Объяснение фразы архимеда дайте мне точку опоры. Точка опоры – знания
Каждый, прочитавший этот заголовок, знает, видимо, и окончание фразы - широко известно смелое заявление величайшего математика и инженера древности Архимеда, его знаменитое "Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю". Если бы это утверждение принадлежало любому другому, оно могло бы вызвать только улыбку современников, но авторитет сиракузского мудреца был так велик, и вера в его возможности настолько безусловна, что слова Архимеда стали крылатой фразой, прошли через тысячелетия. Но что же стоит за знаменитым высказыванием Архимеда, с какими событиями и научными достижениями оно связано? И что конкретно имел в виду Архимед, каким именно приспособлением он считал возможным выполнить свое обещание?
Лебедка с зубчатым редуктором и червячной
передачей по Паппу Александрийскому
(реконструкция Т. Бека).
Первое упоминание об этой фразе есть у известного греческого писателя I века Плутарха в биографии римского полководца Марка Марцелла, осаждавшего Сиракузы. Рассказ Плутарха звучит так: "Архимед, между прочим, писал однажды своему родственнику и другу царю Гиерону, что данной силой можно поднять любую тяжесть. В юношески смелом доверии к силе своего доказательства он сказал, что, если бы у него была другая Земля, он перешел бы на нее и сдвинул с места нашу".
Как мы видим, Плутарх связывает заявление Архимеда с доказательством какого-то научного открытия, суть которого состоит в возможности "данной силой поднять любую тяжесть". Обычно считают, что речь идет здесь об открытии закона рычага, но это мнение не может быть принято. Ведь фраза Архимеда относится не к умению что-то рассчитать, а именно к действию, к созданию, пусть в рамках мысленного эксперимента, какого-то устройства, способного сдвинуть любую массу. Рычаг применяется людьми с незапамятных времен, и не понятно, как он мог стать предметом особой гордости Архимеда. Сомнительно, чтобы речь шла и об открытии закона рычага, потому что закон этот был сформулирован до Архимеда, хотя и не с той строгостью, которую позже придал ему ученый. Правило рычага содержится в сочинении "Механические проблемы", вероятный автор которого, философ Стратон из Лампсака, умер, когда Архимеду было восемь лет.
Но если у Плутарха речь шла не о рычаге и не о законе рычага, то о чем же? Некоторый свет на это проливает продолжение рассказа писателя: "Удивленный Гиерон,- пишет Плутарх,- стал просить Архимеда доказать свои слова и привести в движение какое-либо большое тело малой силой. Архимед приказал посадить на царскую грузовую триеру, с огромным трудом с помощью многих рук вытащенную на берег, большой экипаж, положить на нее обычный груз и, усевшись на некотором расстоянии, без всяких усилий, спокойно двигая рукой конец полиспаста, стал тянуть к себе триеру так тихо и ровно, как будто она плыла по морю". Очень интересны технические подробности, сообщенные Плутархом: назван тип корабля, который Архимед сдвинул-триера, и указан применявшийся для этого механизм - полиспаст. О передвижении Архимедом корабля упоминает и римский писатель III века Атеней. Правда, в его сообщении говорится, что Архимед добился успеха "с помощью изобретенного, им винта".
Античные корабли, достаточно хорошо изучены археологами. Мы знаем, что нагруженная триера весила около 200 тонн. По нормам того времени, которые приводит Герои Александрийский, для перемещения по суше подобного груза требовались усилия 1600 человек. Можно не сомневаться, что выполнение этой работы одним человеком должно было показаться зрителям настоящим чудом, произвести на современников глубокое впечатление и создать ученому громкую славу. Передвижение корабля силой одного человека и стало, вероятно, тем событием, которое закрепило в памяти поколений знаменитую фразу-"Дайте мне точку опоры...".
Теперь нам известно, какую задачу мог решить Архимед с помощью открытия, о котором говорит Плутарх, но какими именно устройствами ученый сдвинул корабль, пока остается неясным. С уверенностью можно утверждать только, что с помощью одного лишь полиспаста он сделать этого не мог (хотя в литературе встречаются и обратные утверждения). Чтобы сдвинуть триеру массой в 200 тонн, нужно приложить к ней усилие порядка 25 тонн. Если мы примем, что Архимед вытягивал последний канат полиспаста даже с силой 25 килограмм, то передаточное отношение системы составит 1: 1000. Полиспаст с такой характеристикой должен представлять собой чудовищное сооружение с двумя тысячами блоков. Потери на трение в подобном механизме будут настолько велики, что нет никакой надежды не только что-нибудь переместить с его помощью, но и просто сдвинуть его с места.
