Механика в античном мире

Началом расцвета механики как науки можно считать XVII век — век бурного развития математического есте­ствознания. Именно тогда сформировались основные зако­ны классической механики. Однако зарождение механиче­ских знаний относится к глубокой древности, а термин «механика» применялся в античном мире. Правда, ему в течение долгого времени, по крайнем мере до середины XVII в., придавали иной смысл. Происходит он от древне­греческого слова mechane, которым называли все искусно придуманное, понимая при этом механическое искусство. Это относилось как к различным машинам и механизмам, так и вообще к «хитроумным» изобретениям. Слово me­chane употреблялось и в несколько более узком смысле. Первоначально оно обозначало название подъемных ма­шин, в частности машин, с помощью которых в греческих театрах поднимали и опускали актеров, и во­обще механизмов, позволявших посредством силы подни­мать значительные тяжести на достаточно большую высоту.

Позже этим словом стали называть различные метатель­ные машины, применявшиеся в античной технике.

В настоящее время теория машин и механизмов яв­ляется одним из разделов механики, а название «меха­ника» распространено на науку о всех видах механиче­ского движения.

Историю механики, как науки о машинах и механиз­мах, можно начинать с очень глубокой древности. Уже в эпоху неолита и бронзового века появилось колесо, несколько позже применяются рычаг и наклонная пло­скость. Регулярное применение рычага и наклонной пло­скости начинается в связи со строительными работами в древневосточных государствах. И, разумеется, все это время шел процесс выработки, осознания ряда более или менее абстрактных понятий, таких, как сила, сопротивление, перемещение, скорость.

Народы, создавшие великие цивилизации в бассейнах Нила, Тигра и Евфрата, были хорошо знакомы с такими механическими орудиями, как рычаг и клин. Первые египетские пирамиды строились примерно за три тысячи лет до нашей эры. На сооружение самой высокой из) них — пирамиды фараона Хуфу (Хеопса) пошло 23 300 000 каменных глыб, средний вес которых равен 2,5 т. При сооружении храмов, колоссальных статуй и обелисков вес отдельных глыб достигал десятков и даже сотен тонн. Такие глыбы из каменоломен доставлялись на место сооружения храма на специальных салазках.  В каменоломнях для отрыва каменных глыб от породы служил клин. Подъем тяжестей осуществлялся с помощью наклонной плоскости. Например, наклонная дорога к пирамиде Хафра (Хефрена) имела подъем 45,8 м и длину 494,6 м. Следовательно, угол наклона к горизонту составлял около 5,3°, и выигрыш в силе при поднятии тяжестей на эту высоту был значительным. Для обли­цовки и пригонки камней, а возможно и при подъеме их со ступеньки на ступеньку применялись качалки. Для поднятия и горизонтального перемещения каменных глыб служил также рычаг. С древнейших времен был известен в Египте и рычаг для подъема воды (шадуф).

Ирригационные сооружения междуречья Тигра и Евф­рата (Древний Вавилон), Средней Азии (Древний Хо­резм, Согдиана) и Ирана, высокий уровень строитель­ной техники, о котором свидетельствуют многочисленные памятники этой эпохи, позволяют предположить, что при их постройке также использовались «простые маши­ны» — рычаг, клин, наклонная плоскость. С давнего вре­мени (и почти до наших дней) в ирригационных соору­жениях Средней Азии для подъема воды служил чи­гирь — усовершенствованный вариант египетского шадуфа.

Однако до нас не дошел ни один древнеегипетский или вавилонский текст с описанием действия подобных машин. Поэтому остается открытым вопрос, были ли из­вестны тогда, например, свойства рычага, которые греки позднее выразили при помощи пропорций, ныне знакомых каждому школьнику. То же относится к древней Средней Азии и Ирану, где письменные источники практически не сохранились: найдены лишь небольшие фрагменты древнехорезмийских и согдийских рукописей. Основная масса их была уничтожена во время арабского завоева­ния Средней Азии в VIII в. н. э.

Таким образом, механику Древнего Востока можно от­нести к предыстории современной механики. Этот период предыстории характеризуется применением результатов накопленного практического опыта, и эти результаты, ви­димо, не подвергались теоретической обработке.

Известно, однако, что некоторой теоретической обработ­ке в Древнем Вавилоне подвергались результаты астро­номических наблюдений. С точки зрения истории механи­ки значительный интерес представляют вавилонские ме­тоды вычисления параметров движения небесных тел, которые реконструированы, правда, на основании изуче­ния вавилонских астрономических текстов достаточно поздней эпохи — эпохи Селевкидов (III—I вв. до н. э.). Это — таблицы эфемерид Солнца, Луны и планет, содержащие константы периодического движения светил.

