Рождение колеса

В. ВИРГИНСКИЙ

В своем известном романе «Борьба миров», рисуя технику марсиан, в образе которых дается беспощадный шарж на будущих людей капиталистического общества, Уэллс утверждает, что эта техника, несравненно более высокая, чем современная нам, откажется от применения колеса. По мнению Уэллса техника в своем развитии должна уподобляться формам, имеющимся в природе. Поскольку в природе нет принципа колеса, последний будет отвергнут и заменится принципом транспортных машин с ногами, которые будут ходить и бегать подобно животным.

Эта исходная мысль Уэллса совершенно не верна. Он смотрит не вперед, а назад. Попытки создать паровозы и паровые автомобили с ногами являются детской болезнью механического транспорта, подражанием конному транспорту. Человек вовсе не прямо заимствовал от природы свои изобретения. Он приходил к ним гораздо более сложным путем, исходя из задач, возникавших перед ним в процессе общественной, трудовой деятельности.

Изобретение колеса явилось одним из величайших достижений первобытного человека. Нам неизвестно, когда именно впервые при перетаскивании грузов начали применяться катки, по-видимому это было десятки тысяч лет тому назад, еще до перехода людей к новокаменному веку (неолиту), т. е. в тот древнекаменный период, который так характеризуется Энгельсом: «Вновь занимаемые области, как и непрерывно действующий инстинкт собирания, в связи с обладанием огнем, добываемым посредством трения, доставляли новые предметы питании; таковы крахмалистые корни и клубни, испеченные в горячей воде или пекарных ямах (земляных печах); такова дичь, которая с изобретением первых видов оружия, палицы и копья стала время от времени добавляться к пище» («Происхождение семьи, частной собственности и государства»).

Нередко племени первобытных людей удавалось убить крупную дичь, которую трудно было перетаскивать волоком. Приходилось также перетаскивать к месту стоянки большие глыбы камня, от которого отбивались затем куски для производства орудий. Постепенно опыт доказал первобытным людям, что тяжелый груз легче перетаскивать, если подложить под него круглый каток, например бревно, которое будет вращаться при передвижении груза.

Мы знаем теперь, что подкладывание катков облегчает движение груза потому, что этим резко уменьшается трение. Если взять то же бревно и волочить его по земле, то при этом происходит так называемое трение скольжения. Как бы гладко ни было выстругано бревно и как бы ни была ровна земляная площадка, все равно и бревно и площадка имеют неровную поверхность, состоящую из множества бугорков. При движении предмета бугорки на его поверхности задевают за бугорки той площадки, по которой предмет скользит. При этом бугорки должны быть или сорваны с места, или смяты. Чтобы сорвать огромное количество бугорков с поверхности самого предмета, а также с поверхности площадки, по которой его тащат, нужно очень большое усилие, особенно если и предмет и площадка обладают большой твердостью. Представим себе теперь, что то же бревно катится, а не тащится. Тогда его бугорки будут лишь временно приминать бугорки на поверхности площадки и только в очень небольшом количестве срывать их с места. (Поверхность бревна все равно стирается, но значительно меньше, чем при волочении). А на это нужно гораздо меньшее усилие, или, как говорят, «трение катания» значительно меньше «трения скольжения».

Первобытный человек перетаскивал тяжелые грузы на платформе, связанной из бревен и положенной на три катка При движении платформы катки по очереди выкатывались сзади, их переносили вперед и вновь подкладывали под платформу.

Первобытный человек пришел к этому выводу опытным путем и стал применять каток. «В начале было дело», —  как писал великий поэт Гете и как любил повторять Маркс.

Первой формой катка, как мы уже говорили, был простой древесный ствол. Затем этот сырой неровный ствол стали очищать от коры и обтесывать в виде сравнительно гладкого и правильного цилиндра, который катать было уже легче.

Но вот делается дальнейший шаг вперед, и груз стали класть на каток не непосредственно, а установив предварительно на катке плоскую, связанную из бревен или жердей платформу, служившую подставкой для груза. Под такую платформу подкладывалось два-три катка, а затем платформу тянули за веревки, свитые из волокон растений или из жил, или же за ремни, выкроенные из шкур животных. Платформа передвигалась на некоторое расстояние, и при этом один из катков выкатывался сзади. Тогда его переносили вперед и вновь подкладывали под платформу. Затем приходила очередь второго катка, который тоже высвобождался сзади и переносился вперед и т д.

