Четверо слуг (Глава четвертая)

'...В отчаянии я взглянул на часы... Я позвал своего слугу - того самого, который слышал, как растет в поле трава, - и спросил его, не слышит ли он топота ног моего скорохода. Он приложил ухо к земле и сообщил мне, к моему великому горю, что бездельник скороход заснул!... Я крикнул другого слугу, того самого, который целился в воробья... Он выстрелил в вершину того дуба, под которым спал скороход. Желуди, листья и ветви посыпались на спящего и разбудили его... Я позвал своего силача. Он взвалил себе на плечи все золото, которое было в кладовых у султана, и мы побежали к морю. Там я нанял огромный корабль и доверху нагрузил его золотом... Султан пришел в ярость и послал за мной вдогонку весь свой военный флот... Вдруг ко мне подошел мой слуга, тот, у которого были могучие ноздри. 'Не бойтесь, они нас не догонят!' - сказал он со смехом, побежал на корму и, направив одну ноздрю против турецкого флота, а другую против наших парусов, поднял такой ужасный ветер, что весь турецкий флот отлетел от нас обратно в гавань'.
Подобное вступление с очевидностью свидетельствует о том, что предметом очередного нашего обсуждения будут четверо слуг.

Действительно, как не распознать среди слуг барона Мюнхаузена наших хороших знакомых. Тут и датчик (слуга, который слышит, как растет трава), и линия связи (слуга, который передал сигнал, выстрелив в вершину дуба), и, конечно, усилитель (силач). В последнем случае почти совпадают даже термины. Но что же такое этот четвертый? Чтобы как-то прояснить положение, приведем еще одну цитату из тех же приключений барона Мюнхаузена.

"... Смотрим - у дороги стоит человек огромнейшего роста и держит в руках веревку, которую он накинул петлею вокруг всего леса. "Что ты тащишь?" - просил я его. "Да вот понадобилось дров нарубить, а топор у меня дома остался, - ответил он. - Я и хочу изловчиться, чтобы обойтись без топора". Он дернул за веревку, и огромные дубы, как тонкие былинки, взлетели в воздух и упали на землю. Я, конечно, не пожалел денег и тотчас же пригласил этого силача к себе на службу".

Что же наиболее примечательно в этой истории, рассказанной "самым правдивым человеком на земле"? Перед нами существо, располагающее, как теперь принято говорить, неограниченными энергетическими ресурсами. Несмотря на это, используя только свои естественные средства, силач не может решить даже столь простую задачу, как нарубить дров. В буквальном смысле этого слова, руки коротки или если угодно, видит око, да зуб неймет. И вот тут-то на помощь приходит благословенная веревка. Эта веревка уже выручила нас однажды в предыдущей главе и еще не раз будет выручать в дальнейшем, но в данном случае веревка выступает в новой роли. Это уже не составная часть усилителя, а то, что мы назвали выше исполнительным механизмом.

Задача исполнительного механизма, вкратце, состоит в том, чтобы преобразовать простые движения, получаемые на выходе усилителя, в другие, сложные движения, необходимые для выполнения той или иной работы. При этом энергия, необходимая для выполнения работы, берется от усилителя или, чтобы быть строгим, от источника питания усилителя, поскольку сам усилитель, как было показано в предыдущей главе, осуществляет лишь регулирование потока этой энергии.

Если читатель захочет проверить только что высказанное утверждение, ему достаточно мысленно проследить, как перемещались отдельные части веревочного кольца, когда валились деревья охваченного кольцом леса.

Конечно, нам могут возразить, что, например, вилка, а это типичный исполнительный механизм, используется совсем не для того, чтобы усложнить движение руки при еде. Но дело как раз в том и состоит, что рука - это тоже исполнительный механизм. Беря в руку вилку, мы лишь несколько усложняем конструкцию такого механизма, преследуя при этом побочную цель, на этот раз гигиеническую.

