Животные при постройке своих нор и логовищ и для прокормления детенышей должны перетаскивать строительный материал и пищу. Кто не видел, как муравьи тащат в свой муравейник хвою, червяков, травинки и гусениц. Они суетливо копошатся и волокут ношу, превышающую их самих не только по размерам, но и по весу. Так поступают почти все животные. Только в сравнительно редких случаях, вместо того чтобы тянуть свою добычу, животное начинает катить ее. Так египетские жуки-скарабеи из навоза скатывают шарики, в которые вкладывают яички, с тем чтобы личинки были обеспечены пищей. Есть много рассказов о том, как лисицы подкатывают свернувшегося ежа к воде, чтобы схватить его за не защищенное иглами брюхо, когда он развернется и поплывет.
Таким образом, в животном мире можно встретить немало случаев бессознательного использования вращательного движения.
Первобытным людям, жившим в теплом климате и питавшимся кореньями, плодами и случайной добычей, не было надобности затрачивать много труда для удовлетворения своих немногочисленных потребностей. Они ютились в шалашах или пещерах и пищу находили поблизости от жилья. Когда позднее люди стали с помощью охоты добывать себе еду, а шкуры убитых зверей употреблять для изготовления одежды, когда охотникам и рыболовам приходилось часто удаляться от становища, возникла необходимость перетаскивать убитую дичь и передвигаться самим. Легче всего было передвигаться по воде. На тяжелых, неуклюжих плотах, сделанных из случайно упавших в воду стволов деревьев, было легко спускаться вниз по реке. На легких плотах, отталкиваясь шестом, можно было двигаться и против течения. Много позднее люди научились выжигать, а потом и выдалбливать стволы деревьев и делать из них простейшие лодки. Деревья для этих лодок они выбирали, конечно, поближе к берегу.
Но бывало так, что наиболее подходящее дерево росло не на самом берегу; тогда возникала необходимость дотащить бревно до воды. Надо полагать, что при этом наши далекие предки заметили, что катить его гораздо легче, чем тянуть. В самом деле, как мы знаем, когда одно тело скользит по поверхности другого, возникает сила, препятствующая движению. Это — сила трения скольжения. Когда одно тело катится по поверхности другого, также возникает сила, препятствующая этому движению. Это — сила трения качения. Трение скольжения больше трения качения, поэтому катить легче, чем волочить. Однако катить можно только по гладкому месту, катить же в лесу нельзя: если бревно длинное, оно все время будет наталкиваться на деревья. Волей-неволей, а приходилось тянуть его вдоль. Проделывая много раз эту утомительную работу, первобытные люди заметили, что тянуть ствол легче, если он скользит не по земле, а по корням или по упавшим стволам менее крупных деревьев. Тогда, для облегчения этой работы, стали подкладывать специально на пути катящегося ствола куски дерева. Естественно было заметить, что особенно облегчалась работа тогда, когда эти куски дерева оказывались сами прямыми и круглыми и, в свою очередь, могли катиться по земле. Так был изобретен каток— предшественник колеса.
Не нужно думать, что это первобытное изобретение с течением времени устарело. Его применяли и тогда, когда развился рабовладельческий строй. Огромные камни для пирамид и дворцов рабы передвигали с помощью первобытных катков на значительные расстояния к месту постройки. На рис. 1 изображено изваянное из камня украшение одной из стен дворца ассирийского царя Сенахериба.
Рис. 1. Перевозка на катках крылатого каменного быка в древней Ассирии.
Мы видим, как крылатого быка тянут на насыпь, подкладывая катки под деревянный помост, на котором он стоит.
Катки остались в качестве вспомогательных орудий и в наше время, но применяются они лишь тогда, когда требуется перемещать тяжелые грузы на очень небольшие расстояния. Никому не придет теперь в голову перетаскивать тяжелые предметы издалека на катках, для этого уже много веков тому назад изобретены повозки.
Повозка была сделана, несомненно, на много тысячелетий позднее, чем изобретен каток: сама надобность в повозке могла возникнуть только тогда, когда имелось что перевозить и приходилось передвигать грузы на сравнительно большие расстояния. У первобытных охотников еще не было потребности в усовершенствовании транспортных средств. Их имущество было столь несложно и мало, что, при перемене места охоты, они либо могли взять его с собой, либо же бросить без особого сожаления. Когда же добыча оказывалась обильной и ее нельзя было унести на собственных плечах или приволочь на примитивных волокушах, охотники предпочитали сами переселяться к месту добычи. Только после перехода к скотоводству и земледелию, когда систематические переселения стали необходимы для смены пастбищ, а домашний инвентарь был уже более сложным, — только тогда потребовались специальные приспособления для перевозки грузов и была использована тягловая сила животных. Примитивная волокуша в это время начала заменяться повозкой.
