В природе, как известно, нет живых существ, передвигающихся на колесах. Все они — шагающие, прыгающие, ползающие или летающие. Нет каких-либо колесиков и внутри организма животных. Так что колесо — творение чисто человеческое, продукт человеческого ума. Никакой «подсказки», никакого природного аналога не было. Лишь Homo sapiens, Человек разумный, мог додуматься до этого гениально-простого изобретения.
РОДОНАЧАЛЬНИК ЦИВИЛИЗАЦИИ
Имя создателя первого колеса кануло в вечность. О том, где и как оно появилось, можно лишь строить догадки. Да и началось все, строго говоря, совсем не с того, что мы называем колесом.
«Прародителями» колеса были гладкие бревна-катки. Их подкладывали под перевозимый груз наши далекие предки уже 20 тысяч лет тому назад. Потом кто-то заметил, что среднюю часть катка выгодно делать тоньше, чем его концы. Получились своего рода колеса, пока еще наглухо скрепленные с осью.
Самое древнее колесо было найдено в Месопотамии. Возраст его более пяти тысяч лет. С Ближнего Востока вместе с кочевниками-скотоводами оно попадает в районы Каспийского и Черного морей. Древние колеса были обнаружены в Армении и Калмыкии.
Ученые до сих пор спорят о том, какими маршрутами продвигалось колесо по миру. В южной Сибири оно появилось около четырех тысяч лет назад. Об этом свидетельствуют наскальные рисунки. Тогда же его стали применять в Китае.
Нашелся неведомый гений, который изобрел ступицу, и колеса стали независимо друг от друга вращаться на оси. Это было чрезвычайно важное изобретение. Оно позволило строить боевые колесницы, стремительные двухколесные повозки.
Сплошные деревянные круги были слишком тяжелыми и непрочными. Колеса, составленные из нескольких частей, — гораздо прочнее. Для облегчения в них начали выпиливать отверстия. Когда же колесо докатилось до нынешней Голландии, оно имело уже спицы и обод.
Полторы тысячи лет назад кельты «обули» колесо, надев на его обод железную шину. Наконец, кто-то догадался сделать переднюю ось подвижной, чтобы повозками можно было управлять. Сотни лет спустя, они превратились в кареты и коляски с рессорами.
Колесо положило начало человеческой цивилизации. И до сих пор, пожалуй, не найти такой области техники, такой сферы жизни, где бы можно было обойтись без него, колеса.
ВОДОДЕЙСТВУЮЩИЕ ГИГАНТЫ
В давние-предавние времена для орошения полей были изобретены вододействующие колеса. Построенные на берегах рек, они медленно вращались силой текущей воды. Их можно было видеть и в древнем Египте на Ниле, и в Вавилонии на Ефрате, и в Китае на реке Янцзы. Позже такие колеса стали использовать в качестве двигателей станков и насосов.
Например, в Лондоне, на Темзе, в 1582 году была построена водокачка с пятью огромными колесами, подававшими с помощью насосов воду жителям английской столицы. Вода нагнеталась в большой деревянный резервуар, откуда по свинцовым трубам растекалась к потребителям. Эта водокачка исправно служила лондонцам на протяжении 250 лет!
В Шотландии, на реке Клайд, по проекту инженера Смитона было сооружено вододействующее колесо диаметром более 20 метров — крупнейшее в мире. Оно выполняло роль двигателя для станков близлежащей прядильной фабрики.
От вододействующих колес не отказались даже после того, как была изобретена паровая машина. В 1827 году петербургский «Горный журнал» писал: «Кто посещал Змеиногорский рудник на Алтае, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы, превышающие, кажется, силы человеческие, и механические устройства, облегчающие труды рудокопателей при извлечении сокровищ из недр земных. Удивленный путешественник спросит невольно: «Кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колеса, приводимые в движение водою?». Изобретатель сего механизма есть бер-гауптман 6-го класса Кузьма Дмитриевич Фролов».
В то время горные чины в России имели немецкие названия. Фролов, механик-самородок, был искусным строителем гидравлических машин. То, что сделал он на Змеиногорском руднике, даже в наши дни кажется поразительным. Вблизи рудника в подземных камерах были установлены вододействующие колеса высотой с пятиэтажный дом!
Камеры (их впору назвать подземными залами) соединялись туннелями, пробитыми в камне. По ним к колесам поступала вода из местной реки. За огромные размеры колеса Фролова получили название «слоновых». Они были самыми большими в мире деревянными сооружениями подобного рода.