Так как наблюдательные инструменты вавилонян не могли гарантировать точность даже в секундах, а дан­ные таблиц имеют точность до терций, естественно предположить, что вавилонские астрономы обрабатывали ре­зультаты наблюдений таким образом, чтобы представить их в виде арифметических рядов, соответствующих сту­пенчатой и линейной зигзагообразной функциям. На та­ком уровне научного мышления представление о скорости движения должно было принять достаточно абстрактный характер.

Характер античной механики определялся экономиче­скими основами рабовладельческого хозяйства. Развитие рабства в Греции явилось предпосылкой для более ши­рокого разделения труда в производстве. До известного периода это обеспечивало более быстрый рост техники и производительных сил, рабовладельцы же получили до­суг для интеллектуальной деятельности. Однако рабо­владельческое хозяйство содержало в себе элементы, тор­мозившие дальнейший рост техники. Рабам в основном поручались такие примитивные работы, которые или во­все не требовали орудий труда, или выполнялись крайне грубыми орудиями, так как раб, низведенный сам до сте­пени орудия труда, не был заинтересован ни в сохран­ности, ни в совершенствовании этих орудий.

Таким образом, из особенностей рабовладельческой эко­номики вытекали примитивный характер античной техники и ее медленная эволюция. К рычагу и клину в элли­нистическую эпоху, начавшуюся на рубеже IV—III вв. до н. э., добавляются еще блок и винт. В виноделии и маслоделии использовался пресс как рычажный, так и основанный на принципе вдавливаемого клина, а затем винтовой. Для подъема и горизонтального передвижения тяжестей греки и римляне применяли ворот — с горизон­тальной осью в первом случае и с вертикальной — во втором. В строительном деле употреблялись также блоки и системы блоков — полиспасты. Вращательные движения преобразовывали с помощью систем зубчатых колес. Бо­лее сложные механические орудия (водяное колесо, чер­вячная передача, винт, насос и т. д.) применялись срав­нительно редко — рабский труд препятствовал распрост­ранению механических приспособлений.

Однако в античном мире были виды деятельности, не связанные или почти не связанные с применением раб­ского труда. Это — военное и морское дело, потребностя­ми которых в значительной степени определялось разви­тие античной техники. На греческих и римских судах, как гражданских, так и военных, рабы использовались лишь в качестве гребцов. Более ответственные опера­ции — управление рулями, парусами и т. д.— были делом свободных граждан.

Уровень развития техники в военном деле (особенно в эллинистический и римский периоды) был значительно выше, чем в сельском хозяйстве. Уже в V в. до н. э. (Пелопоннесская война) в афинской армии применялись тараны, которые достигали гигантских размеров. Для ме­тания больших стрел пользовались катапультами; прототипом пулемета был полибол для непрерывного метания стрел; баллисты служили для метания камней. С их по­мощью ядро в 4 фунта могло быть брошено на расстоя­ние до 300 м. Существовали специальные прицельные приспособления и приборы для изменения траектории.

Очень важным видом деятельности, способствующим развитию техники и механических приспособлений, яви­лось ремесленное производство, которое, особенно в Гре­ции и эллинистическом мире, было в значительной степе­ни уделом свободных граждан. Именно с ремесленным производством связана разработка различных способов поднятия и перемещения тяжестей при помощи механи­ческих приспособлений, «хитроумных устройств» в ткац­ком, гончарном, ювелирном деле и т. д., т. е. всего того, что, пользуясь современной терминологией, можно объ­единить в понятие «техническая механика».

Значительным стимулом совершенствования механиче­ских устройств было развитие торговли (как внутренней, так главным образом и международной), связанной с применением золота в качестве менового эквивалента и рас­пространением драгоценных камней. Это способствовало использованию рычага в различных его видах, так как торговые операции требовали более точных способов взве­шивания. Появляются весы и безмены самых разнообраз­ных конструкций: с перемещающейся точкой опоры, с не­подвижной точкой опоры, но перемещающимся грузом и т. д. Практика взвешивания грузов на безменах основы­валась на эмпирическом знании закона рычага, и сама она в свою очередь доводила эти законы до степени очевидности. Устройство безмена было основано на твердом убеждении, что двойному грузу, подвешенному к одному плечу рычага (с неподвижной точкой опоры и постоянным по величине противовесом), соответствует вдвое большее удаление противовеса от точки опоры.

Принципиально новым для античной механики по срав­нению с научными достижениями Древнего Востока было то, что наряду со стихийным применением результатов многовекового практического опыта появляются и меха­нические теории.

