Худ. В. Валуйских
| Упрямый мир пружин |  |
Первое знакомство с пружиной у каждого свое. Одним она дает о себе знать легким звоном из перекрученных отцовских часов, другим - ощутимым толчком в спину, полученным от самозакрывающейся двери... Словом, предмет нашего разговора дает все возможности и пошутить, и поразмыслить всерьез.
Можно запасти энергию, подняв на высоту воду или гири. Так, собственно, и делали создатели первых часовых механизмов - водяных, а потом и часов с гирями. Но это все же не самые лучшие вариманты запасания энергии. Главные недостатки таких аккумуляторов - громоздкость и большой вес. Даже модель тележки, не говоря уж о летательном аппарате, не привести в движение находящимся на ней грузом, каким бы хитроумным механизмом ее ни оснастить.
Только пружина позволила древним механикам создать свои гениальные изобретения.
Первый робот-служанка был сделан Альбертом Великим, который сочетал в себе философа-богослова и выдающегося естествоиспытателя. Механическая женщина открывала входную дверь, немного танцевала. Фома Аквинский, зашедший к своему учителю, был настолько поражен мертвенностью зрачков ее глаз, что решил, будто перед ним порождение сил тьмы, и стал избивать "ведьму" посохом. К его удивлению, в ответ раздался звон, вздохи органчика, а из "останков" выскочило несколько колесиков и пружин.
У царственных особ в средние века появились самоходные парадные кареты с пружинными двигателями. Нажал на педаль - раззолоченная тележка двигается с места. Потом сама собой останавливается, какое-то время стоит и движется дальше. Как выяснилось впоследствии, во внутренних полостях тележки были спрятаны слуги, периодически заводившие ходовую пружину. Увы, другого двигателя (не считая водяного и ветрового) средневековые механики не знали. Зато по части пружин были изощрены блестяще.
Людовик XVI, слесарным способностям которого поражались придворные умельцы, мастерил звонки с мелодичным звоном и небывалые шкатулки. Ему принадлежит идея замка с подпружиненными фигурными пластинами, которые по сей день работают во многих запирающих механизмах.
Пружинная сталь теперь прочнее раз в десять, и все же ломаются от перекрута заводные игрушки, бабушкины патефоны и часы с боем. "Ну и что? - скажет иной поклонник нового. - Разве время пружин не ушло? Век электричества принес долгоиграющие пластинки и электробритвы, зубные щетки на батарейках и электронные будильники".
Оглянемся вокруг. Нет, не исчезли пружины из нашего быта. Телефонный аппарат с наборным диском. Пружина заставляет его возвращаться в исходное положение. И она же размыкает контакты, когда вы снимаете трубку с рычага. Пружина в дверном замке и в затворе самого современного фотоаппарата, и в шариковой авторучке, которой я пишу эти заметки.
Воскресное утро современного человека. Проснулся на кровати с пружинным матрацем, встал, сделал зарядку с пружинным эспандером, взвесился на напольных пружинных весах. "Эге, да я незаметно набрал лишних полтора кило!" Сейчас же на велосипед и к воде (морю, озеру, реке). Подпружиненное седло смягчает неровности дороги. За спиной рюкзак с аквалангом и подводное пружинное ружье. Вроде бы изобретение последних лет, а прототип его - лук известен много веков, и был он, видимо, самым первым пружинным устройством. Поэтому остановимся на нем чуть подробнее.
Лук - это, по сути дела, деревянная пружина (рис. 1). Делали на Руси луки из березы, можжевельника, склеивали рыбьим клеем из набора лучин, армированных роговыми пластинками и обмотанных берестой. А то просто брали два рога и прикрепляли к деревянной рукоятке. Отсюда и пошел термин для обеих половинок лука - "рога". Между ними рукоять. "Тугой лук - что сердечный друг" - гласит пословица.
Общая длина луков, которыми вооружались конники, была невелика. Возили их с собой в налучьях, притороченных к седлу. Зато у пеших воинов-лучников луки достигали двух метров. Из них можно было пустить стрелу весом тридцать граммов более чем на двести метров.
Обычно конные воины были вооружены луками, похожими на луки амуров. Из такого лука Одиссей, по словам Гомера, обстрелял женихов, домогавшихся руки верной ему Пенелопы. С любовью поворачивал он лук то в одну, то в другую сторону. А желая убедиться, что за прошедшие годы с ним ничего не случилось, щелкал тетивой так, что она, по выражению Гомера, пела "как ласточка звонкая в небе".
Дело в том, что тот лук, по терминологии древних, назывался palintonos, в переводе - "изогнутый, натянутый назад". Такие луки изгибали вперед от стрелка (рис. 2). В отличие от современного спортивного лука, тетиву которого приходится натягивать с нуля, палинтонос был заранее напряжен. Восемьдесят процентов энергии лука были уже "заряжены". Натянуть оставалось двадцать процентов. Отсюда и звук, издаваемый тетивой. Вся энергия тетивы, отпускаемой вхолостую, превращалась в звук.