ИСТОРИЯ ОДНОГО ЗАБЛУЖДЕНИЯ
Удивительную, прямо-таки мистическую силу имеет эта давняя идея. Несть числа проектам perpetuum mobile, вечного двигателя. Немец Карл Бесслер, более известный под именем Иоганна Орфиреуса, за основу взял колесо. Свой первый вечный двигатель он создал в 1712 году. На демонстрацию чудо-машины Орфиреус пригласил авторитетных ученых того времени. Однако познакомиться с внутренним устройством своего загадочного колеса никому из них не позволил.
Слух о необыкновенном изобретении быстро разнесся по всем германским княжествам. Слава Орфиреуса росла не по дням, а по часам. У создателя вечного двигателя появился могущественный покровитель в лице Гессен-Кассельского ландграфа Карла. Орфиреус с радостью принял приглашение Его Величества переехать со своим колесом в замок Вайсенштейн.
Осмотрев колесо в действии, ландграф был поражен: для своего вращения оно, и в самом деле, не требовало подвода никакой энергии, о чем, не раздумывая, выдал изобретателю свидетельство. Не прошло и года, как Орфиреус построил новый вечный двигатель, по его словам, «более усовершенствованный».
Лейденский физик Гравезанд писал, что машина по-прежнему имеет вид колеса диаметром около четырех метров и шириной 35 сантиметров, сделанного из деревянных реек и обтянутого вощеным полотном. Вращалось оно на толстой оси. «Я осмотрел эту ось, — продолжал Гравезанд, — и теперь твердо убежден, что снаружи колеса решительно ничего не способствует его движению».
Во время демонстрации двигателя ученой комиссии его надолго закрывали в опечатанной комнате. Но и два месяца спустя колесо вращалось с той же скоростью, что и вначале. «Машина работала с поразительной быстротой, — рассказывал очевидец, архитектор и механик Эмануэль Фишер. — Если бы какой-нибудь человек попытался остановить колесо, оно подняло бы этого смельчака на воздух».
После смерти ландграфа Орфиреус обеднел, слава его стала тускнеть. Он скончался еще не старым человеком в 1745 году, унеся в могилу тайну своего «вечно вращающегося колеса».
ИЗОБРЕТЕНИЕ ГРАФА СИВРАКА
Создателем первого велосипеда (в переводе с латинского это слово означает «быстроног») считается французский граф Меде де Сиврак. В 1791 году он построил двухколесную машину, которую назвал целерифером, то есть в переводе «скороходом». Ни руля, ни педалей целерифер не имел. Ездили на нем, отталкиваясь от земли ногами, а для поворотов приходилось просто его переставлять.
Понятно, это было крайне неудобно, однако только четверть века спустя, в 1817 году, двухколесную машину Сиврака удалось усовершенствовать. Сделал это Карл Дрейз — лесничий Баденского герцогства.
На первый взгляд велосипед Дрейза очень напоминал «скороход» Сиврака: та же деревянная рама, так же приходилось отталкиваться от земли ногами. Но было в нем и важное отличие. Дрейз укрепил переднее колесо в поворотной вилке и приделал к ней изогнутый руль.
Таким велосипед оставался еще более сорока лет, пока француз Пьер Мишо — каретный мастер не добавил к машине Дрейза ножной привод, педали на переднем колесе. А чтобы не слишком быстро крутить педали, это колесо пришлось делать огромным, высотой чуть ли не в рост человека.
Велосипед стал походить на паука. Ездить на нем было небезопасно. Но в 1868 году парижский часовщик Анри Жюльен установил педали в середине велосипедной рамы, связав их при помощи цепи и двух зубчаток с задним колесом. И нелепые «пауки» ушли в прошлое, уступив место «безопасным» велосипедам с колесами одного размера.
Сначала ободы велосипедных колес были жесткими, с шинами из твердой, литой, резины. Разумеется, езду на таких «костотрясах» по плохим дорогам нельзя было назвать приятной. Выход нашел шотландский врач Джон Денлоп. В 1888 году он предложил надевать на обод велосипедного колеса резиновую пневматическую шину, то есть накачанную воздухом. Со временем велосипед получил трубчатую стальную раму, шарикоподшипники, свободный ход, тормоз, подпружиненное седло и тогда, наконец, из «игрушки для взрослых» превратился в удобную машину для передвижения, отдыха и спорта..
«НЕТОПЫРЬ» КАПИТАНА ЛЕБЕДЕНКО
В начале прошлого века уже имелось все для того, чтобы создать машину, позже названную танком. Шел 1915 год. В разгаре Первая мировая война. Желая помочь русской армии, капитан Николай Николаевич Лебеденко предложил проект колесного танка.
Машина напоминала гигантский пушечный лафет. Впереди он опирался на два огромных колеса, диаметром по девять метров каждое. Сзади, на хвосте «лафета», находилась рулевая тележка из трех колес высотой в человеческий рост. В башнях и спонсонах (бронированных выступах) по бокам машины были установлены две пушки и четыре пулемета. Управлять танком должен был экипаж из 10 человек. Для каждого переднего колеса предусматривался свой мотор. Вес этого монстра превышал 40 тонн!
