Машины и механизмы

Машины, механизмы и сложные орудия труда древней Руси до последнего времени оставались малоизученными и почти неизвестными. О них нет сведений в письменных источниках, а археологические находки давали мало материала. Послевоенные раскопки в Новгороде открыли для науки массу новых деревянных вещей и в области изучения машин и механизмов.

Среди механических приспособлений, машин и механизмов, известных еще в домонгольской Руси, встречаются воздуходувные меха, клещи, ножницы, подъемные рычажные механизмы, дрели (лучковые сверла) и вороты, круговые точила и ручные мельницы, веретена и мотовила, колесные повозки и гончарный круг, толчеи и жомы, замки и ткацкие станки, камнеметы, тараны и самострелы. Позже, в XIV-XV вв., получают развитие водяные мельницы и часы, артиллерия и разные рычажные механизмы, приводимые в "движение водяным колесом (толчеи, молоты), ножной гончарный круг.

Связь машин с сохранностью дерева хорошо характеризует определение машин, данное Витрувием: "Машина есть система связанных между собой частей из дерева" (Марк Витрувий Поллион. Об архитектуре. Л., Соцэкгиз, 1936, стр. 286.). Это определение машин в отношении поделочного материала оставалось верным не только в античности и средние века, но и в новое время, вплоть до середины XIX в.

Начнем с описания универсальных деталей машин, сделанных из дерева. Круг применения некоторых из них в настоящее время еще не совсем ясен, но из других можно составить пары, узлы и даже целые агрегаты известных нам, а часто еще и неизвестных машин и приспособлений.

Среди деталей машин встречаются: блоки, ролики, подшипники радиальные, подшипники упорные (подпятники), оси, валы, цапфы, вертлюги, клинья, валики, тяги, балансиры.

В новгородской коллекции имеется 21 блочное колесо с направляющим желобком для гибкой тяги (веревка, ремень). Диаметры блоков колеблются от 60 до 200 мм, ширина наибольшего блока равна 60 мм. Диаметры отверстий для оси составляют 22-40 мм. Блочные колеса делали, как правило, из древесных корневищ или капа.

Радиальные подшипники как отдельная деталь (подобно современным подшипникам) неизвестны, но в отдельных тесинах и брусах имеется много круглых отверстий со следами вращения, иногда очень быстрого. На некоторых подшипниках сохранились следы смазки, а на других - следы обгорелости, возникшей при быстром вращении без соответствующей смазки. Диаметры подшипников колеблются от 30 до 110 мм.

Подшипники упорные (подпятники) представлены более чем 300 экземплярами. На очень многих подпятниках гнезда опоры оси имеют обгорелость от быстрого вращения. Размер гнезда довольно однообразен: диаметр равняется 30-40 мм, глубина - от 20 до 40 мм. С максимальной рациональностью использован материал подшипника - древесина. Большинство подшипников сделано из ствола дерева в том месте, где отходил сучок. Рабочее гнездо делали в корне сучка; это придавало детали наивысшую твердость и наименьшую изнашиваемость. Очень много подшипников (порхлиц) найдено от ручных мельниц.

Цапфы осей и валов в основном были цилиндрическими и коническими, встречены также и коленчатые цапфы. Диаметры цилиндрических цапф колебались от 20 до 90 мм, диаметры конических цапф равны 22-75 мм. На многих цапфах сохранились следы обгорелости.

Очень частая находка - вертлюги (более 50). Вертлюги - деталь, состоящая из планки и валика. Планка - прямолинейная или немного выгнутая в центре с отверстием, в которое входит валик с головкой. Головка задерживает валик от сквозного прохода в отверстие. По краям планки имеется по одному отверстию для креплений гибкой тяги. Это поворотный механизм в цепи гибких тяг, состоящей из двух звеньев. Вертлюги делали из дерева, кости и железа, чаще всего из дерева. Размеры вертлюгов разные: от очень маленьких с длиной планки 30 мм и валика 25 мм до огромных с длиной планки 180 мм и валика 130 Мм. Диаметр валика у таких вертлюгов равнялся 25 мм.

Из древнерусских машин и механизмов мы опишем токарный станок, подъемный механизм, ручную мельницу, весы, а также водяную мельницу и часы.