Позднее первобытный человек (возможно уже при переходе к неолиту — лет тысяч десять тому назад) стал плотно связывать платформу с катками, но так, чтобы катки могли свободно вращаться. Это достигалось тем, что снизу платформы вбивались колышки, между которыми и помещались катки. Колышки эти не давали платформе сдвигаться с катка во время движения. Так возникло перевозочное приспособление, явившееся прямым предшественником повозки.

Позднее платформу стали плотно связывать с катками. Это достигалось тем, что снизу платформы вбивались колышки, между которыми и помещались катки.

*

Развитие различных орудий труда в первобытном обществе и прежде всего изобретение пилы дали возможность распиливать катки поперек и получать таким образом сплошные круглые диски. Два таких просверленных посередине диска насаживались на одну толстую жердь, (ось), служившую опорой для платформы и лежавшего на ней груза. Это представляло собой уже гораздо более совершенное перевозочное приспособление: трение катящихся частей (дисков-колес) резко снижалось, так как теперь была значительно уменьшена площадь соприкосновения повозки с землей.

Так возникло сплошное дисковое колесо. Вместе с тем замена катка из древесного ствола двумя дисковыми колесами, насаженными на обоих концах оси, положила начало искусству строительства повозок. Повозка в этой примитивной форме в течение нескольких тысячелетий являлась средством передвижения человека. Такой вид повозки применялся уже в период свайных построек (3—3,5 тыс. лет до нашего летоисчисления), как это доказывается многочисленными находками частей примитивных повозок на сплошных колесах.

Вначале, до систематического приручения животных, повозки на дисковых колесах приводились в движение человеческой силой, впоследствии же, в конце новокаменного века и в древних восточных цивилизациях (3—5 тысяч лет до нашего летоисчисления), в качестве двигательной силы используются быки, а позднее лошади. Так. например, в древнем Египте, в городе Фивах, на стене сохранилось изображение грузовой повозки, видимо, предназначенной для очень тяжелых грузов. Повозка имеет два дисковых колеса большого диаметра (судя по изображению — в метр с лишним) и в нее запряжены четыре быка.

В древнем городе Фивах на стене сохранилось изображение грузовой повозки. Она имеет два дисковых колеса большого диаметра (судя по изображению — в метр с лишним); в нее запряжены четыре быка.

Сплошное дисковое колесо составляет первую ступень в истории развития колеса. То, что ось с колесами возникла именно из катка, подтверждается, между прочим, еще и тем фактом, что во всех древних государствах —  Египте, Ассиро-Вавилонии, античной Греции — вначале существовали лишь повозки об одной оси с парой колес (соответственно платформе с одним катком). Двухосные повозки появились позднее и были большой редкостью.

Вторая ступень начинается с возникновения колес со спицами. Как было уже сказано, первобытный человек изготовлял дисковые колеса, распиливая древесный ствол поперек, т. е. перпендикулярно к направлению волокон. Однако, по мере технического развития деревообрабатывающих орудий (теперь уже металлических) ствол начинают распиливать уже так, чтобы изделия из дерева воспринимали усилия по направлению волокон, так как именно в этом направлении оно имеет свою наивысшую прочность. Исходной формой деревообработки становится доска, полученная продольным распилом ствола. Постепенно изготовляются бесчисленные деревянные изделия. Из доски же начинают выпиливаться и дисковые колеса.

Можно предположить, что эти колеса состояли из одной большой средней доски, содержащей осевое отверстие, и двух боковых досок меньшего размера, образующих сегменты колесного круга.

Однако прочность такой конструкции была крайне незначительна, так как боковые части колеса не имели достаточно прочной связи со средней частью, и потому колесо легко ломалось.

Но к тому времени появились уже мастера-тележники, систематически занимавшиеся улучшением колесной конструкции. Имеются, например, детальные изображения повозочных мастерских в древнем Египте. Вырабатываются новые способы изготовления более прочного колеса. На первоначальный колесный диск накладывали второй диск такой же конструкции, но таким образом, чтобы направление волокон дерева во втором диске было расположено перпендикулярно к направлению их на первом диске. При этом слабые боковые части каждого диска укреплялись лежащей на них прочной средней частью другого диска, благодаря чему, все в целом приобретало уже гораздо более значительную крепость и прочность.

