Картинка Upklyak, Freepik
История автоматики насчитывает тысячи лет. В прошлом автоматика выглядела намного более скромно, чем мы привыкли знать под этим явлением сегодня. Тем не менее, она изобиловала образцами, впечатляющими своей выдумкой и современного человека.
В этой статье мы попробуем совершить путешествие во времени — спуститься с наших высот в древность и посмотреть, а было ли тогда что-то заслуживающее нашего внимания?
▍ Автоматика первобытных людей
Давным-давно люди жили в племенах, не знали земледелия и добывали себе пропитание с помощью собирательства даров природы, охотой и рыбалкой. Но, по результатам исследований археологов, уже в те времена древние рыболовы рыбачили, огораживая часть мелководья оградой-плетнём, в которой имелся небольшой проход с падающей дверцей.
В процессе такой рыбалки принимало участие всё племя — люди заходили в воду и начинали шлёпать по ней палками, создавая шум. В результате чего испуганная рыба устремлялась в открытую дверцу загона, после чего она падала и проход закрывался. В результате люди могли спокойно поймать рыбу внутри загона. Несмотря на древность такого способа, он сохранился в некоторых странах Африки и в нынешние дни.
Во время охоты древним людям частенько приходилось сталкиваться напрямую со зверем, что с учётом тогдашней «медицины» могло весьма плачевно закончиться. Также нужно помнить, что в сутках только 24 часа, а у человека только одна человеческая сила. Необходимо было каким-то образом поступить так, чтобы охота происходила неким образом, «сама собой». И были придуманы ловушки. Первобытные люди выкапывали ямы в земле, прикрывали их лёгким настилом, маскировали. Наступив на настил, животное проваливалось и оказывалась в ловушке.
Кроме того, люди стали придумывать и использовать в целях охоты различные устройства, использующие в своей работе скатывающиеся с гор камни, наклонённые деревья или ветки.
В качестве одного такого вида ловушек можно назвать давильное устройство: тяжёлый камень ставился под наклоном, подпёртый палочкой, и под него клался кусок мяса. Зверь пытался вытащить мясо, задевал палочку и его придавливало упавшим камнем (для гарантии результата мясо могло быть даже привязано к палочке или насажено на неё).
Также для охоты использовали следующее устройство: молодое гибкое деревце пригибали к земле, и эту нагнутую верхушку крепили к земле парочкой колышков от разгибания. К этой пригнутой верхушке привязывали верёвочную петлю, которая практически касалась земли. Такое устройство устанавливали на звериных тропах. Идя на водопой, зверь попадал в петлю и начинал метаться, стремясь вырваться, что приводило к ещё большему затягиванию петли на его теле. В конце концов, эти резкие движения приводили к высвобождению макушки дерева и зверь повисал в воздухе, захваченный петлёй.
Подобную же конструкцию имело устройство для автоматического лова рыбы: на дне водоёма укреплялся сетчатый мешок конический формы с приманкой в острие конуса, который был привязан к наклонённой ветке дерева, а также колышку на дне водоёма. Когда рыба попадала в коническую ёмкость, она не могла развернуться, и старалась двигаться вперёд, что приводило к рывкам и последующему выдёргиванию колышка из дна, вследствие чего ёмкость с рыбой выдёргивалась из воды и повисала в воздухе.
Ещё одним видом автоматического устройства для охоты было следующее: поперёк звериной тропы натягивали верёвку, один из концов которой был прикреплён к вбитому в землю колышку, в то время как другой шёл к взведённому луку со вставленной стрелой. Зверь, идущий по тропе, наталкивался на верёвку, что приводило к срабатыванию устройства, и лук выпускал стрелу в зверя.
Время шло, совершенствовались от поколения к поколению и технологии охоты, и одним из таких усовершенствований стало появление так называемого самолова-пасти.
Конструкция устройства показана на рисунке ниже:
Для создания подобного устройства использовались две половинки ствола дерева, расколотые вдоль, которые ставились вертикально и укреплялись в земле. Между ними в виде щипцов укладывались две другие половинки, причём одна из них служила полом, а другая как бы потолком. Вес потолка выбирался с расчётом того, какого зверя требуется добыть.
Как можно видеть, та часть, которая является потолком, удерживалась в поднятом состоянии с помощью сборного упора, состоящего из двух частей, так называемого сторожка. Этот сторожок состоит из двух остриёв, направленных навстречу друг другу, между которыми вставлена дощечка (так называемая насторожка) с наживкой.
Работает устройство следующим образом: зверь старается добраться до наживки, протискивается внутрь коридора, состоящего из потолка и пола, и как только он касается наживки, дощечка выскакивает, и сторожок разваливается на составные элементы, в результате чего потолок падает на зверя и придавливает его.
По аналогичной логике работало устройство, называемое в наше время «черканом».
