Теория простейших механизмов в работах Леонардо да Винчи

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Оглавление……………………………………………………………..1 

Введение………………………………………………………………..2 

Глава 1

1.1 Механика и простейшие механизмы3

1.2 Основные принципы  работы машин и механизмов8

Глава 2

1.1 Механика и Леонардо да Винчи…………………..........................9

1.2 Изобретения Леонардо да Винчи………………………………..11 

Заключение…………………………………………………………..19 

Список литературы20 

ВВЕДЕНИЕ

ЛЕОНАРДО  ДА ВИНЧИ 

(1452-1519)

Среди титанов Возрождения одно из первых мест по праву принадлежит  Леонардо да Винчи. Сила его ума его гениальные научные предвидения, его замечательные технические изобретения, наконец, его великое реалистическое искусство - все это повергало в изумление уже людей Ренессанса, склонных воспринимать Леонардо как живое воплощение того идеала всесторонне развитой личности, о котором мечтали лучшие из мыслителей и писателей XV- XVI веков. Его необычайная одаренность лишь подчеркивала особо значительную степень осуществления тех возможностей к совершенству, которые, по учению гуманизма, заложены в человеке.

Поразительная разносторонность таланта Леонардо, одного из величайших мастеров живописи, и вместе с тем фортификатора  и градостроителя, гидротехника и  мелиоратора, в равной мере глубоко  интересовавшегося проблемами математики и механики, астрономии и космологии, геологии и палеонтологии, анатомии и ботаники, оптики и перспективы - короче говоря, всем нераздельно миром  окружающей человека природы и самим  человеком в этом мире, - разносторонность, вызывавшая у современников смесь  восхищения и подозрительности и  заставившая отдаленных потомков заговорить о предвосхищении им на много столетий позднейших научных открытий, - если не степенью развития, то самим фактом своего существования вполне вписывается в общую картину художественного и научного творчества эпохи Возрождения.

ЧАСТЬ 1

1.1 МЕХАНИКА И ПРОСТЕЙШИЕ  МЕХАНИЗМЫ

Меха́ника (греч. μηχανική — искусство построения машин) — область физики, изучающая движение материальных объектов и взаимодействие между ними. Важнейшими разделами механики являются классическая механика и квантовая механика.

Простейшие  механизмы — устройства, служащие для преобразования силы. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Некоторые из простейших механизмов появились в глубокой древности.

Простейшие механизмы  можно найти почти в любых  более сложных машинах и механизмах. Их всего шесть: рычаг, блок, дифференциальный ворот, наклонная плоскость, клин и винт. Некоторые авторитетные специалисты утверждают, что на самом деле можно говорить всего лишь о двух простейших механизмах – рычаге и наклонной плоскости, – так как нетрудно показать, что блок и ворот представляют собой варианты рычага, а клин и винт – варианты наклонной плоскости.

Принято выделять шесть простейших механизмов из которых четыре являются разновидностью двух основных: 
 

1)НАКЛОННАЯ  ПЛОСКОСТЬ

Наклонная плоскость применяется  для перемещения тяжелых предметов  на более высокий уровень без  их непосредственного поднятия.

 К таким  устройствам относятся пандусы,  эскалаторы, обычные лестницы, а  также конвейеры (с роликами  для уменьшения трения).

Этим объясняется  то, что горные автомобильные и  железные дороги имеют вид серпантина: чем меньше крутизна дороги, тем  легче по ней подниматься.

 НАКЛОННАЯ  ПЛОСКОСТЬ дает выигрыш в силе, равный (в идеале) отношению длины  к высоте.

2)КЛИН

Позволяет увеличить давление за счёт концентрации массы на малой площади. Используется в копье, лопате, пуле и др.

Это, в сущности, сдвоенная наклонная плоскость. Главное его отличие от наклонной плоскости в том, что она обычно неподвижна, и груз под действием усилия движется по ней, а клин вгоняют под нагрузку или в нагрузку. Принцип клина используется в таких инструментах и орудиях, как топор, зубило, нож, гвоздь, швейная игла. 
 

3)ВИНТ 

используется  в шурупах, для подъёма воды (Архимедов винт), в качестве сверла в дрелях, отбойных молотках и др.

Резьба винта  – это, в сущности, наклонная плоскость, многократно обернутая вокруг цилиндра. В зависимости от направления подъема наклонной плоскости винтовая резьба может быть левой (A) или правой (B). Сопрягающаяся деталь, естественно, должна иметь резьбу такого же направления. Примеры простых устройств с винтовой резьбой – домкрат, болт с гайкой, микрометр, тиски.

