. См. Transactions of the Society of Arts, 1826.
Глава 5
Продление времени действия сил
45. Это одно из самых распространенных и полезных применений механизмов. Полминуты, которые мы ежедневно посвящаем заводу наших часов, — это почти незаметное усилие; однако с помощью нескольких колес его эффект распределяется на все двадцать четыре часа. В наших часах это продление времени действия первоначально приложенной силы доведено еще дальше; лучшие виды обычно требуют завода раз в восемь дней, а некоторые иногда делаются так, чтобы продолжать действие в течение месяца или даже года. Другую знакомую иллюстрацию можно заметить в нашей домашней обстановке: обычный вертел, на котором жарится наше мясо, — это приспособление, позволяющее кухарке за несколько минут приложить силу, которую машина распределяет в течение последующего часа, вращая нагруженный вертел; тем самым позволяя ей уделить все свое внимание другим важным обязанностям своего призвания. Большое количество автоматов и механических игрушек, приводимых в движение пружинами, можно отнести к этому разделу.
46. Малая движущая сила в виде вертела или пружины с поездом колес часто является большим удобством для экспериментатора и с успехом использовалась в магнитных и электрических экспериментах, где необходимо вращение диска из металла или другого тела, тем самым предоставляя исследователю беспрепятственное использование обеих рук. Лопасть, соединенная с поездом колес и приводимая в движение тяжелым грузом, также в некоторых случаях использовалась в химических процессах для поддержания раствора в состоянии перемешивания. Другой объект, к которому может быть применен подобный аппарат, — это полировка небольших образцов минералов для оптических экспериментов.
Глава 6
Экономия времени в естественных процессах
47. Процесс дубления предоставит нам поразительную иллюстрацию силы механизмов в ускорении определенных процессов, в которых естественные операции имеют основной эффект. Цель этого искусства — соединить определенный принцип, называемый дублением, с каждой частицей кожи, подлежащей дублению. Это в обычном процессе достигается путем выдерживания кож в ямах, содержащих раствор дубильного вещества: они остаются в ямах шесть, двенадцать или восемнадцать месяцев; и в некоторых случаях (если шкуры очень толстые) они подвергаются операции в течение двух лет или даже более длительного периода. Эта продолжительность времени, по-видимому, требуется для того, чтобы позволить дубильному веществу проникнуть внутрь толстой шкуры. Улучшенный процесс состоит в помещении шкур с раствором дубителя в закрытые сосуды, а затем откачивании воздуха. Эффект заключается в удалении любого воздуха, который может содержаться в порах шкур, и содействии капиллярному притяжению давлением атмосферы при проталкивании дубителя внутрь шкур. Эффект дополнительной силы, таким образом приведенной в действие, может быть равен только одной атмосфере, но было сделано дальнейшее улучшение: сосуд, содержащий шкуры, после откачивания заполняется раствором дубителя; затем небольшое дополнительное количество впрыскивается с помощью нагнетательного насоса. Благодаря этим средствам может быть приложено любое давление, которое способен выдержать содержащий сосуд; и было обнаружено, что при использовании такого метода самые толстые шкуры могут быть выдублены за шесть недель или два месяца.
48. Тот же процесс впрыскивания можно было бы применить для пропитки древесины дегтем или любым другим веществом, способным предохранить ее от гниения, и если бы это не было слишком дорого, сосновые полы домов можно было бы таким образом пропитать квасцами или другими веществами, которые сделали бы их гораздо менее подверженными случайному возгоранию. В некоторых случаях было бы полезно пропитывать древесину смолами, лаком или маслом; и древесина, насыщенная маслом, могла бы в некоторых случаях с пользой использоваться в механизмах для обеспечения постоянной, но очень незначительной подачи этой жидкости к железу или стали, против которых она работает. Некоторое представление о количестве вещества, которое может быть введено в древесину под большим давлением, можно составить, рассмотрев факт, изложенный г-ном Скорсби относительно несчастного случая, произошедшего с лодкой одного из наших китобойных судов. Гарпун был вонзен в рыбу, кит в этом случае нырнул прямо вниз и увлек лодку за собой. При возвращении на поверхность животное было убито, но лодка, вместо того чтобы всплыть, оказалась подвешенной под китом на веревке гарпуна; и при ее поднятии каждая часть древесины оказалась настолько полностью насыщенной водой, что немедленно пошла ко дну.