Упругие силы в дальнейшем использовали и другие виды оружия.
Юлий Цезарь в "Записках о галльской войне" упоминает о метательном орудии - "Скорпионе", но подробных описаний и расчетов его не приводит. Сведения о "доогнестрельной артиллерии" есть и в других трудах древних. Общая для всех описаний часть катапульт и баллист - накопитель энергии в том или ином виде (рис. 3). Здесь - грузы, заставляющие взлетать коромысла камнеметов, скрученные пеньковые веревки, натягивающие ложку катапульты, пучки сухожилий животных и даже женские волосы. (Предпочтительно блондинок, поскольку пигмент ослабляет сопротивление волос на скручиваемость. Спросите, почему именно блондинок, а не блондинов? Тысячелетиями мужчины регулярно стриглись, и древние греки, и римляне. Предание говорит, что, когда был осажден Карфаген, патриотки отдали свои косы для баллист, защищавших город.)
Некоторые современные историки полагают: легенды преувеличивают эффективность этого оружия древних. "Утверждать, что метательные машины могли быть достаточно эффективны при осаде крепостей, - пишет подполковник П. Солонарь, - наивно, а разрушение стен с помощью чудо-оружия просто невозможно".
Тем не менее раскопки, проведенные археологами у стен Карфагена, позволили установить: при его осаде было выпущено около шести тысяч каменных ядер весом до 40 килограммов. Значит, такие катапульты были...
Спустя около четырнадцати веков после падения Карфагена, как свидетельствует Ипатьевская летопись, половецкий хан Кобяк вновь применил чудо-оружие. Это был огромный лук, тетиву которого натягивали пятьдесят человек, развивавшие усилие примерно в пять тонн! Однако ополчение под предводительством Святослава Киевского уничтожило Кобякову рать под Хоролом. Чудо-оружие не устояло перед простыми стрелами.
Хотя такими ли уж были они простыми? В то время на Руси существовало оружие, о котором упоминается в Радзивилловой летописи за 1159 год. Это самострел (рис. 1). Значительно уступая луку в скорострельности, самострел превосходил его по силе удара "болта" - так назывались его короткие, окованные железом стрелы. "Болт" пробивал тяжелый доспех и валил всадника с коня. С двухсот метров из самострела можно было пробить стальную кольчугу. Не исключено, что именно самострелы-арбалеты оказали решающее действие в той битве. Изобретенные на Руси еще в X веке, на Западе они получили распространение только в XI.
С изобретением огнестрельного оружия развитие пружинного дела не остановилось. Наоборот, чем сложней становились ручницы и фузеи, тем больше всевозможных пружин включалось в их конструкции. Пружины кремневых ружей, боевые пружины капсульных, спусковые, для удаления стреляной гильзы, пружины подачи патронов из магазина... Здесь и пластинчатые пружины, и спиральные цилиндрические, и спиральные плоские, как в прославленном автомате ППШ.
Что же нового сейчас в пружинном деле? Появились особые пружинные тумбы, воспринимающие удары машин на горных виражах. У лунохода в колесах вместо спиц пружины (рис. 4). Пружины цилиндрические, плоские, конические, тарельчатые, пружины сжатия, растяжения...
Мне довелось видеть штукатуров с подобием конических "улиток" в руках (рис. 5). В них они заливали жидкий раствор цемента, сдобренный мраморной крошкой. Набор пружин, прикрепленных к валу, захватывал из улитки эту смесь и разбрасывал по поверхности стены. Так было сделано декоративное покрытие стен гостиницы "Интурист" в Сочи.
Очень популярны пружинные механизмы в спорте. Различные силомеры, боксерские тренажеры, батуты... Автор этих строк тоже отдал дань придумыванию тренажеров и изобрел ручку для сумки, состоящую из двух половинок, между которыми заключены пружины. Несешь сумку и кисть развиваешь, сжимая ручку. Конечно, можно пользоваться обычным кистевым эспандером, но что ни говори - лишняя вещь в кармане, а сумка всегда с собой.
И уж если пошел разговор о спорте, вспомним древний, как мир, снаряд - обычный мяч. Сверхскоростная съемка запечатлела удар футболиста по мячу (рис. 6). Можно было видеть, как носок бутсы вдавился в мяч, образовал в неглубокую вмятину, затем мяч вновь стал шарообразным, оттолкнулся при этом от бутсы и полетел.