Кроме посуды на токарных станках вытачивали разнообразные изделия из дерева и кости.

Описаний и изображений русских токарных станков X-XVI вв. не сохранилось, конструкцию и устройство токарного станка можно представить лишь на основе археологического материала.

Прежде чем перейти к анализу конструкции токарного станка, мы напомним его кинематическую схему - основное условие, чтобы обтачиваемый предмет вращался вокруг оси точения, не менял положения и был прочно закреплен. Наиболее универсальное решение этого условия - закрепление изделия в прямых неподвижных центрах, проходящих по оси вращения предмета. Круговое движение передавалось непосредственно на предмет, как: правило, гибким приводом. Нажимая стальным резцом на поверхность предмета, с вращающегося изделия снимали стружку.

Практическое выполнение этой схемы довольно просто, если обтачиваемый предмет является удлиненным цилиндром того или иного размера и обрабатывают только его поверхность.

Технологическое выполнение этой схемы значительно усложняется, если обрабатываемый предмет не удлиненный цилиндр, - тогда необходимо вводить промежуточные приспособления, которые получили бы движение и передавали его на обрабатываемое изделие.

У чаши, изготовляемой пластинчатым способом, ось вращения не совпадала с направлением волокон древесины, то есть длина болвана заготовки шла не вдоль, а поперек ствола дерева. Следовательно, радиальный или тангентальный скол от ствола дерева нужно было как-то дополнительно крепить на токарном станке.

Без специального устройства - шпинделя для крепления обтачиваемого предмета - пластинчатые точеные чаши, достигавшие диаметра 500 мм, не могли бы быть изготовлены на токарном станке.

Круговое вращение шпиндель получал через лучковую передачу. Веревка, обвитая двумя-тремя петлями кругом стержня шпинделя, одним концом прикреплялась к ножной педали, которая ей давала рабочий ход, а другим концом - к пружинящему приспособлению, возвращающему веревку в первоначальное положение. Этот универсальный преобразователь возвратно-поступательного движения в возвратно-круговое, изобретенный еще в глубокой древности, обладал исключительной жизнеспособностью. Он дожил до нашего времени, а до XVIII в. был единственным.

Уже Теофил описывает подобные устройства, приводящие в движение болванки давильных станков (См. W. Theobald. Op. cit., p. 114.). В западноевропейских гравюрах и миниатюрах XIV-XVI вв., изображающих токарные станки, везде представлены только лучковые передачи (A History of Technology. Ed. by Ch. Singer, E. Holyard, A. Hall and T. Williams, vol. II. Oxford, 1956, p. 251.). В русской кустарной промышленности лучковый привод широко применяли вплоть до XX в.

Кроме шпинделя в станке еще необходима задняя бабка - второй опорный центр. Обязательным узлом станка является опора (поддержка) для резца. Известно несколько систем таких опор - от простых стоек, подставляемых к станку, до подручников, укрепляемых на раме станка. Станина, на которой укрепляются все узлы и детали станка, должна быть прочной и массивной.

Последнее условие, которое необходимо учесть при анализе работы токарного станка, - чистота поверхности точеной посуды. Наружная и внутренняя поверхности посуды всегда были чистыми и гладкими. Этого можно было достигнуть только при условии достаточных скоростей резания. При слишком замедленном резании поверхности получаются рваными с махрами и задоринами. Итак, конструкция древнерусского токарного станка удовлетворяла следующим техническим условиям: а - наличие шпинделя, б - надежность крепления изделия на шпинделе, в - достаточная мощность привода, г - большой ход приводной веревки, д - оптимальные скорости резания.

Токарный станок. Реконструкция Б. А. Колчина.

Исходя из этих технических условий и учитывая конструкции археологически известных деталей и узлов механизмов, мы реконструируем токарный станок, применявшийся в древней Руси в XIII-XV вв. При реконструкции для решения того или иного условия берутся самые упрощенные варианты.