49. Операция отбеливания льна на открытом воздухе — это процесс, для которого требуется значительное время; и хотя он не требует большого труда, все же из-за риска повреждения и кражи при длительном воздействии способ сокращения процесса был весьма желателен. Метод, практикуемый в настоящее время, хотя и не является механическим, представляет собой настолько примечательный пример применения науки к практическим целям мануфактур, что при упоминании преимуществ, полученных от сокращения естественных операций, было бы едва ли простительно не упомянуть прекрасное применение хлора в сочетании с известью в искусстве отбеливания.
50. Другой пример, более строго механический, встречается в некоторых странах, где топливо дорого, а тепла солнца недостаточно для испарения воды из соляных источников. Вода сначала перекачивается в резервуар, а затем ей позволяют падать небольшими потоками через хворост. Таким образом, она разделяется; и, представляя большую поверхность, испарение облегчается, и рассол, который собирается в сосудах под хворостом, становится более крепким, чем тот, который был перекачан. После избавления таким образом от большой части воды оставшаяся часть удаляется кипячением. Успех этого процесса зависит от состояния атмосферы в отношении влажности. Если воздух в то время, когда рассол падает через хворост, содержит в растворе столько влаги, сколько может содержать в невидимом состоянии, больше ее не может быть поглощено из соленой воды, и труд, затраченный на перекачку, полностью потрачен впустую. Состояние воздуха в отношении сухости является, следовательно, важным соображением при определении времени, когда эта операция должна быть выполнена; и внимательное изучение его состояния с помощью гигрометра могло бы привести к некоторой экономии труда.
51. В некоторых странах, где древесина в дефиците, испарение соленой воды осуществляется с помощью большой коллекции веревок, которые натянуты перпендикулярно. Проходя вниз по веревкам, вода откладывает сульфат извести, который она удерживала в растворе, и постепенно покрывает их коркой, так что в течение двадцати лет, когда они почти сгнили, они все еще поддерживаются окружающей коркой, тем самым представляя вид обширной коллекции небольших колонн.
52. Среди естественных операций, постоянно изменяющих поверхность нашего земного шара, есть некоторые, которые было бы выгодно ускорить. Разрушение скал, которые препятствуют порогам судоходных рек, относится к этому классу. Очень красивый процесс для достижения этой цели был применен в Америке. Лодка помещается в нижней части порога и удерживается в своем положении длинной веревкой, которая прочно закреплена на берегу реки возле вершины. Ось, имеющая колесо, подобное гребному колесу парохода, закрепленное на каждом ее конце, помещается поперек лодки; так что два колеса и их соединительная ось быстро вращаются, будучи приводимыми в движение силой проходящего потока. Давайте теперь представим несколько балок из дерева, окованных заостренным железом, закрепленных на концах сильных рычагов, выступающих за нос лодки, как на прилагаемом изображении.
Если эти рычаги свободны двигаться вверх и вниз, и если один или несколько выступающих кусков, называемых кулачками, закреплены на оси напротив конца каждого рычага, действие потока на колеса будет поддерживать постоянную последовательность ударов. Остроконечный башмак, ударяясь о скалу на дне, будет постоянно отделять небольшие куски, которые поток будет немедленно уносить. Таким образом, простым действием самой реки устанавливается постоянная и наиболее эффективная система дробления скалы на ее дне. Один рабочий может с помощью руля направить лодку в любую требуемую часть потока; и когда необходимо двигаться вверх по порогу, по мере того как канал прорезается, он может легко заставить лодку продвигаться с помощью кабестана.