Древнее сплошное колесо, состоящее не двух дисков, наложенных один на другой. Обратите внимание, что диски наложены так, чтобы их волокна были взаимно перпендикулярны. Это увеличивало прочность колеса. (На рис. часть переднего диска снята).

На памятниках древневосточных государств, а также Греции и Рима, дошли до нас изображения повозок со сплошными колесами, диски которых укреплены частями других дисков. Но и эта конструкция оказалась неудовлетворительной. При более быстрой езде и более тяжелой нагрузке повозок боковые части колесных дисков ослабевали и расходились. А когда боковая часть колеса совершенно отделялась, то на окружности его оставались два больших прямоугольных вылома, из-за которых невозможно было пользоваться колесом.

Это древняя крестьянская грузовая повозка. Ее колеса состоят из дисков, которые укреплены частями других дисков, набитыми сверху. (Римское изображение VI—VII вв. до нашего летоисчисления).

Начались поиски другого типа колеса, более устойчивого, долговечного и вообще более пригодного в условиях все растущих нагрузок и скоростей движения. Такое колесо было наконец получено, когда прибавили к прежней конструкции еще третий диск. Все они соединялись так, что направление волокон каждого отдельного диска пересекало направление волокон другого диска под углом в 60°. Это придавало сплошному колесу необходимую прочность. Однако такой прочный диск был слишком тяжел.

Эти три рисунка показывают переход от сплошного колеса к колесу со спицами. Левый рисунок — внешний вид сплошного колеса, диск которого состоит из трех отдельных частей. Средний рисунок — колесо из двух составных дисков; их волокна расположены перпендикулярно друг к другу. (Часть переднего диска снята). Правый рисунок — колесо из трех составных дисков, волокна которых расположены под углом в 60° друг к другу; все боковые части дисков сняты так, что средние части образуют как бы звезду.

На основании долгого опыта древние люди пришли к заключению, что нет необходимости сохранять боковые сегменты колесных дисков, если только окружить обручем остающиеся части дисков, лежавшие один на другом и образующие шестиконечную звезду, — так, чтобы обруч катился по земле, а нагрузка оси передавалась ему через оставшиеся части дисков.

При дальнейшем развитии средние участки оставшихся частей дисков, взаимно покрывающие друг друга, слились в одно прочное тело, в котором и находилось отверстие для оси. Так была создана колесная ступица.

Внешние участки оставшихся частей дисков стали еще более тонкими и превратились в шесть «спиц», которые впоследствии стали изготовлять отдельно и втыкать в ступицу. Обруч, охватывающий спицы, стал колесным ободом. По мере развития металлообработки — сначала бронзы, потом железа — на деревянный обод начали натягивать бронзовую или железную шину. Уже 2—2,5 тысяч лет до нашего летоисчисления нередко встречаются колеса не только с шинами, но и с целыми ободьями, спицами и ступицами из бронзы.

То, что колесо со спицами возникло именно описанным выше образом, находит подтверждение в характере повозок египтян, ассирийцев, вавилонян, древних греков и др. У них повсюду встречаются колеса о шести спицах, т. е. как раз с числом спиц, соответствующих колесу, происшедшему непосредственно из описанной выше комбинации. Однако впоследствии древние люди отошли от этого количества спиц, так как растущая нагрузка заставила увеличить их число, чтобы сделать колесо более прочным. У древних греков и других народов встречаются колеса о 8 и 12 спицах. У названных древних культурных народов, помимо колес о шести и более спицах, применявшихся исключительно в военных повязках, были еще в употреблении, как мы уже видели, также и сплошные колеса самой ранней и примитивной конструкции — в различных грузовых повозках.

На этом рисунке вы видите древнеассирийскую боевую колесницу. Ее колеса имеют шесть спиц.

Боевые колесницы древних народов обычно запрягались четверкой хороших коней. Возница, правивший конями, и воин, стрелявший из лука и поражавший врагов копьями, стояли рядом у передней стенки колесницы. Сзади колесница была открытой. Боевые колесницы считались грозным военным оружием. Они наносили урон пехоте врага не только стрелами и копьями воинов, стоящих в колесницах, но и живой силой самих колесниц и копытами лошадей. Поэтому колеса делались легкими и крепкими, а кузова колесниц — массивными, чтобы ими можно было смять ряды врагов.