Но колесные повозки возникли далеко не сразу. Не везде имелись условия, благоприятствовавшие их появлению. Колесные повозки не могли возникнуть ни в лесу, ни в горах, где из-за бездорожья все равно нельзя было бы их использовать, ни в песчаных полупустынных степях, ни в болотистых тундрах, где летом колеса увязали бы во мху и песке, а зимою— в снегу. Первые колесные повозки должны были появиться там, где почва благоприятствовала их применению, где оказывался строительный материал для их изготовления. Эти условия имелись в травянистых степях, где почва ровная и твердая, а по лощинам росли деревья.
Повозки можно рассматривать как усовершенствование первобытного катка. Если вначале подкладывали катки непосредственно под перетаскиваемый предмет, например под бревно, то с течением времени стали делать помост с полозьями или лежнями по краям, на который клали груз; катки же подводились под лежни помоста так, что они выступали из-под него. При этом приходилось все время подкладывать катки спереди и подбирать их позади помоста, что сильно замедляло передвижение.
У древних «изобретателей» должна была возникнуть мысль: нельзя ли обойтись одним катком, не дав ему выскальзывать из-под помоста? Два сучка на крайних брусьях-лежнях помоста прекрасно решали эту задачу. Так был изобретен первобытный подшипник. Однако новое удобство повело и к некоторому ухудшению: повозка стала тяжелее на ходу. Объясняется это очень просто: раньше обычно ни каток не скользил по земле, ни лежни по катку. Если же каток не мог выходить из-под помоста, то он перекатывался только по земле и скользил по лежням. В том месте, где каток соприкасался с лежнями помоста, и каток и лежни истирались, на них появлялись желобки. Трущиеся части нагревались; от нагрева и от стирания на поверхности дерева появлялась смола, образуя смазку, что уменьшало силу трения. Как только образовывалась «шейка», ход повозки становился легче, т. е. перевозка одного и того же груза требовала меньше усилий. Происходит это вследствие того, что «путь» трущейся о лежни части катка при каждом обороте становится меньше во столько же раз, во сколько поперечник шейки меньше поперечника необтертой части катка. Сила же трения, как известно, не зависит от величины трущихся поверхностей. Таким образом, сила оставалась постоянной, а «путь» уменьшался. Поэтому работа, измеряемая произведением силы на путь, становилась меньше. (В данном случае, под путем надо понимать не перемещение самой повозки, а перемещение трущейся части катка относительно «неподвижных» лежней).
Со временем стали умышленно обрабатывать каток, например посредством обжигания, таким образом, чтобы вся средняя его часть была тоньше, а боковые оставались неизменными. Каток расчленился: середина его образовала «ось», а боковые части — «колеса». Получилось то, что в настоящее время называется «скат».
Позднее отдельно стали изготовлять ось и колеса. Однако колеса наглухо насаживались на ось. Пример такого ската можно обнаружить на изображении древнеримской военной повозки, где видны прямоугольные концы осей (рис. 2).
Рис. 2. Древнеримская военная повозка с колесами, наглухо насаженными на ось (скат).
Это примитивное устройство сохранилось в крестьянской телеге, заснятой в 90-х годах прошлого столетия. На рис. 3 ясно видно, что ось этой телеги вращается одновременно с колесами.
Рис. 3. Скат в русской крестьянской телеге конца XIX в.
Смазку оси стали тоже производить искусственно, применяя для этого выкуренную смолу — деготь.
Не следует думать, однако, что в отличие от обычных колес скат (глухая насадка колес на ось) — технически плохое решение вопроса. Наоборот, скат имеет даже немаловажные преимущества перед обычным колесом, насаженным на неподвижную ось: он проще в изготовлении и прочнее. Поэтому его и сейчас применяют во всех современных паровозах и железнодорожных вагонах (рис. 4).
Рис. 4. Современные скаты железнодорожных вагонов и паровозов.
Единственное его неудобство обнаруживается только при крутых поворотах, когда одно из колес должно пройти более длинный путь по сравнению со вторым. Второе же колесо должно при этом не катиться, а скользить. На железной дороге, где повороты плавные, это почти незаметно, но уже у трамвая скольжение на повороте нередко дает о себе знать скрипом и быстрым износом рельс. У телег с деревянными осями и колесами в таком случае возможны поломки. Поэтому крупным шагом вперед в развитии техники передвижения было изобретение колес со ступицей, насаживающихся на неподвижную ось. В этом случае оба колеса вращаются независимо одно от другого, и при поворотах не возникает скольжения. Однако изготовление такого колеса много труднее и требует применения более совершенных инструментов. Кроме того, сплошные колеса подобного типа весьма тяжелы. С течением времени их сменили колеса со спицами, сначала весьма грубые, затем изящные (рис. 5).