4)РЫЧАГ

Описан Архимедом. Используется для подъёма тяжестей, в качестве выключателей и спусковых крючков (шатун-кривошип — используется в ткацком станке, паровой машине, двигателях внутреннего сгорания).

Это жесткий  стержень, который может свободно поворачиваться относительно неподвижной  точки, называемой точкой опоры. Примером рычага могут служить лом, молоток  с расщепом, тачка, метла. Рычаги бывают трех родов, различающихся взаимным расположением точек приложения нагрузки и усилия и точки опоры (рис. 6).  

5) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ  ВОРОТ

 используется для подъёма воды в колодцах, для ременной передачи и др.

Это, в сущности, два колеса, соединенные вместе и  вращающиеся вокруг одной оси (рис. 7), например, колодезный ворот с ручкой. 
 
 
 

6)БЛОК

Это колесо с желобом по окружности для каната или цепи. Блоки применяются в  грузоподъемных устройствах. Система  блоков и тросов, предназначенная  для повышения грузоподъемности, называется полиспастом. Одиночный  блок может быть либо с закрепленной осью (уравнительным), либо подвижным (рис. 8)

Уравнительные и подвижные блоки можно сочетать по-разному для увеличения выигрыша в силе. В одной обойме можно установить два, три или большее число блоков, а конец троса можно прикрепить либо к неподвижной, либо к подвижной обойме.

7)ЗУБЧАТЫЕ  КОЛЕСА 

используется  в транспорте и в системе зубчатой передачи. Изобретено шумерами в III тыс. до н. э. Система двух находящихся в зацеплении зубчатых колес, сидящих на валах одинакового диаметра (рис. 4), в какой-то мере аналогична дифференциальному вороту .Скорость вращения колес обратно пропорциональна их диаметру. Если малая ведущая шестерня A (к которой приложено усилие) по диаметру вдвое меньше большого зубчатого колеса B, то она должна вращаться вдвое быстрее.

8)ПОРШЕНЬ

 позволяет использовать энергию расширяющихся нагретых газов или пара. Применяется в огнестрельном оружии и паровой машине.

1.2 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Хотя механизмы  и позволяют получить выигрыш  в силе или скорости, возможности  такого выигрыша ограничиваются законом  сохранения энергии. В применении к  машинам и механизмам он гласит: энергия не может ни возникать, ни исчезать, она может быть лишь преобразована  в другие виды энергии или в  работу. Поэтому на выходе машины или  механизма не может оказаться  больше энергии, чем на входе. К тому же в реальных машинах часть энергии  теряется из-за трения. Поскольку работа может быть превращена в энергию  и наоборот, закон сохранения энергии  для машин и механизмов можно  записать в виде

Работа на входе = Работа на выходе + Потери на трение.

Отсюда видно, в частности, почему невозможна машина типа вечного двигателя: из-за неизбежных потерь энергии на трение она рано или поздно остановится.

Механизмы, как указывалось выше, могут применяться  для увеличения силы или скорости. Идеальный, или теоретический, выигрыш  в силе или скорости – это коэффициент  увеличения силы или скорости, который  был бы возможен в отсутствие потерь энергии, обусловленных трением. Идеальный  выигрыш на практике недостижим.

Коэффициентом полезного действия машины называется процентное отношение работы на ее выходе к работе на ее входе. Для механизма КПД равен отношению реального выигрыша к идеальному. 

ГЛАВА 2

1.1 МЕХАНИКА И ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ

Вопросы механики перспективы привели Леонардо к исследованию проблем геометрии (алгебра, которая начала развиваться  в его время, была ему почти  незнакома) и механики.

Леонардо, безусловно, был знаком со многими  трудами по механике, что следует  из немногочисленных приводимых им цитат  и из более многочисленных выписок  и заметок без указания источников. Из этих источников Леонардо воспринимал  современное ему учение о механике, усваивал его, правильно применял и  развивал. Он пошел дальше, расширив понятие момента силы по отношению  к точке, открыв для двух частных  случаев теорему о разложении моментов и с удивительным искусством применив ее для решения задач о сложении и разложении сил. Решение, которое безуспешно искали в течение многих столетий, и которое было полностью выяснено лишь столетием позже Стевином и Галилеем.

