Они изобрели парусную лодку, научились возводить арки, сводчатые постройки и купола, изготавливать литьё из бронзы, освоили пайку металлов, резьбу по камню, гравировку и инкрустацию.
Уровень материальной культуры и технических знаний древних шумеров, явившейся основой для Вавилоно-Ассирийской культуры, исследователи, естественно, определяют на основании многочисленных предметов и орудий, найденных при археологических раскопках. Однако, благодаря возникновению подлинной письменности – клинописи, немало сведений почерпнуто из шумерской художественной литературы, которая состоит из мифов, эпических поэм, гимнов, надгробных плачей, летописей и поучений.
Там же в Месопотамии с середины IV тыс. до н.э. известно колесо – величайшее изобретение в истории человечества [2]. Прародителем колеса был каток, который также имеет свою историю создания. Его прообразом, вероятно, было упавшее и покатившееся с горы дерево. Дерево превращали в каток, подкладывая под тяжёлые стволы других деревьев, лодки или камни, когда их перетаскивали. Найденный при раскопках в Месопотамии усовершенствованный каток выглядит следующим образом. Путём простого обжига его средняя часть сделана тоньше для уменьшения трения. Такой каток получил название «скат». Средняя часть могла быть вытесана каменным топором. Археологи установили, что скат был известен людям V-VI тыс. лет тому назад.
Первоначально колесо представляло собой диск, насаженный на ось. Первые, изготовленные отдельно колеса были сплошные и тяжёлые – «отрезанные» от ствола дерева. Во II тыс. до н.э. конструкция его совершенствуется: появляется колесо со спицами, ступицей и гнутым ободом.
Самым древним считают колесо, найденное при раскопках в Малой Азии. Его относят приблизительно к 2700 г. до н.э. Над совершенствованием колеса люди трудились тысячелетиями. На преобразование ската в колесо (расцепление дисков с осью, облегчение его за счёт ступицы, спиц и обода) ушло ни много ни мало около трёх тысяч лет. Достойно изумления, что народ майя, оставивший удивительные архитектурные сооружения, свою систему письменности и счёта, так и не изобрёл колеса.
Изобретение колеса также способствовало развитию и совершенствованию ремёсел. Оно было применено в гончарном круге, мельнице, прялке, токарном станке.
У древних народов до VI века до н.э. уже были определённые познания из области механики. Пользуясь современной терминологией, они сводятся к элементам гидравлики, строительной механики, статики, динамики и небесной механике. Тем не менее, техническая мысль человечества ещё не достигла возможности логического осмысления накопленных технических знаний выраженного в виде письма. Однако прорыв в этом направлении назревал.
Среди наивно реалистических толкований природных процессов можно встретить и технические иллюстрации, фигурирующие в самых ранних философских системах. Например, у Анаксимандра встречается любопытная «механическая модель». О ней упоминает Аэций: «По Анаксимандру, кольцо Солнца в 28 раз больше Земли. Оно подобно колесу колесницы, имеющему обод, наполненный огнём. Этот огонь обнаруживается сквозь отверстие в некоторой части обода как бы разрядами молнии. Это и есть Солнце … лунное кольцо в 19 раз больше Земли. Оно подобно колесу колесницы, имеющему обод, наполненный, как и кольцо Солнца, огнём. Оно также лежит наискось и имеет одно испускание, и это как бы разряды молнии … лунное затмение бывает, когда отверстие на поверхности лунного кольца закрывается». Интересно, что Анаксимандр для объяснения природы затмения уже не прибегает к богам, в то время как у Гомера это исключительно дело богов.
Плутарх в «Сравнительных жизнеописаниях» заметил: «Знаменитому и многими любимому искусству построения механических орудий положили начало Эвдокс и Архит … механика полностью отделилась от геометрии и, сделавшись одною из военных наук, долгое время вовсе не привлекала внимание философии».
Диоген Лаэртский об Архите сообщает: «Он первый упорядочил механику, приложив к ней математические основы, и первый свёл движение механизмов к геометрическому чертежу».
Первой попыткой теоретического осмысления действия различного рода механизмов считают трактат «Механические проблемы», ранее приписывавшийся Аристотелю и до сих пор включаемый в свод его сочинений. На самом деле он написан в более позднюю эпоху, скорее всего, в Александрии в III или ii век до н.э. Этот трактат для историков механики представляет значительный интерес.
Едва ли не больше всех античных учёных написал по вопросам механики Герон Александрийский. Его перу принадлежали «Механика», «Книга о подъёмных механизмах», Пневматика», «Книга о военных машинах», «Театр автоматов» и ряд других. Основное научное сочинение Герона «Механика» дошло до нас в арабском переводе. Оно состоит из трёх книг. Здесь он описывает простые машины и их комбинации. При этом он использует понятие момента, но неизвестно, принадлежит ли оно ему или он заимствовал его у других учёных. Кроме простых машин, он описывает также и некоторые механизмы: системы зубчатых колёс, системы блоков, полиспасты. Ему известно влияние силы трения, и он рекомендует при работе со сложными механизмами несколько увеличивать прилагаемые к машинам силы по сравнению с расчетными. Однако численно силу трения не определяет.