Устройство представляло собой раму, в которой имелась неподвижная нижняя часть и подвижная верхняя. Верхняя часть приводилась в движение тетивой лука. Во взведённом состоянии устройство представляло собой поднятую верхнюю часть, которая от падения вниз удерживалась маленькой палочкой-сторожком, заострённым с обеих сторон и упёртым в нижнюю и верхнюю части. Там же была укреплена приманка, достать которую можно было протиснувшись между перекладинами мимо сторожка, что приводило к его падению. Это высвобождало верхнюю перекладину, приводимую в действие силой натянутой тетивы, перекладина устремлялась вниз, придавливая зверя.
Конструкция может варьироваться и быть сделана, например, не «наподобие лука», а прямо из лука:
Некоторые учёные считают, что появление автоматических ловушек примерно 20 000 лет назад имеет такое же важнейшее значение для цивилизации, как и изобретение колеса.
И если сравнить древние устройства для охоты и рыбалки с современными автоматами, то мы найдём много общего: у них также есть чувствительные и исполнительные подсистемы в составе устройства, то есть одни предназначены для реакции на события, в то время как другие выполняют определённую команду.
Кроме того, сходство усиливается ещё и тем, что как и в современных автоматах, воздействие передаётся от одного элемента подсистемы к другому в одном направлении. Таким образом, можно сказать, что прообразом современных автоматических систем являются, как ни странно, ловушки, устраиваемые древними людьми!
Автоматические устройства-ловушки использовали поведенческие и биологические особенности будущей добычи. Конструкция подобных устройств содержала как чувствительные, так и исполнительные механизмы, а с течением времени развитие шло в направлении усиления силы действия исполнительных устройств.
▍ Автоматика древнего мира
2500 лет назад Древняя Греция была в самом зените своего развития, и именно здесь появились первые автоматические развлекательные устройства.
Одним из них стало создание известным греческим архитектором Дедалом (кстати говоря, считающимся изобретателем рубанка, отвеса и сверла) автоматической модели движения планеты Венеры.
К сожалению, в истории не сохранилась точная конструкция устройства — имеются лишь обрывочные сведения о том, что в его конструкции ртуть переливалась из одной части устройства в другую, что приводило к изменению веса частей, благодаря чему модель планеты и двигалась.
Оставил свой след и древнегреческий философ Платон, который собирал своих учеников с помощью сигнализатора, представлявшего собой установленную в саду статую с флейтой в руках.
Работа устройства была основана на действии водяных часов (клепсидра), состоящих из нескольких сосудов, заполняемых водой. Вытекая из верхнего сосуда, вода повышала давление воздуха в нижнем, что приводило в определённый момент к открытию клапана и выпуску воздуха в трубку, с которой была соединена флейта, и она начинала свистеть.
А 2300 лет назад в Египте людей удивлял аппарат, отпускающий порции «священной воды» в ответ на опускание в щель монеты. Принцип действия устройства был следующим: внутри автомата был установлен рычаг, закреплённый посередине, и когда монета падала на правую его часть, левая часть рычага поднималась, приподнимала пробку, затыкающую сливное отверстие сосуда с водой, и вода начинала выливаться в руки страждущему. Так как монета не могла долго удерживаться на наклонившейся площадке на правой части рычага, она соскальзывала в хранилище для монет, а рычаг возвращался в исходное положение, перекрывая ход воды.
В деле создания автоматических устройств отличился и знаменитый древнегреческий учёный Архимед, благодаря трудам которого был создан планетарий, где можно было наблюдать за движением планет (так называемая «сфера Архимеда»). Модель системы небесных тел приводилась в движение водяным колесом.
Ниже показана попытка современной реконструкции этого устройства:
В работе другого знаменитого учёного Герона Александрийского — «Пневматика» (120 лет до н. э.) — описано любопытное устройство, находившееся в одном из храмов города, где был установлен алтарь, на котором разжигался огонь и священнослужитель начинал молиться. Тут же дверь храма открывалась и оставалась открытой, пока горел огонь. Когда молитва заканчивалась и огонь гас, двери храма так же плавно закрывались.
Весь секрет заключался в специальном пневматико-гидравлическом устройстве, установленном в подвале храма:
Как можно видеть на картинке выше, алтарь представлял собой пустотелый цилиндр. При разведении огня на его донышке, в чаше, температура цилиндра повышалась, воздух внутри расширялся и увеличивалось его давление, которое через трубку, соединённую с алтарём, увеличивало давление воздуха в сосуде под ним. Это приводило, в свою очередь, к вытеснению воды, находящейся в этом сосуде по трубке в другой сосуд, который был подвешен на цепи. Он наполнялся водой, становился тяжелее, опускался вниз, натягивая цепь, накрученную на оси дверей. Когда же огонь погасал, давление воздуха уменьшалось и происходил обратный процесс с закрыванием дверей.