От  Иордана Неморария, а может быть, и от Альберта Саксонского Леонардо узнал условия равновесия тела, опирающегося на наклонную плоскость. Но он превзошел этих авторов, открыв, по-видимому, в результате размышлений об устойчивости различных наклонных башен в Италии (Пиза, Болонья), теорему, которая теперь называется "теоремой об опорном многоугольнике": тело, опирающееся на горизонтальную плоскость, остается в равновесии, если основание вертикали, проведенной из его центра тяжести, попадает внутрь площади опоры.

В применении результатов науки к технике  Леонардо первым попытался дать теорию арки. Он первый занялся вопросами сопротивления балок растяжению и сжатию, первый стал изучать механизм трения и заметил его влияние на условия равновесия.

В области  динамики Леонардо впервые поставил и частично разрешил ряд вопросов. Занятия артиллерией натолкнули его на изучение полета и удара  пушечного ядра; он впервые задался  вопросом, как летят ядра, выбрасываемые  под разными углами, и какова сила удара. Впервые поставил Леонардо вопрос об ударе упругих шаров и для  ряда случаев пришел к вполне правильному  решению.

Весьма  замечательны работы Леонардо над проблемой  трения. Он первый ввел самое понятие коэффициента трения и вполне правильно выяснил причины, определяющие величину этого коэффициента.   

Однако  подлинная гениальность Леонардо-инженера проявляется в его механических и архитектурных инновациях. Известно, что да Винчи готовился сам  опробовать свой летательный аппарат, однако он так и не был сконструирован, не смотря на детальный план, составленный на бумаге. Да и велосипед, созданный  мастером из дерева, тоже вошел в  обиход на несколько столетий позже, как, впрочем, и механическая самоходная повозка, приводимая в действие двумя  рычагами. Однако сам принцип работы повозки был применен для усовершенствования ткацкого станка еще при жизни  да Винчи.  

Будучи еще  при жизни признан гением живописи, Леонардо да Винчи всю жизнь мечтал о карьере военного инженера, и  потому особое место в его деятельности отводилось изучением укреплений, военных  машин, защитных сооружений. Так, именно он разработал прекрасные методы отражения  турецких атак в Венеции, и даже создал подобие защитного скафандра. Но поскольку турки так и не напали, изобретение не было опробовано в  действии. Точно так же осталась лишь в чертежах боевая машина, напоминающая танк.  
 

1.2 ИЗОБРЕТЕНИЯ ЛЕОНАРДО  ДА ВИНЧИ

1)ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МЕХАHИЗМЫ

• АРХИМЕДОВЫ ВИHТЫ И ВОДЯHЫЕ КОЛЕСА

 
На рисунке  "Архимедов винт" слева изображена плотно обернутая трубка, по которой вода попадает из ванны наверх. За счет вращения рукояти вода из трубки подается непрерывным потоком.

• ЭКСКАВАТОР

Экскаваторы Леонардо были предназначены скорее для подъема и транспортировки вырытого материала, чем для рытья, как такого. Это облегчало труд рабочих. Возможно, экскаваторы были нужны для проекта отведения р. Арно.

Предполагалось вырыть ров шириной 18 м  и длиной 6 м. Рисунки дают представление о размерах машины и канала, который предстояло выкопать. Подъемный кран со штангами разной длины был интересен тем, что мог использоваться с несколькими противовесами на двух или более уровнях экскавации. Стрелы крана развертывались на 180° и перекрывали всю ширину канала. Экскаватор устанавливался на рельсы и, по мере продвижения работ, передвигался вперед при помощи винтового механизма на центральном рельсе.

Будучи  главным инженером Герцога, Леонардо да Винчи разрабатывал вопросы гидравлики для использования в сельском хозяйстве и обеспечения энергией машин и мельниц. Его предшественником был только Архимед. Он занимался изучением свойств жидкости, хотя уже существовали и работали акведуки, каналы и другие гидравлические сооружения. Таким образом, Леонардо да Винчи пришлось опираться на собственный опыт, наблюдая течение рек, непрерывную изменчивость формв воде.

2)ЛЕТАТЕЛЬHЫЕ  АППАРАТЫ

• ВЕРТОЛЕТ

      Данный рисунок - изображение "предка" современного вертолета. Радиус винта - 4,8 м. Он имел металлическую окантовку и полотняное покрытие. Винт приводился в движение людьми, которые шли вокруг оси и толкали рычаги. Существовал и еще один способ запуска винта - требовалось быстро раскрутить трос под осью. "Я думаю, что если этот винтовой механизм добротно сделан, т. е. сделан из накрахмаленного полотна (во избежание разрывов) и быстро раскручен, то он найдет себе поддержку в воздухе и взлетит высоко вверх".

