100 великих чудес инженерной мысли - Андрей Низовский

Это открытие Дж. Нидем по праву назвал «первым шагом на пути к изучению мельчайшей структуры металлических поверхностей».

Каким образом китайцам около тысячи лет назад удалось создать повозку-компас, путешествуя на которой, седоки могли безошибочно ориентироваться по сторонам света? Причем речь здесь не идет об обычном магнитном компасе. Все гораздо сложнее: возможно, мы имеем дело с одним из первых кибернетических устройств, изобретенных человеком.

Среди механизмов, изобретенных китайцами, имелись две необыкновенные повозки. Одна из них была снабжена прибором, отмечавшим пройденное расстояние. Колеса этой повозки приводили в движение шестерни разных размеров, которые совершали неодинаковое число оборотов за одно и то же время. Когда повозка проезжала 1 ли (древнекитайская мера длины, соответствующая 500 м), одна шестерня делала полный оборот. Она приводила в движение деревянную фигурку человека, установленную на повозке, которая ударяла в барабан. Когда же повозка проезжала 10 ли, совершала полный оборот другая шестерня, и на этот раз другая деревянная фигурка била в колокол.

Такая повозка с прибором, указывающим пройденное расстояние, существовала в Китае примерно уже 1600 лет назад. А в III в. н. э. в Китае появился навигационный «кибернетический прибор», в котором использовался принцип обратной связи. Назывался он «повозка, указывающая на юг». Это устройство не имело ничего общего с магнитным компасом и представляло собой именно повозку (3,3 м в высоту, столько же в длину и 2,75 м в ширину), увенчанную нефритовой фигурой «мудреца». Его простертая рука всегда указывала на юг, куда бы ни поворачивала повозка. Даже если она ездила по кругу, фигура вращалась и рука все равно была протянута по направлению к югу.

В конце V в. выдающийся ученый Цзу Чунчжи снова изобрел или восстановил по старым описаниям механизм, который приводил в действие «повозку, указывающую на юг».

Два китайских изобретателя в первой половине XI в. и в начале XII в. тоже сконструировали подобные повозки, описания которых сохранились. «Повозка, указывающая на юг», была довольно больших размеров. В нее запрягали несколько лошадей. Кузов был украшен изображениями драконов, тигров, цветов и птиц. Над кузовом возвышался шест, увенчанный деревянной человеческой фигуркой, рука которой была вытянута вперед. Этот шест входил в центр большого зубчатого колеса, находившегося в кузове и вращавшегося в горизонтальной плоскости. За зубья большого колеса цеплялось несколько маленьких шестеренок. Перед тем как повозка трогалась в путь, палец вытянутой руки «мудреца» (в этом варианте, правда, уже деревянного) направляли прямо на юг. Если повозка меняла направление, то механизм повозки поворачивал большое зубчатое, колесо в обратном направлении на такой же угол, на какой повернулась повозка. Таким образом, рука «мудреца» по-прежнему продолжала указывать на юг.

Как китайским изобретателям удалось добиться такого результата? Причем не исключено, что устройство это появилось гораздо раньше, может быть за 1200 лет до этого. В китайской официальной летописи от 500 г. записано:

«Повозка, указывающая на юг, была впервые построена правителем Чжоу (начало 1-го тысячелетия до н. э. – прим. авт.), чтобы служить проводником послам, возвращавшимся домой из далеких стран. На наших бескрайних равнинах легко потерять направление на запад и восток, и потому правитель приказал изготовить такую повозку, с помощью которой послы могли бы определять северную и южную стороны».

Если эти сведения верны, то изобретение следует отнести примерно к 1030 г. до н. э. Однако английский ученый Дж. Нидем, много лет изучавший историю китайских открытий и изобретений, подозревает, что слово «повозка» было вставлено в это описание переписчиками, а на самом деле речь шла об указателе на юг – своего рода компасе. Среди тех, кому приписывают авторство изобретения, – астроном Чжан Хэн (ок. 120 г.). Впрочем, у Дж. Нидема эти сведения вызывают сомнения. Единственной вероятной датой ему кажется середина III в., а автором изобретения он считает знаменитого инженера Ма Цзюня.

Итак, если в этом устройстве не использовался принцип магнитного компаса, то как же оно работало? Возможно, у повозки был дифференциал, примерно такой же, как на современных автомобилях. Его работу можно описать так. Когда транспортное средство проходит поворот, колеса, расположенные на обеих концах каждой оси, должны вращаться с разной скоростью, так как у них разный радиус поворота. Для ручной тележки или конной повозки поворот не представляет затруднений, но если колеса вращаются от механического привода, то как заставить их вращаться с разной скоростью на одной оси? Этого можно добиться с помощью хитроумного изобретения, называемого «дифференциалом».

В 1965 г. Дж. Нидем высказал предположение, что именно китайцы изобрели дифференциал и впервые применили его в «повозке, указывающей на юг». Если считать, что первая такая повозка принадлежала правителю Чжоу (1-е тысячелетие до н. э.), то изобретателями дифференциала следует считать китайцев; однако у нас все же больше оснований полагать, что первое подобное устройство было изготовлено во II или III в. В этом случае изобретателями дифференциала следует признать греков.

Однако спустя десять лет, в 1975 г., профессор Дерек Прайс опубликовал книгу «Gears from the Greeks» («Зубчатые колеса в Греции»), в которой убедительно доказал, что греки знали о дифференциале примерно с 80 г. до н. э. Прайс называет его «одним из величайших фундаментальных изобретений механики всех времен». Вероятно, что оно попало в Рим, а оттуда в Китай, хотя вполне возможно, что китайцы изобрели дифференциал для «повозки, указывающей на юг», независимо от греков.

Устройство повозки требовало уникальной точности. Дж. Нидем ссылается на Дж. Коулза, который в книге «Исторические и научные основы автоматизации» писал, что «различие в длине окружности внешних колес всего в 1 % приведет к изменению направления, указываемого нефритовой фигурой, на 90 % на расстоянии всего лишь в 50 раз большем, чем расстояние между двумя колесами». Повозка будет все больше уклоняться в сторону, на которой расположено колесо меньшего диаметра (это явление называется «относительным проскальзыванием»). Итак, разница в размере колес должна была составлять гораздо меньше 1 %, с той же точностью нужно было изготавливать шестеренки для дифференциала. Это свидетельствует о таком уровне мастерства, что к нему никак не применимы определения «древний» или «примитивный».

В «повозке, указывающей на юг», дифференциал использовался в обратном порядке по сравнению с современным автомобилем. Сегодня дифференциал служит для передачи усилия на колеса и приведения в движение автомобиля, а в повозке, которую тянули животные, оно шло от колес и использовалось для постоянной корректировки положения указующей руки. Таким образом, дифференциал в этом механизме постоянно поворачивал фигуру так, что она всегда показывала на юг.

Дж. Нидем назвал повозку «первым механизмом-гомеостатом в истории человечества, в котором используется полная отрицательная обратная связь. Конечно, в систему управления следует включать и погонщика. Но его вполне могла бы заменить аппетитная морковка в руке нефритового «мудреца», что обеспечило бы автоматическое замыкание контура». Дж. Нидем полагает, что «повозку можно было бы по праву считать первым настоящим кибернетическим механизмом, если бы обеспечивалась самокорректировка управления, легко осуществимая в наши дни».