Рис. 5. Изготовление колес со спицами в XVIII в. (со старинного рисунка).
В дальнейшем появились металлические оси и металлические колеса.
Промышленная революция в Западной Европе в конце XVIII в., появление крупного машинного производства, вызвала коренные преобразования в средствах сношения и транспорта. Необходимость улучшения способов доставки руды и топлива способствовала изобретению рельсовых путей. Катящиеся по рельсам колеса были снабжены выступами на ободе (ребордами). Перевозка промышленных грузов стала производиться конной тягой на рельсовых путях.
В середине XVIII в. впервые было сделано изобретение, правда долго не применявшееся, позволившее коренным образом улучшить использование вращательного движения в технике. Дело в том, что и при колесе, неподвижно насаженном на ось, и при колесе со ступицей, вращающемся на неподвижной оси, все же остается трение скольжения, которого нет при самых простых катках. Идея нового изобретения состояла в том, чтобы уничтожить трение скольжения, поместив между осью и ступицей колеса ряд катков либо цилиндрической формы, либо в виде шариков. Это позволило уменьшить трение во втулке оси в шесть-семь раз по сравнению с хорошо смазанным обычным колесом. Такое улучшение особенно пригодилось, когда стали строить повозки, передвигаемые с помощью приложения человеческой силы, — велосипеды и самодвижущиеся повозки — автомобили. В наше время шариковые подшипники устанавливаются почти везде, где есть вращающиеся части машин.
Новейшее улучшение колесных повозок — это применение резиновых шин. Уже давно обод колеса для увеличения прочности стали стягивать железным кольцом — шиной, его надевали на готовое колесо в нагретом виде. При остывании железная шина стягивалась и прочно охватывала деревянный обод колеса. При быстрой езде по каменной дороге такое колесо создавало шум и вызывало сильную тряску. Когда научились обрабатывать резину, поверх железного обода стали накладывать еще резиновый. Это сразу избавило повозку от стука и в значительной мере уменьшило тряску.
Еще более совершенная резиновая шина, изобретенная в конце XIX в., состоит из двух частей: прорезиненной плотной покрышки и тонкой воздухонепроницаемой камеры, которую накачивают воздухом до давления в несколько атмосфер. Такая упругая шина еще лучше устраняет тряску, кроме того, она облегчает ход повозки. Дело в том, что на всякой неровности дороги неупругое колесо, а с ним и повозка должны на большом ходу подскакивать при ударах о препятствия. Как ни малы эти подъемы, надо затрачивать на них работу. Если же шины упруги, то они проминаются на отдельных бугорках и ось при этом не поднимается, а значит, и не производится добавочная работа на поднятие груза (веса повозки с кладью).
В начале XIX в. роль колеса в повозках коренным образом изменилась. До этого времени колесо служило, главным образом, для уменьшения сопротивления трения, т. е. его значение было подчиненным. Когда же стали изобретать самодвижущиеся повозки, то на долю колеса выпала задача передавать движение от двигателя ко всей повозке в целом, иными словами, колесо стало играть активную роль. В этом случае стали применять колеса, наглухо насаженные на ось, которая вращается от двигателя либо при помощи кривошипного механизма, как в паровозе, либо же путем передачи ей вращения при помощи вала и конических шестерен, как в автомобиле.
Как известно, согласно непреложному физическому закону, действие равно противодействию. Поэтому, когда колесо, вращаясь, тянет поезд вперед, оно с такой же силой толкает рельсы назад. Мы, конечно, не замечаем результата этого действия, так как масса Земли во много миллионов раз больше массы самого тяжелого поезда. Поэтому приобретаемая земным шаром скорость оказывается ничтожной. Для того же, чтобы колеса поезда могли отталкивать рельсы назад, необходимо, чтобы трение скольжения между колесами и рельсами было достаточно большим. Интересно отметить, что первые изобретатели паровозов опасались, что вращающиеся колеса будут проскальзывать по земле, тем более по рельсам, и придется делать и колеса и рельсы зубчатыми для того, чтобы паровоз мог тянуть самого себя, не говоря уже о прицепленных к нему вагонах.
Некоторые изобретатели того времени даже снабжали паровозы особыми металлическими «ногами», с помощью которых эти паровозы должны были как бы отталкивать рельсы. Однако мы хорошо знаем из опыта, что эти страхи оказались напрасными, а металлические «ноги» — ненужными. Больше того, они могли отбросить их еще и до постройки своих машин: им, несомненно, было известно действие тормоза. Если не дать колесу возможности вращаться, то повозку можно передвигать только с большим трудом, так как вместо того, чтобы перекатываться, колесо будет скользить по дороге; трение же при скольжении много больше трения при качении.