• ЛЕЖАЩИЙ "ORNITOTTERO"

      Этот рисунок - один из самых знаменитых рисунков Леонардо: "А вращает крыло, В поворачивает его с помощью рычага, С опускает его, D поднимает его". Человек лежит на платформе вытянувшись: "На этом месте располагается сердце". Ноги вдеты в стремена таким образом, что одна нога поднимает крыло, другая опускает. Это - летательный аппарат, в котором распростертый человек крутит педали, поднимающие и опускающие крылья, сгибающие и вращающие их при помощи веревок и рычагов, т.е. этот аппарат как бы “гребет” по воздуху.

• СИСТЕМА ОТТЯЖЕК РЫЧАГОВ  И СОЕДИHЕHИЙ

Леонардо считал, крылья могут подниматься  и опускаться системой канатов и блоков, приводимой в движение ногами пилота, вдетыми в стремена, и его руками, управляющими рукоятками. Поднимаясь и опускаясь, крылья, также, сгибались и распрямлялись при помощи автоматической системы оттяжек, рычагов и соединений.

     Леонардо  да Винчи был убежден, что "человек, преодолевающий сопротивление воздуха с помощью больших искусственных крыльев, может подняться в воздух".

Убежденный  в своей правоте, он начал разрабатывать  аппарат, приводимый в движение только силой мышц человека, и позволяющий ему парить в воздухе как птица. Существует множество рисунков такого "ornitotteri", придуманных Леонардо. Одни из них изображают лежащего человека, который собирается взлететь с помощью механизмов, присоединенных к крыльям; другие - движение вперед при помощи более совершенной системы винтов и шкива. Есть и рисунки человека, расположенного вертикально в летательном корабле, на педали которого он нажимал руками и ногами.

Чтобы сконструировать крылья "ornitotteri", Леонардо изучал анатомию птичьего крыла, учитывая функции и распределение его перьев. Наблюдая за полетом птицы, ученый заметил, что она по-разному машет крыльями,

Леонардо  был убежден, что сможет осуществить  проект механического полета. Однако его беспокоило то обстоятельство, что возможности мышц человека ограничены. Поэтому он собирался вместо энергии мускулов использовать механизм лука, который обеспечивал бы движение вперед.

3) РАЗЛИЧHЫЕ УСТРОЙСТВА

• АВТОМАТИЧЕСКИЙ ОБЖИГ-ДОМКРАТ

Процесс интересен  тем, что в качестве источника  энергии использовался горячий воздух. Поднимаясь наверх, он приводил в движение лопасти, которые, в свою очередь, цепляли шест справа. На его конце находился ворот, поворачивавший вертел. Все это было полностью автоматизировано, включая регулирование скорости вертела в зависимости от силы огня.

• БЛОКИ (ВОРОТЫ)

Есть еще  один способ передачи движения - при  помощи блоков - колес с выемками, вращающихся вокруг своих собственных осей и соединенных веревками. Леонардо часто использовал их в своих летательных аппаратах.  
 

• ВЕРТИКАЛЬHОЕ СВЕРЛО

Данное устройство должно было применяться для просверливания стволов деревьев. Оно работало в направлении снизу-вверх при помощи винта, вращаемого людьми, которые ходили по платформе. Между стволом и винтом находилось нечто вроде перевернутого дымохода, не дававшего опилкам падать на головы людей. 

• ВЕЧHЫЙ ВИHТ

      В устройствах  Леонардо часто встречались системы  для передачи движения. Для того чтобы передать вращательное движение, использовалось зубчатое колесо, профили зубцов которого геометрически проиллюстрированы здесь.

• ВИHТ "RETROSA"

      Одно из любимых  изобретений Леонардо сочетало в  себе левостороннюю и правостороннюю нити на одном стержне. Это так называемый "retrosa" винт, применяемый для специальных операций.

• ДВОЙHОЙ ДОМКРАТHЫЙ ВИHТ

     Приводится  в движение рукояткой, в своем действии использует геликоидальную систему, синхронно поднимающую два длинных винта. Это устройство применялось для поднятия громоздких и тяжелых грузов, например, колонн и пушек.