Основа станка мощная станина состояла из двух массивных стоек, сделанных из широких и толстых тесин. На высоте около 70 см между этими стойками проходили два поперечных бруса, образуя стол станка. Между поперечными брусками был промежуточный паз, в котором закреплялась передняя стойка шпинделя и задняя бабка. Стойка шпинделя и задняя бабка закреплялись на столе шиповым хвостом с клиновым запором. Шпиндель представлял круглый стержень диаметром в 50 мм. Один конец шпинделя имел конический срез, а на другом была головка, в которую неподвижно вставлялись железные острия, образующие трезубец головки шпинделя. Проходя через подшипник передней стойки, шпиндель упирался своим коническим концом в упорный подшипник станины. В задней бабке на уровне шпинделя имелось квадратное отверстие, в которое вставляли брус заднего центра. В неподвижном состоянии брус закреплялся клиновым запором. Конец бруса имел острие, которым закреплялся обтачиваемый предмет.

Трансмиссией шпинделя была лучковая передача. Приводная веревка шла от пружинящего потолочного приспособления к ножной педали. Резец поддерживала специальная стойка или брус, лежащий на передней и задней бабке.

Механизмы, применявшиеся на строительстве для подъема материалов и конструкций и на транспорте для грузов, имели довольно элементарное устройство, были просты в обращении и надежны в работе. Они позволяли поднимать значительные тяжести.

Софийская II летопись рассказывает о строительстве Успенского собора в Московском Кремле, где приехавший в Россию итальянский инженер Фиораванти установил подъемный механизм ("... колесо сотвори, и вверх камение не ношаше, но ужищем цепляше и возвлекаше, и верху цепляше малые колесца, еже плотники векшею зовут") (ПСРЛ, т. VI, стр. 206-207.).

В этом летописном известии для нас важно не то, что Фиораванти на строительстве установил по последним образцам европейской техники подъемник с большим приводным колесом - "колесо сотвори", позволившим значительно увеличить грузоподъемность механизма и надежность его работы. Для нас важно упоминание векши - "еже плотники векшей зовут" - блочного подъемного механизма, широко применявшегося русскими плотниками на строительных работах еще в домонгольский период. Подобные блочные механизмы называли векшами даже еще в XIX в. (См. В. И. Даль. Толковый словарь живого великорусского языка, т. I. М., ГИС, 1956, стр. 175.).

Этот механизм состоял из деревянных блоков, посаженных где-то наверху, и нижнего ручного ворота для наматывания подъемного каната. Подобная установка изображена на миниатюре в лицевом сборнике Четьи-Минеи 1552 г. Там изображено строительство Вавилонской башни и очень реалистично показаны верхняя укосина с двумя блоками и нижний ворот, на который наматывается канат (ГИМ, Син. № 997, л. 1200 об.). Подобные строительные сценки изображены и на других миниатюрах, но там они слишком схематичны, поэтому конструктивные детали понять трудно.

Среди новгородских материалов есть и деревянные блоки. Один такой большой блок XIV в. сделан из капа (диаметр 130 мм, ширина 50 мм, диаметр отверстия для оси 38 мм); он выточен на токарном станке. Радиус направляющего желобка, рассчитанный на веревку диаметром в 35-40 мм, позволяет поднимать очень большие грузы.

Ручные мельницы были широко распространены в древней Руси наряду с водяными мельницами и дожили в России до XX в. Восстановить полностью конструкцию ручной мельницы XIV-XV вв. позволяют находки новгородской экспедиции. В ее коллекциях имеются все детали этого устройства, их остается только собрать (См. Б. А. Колчин. Деревянные изделия Новгорода, стр. 74.).

Ручная мельница. Реконструкция Б. А. Колчина.

Конструкция ручного жернова состояла из массивного стола, наверху которого крепили нижний камень-постав диаметром в 45 см. В крышке стола и нижнем камне имелось небольшое отверстие диаметром в 30 см, через которое проходила ось для верхнего камня-бегунка. Ось чаще всего была деревянной. Оси-веретена и порхлицы из железа делали очень редко. В верхнем камне в центре имелось круглое отверстие для зерна диаметром 90 мм, а в центре в нижней части камня устраивали выем для порхлицы. Порхлица - деревянный упорный подшипник. Этим подшипником верхний камень опирался на ось. Для приведения в движение верхнего камня имелось особое устройство. Камень плотно обхватывал тонкий деревянный обруч, к которому крепилась деревянная скоба специальной конструкции - боковой подшипник. В эту скобу входил нижний конец длинного махового стержня (220 см). Верхним концом он свободно крепился в отверстие, которое было расположено точно над центром жернова. Верхнее отверстие делали или в брусе специальной рамы, крепящейся к столу, или в брусе, прикрепленном к потолку помещения, где стоит ручная мельница. Вокруг жернова устанавливали небольшой короб с лотком, в котором собиралась мука. Для изменения тонкости помола муки вертикальная ось верхнего камня имела регулирующее устройство.