Прицепленные груженые вагоны увеличивают трение качения и тормозят движение паровоза. Чем больше вагонов к нему прицеплено, тем больше тормозящее усилие. Это усилие можно, очевидно, увеличивать только до известного предела. Когда при большом числе прицепленных вагонов трение качения вагонов станет равным или больше силы трения скольжения колес паровоза, «ведущее» колесо начнет проскальзывать — «буксовать», паровоз не сможет тянуть поезд: его колеса будут вращаться на месте. В таком случае на рельсы под колеса сыплют песок. Он не увеличивает силы трения качения, но во много раз увеличивает трение скольжения колес паровоза по рельсам.
Если бы паровоз или автомобиль поехал по палубе корабля, мы заметили бы, что корабль отходит назад. Этим законом равенства действия и противодействия можно воспользоваться для устройства весьма остроумного приспособления. Представим себе, что паровоз перевернулся вверх колесами, но его машина работает и колеса вращаются в воздухе. Если положить теперь на колеса рельсы, то не паровоз будет двигаться по рельсам, а рельсы по колесам. В самом деле, опрокинутый паровоз можно сдвинуть с места, только приложив огромную силу, так как он прочно удерживается на месте силой трения о землю. Силы трения рельсов о колеса для этого недостаточно. Но равная ей, только направленная в обратную сторону, сила сможет толкать сравнительно легкий рельс. Как ни фантастичен подобный пример, все же каждый рельс при своем появлении на свет передвигается этим способом на рельсопрокатном заводе. Есть, правда, одно несущественное отличие: «колеса», по которым двигается рельс, имеют широкие ободья. Вернее, это — хорошо знакомые нам катки. Однако это не свободные катки, а закрепленные на осях валы, вращающиеся от электромоторов. Целый ряд таких валов поставлен на прокатном стане, превращающем стальную болванку в рельс. Выйдя из-под стана, раскаленная стальная лента рельса попадает на эти вращающиеся валы, автоматически передвигающие ее к пиле, которая разрезает эту ленту на части. Отрезанные куски передвигаются дальше к печам. На таких же валах подается к прокатному стану и та болванка, из которой прокатывается рельс. Подобное же устройство может быть применено и для передвижения сыпучих тел. В этом случае валы покрываются кольцевой лентой прорезиненной материи. Она идет поверх валов, загибается на последнем вниз, идет внизу до первого вала, где вновь загибается вверх. Если валы не вращаются, то и лента находится в покое; как только валы начинают вращаться, лента начинает двигаться в сторону вращения, причем с той же скоростью, что и точки, лежащие на поверхности валов (в том случае, если не будет проскальзывания ленты по валам). Тогда на ленту можно набрасывать песок, зерно, класть кирпичи и т. п. Можно установить оси всех валов в горизонтальной плоскости. В этом случае перемещение ленты тоже будет происходить горизонтально, мы будем иметь «транспортер» (конвейер). Если же полотно будет двигаться наклонно, то и лежащий на нем груз будет подниматься. Устройство будет действовать как подъемник. Можно заставить двигаться по валам ленту не из ткани, а металлическую, составленную из звеньев. На ней устраивают ступени. В этом случае подъемник превращается в самодвижущуюся лестницу — «эскалатор». Что произойдет, если мы затормозим нижнюю сторону бесконечной ленты «транспортера», например при-ведя ее в соприкосновение с землей? Очевидно, валы смогут при этом вращаться, не проскальзывая, только при условии, если их оси станут катиться вперед. С осями, конечно, будут передвигаться и их подшипники и все сооружение, с которым эти подшипники связаны, т. е. транспортер превратится в так называемый «гусеничный ход». Для того чтобы полностью избежать проскальзывания бесконечной ленты, несколько валов (колес) изготовляются зубчатыми, а на внутренней стороне ленты делаются шипы, за которые и задевают зубцы ведущих колес (рис. 6).
Рис. 6. Гусеничный ход трактора.
Гусеничный ход очень удобен в тех случаях, когда приходится перемещаться по плохим дорогам или вовсе без дорог. Дело в том, что колесо соприкасается с дорогой только на малой площади и потому, если нагрузка на него значительна, прорезает почву. Гусеница же ложится на почву почти половиной своей длины, кроме того ее ширина больше, чем ширина обода колеса. Поэтому нагрузка, приходящаяся на единицу поверхности соприкосновения, т. е. давление на почву, много меньше: гусеничный трактор может идти по вспаханному полю и даже по моховому болоту.