Мяч-пружина, мяч-эспандер. Многие атлеты носили в кармане теннисный мяч для развития кистей рук. Долгое время мячи-баллоны из эластичного материала, наполненные сжатым воздухом, не могли найти для себя применения в технике, но вдруг, как из рога изобилия, посыпались изобретения. Пневматические двигатели, разгружатели, надувные мачты, подъемники. Даже машины ударного действия, где вместо пружины все тот же мячик. Как бутса футболиста, в него вдавливается шток, делает глубокую вмятину, а затем освобождается, и... "мяч" приобретает первоначальную форму, а шток летит, бьет по бойку, который и производит полезную работу. Пробивает отверстия в металле, пластмассе или дереве.
Тетива ОдиссеЕва лука издавала мелодичный звон под его сильными пальцами. Сейчас гитаристы стали пользоваться нейлоновыми струнами. Играя на гитаре, исполнитель, натягивая их, запасает потенциальную энергию, а отпуская, дает струнам возможность выделить ее в окружающую среду. Энергия не исчезает бесследно - звуковые колебания заставляют колебаться верхнюю деку, и звучит музыка. Известный гитарный мастер из города Гукова Александр Заболоцкий так рассказывает о секрете изготовления своих инструментов: "На деку действует сила натяжения струн, и она может принимать их колебания. Пружины - укрепительные рейки, приклеенные к декам изнутри корпуса гитары, я размещаю так, что они придают большую жесткость деке и подключают к колебаниям возможно большие площади". Гитары Заболоцкого (рис. 7) создают благодаря умелой расстановке пружин звуки несравненной красоты и тембра. Музыканты говорят, что они звучат то как орган, то как целый оркестр.
Вообще деревянные пружины не такая уж редкость. В ткацких станках пружины из бука - погонялки толкают челнок из одного конца батана в другой. Попытки заменить их металлическими пружинами ни к чему не привели.
Изобретатель нового способа изготовления меховых воротников Д. В. Раксин для распяливания шкурок применил деревянную пружинящую распялку, имеющую форму полумесяца. Ее слегка сжимают, надевают шкурку, снятую "чулком", затем отпускают, она распрямляется, и шкурка тут же принимает нужную форму. Сотни поколений скорняков до него не могли догадаться сделать такое.
Пружины работают в муфтах безопасности, передающих вращение от электродвигателей к станкам, обеспечивают плавную работу механизмов без толчков и вибраций. Пружинные амортизаторы широко применяют на фабриках и заводах. Без них во многих цехах стоял бы невыносимый грохот.
Пневмопружинные аккумуляторы запасают энергию для торможения большегрузных автомобилей. Пружины из сплавов, имеющих "память формы", например нитинола, открыли в технике возможность создания нового класса двигателей и подъемных механизмов. Изобретатель Н. М. Тиханэ изобрел подъемник, который выполнен в виде конической пластинчатой пружины (рис. 8).
Есть пружины-гайки (рис. 9), которые не позволяют развернуться болтовому соединению и при самой энергичной вибрации.
Пружины, сваренные из двух слоев разного металла, изгибаются при нагреве. Так устроены термометры в наших газовых плитах и другие приборы с биометаллическими пластинами. Жаль только, что они не могут работать при высоких температурах. Но ведь можно сделать пружины из других материалов. Хрупкая керамика при соответствующей обработке пружинит. При сильном морозе лопается стальная пружина, при температуре свыше четырехсот градусов теряет упругие свойства, а керамическая работает в диапазоне от минус двухсот до плюс тысяча двести градусов!
Есть технологические процессы, проходящие в сильно агрессивных средах, которые разъедают металл, но керамика здесь служит годами. Заслуженный изобретатель Грузинской ССР В. К. Абрамян изготовил алмазным инструментом целое семейство таких пружин (рис. 10).
Небывалую пружину изобрели В. Селиверстов и его соавторы (рис. 11). Конусную спиральную пружину они намагнитили в направлении продольной геометрической оси. Витки пружины превратились в отдельные магниты со своими полюсами. При этом южный полюс одного витка стал соседствовать с северным полюсом другого. При сжатии пружины уменьшается расстояние между одноименными полюсами, и они отталкиваются друг от друга. При растяжении ее расстояние между разноименными полюсами увеличивается, и магнитные силы противодействуют растяжению. Упругость витков от магнита получила немалое подспорье. Применить такую комбинированную пружину можно и в двигателях, и как амортизатор, и в спортивном снаряжении.
Мы живем в мире пружин - чугунных, кирпичных, железобетонных: постоянно и упруго раскачиваются кирпичные дымовые трубы, железобетонные телебашни, стальные пролеты больших мостов.
И внутри нас пружины. Наши сухожилия способны запасать энергию в двадцать раз больше, чем стальные пружины такого же веса. У кенгуру и многих насекомых это соотношение еще больше. Не исключено, что машиностроение будущего прибегнет к копированию живых тканей.
Словом, мир пружин упрямо устремлен в будущее.
Олег Жолондковский, изобретатель
Ист. журнал "Техника - молодежи" 1987