В древнем Египте колесницы изготовлялись из наиболее твердого дерева и обивались часто бронзой. Когда Рамзес II (XIII век до нашего летоисчисления) воевал с сирийцами и хеттами, он широко применял боевые повозки, наводившие ужас на эти народы, незнакомые с подобными военными средствами. В древней Вавилонии употреблялись боевые колесницы, оси которых, выступающие по обеим сторонам кузова, а также спицы колес были усажены острыми серпами. Когда такая колесница врезалась в гущу неприятеля, она производила ужасные опустошения. Персидский царь Кир (IV век до нашего летоисчисления) уделял большое внимание усовершенствованию боевых повозок. Он, или точнее его советники, специально разрабатывающие этот вопрос, ввели более широкие оси, сделав колесницы устойчивее, улучшили форму кузова и т. п. При Кире же были впервые введены конские ристалища (бега), игравшие роль тренировочных упражнений. При нем же была введена регулярная служба гонцов с государственными посланиями.

В древней Греции боевые колесницы нередко отличались художественной и пышной отделкой, особенно если они принадлежали военачальникам. Прекрасное описание такой колесницы дано в «Илиаде» Гомера — великом произведении, рисующем жизнь греков в так называемый «героический» период (800—900 лет до нашего летоисчисления). В «Илиаде» описывается колесница, в которой едут богини Гера и Геба. Разумеется, стихотворец просто перенес на небо то, что наблюдал на земле — колесницы вождей и начальников.

Геба-ж с боков колесницы набросила гнутые круги

Медных колес осьмиспичных, по оси железной ходящих.

Ободы их золотые, нетленные, сверху которых

Медные шины положены плотные, диво для взора!

Ступицы их, серебром округленные, окрест сияли;

Кузов блестящими пышно сребром и златом ремнями

Был прикреплен и на нем возвышались дугою две скобы;

Дышло серебряное из него выходило; на оном

Геба златое, прекрасное вяжет ярмо, продевает

Пышную упряжь златую; и быстро под упряжь ту Гера

Коней бессмертных подводит...

Разумеется, в действительности ободья колес, ступицы, дышла и т. д. даже в колесницах вождей не были золотыми и серебряными, как это сказано в стихах Гомера. Эти металлы слишком мягки и встречались тогда в очень малых количествах. На самом деле эти части колес были деревянными, изредка бронзовыми (медными, как сказано у Гомера: под медью везде нужно понимать бронзу). Сверху они были золочеными и посеребрёнными. Золотилась также и упряжь. Но важно указание Гомера на бронзовые («медные») шины, железную ось. По тем временам это было важным нововведением.

*

Колеса со спицами сохранились до наших дней. Но все растущие нагрузки и скорости движения заставили увеличить число спиц, — чтобы давление оси распределялось между большим их количеством. Все части колеса стали делать из более прочных материалов. Правда, в гужевом транспорте до сих пор применяются деревянные колеса, у которых из железа изготовлены только шина на ободе, да втулка в ступице (в этой втулке вращается ось). Но на механическом транспорте — железнодорожном и автомобильном — очень скоро встал вопрос о необходимости усиления колес. На первых железных дорогах и паровоз и вагоны снабжались такими же колесами, какие мы привыкли видеть у телег, — деревянными с железными шинами — бандажами. В 1831 г. знаменитый изобретатель паровоза Стефенсон уже ввел чугунные ступицы, но остальные детали колеса сохранил прежними. В 1832 г. английский инженер Бэри ввел чугунные спицы круглого сечения, которые с одной стороны ввинчивались в чугунную ступицу и закреплялись гайками, а с другой стороны прикреплялись к ободу. Такие колеса применял в США первый паровозостроительный завод Балдвина.

В заключение отметим, что победа колеса со спицами отнюдь не означала полного исчезновения сплошного дискового колеса. Когда в паровозах, грузовых автомобилях и других средствах транспорта нагрузка стала очень велика, то для прочности снова начали изготовлять сплошные колеса, только уже не из дерева, а из лучших сортов стали. Первые попытки применения сплошных колес на железных дорогах относятся еще к сороковым годам прошлого столетия, но в то время они еще не имели успеха, так как оказывались слишком тяжелыми, а большой нужды в них не было.