Абсолютно такая же ручная мельница изображена на миниатюрах в "житии" Сергия (См. А. В. Арциховский. Древнерусские миниатюры как исторический источник, стр. 189.).

Ручные мельницы подобной конструкции с регулируемой вертикальной осью и маховым стержнем применялись в Польше, Чехии и у других народов средневековой Европы (См. Lubor Niederle. Rukovet slovanskych starozitnostf. Praha 1953 str. 340.). Описанная конструкция ручной мельницы дожила почти без изменения до современности.

Одним из механических измерительных приборов древней Руси были весы двух типов: равноплечные коромысловые с двумя закрепленными чашами и неравноплечные с одной чашей-крючком и передвижной гирей (безмен). Оба конструктивных варианта весов, существовавших в XIV-XV вв., известны на Руси еще в IX-Х вв.

Равноплечные коромысловые весы в зависимости от назначения изготовляли разных размеров: от миниатюрных бронзовых складных весов для взвешивания монет и драгоценностей с длиной коромысла в 74 мм до огромных торговых железных весов с коромыслом длиной в 1,5 ж и массивными чашами на цепях (См. А. В. Арциховский. Древнерусские миниатюры как исторический источник, стр. 95.).

Весы имели, как и современные технические весы третьего класса, в середине рычага прикрепленную на шарнире скобу, в верхней части которой было ушко или кольцо для подвешивания весов. К рычагу неподвижно крепилась стрелка равновесия. Чаши (скалы) делали круглыми, квадратными и треугольными.

Небольшие весы для взвешивания монет, ювелирные, аптекарские для удобства переноса и хранения были складными. Каждая сторона коромысла у этих весов складывалась на две части, укорачивая длину коромысла в. 2 раза. Такие весы хранились в кожаных футлярах.

Безмен - неравноплечные весы с одним крючком-чашей и передвижной гирей, делали из железа и дерева. Железные безмены изготовлялись стандартной формы и размера. Археологически известны железные безмены XI-XIV вв. Общая длина рычага этих весов достигала 400 мм. Круглый стержень большого рычага (диаметром 10 мм) имел деления, кратные малому рычагу. Длина плеч безмена допускала кратность взвешивания до 40. К передвижному кольцу большого рычага во время взвешивания подвешивали соответствующую гирю. Безмены допускали взвешивание тяжестей до 1 пуда и больше.

Техническая революция, начавшаяся в Италии в XIII в. и охватившая всю Европу в XIV-XV вв., вызвала в XVIII в. промышленный переворот - значительное расширение энергетической базы техники и ее качественное изменение в целом. В техническом преобразовании Европы XIV-XV вв. участвовала и Россия.

В XIV в. на Руси широко распространились водяные мельницы, которые появились, вероятно, еще в домонгольское время (См. Б. А. Рыбаков. Ук. соч., стр. 569.). Первое упоминание о мельницах относится к 1267 г. В ярлыке хана Менгу-Темира, освобождающем церковные владения от поборов, среди ряда объектов следует перечисление:; "... ни вод, ни огородов, ни мельниць" (Львовская летопись) (ПСРЛ, т. XX, стр. 183.).

Водяные мельницы устраивали прежде всего в крупных феодальных хозяйствах. Они упоминаются главным образом в княжеских и монастырских грамотах. Мельницами владели и крупные новгородские бояре. Новгородский посадник Юрий Онцифорович имел мельницу в деревне Злостьицы, на которой работал наемный мельник. В берестяной грамоте № 167 мельник пишет: "Челобитье от мельника из Злостьици к Юрью к Оныщфоровичу, чоби господине, попецелилеся горюнами, а и нь поели свои человек". В этом письме он просит владельца мельницы Юрия Онцифоровича не присылать нового мельника, а пожалеть старого и оставить его на службе (См. А. В. Арциховский. Раскопки 1955 года в Новгороде. ВИ, 1956, № 3, стр. 70.).