• ДОМКРАТHЫЙ ВИHТ

      Для поднятия грузов существовало наиболее мощное устройство - домкратный винт. Он управлялся рукояткой и геликоидальным механизмом. Для устранения трения между винтом и пластиной домкратного винта Леонардо применил шарикоподшипники. Модель работающая.   
 

• ИССЛЕДОВАHИЕ СИЛЫ ДЛЯ ПОДHЯТИЯ ГРУЗОВ

Леонардо  занимался исследованием силы, необходимой для поднятия грузов. Для поднятия тяжестей по наклонной плоскости предполагалось пользоваться системой винтов. 

• МАШИHА  ДЛЯ ПЛЕТЕHИЯ КАHАТОВ

Текстильная промышленность всегда была широко развита в Тоскане и Ломбардии. Леонардо изучал машины для намотки, изготовления канатов и обработки тканей. Чтобы сделать веревку (канат) надо было переплести несколько прядей (каждая прядь состоит из отдельных нитей). Для этого Леонардо разработал машину, приводимую в движение рукояткой. При помощи блоков (воротов) может она поворачивала устройство, к которому были прикреплены переплетаемые пряди (на этом рисунке - только три пряди). В машине, изображенной на этом рисунке, прядей гораздо больше. Они собраны в полукруг барабана, на котором поворачиваются блоки (вороты).

• РЕЗАТЕЛЬHАЯ МАШИHА

      Работа этой машины была полностью автоматизирована: падающий отвес разматывал трос и приводил в движение молоток, который поднимался и опускался, продвигая вперед ту часть материала которую предстояло резать. Данный процесс осуществлялся при помощи приводов и рычагов. Полная автоматизация не только облегчала труд человека, но также и давала стандартную продукцию, что является прообразом современного производства.  

Теоретический вклад Леонардо в науку содержится в его исследованиях по “тяжести, силе, давлению и удару... детям движения..." Остались его рисунки составных частей механизмов и устройств, для передачи движения.

Энергетические ресурсы, доступные Леонардо для приведения в движение его механизмов, были традиционны: сила мышц человека или животного, ветер, вода, грузы и противовесы, арбалеты и пружины, иногда - пар.

Заключение

Простейшие механизмы существовали и до появления Леонардо, но только благодаря его гениальности и трудолюбию все изобретения и механизмы получили не только развитие, но и очень понятное и обоснованное визуальное подтверждение. В его руках механика, как наука шагнула вперёд на многие столетия, вошла в быт простых людей. Практически всего изобретения состоят из грамотного использования простейших механизмов. Винты, зубчатые колёса, рычаги, наклонная плоскость и др. - незаменимые элементы всех изобретений Леонардо да Винчи.

Пять основных типов механизмов были известны с античных времен: лебедка, рычаг, блок (ворот), клин и винт. Леонардо применял их в сложных устройствах, автоматизирующих различные операции. Особое внимание он уделял винтам: "О природе винта и его применении, о том, сколько вечных винтов можно изготовить и как дополнить их зубчатыми колесами".

На сегодняшний  день от дневников Леонардо уцелело  около 7000 страниц.

И амбарные книги, и искусствоведческие эссе, и анатомические зарисовки, и странные чертежи, и исследования по геологии, архитектуре, гидравлике, геометрии, боевым фортификациям, философии, оптике, технике рисунка —всё это плод одного человека.

Леонардо да Винчи, как человек Возрождения хотел охватить и познать все сферы человеческой жизни, и, смотря на всё, что он открыл и создал, можно сказать, что он один из величайших умов человечества.

В римском  аэропорту, носящем имя Леонардо да Винчи, установлена исполинская, уходящая в небо статуя учёного с  моделью вертолёта в руках. «Не оборачивайся тот, кто устремлён к звезде», — писал Леонардо.

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1)  Гастев А. Леонардо да Винчи. - М.: Мол. гвардия, 1982. - 400 с., ил.- ЖЗЛ.- cер. Биогр.- Вып. 9 (627)

2)  М.А. Гуковский. Механика Леонардо да Винчи, Изд-во АН СССР, 1947. - 815 с

3) Аноним. Леонардо да Винчи (Сетевой ресурс)- http://www.vinci.ru/

4) Аноним. Простейший механизм (Сетевой ресурс)- http://ru.wikipedia.org/wiki/ Простейший_механизм

5) Аноним. Машины и механизмы (Сетевой ресурс)- http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/MASHINI_I_MEHANIZMI.html