Для постройки танка требовались немалые деньги. Лебеденко — человек предприимчивый, со связями, добился аудиенции у самого Николая II. Тщательно изготовленная заводная модель колесного танка царю понравилась. Заверения изобретателя о том, что с помощью таких машин «в одну ночь может быть совершен прорыв всего германского фронта», звучали убедительно. Финансирование проекта было разрешено, и строительство танка началось.
За странный, диковинный вид его прозвали «нетопырем» (так называется один из видов летучих мышей). В конце лета 1915 года начались ходовые испытания танка. Их проводили тайно, в глухом лесу, под Дмитровом, в 60 километрах от Москвы. Заревели моторы, и машина довольно уверенно двинулась вперед, ломая молодые березки. Большие передние колеса, и в самом деле, легко преодолевали препятствия. Но задние прочно застряли в первой же канаве.
Испытания завершились полной неудачей. Лебеденко хотел поставить на свой танк более мощные двигатели и увеличить размеры колес хвостовой тележки. Но в его «нетопырь» уже никто не верил. Машина простояла в лесу до 1923 года, пока местные жители не растащили ее по частям. И в первую очередь были унесены огромные, передние, колеса.
ВЗГЛЯД С ВЫСОТЫ
Подходил к концу ХIХ век. В США, в Чикаго, должна была состояться Всемирная промышленная выставка. Задолго до ее открытия стали поступать проекты сооружений, претендующих стать символом технического прогресса. Самым оригинальным оказался проект инженера Джоржа Ферриса.
Предлагалось построить гигантское колесо с множеством кабинок на ободе. Поставленное вертикально, «на ребро», оно, вращаясь, поднимало бы кабинки с пассажирами все выше и выше, открывая панораму выставки и ее окрестностей.
Устроители выставки отнеслись к идее Ферриса скептически. Многие из них считали, что она неосуществима. Изобретателю пришлось самому искать средства, чтобы осуществить задуманное.
Готовое колесо диаметром 75 метров казалось фантастически огромным. К нему было прикреплено 36 кабинок на 60 человек каждая. Таким образом, одновременно колесо могло поднять 2160 человек! Вращали его две мощные паровые машины.
На выставке колесо обозрения Ферриса пользовалось огромным успехом. За короткое время оно не только окупило себя, но и принесло большую прибыль. Необыкновенный аттракцион вызвал интерес и в других странах. В 1895 году в Лондоне также появилось колесо обозрения, похожее на чикагское. Оно просуществовало более десяти лет.
Новое колесо «Лондонский глаз» («London eye») было построено на южном берегу Темзы только в 1999 году и стало самой популярной достопримечательностью английской столицы. Высотой 135 метров, оно долгое время оставалось самым крупным колесом обозрения в мире. Еще одна его особенность в том, что кабинки (скорее, прозрачные капсулы) сохраняют нужное положение не под действием собственного веса, а при помощи сложного поворотного механизма.
Более года назад «Лондонский глаз» потерял свое первенство. В Сингапуре было построено колесо обозрения «Парящий Сингапур» высотой 165 метров. Но скоро и оно будет превзойдено. В США, в знаменитом городе развлечений Лас-Вегасе, строится колесо высотой 170 метров, а в китайском Шанхае — еще более грандиозное, высотой 200 метров!
ПРОБЕГ НА КВАДРАТНЫХ КОЛЕСАХ
Пять тысячелетий колесо оставалось круглым. Оставался и его недостаток: малая проходимость по плохим дорогам, не говоря уже про бездорожье. На песчаной, каменистой, болотистой местности, в снегу круглое колесо пасует. Исправить это положение пытались и пытаются не только за счет конструкции, но и формы колеса.
Например, одна американская фирма создала колеса с гибким, эластичным ободом. При разных нагрузках колесо изменяет свою форму от круглой до эллиптической. При сжимании обода площадь опоры увеличивается, а вместе с этим улучшается и проходимость.
Обычно выражение «квадратное колесо» означает верх глупости и несуразности. Но в определенных условиях: в песчаной пустыне, на заснеженной равнине, как оказалось, квадратные колеса намного лучше круглых. Это доказано на практике, во время пробега по пескам пустыни Сахары автомобилей «на квадратах».
Разработана и такая конструкция колес, которая позволяет на ходу машины придавать им разную форму: лепестковую (вроде ромашки), многоугольную, квадратную — в зависимости от вида дороги.
Но и круглое колесо можно еще совершенствовать. К примеру, шведские инженеры разместили на ободе, под углом в 45 градусов к плоскости колеса, ролики из твердой резины. Если заставить их вращаться, то колесо приобретает необычные свойства. Оно может не только катиться вперед или назад, но и перемещаться в стороны. Машина на таких колесах становится удивительно маневренной.