Характерной чертой античной механики является разобщенность учения о движении — кинематики и уче­ния о равновесии — статики. Развитие этих основных об­ластей механики в течение длительного времени (вплоть до XVII в.— периода объединения их в единую науку) шло независимо друг от друга. И это в значительной мере предопределено традициями античной науки. Учение о движении разрабатывалось в рамках общего учения о природе: вопрос о сущности движения был одной из фун­даментальных проблем древнегреческой философии. Чи­сто кинематическое описание движений стало делом астро­номов, создававших и достаточно сложные инструменты для своих наблюдений и измерений, и механические моде­ли мироздания: движение небесных тел, согласно общепри­нятым в античной науке взглядам, не требовало причин­ных объяснений. Учение о равновесии развивалось на основе опыта применения различных приспособлений.

Таким образом, есть основание выделить три направ­ления и три линии развития в теоретической механике античного мира, которая зародилась в Древней Греции в VI—V вв. до н. э. и развивалась затем в эллинисти­ческих государствах и в созданной римлянами империи примерно до V в. н. э. Статика была почти непосред­ственно связана с техническими запросами; ее основными проблемами был расчет выигрыша в силе, достижимого с помощью известных механических приспособлений, и вывод условий равновесия при взвешивании и плавании тел. Кинематическое направление находилось, по крайней мере в эллинистическую эпоху, в русле астрономической тради­ции, к тому времени имевшей уже многовековую историю. В обеих этих областях был достигнут достаточно высокий уровень математизации этой науки — с использованием геометрии, тригонометрии и методов инфинитезимального характера. Общее учение о движении, чем занимались философы, было в основном качественной теорией. Оно, в соответствии с установками главных философских школ эпохи, оставляло в стороне количественную сторону дела и искало объяснения механических явлений, опираясь на повседневный опыт и наблюдения, путем сравнений и со­поставлений.

Наиболее ранние сочинения античных авторов, содер­жащие механические теории, не сохранились. Однако не­сомненно, что большинство этих теорий посвящено проб­лемам статики и что их основой служил принцип рычага. Известно, что Архит Тарентский (ок. 428—365 г. до н. э.) разрабатывал теорию блока полиспастов, но результаты его исследований до нас не дошли. Ему же некоторые ан­тичные авторы приписывают изобретение винта. Изобрете­ние бесконечного винта для подъема и передвижения тяжестей и бесконечного водоподъемного винта связывают с именем Архимеда. По-видимому, появление винта вызвало постановку новых технических и математических проблем. Однако, если следовать хронологии источников, надо начи­нать не с Архимеда, а с философов Древней Греции.

Уже на ранних стадиях развития греческой философии можно обнаружить зачатки двух принципиально различ­ных механических концепций, которые можно назвать кинетической и динамической.

Основные положения динамической концепции древних сводились к следующему:         материи чуждо самодвижение — сама по себе она может пребывать лишь в покое; движение материи определяется действием на нее актив­ных движущих начал — сил, существующих независимо от нее и действующих извне. По Эмпедоклу, например, материя приводится в движение двумя противоборствую­щими мировыми силами: любовью и враждой.

Напротив, с точки зрения кинетической концепции в природе нет каких-либо особых начал движения, не свя­занных с материей: материи свойственно самодвижение. Наиболее последовательными представителями античного кинетизма были атомисты — Левкипп, Демокрит, Эпикур и Лукреций. Принцип механического самодвижения ма­терии в общей форме выражен в их учении о несоздаваемости и неразрушимости материи и движения. Сог­ласно атомистам, природа ничего не содержит, кроме материи, движущейся в пустом пространстве.

Яркое и определенное выражение идея вечности и неуничтожаемости движения нашла у Гераклита Эфесского (ок. 530 г.— ок. 470 г. до н. э.). Гераклит учил, что все существующее в природе возникает из вечно движу­щегося огня. Огонь Гераклита нужно понимать не в смыс­ле обычного пламени, но как некую огнеподобную первооснову вещей. Мир, как совокупность вещей, сотворен не богом или человеком, а был, есть и будет вечно жи­вым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономер­но угасающим. Об этом фрагменте Ленин замечает: «Очень хорошее изложение начал диалектического мате­риализма».

Учение о вечности движения вызвало реакцию со сто­роны Парменида и других философов элейской школы, которые считали, что это учение делает невозможным познание, ибо о том, что меняется, нельзя сказать ни­чего определенного. Элеаты утверждали, что истинное бы­тие неподвижно и находится вне времени и пространства, а наши представления о пространстве, времени и движе­нии противоречивы и сложны. Это положение защища­лось мастером древней диалектики Зеноном в его знаме­нитых «парадоксах». Наибольшее же влияние на даль­нейшее развитие механики оказало учение Аристотеля.