2.3. Основные направления развития в механике античного мира
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 получали 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 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 эллинистическую эпоху, начинавшуюся на рубеже IV-III вв. до н. э., добавляется еще блок и винт. В виноделии и маслоделии используется 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 преобразовали 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 несвязанные 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 был значительно выше, чем в сельском хозяйстве. Уже в V в. до н. э. 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 помощью ядро в 4 фунта могло быть брошено на расстояние до 300м. Существовали специальные прицельные приспособления и приборы для изменения траектории.
Очень важным видом деятельности, способствующим развитию техники и механических приспособлений, являлось 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, 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. 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 траектории.
Характерной чертой античной механики является разобщенность учения о движении – кинематики и учения о равновесии – статики. Развития 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, создавших и достаточно сложные инструменты для своих наблюдений и измерений, и механические модели мироздания: движение небесных тел, согласно общепринятым в античной науке взглядам, не требовало причины 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 создании 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 и тригонометрии. Общее учение о движении, чем занимались философы, было в основном качественной теорией. Оно оставляло в стороне количественную сторону дела и искало объяснения механических явлений, опираясь на повседневный опыт и наблюдения, путем сравнений и сопоставлений.
Уже на ранних стадиях развития греческой философии можно обнаружить зачатки двух принципиально различных способов 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 пространстве.
К эпохе античности относятся выделение статики в особую теоретическую дисциплину, которую древние называли «искусством взвешивать» или ставили рядом с арифметикой («искусством считать»).
Статика принадлежала к тем естественнонаучным дисциплинам, которые в Древней Греции подвергались наибольшей математизации. Ярким примером этого может служить статика Архимеда, созданная по образцу геометрии Евклида.
К античной эпохе восходит зарождение двух направлений статики: кинематического и геометрического.
Первое направление, как видно, возникло из практического пользования простыми механизмами (рычагом, наклонной плоскостью и др.) для передвижения и поднятия грузов. При этом законы равновесия тел изучались путем рассмотрения того, что происходит при нарушении равновесия.
Второе направление развивалось в связи в расчетом равновесия архитектурных конструкций: балок, плит и т. п., подпертых в одной или нескольких точках, а также равновесия подвешенных тяжелых тел, т. е. всевозможных видов весов. При исследовании стремились свести задачу к схеме неподвижного и уравновешенного рычага. С геометрическим направлением статики связано возникновение понятия центра тяжести.