Французские конструкторы построили вездеход с «шагающими» колесами. Это четыре группы из трех колес, соединенных треугольником. По гладкой дороге треугольник обращен вершиной вниз, и машина едет на четырех колесах. При бездорожье треугольник поворачивают вниз двумя колесами, и вездеход становится восьмиколесным.
А чешский инженер Юлиус Мацкерле разработал так называемое активное колесо. Оно окружено десятком мягких баллонов, в которые поочередно подается сжатый воздух. Раздуваясь, нижние баллоны подталкивают колесо, и оно начинает двигаться само, не нуждаясь в моторе.
ГЛАВНАЯ ДЕТАЛЬ
Трудно найти машину или механизм, в которых бы не использовались зубчатые колеса. Миллионы и миллионы шестерней выполняют в машинах важную роль передатчиков энергии, преобразователей усилий и скорости движения.
Зубчатые колеса, понятно, появились значительно позже гладких. Однажды подводные археологи нашли древнегреческую триеру, военный корабль, затонувший более двух с половиной тысячелетий назад. Среди различных вещей, которые пощадило море, была и бронзовая машинка с множеством шестеренок. Изучив ее, ученые пришли к выводу, что это — древний арифмометр, видимо, служивший триерарху, командиру корабля, для каких-то подсчетов.
Не удивительно, что значительно позже, в начале ХVI столетия, великий Леонардо да Винчи уже широко использовал зубчатые колеса в изобретенных им механизмах и машинах. Тем более это стало возможным в петровскую эпоху.
В сохранившихся до нашего времени станках, созданных русским механиком Андреем Нартовым, — масса зубчатых колес различных размеров. И это не смотря на то, что научного обоснования зубчатого зацепления тогда еще не существовало. Оно было разработано позже Леонардом Эйлером, доказавшим, что форму зубьев нужно профилировать по математической кривой эвольвенте. Эта форма применяется и поныне.
Среди зубчатых колес есть лилипуты, но есть и великаны. Искусные часовщики давно, еще 400 лет назад, научились изготавливать часы диаметром пять, шесть миллиметров, часики в виде изящного перстня. Легко представить, какие крохотные шестеренки имел их механизм, какими микроскопическими были зубцы этих шестеренок!
А вот другой, противоположный, пример: зубчатое колесо вращающейся цементной печи — трубы длиной 200 метров. Чтобы вращать такую печь, необходима шестерня диаметром больше 10 метров!
Уже к началу прошлого века техника располагала всеми видами зубчатых колес и передач. Можно сказать, что шестеренка — одна из основных деталей современных машин.
ЛУНОХОД И МАРСОХОД
Первым небесным телом, на котором, после Земли, появилось колесо, стала Луна. Произошло это 17 ноября 1970 года, когда на лунную поверхность советским космическим аппаратом «Луна-17» был доставлен первый автоматически действующий луноход.
Создавая его, конструкторы твердо не знали, на чем он должен передвигаться: на колесах или гусеницах. За колеса были их простота и большая надежность. За гусеницы — высокая проходимость.
Один из создателей первого лунохода вспоминал: «Наш институт разделился на два лагеря. Страсти так накалились, что ого-го! Чтобы доказать, кто прав, пришлось сделать машины и на гусеницах, и на колесах. Испытывали их на Камчатке. Знаете, как за этим поединком колеса и гусеницы у нас в коллективе следили! По утрам вместо «Здрасте» спрашивали: «Ну, как там?..». Победило колесо».
Но и после этого оставалось много неясного. Как будут работать колеса в условиях вакуума, при огромном перепаде температур, от плюс 150 градусов лунным днем до минус 150 градусов ночью? На Луне сила тяжести в шесть раз меньше земной. Следовательно, сцепление колес с лунным грунтом — тоже в шесть раз слабее, что также следовало учесть.
Луноход двигался на восьми колесах с легким сетчатым ободом. Каждое колесо имело свой электромотор, расположенный в ступице. Это значительно повышало надежность аппарата.
Первый луноход работал на Луне более 300 земных суток. Он проехал путь свыше 100 километров, передал на Землю 20 тысяч снимков и много научной информации.
Он еще работал, когда на Луну произвела посадку кабина космического корабля «Аполлон-15» с двумя американскими космонавтами Дэвидом Скоттом и Джеймсом Ирвином. Они привезли с собой четырехколесный луноход-электромобиль «Ровер» («Странник») и совершили на нем несколько путешествий по Луне.
За Луной последовал Марс. На красную планету опустились автоматические марсоходы. Увы, пока только американские. Все — на колесах. Выходит, и на Марсе без колес далеко не уедешь…
Геннадий Черненко