Не мог Архимед сдвинуть корабль и с помощью одного лишь винта, упоминаемого Атенеем,- винтовую передачу с нужным выигрышем в силе при том уровне техники создать было невозможно. Кроме
того, здесь возникает противоречие с рассказом Плутарха- винтовой домкрат и полиспаст несовместимы. Это, пожалуй, все, что можно извлечь из рассказов Плутарха и Атенея.
Для раскрытия загадки исторического изречения требуется какая-то дополнительная "точка опоры" и, к счастью, она имеется. Вот что пишет в своей "Математической библиотеке" ученый ill века Папп Александрийский. "Как определенный груз привести в движение определенной силой" - это то механическое открытие Архимеда, которое заставило его радостно воскликнуть: "Дай мне место, где я мог бы стоять, и я подниму Землю!" Герон Александрийский очень ясно описал это в своей книге... Он описывает, как поднять определенный груз при помощи определенной силы, причем он принимает отношение диаметра зубчатого колеса к диаметру оси с зубьями равным 5:1, допустив, что подлежащий поднятию груз весит 1000 талантов (25 тонн), а движущая сила равна 5 талантам (125 кг). Дальше Папп подробно разъясняет устройство этого механизма, который оказывается ручной лебедкой с четырехступенчатым зубчатым редуктором и червячной передачей.
Поразительным здесь кажется не только почти полное совпадение описания сути "механического открытия" с тем, что сказано у Плутарха, но и приводимый в качестве примера механизм. Характеристики лебедки как раз подходят для перемещения с ее помощью корабля силой одного человека. Ее устройство включает в себя и элементы, названные Плутархом и Атенеем,- на выходе она имеет канатный барабан, который может связываться с полиспастом, на входе у нее винт (термины "червяк" и "винт" в литературе того времени не различаются). Тяговое усилие - 25 тонн, если учесть полиспаст, даже превышает нужное и говорит о прочности машины, передаточное отношение вполне подходящее. Папп называет силу на канатном барабане (1000 талантов) и на зубе o червячного колеса (5 талантов), кроме тоoго, из его описания можно узнать, что червячная передача имела отношение 1:24. То есть общее передаточное отношение редуктора равно 1:4800. Конечно, и эта система передач имеет потери на трение - расчет показывает, что ее коэффи- циент полезного действия составляет около 10%. Но это не так уже плохо. Вращая рукоятку такой лебедки, Архимед мог сдвинуть корабль на 10 сантиметров, то есть на расстояние, заметное для зрителей, за 15-20 минут.
Папп не упоминает, что описанная Героном лебедка применялась для передвижения корабля, не говорит он прямо и о том, что она изобретена Архимедом. Но есть все основания полагать, что в античной технике, не знавшей быстроходных двигателей, лебедки с очень большими передаточными отношениями не могли применяться,- слишком много времени заняло бы перемещение грузов с их помощью. В грузоподъемных машинах той эпохи обходились воротами, полиспастами и комбинациями канатных барабанов разной величины. Если же требовалось быстро поднять большой rpwi в канаты впрягались сотни людей. Таким образом, вероятнее всего описанная Паппом лебедка была сконструирована Архимедом специально для демонстрации своего "механического открытия".
Но что же это было за открытие? Ясно, что Архимед считал его важным, если не пожалел труда на создание машины, не имевшей прототипов, сложной, трудной в изготовлении. Может быть, под открытием подразумевается изобретение какого-либо механизма, входящего в лебедку? Сомнительно. Зубчатые колеса были известны до Архимеда. Честь изобретения червячной передачи, по всей вероятности, действительно принадлежит Архимеду, но сама по себе она не решает задачи, "как определенный груз привести в движение определенной силой". Открытие должно было быть более глубоким, касаться неких общих принципов. И такой для того времени новый принцип, заключенный в механизмах для передвижения корабля, можно указать. Это- последовательное соединение передач.
Архимед открыл, что при последовательном соединении передач их передаточные отношения не складываются (как у полиспастов), а перемножаются и это приводит к ошеломляющим результатам. Если взять зубчатые передачи с отношнием 1:5 (как у Герона) и соединить и*""пс>следова-тельно, то для двух передач "выигрыш" в силе составит 25, для трех -125, для пяти - 3125. Для редуктора с семью передачами отношение будет уже около 400 тысяч, а для двенадцати ступеней превысит миллиард! Такое открытие было способно, видимо, привести ученого в восторг и послужить поводом для восклицания о возможности сдвинуть Землю.
Структура современных грузоподъемных машин часто повторяет принципы устройства лебедки Архимеда, и это вызывает еще большее уважение к великому ученому, который в III веке до нашей эры сумел найти оптимальную комбинацию механизмов и провести опыт, поразивший современников.
0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.