Говоря о древних автоматических устройствах, нельзя не упомянуть ещё одно из них, появившееся в первом веке до нашей эры и получившее название «одометра». Оно использовалось для измерения пройденного пути. Принцип подобного устройства заключался в том, что вращающаяся ось тележки приводила в действие зубчатое колесо, от которого начинало вращаться другое горизонтально положенное колесо, имеющее каналы, в которые были вложены шарики. Когда тележка проезжала определённое расстояние, заполненный шариками канал оказывался напротив трубки, которая вела к чаше. Оказываясь напротив этой трубки, шарик скатывался в чашу, и по количеству этих шариков определяли пройденный путь.
Усовершенствованную версию подобного устройства работы Леонардо да Винчи в реконструированном по чертежам виде вы можете увидеть ниже:
Ещё картинки
Минусом подобного устройства являлось то, что оно могло измерять только относительно малые промежутки пройденного расстояния, так как каналы требовалось часто перезаряжать шариками.
Чтобы справиться с этой проблемой, в последующем применили червячный привод, где уже не использовались шарики, а была применена конструкция из нескольких червячных передач, передающих вращение от колеса тележки к дискам со стрелками на сторонах деревянной коробки, которые и показывали пройденное тележкой расстояние.
Ещё картинка
Примерно в то же время, приблизительно 2000 лет назад, богатые горожане старались заиметь автоматическую масляную лампу, богато украшенную фигурками животных и птиц, которая отличалась не только внешней привлекательностью, но и настоящим автоматическим устройством для подачи фитиля по мере его прогорания.
Устройство подобной лампы показано на рисунке ниже:
Как видно по схеме, при снижении уровня масла (а это говорит о том, что лампа некоторое время уже работала, и некоторое количество фитиля уже прогорело) поплавок снижался вместе с уровнем масла. Но он снижался не сам по себе, а вместе со связанной с ним зубчатой рейкой, которая вращает зубчатое колесо, вращающее, в свою очередь, дугообразную зубчатую рейку, связанную с фитилём. Таким образом, происходит постоянная автоматическая подача фитиля!
Для тех, кто не знает: фитиль во время горения, так же как и в свечках, не остаётся «нерушимым», а сгорает, и его требуется постоянно подавать. К чести изобретателя этого устройства (кстати говоря, того же Герона Александрийского) следует отметить, что много веков спустя, когда появились керосиновые лампы, они были устроены более примитивно, и требовали постоянной ручной подкрутки фитиля, чтобы сохранять яркость горения (возможно и существовали отдельные автоматически экземпляры, но явно не массово). То есть можно сказать, что изобретатель многократно опередил своё время.
Кстати говоря, подумалось, что было бы весьма занятно повторить такую лампу в наше время — она бы нашла своё достойное место в походных условиях. А кроме того, это просто интересно…
Выше уже было сказано об использовании водяных часов, называемых «клепсидрами» (похитительницы воды), которые заменили предыдущее поколение — солнечные часы.
Устроены они были следующим образом:
Такие часы представляли собой ёмкость с водой, в которой находился поплавок, связанный с одним концом стрелки.
Чтобы запустить часы, в ёмкость наливали воду и открывали сливное отверстие. Вода начинала потихоньку вытекать, поплавок плавно спускался вниз, а другой конец стрелки поднимался всё выше и выше, вдоль градуированной шкалы с делениями, отображающей единицы измерения времени.
Со временем они были усовершенствованы и, например, в древнем Вавилоне 2 000 лет назад уже использовались следующие часы:
Как можно видеть, они состояли из трёх сосудов, а также перевёрнутого глиняного горшка, плавающего в воде, поплавка со стрелкой и шкалы. В верхнем сосуде уровень воды автоматически поддерживался плавающим горшком, который перекрывал отверстие в верхнем сосуде при повышении уровня воды в среднем сосуде. А в обратном случае, наоборот, открывал его. Через впускное отверстие в среднем сосуде вода попадала в нижний сосуд, причём всегда с постоянной скоростью, которая была известна.
Благодаря этому нижний сосуд заполнялся, уровень воды в нём увеличивался, и связанный со стрелкой поплавок начинал всплывать, а стрелка начинала перемещаться вдоль градуированной шкалы.
Таким образом, здесь мы можем видеть, что горшок, плавающий кверху коническим дном, выполнял сразу две функции. С одной стороны, как поплавок он являлся чувствительным устройством, реагирующим на уровень воды. В то время как его коническое дно являлось исполнительным устройством, открывающим и перекрывающим подачу воды в зависимости от потребности.
Тема древних автоматических устройств является весьма обширной, выходящей далеко за пределы одной статьи. Но, надеюсь, наше короткое погружение в неё дало понять, что люди с давних времён мечтали об устройствах, действующих самостоятельно и так или иначе облегчающих ход жизни. И на каждом этапе сложность и инженерные решения этих устройств определялись текущим развитием науки в обществе, хотя и были яркие самородки, намного опередившие своё время. Но даже они были вынуждены творить с опорой на научный базис, который был у людей в то время.