Герон Александрийский создал большое количество машин и механизмов, которые сопровождались не меньшим количеством изобретений. В предисловии его трактата по пневматике некоторые изобретения характеризуются как «пригодные для повседневного употребления», другие – как имеющие «достаточно замечательные результаты». Похоже, что паровой двигатель попал у Герона во вторую категорию и характеризовался, судя по описанию, как новое изобретение.
Эолипил – прообраз паровой турбины – относят к наиболее известным изобретениям Герона. Здесь впервые для вращения используется реактивное действие струи пара.
Итак, изобретение парового двигателя, вызвавшего революцию в транспорте и промышленности в XVIII в., на самом деле было известно две тысячи лет назад, если не в прямом виде, то уж точно как понимание потенциала энергии пара.
Изобретателем паровой машины был Герон Александрийский , который детально описал первый работающий паровой двигатель – эолипил, названный им «ветряной шар», или, как называют историки – Геронов шар.Это пневмогидравлический прибор, основанный на действии сжатого воздуха на поверхность воды. Его конструкция гениально проста. Широкий свинцовый котёл с водой помещался над источником тепла, скажем, над горящим древесным углём. По мере закипания воды в две трубы, загнутые в противоположных направлениях, в центре которых вращался полый шар, поднимался пар. Струи пара били через два отверстия в шаре, заставляя его вращаться с большой скоростью. Шар вращался благодаря реактивной или противодействующей силе вытекающего наружу пара. Такой же принцип лежит в основе современного реактивного движения.
Ещё один пневмогидравлический прибор – Геронов фонтан. Герон знал, какое применение могут иметь различные источники энергии. Например, он сконструировал небольшую ветряную мельницу, заставлявшую звучать музыкальный орган.
Прошли тысячелетия, и специалист по Античности доктор Дж. Лэнделс из университета в Рединге с помощью специалистов инженерного факультета сделал точную модель двигателя по описанию Герона. Он обнаружил, что модель развивала большую скорость вращения – не менее 1500 оборотов в минуту. Учёный заявил: «Шар Герона, возможно, был самым быстровращающимся предметом того времени». Тем не менее у Лэнделса возникли трудности при подгонке соединений между вращающимся шаром и паровой трубой, что не позволяло сделать приспособление эффективным. Возможно, для Герона это было как бы само собой разумеющимся, или он просто «забыл» описать эту «незначительную» деталь. Свободный шарнир у шара позволял ему быстрее вращаться, но тогда быстро улетучивался пар; тугой шарнир, напротив, означал, что энергия пара расходовалась на преодоление трения. Лэнделс не позволяя себе что-либо прибавлять к известным описаниям посчитал, что эффективность механизма Герона, возможно, была ниже 1%. Это значит, что энергия затрачиваемая на работу машины была значительно больше полезной энергии, и она не нашла бы практического применения. Но «теория» была важнее.
«Машина есть система связанных между собой частей из дерева, обладающая наибольшей мощностью для передвижения тяжестей, – писал конце I в. до н.э. римский архитектор Марк Витрувий Поллион в своём знаменитом трактате «Об архитектуре». – Сам же этот механизм приводится в действие посредством круговых вращений искусным приёмом …».
Первый экземпляр трактата «Об архитектуре» был найден в библиотеке монте-кассинского монастыря; первое его издание появилось в Венеции в 1497 г., т.е. через полторы тысячи лет после того как трактат был написан. Книга X этого трактата посвящена теоретической и прикладной механике, описанию машин и механических приспособлений и их действию. Витрувий рассматривает подъёмные машины, применяемые в строительстве, водоподъёмные машины, водяную мельницу.
По представлениям того времени первый род механизмов – это чисто подъёмный; второй – духовой (давлением воздуха); третий род – механизмы тяги.
Античные архитекторы обладали значительными познаниями в практической механике. Историк архитектуры Огюст Шуази (XIX век) вычислил допущенное напряжение в камнях храма в Карнаке (Египет): в потолочных плитах оно составляет 4 кг/см2, в архитравах – 5 кг/см2. На допуск таких напряжений не решаются и в наше время.
Инженер А.И. Сидоров в 1925 г. писал: «Многие египетские обелиски опрокинуты и разрушены людской злобой, но ни один из них не опрокинут бурей, и некоторые стоят до сих пор. Следует заметить, что обелиск стоит на своём цоколе совершенно свободно, не будучи прикреплён фундаментальными болтами, которых египтяне не знали, без всякого раствора и т.п. … Я произвёл расчёт некоторых обелисков на опрокидывание сильнейшей бурей и нашёл коэффициент устойчивости от 2,5 до 2, как раз то, что мы допускаем теперь».