Каких-либо данных о конструкции русских водяных мельниц XIV-XV вв. не имеется, но есть очень много материалов о западноевропейских водяных мельницах этого времени. Полная аналогия гидросиловых установок XVI-XVII вв. в России и на Западе позволяет представить в общих чертах на основе западноевропейских конструкций и русские водяные мельницы XIV-XV вв.

Мельницы строили с наливным верхнебойным колесом (диаметр колес 6 м). Вода поднималась плотиной, которую делали из дерева и земли. Передаточный механизм от горизонтального вала к вертикальному состоял из зубчатой (цевочной) передачи с деревянными колесами различного диаметра. Массивный верхний жернов насаживался на вертикальный вал. Регулирующего механизма, позволяющего мельнику изменять тонкость помола зерна, в то время еще не было (См. Н. А. Пономарев. О времени, месте появления и устройстве первых водяных мельниц. ТИИЕ и Т, т. 13. М., 1956, стр. 122.).

В XIV-XV вв., вероятно, появляются и водяные мельницы, с горизонтально расположенным колесом на вертикальном валу ("мутовчатые"). Они были более портативны и проще по устройству. В письменных источниках эти мельницы упоминаются лишь с 1532 г. Небольшие изогнутые лопасти, насаженные на вертикальный вал, напоминали настоящую мутовку. Вода к лопаткам подавалась по желобу и на колесо лилась сверху. На верхний конец вертикального вала прикрепляли мельничное устройство.

К этому времени относятся попытки использования водяного мельничного колеса и для других механических работ. Вращательное движение вала преобразуют в прерывно-поступательное. Такую конструкцию имели мельницы-колотовки и устройство для толчения каких-либо материалов, например бумажной массы, Такая толчея состояла из рычага с закрепленной точкой вращения, который периодически поднимался, зацепляемый кулачками, сидящими на горизонтальном валу водяного колеса, и затем падал, производя рабочую операцию. На другом конце рычага располагался рабочий пест. Скорость такой колотовки достигала более 100 ударов в минуту. По такому же принципу в России позже стали делать механические кузнечные молоты.

В первой половине XIV в. в Западной Европе появились механические часы с гиревым и колебательным регулятором. Это были башенные часы с шпиндельным ходом. Они имели все основные узлы современных настенных часов, кроме маятника. Широкое распространение часы приобретают в конце XIV в. В это время башенные часы устанавливали во многих больших городах Европы. В самом начале XV в. часы появляются и на Руси.

Первое упоминание о часах относится к 1404 г. В этом году в Московском Кремле были установлены башенные часы. "В лето 6912, индикта 12, князь великий замысли часник и постави е на своем дворе за церковью за Св. Благовещением. Сий же часник наречется часомерье; на всякий же час ударяет молотом в колокол, размеряя и разсчитая часы нощныя и дневныя; не бо человек ударяше, но человековидно, самозвонно и самодвижно, страннолепно некако створено есть человеческою хитростью, преизмечтано и преухищрено. Мастер же и художник сему беяше некоторый Чернец... родом Сербин, именем Лазарь; цена же сему беяше вящыне полувтораста рублев" (Симеоновская летопись) (ПСРЛ, т. XVIII, стр. 281.).

Этот рассказ летописца в Лицевом своде иллюстрирован миниатюрой (См. А. В. Арциховский. Древнерусские миниатюры как исторический источник, стр. 85.). Часы, изображенные на миниатюре, имеют три гири - среднюю большую ходовую и две маленькие для боя. Тут же изображен часовой колокол и молоточек, отбивающий часы. Циферблат разделен на двенадцать часов. Стрелок часы не имели, так как вращался весь "циферный круг" (циферблат).

Через 30 лет часы были установлены и в Новгороде. В 1436 г. новгородский архиепископ Евфимий построил часозвоню и "часы над полатою наряди звонящий" (92 НПЛ, стр. 418.).

Часы на княжеском дворе в Москве. Миниатюра XIV в. (А. В. Арциховский. Древнерусские миниатюры как исторический источник. Изд-во МГУ, 1944, стр. 85).

Б. А. Колчин