Другой пример исполнительного механизма - лягушачья лапка. Природа достигла великого совершенства именно в конструировании исполнительных механизмов. Колесо автомобиля - тоже исполнительный механизм. Однако каждый, кому хоть раз довелось проехать на автомобиле по раскисшему осеннему глинистому проселку, знает, сколь беспомощной оказывается тут техника. Привод на передние и задние колеса, гусеницы - все это может спасовать перед таким элементарным препятствием, как небольшое болотце, форсировать которое для лягушки не составит ни малейшего труда.

А весь секрет в конструкции, называемой пальцами. Именно бла,г годаря пальцам обеспечивается наилучшее сцепление с поверхностью земли, столь необходимое для толчка при прыжке, а в случае необходимости те же пальцы, соединенные перепонками, превращаются в идеальные весла. Нося обувь, мы сознательно ограничиваем эту предоставленную нам возможность. Но каждый знает, что если вы оказались на глинистой тропинке после хорошего дождика, то лучший способ предотвратить падение в грязь - немедленно разуться и идти босиком.

Обобщая наш пешеходный, а заодно и автомобильный опыт, мы можем сделать следующие выводы. Усилители, будь то естественные (мускулы) или искусственные (автомобильный двигатель), способны реализовать на своем выходе лишь весьма простые движения. Это, как правило, либо возвратно-поступательное (вспомним веревку кабестана), либо вращательное движение. Чтобы использовать энергию, имеющуюся на выходе усилителя, для выполнения какой-либо, даже несложной, работы необходимо преобразовать эти простые виды движения в более сложные. Таким преобразованием занимаются исполнительные механизмы.

Пример природного исполнительного механизма - кости лягушачьей лапы, соединенные шарнирами (суставы). На языке техники - это шарнирно-рычажный механизм. К костям прикреплены мышцы. Каждая из них может /только сокращаться или вытягиваться, т. е. совершать возвратно-поступательное движение. А вот в результате согласованного действия мышц и костей и получается все разнообразие движений, которое может совершать лягушка.

Но достаточно о лягушках - в конечном итоге эта книга посвящена все-таки технике. Еще каких-нибудь 20 лет тому назад редкими были случаи, когда, совершая прогулку по городуk вы не сталкивались с толпой мальчишек, а подчас и взрослых, завороженно следящих за работой экскаватора или снегоочистителя. Сейчас такое встречается все реже и реже. Действительно, когда по поверхности Луны разгуливает чудо нашей советской техники "Луноход-1", когда можно вылететь из Новосибирска в 14 ч 15 мин и приземлиться в Москве в 14 ч этого же дня, когда машины пишут стихи, стоит ли обращать внимание на какой-то там экскаватор. А зря! Наблюдая .за работой исполнительных механизмов, которые современный человек встречаем кстати говоря, буквально на каждом шагу, сегодня, кщ и 20, а может быть, и 200 лет тому назад, можно узнать чрезвычайно много поучительного. Подчас просто восторгаешься гениальной простотой отдельных находок человеческого разума.

На приемном экзамене по математике в одном из московских вузов абитуриенту однажды был задан вопрос: как запрячь в телегу двух лошадей так, чтоб обе работали одинаково интенсивно? Вопрос вызвал справедливое возмущение - какое отношение имеют лошади К математике! Да и вообще среди тех, кто поступает в вузы, вполне могут встретиться ребята, ни разу в жизни не видавшие живой лошади. Но поразительно то, что на этот вопрос не смог ответить никто из наших знакомых, включая кандидатов и докторов технических наук.

Ответ явно стоит того, чтобы о нем задуматься. Сущность его состоит в следующем. К передку телеги привязывается один конец веревки, а второй ее конец - к середине горизонтальной палки К концам этой палки привязываются еще две веревки - за них-то и тянут лошади. Конечно, каждый из элементов подобного механизма имеет свое название, однако мы сознательно уклоняемся от использования здесь специальной терминологии. А секрет работы механизма гениально прост (рис. 12). Стоит одной из лошадей хотя бы немного ослабить усилие, палка немедленно повернется вокруг своей средней точки и это послужит сигналом кучеру (все-таки не обошлось без терминологии) принять соответствующие меры.

Рис. 12 Секрет работы механизма гениально прост

Пусть лошади - это анахронизм, но уместно напомнить читателю, что археологи и историки до сих пор не знают, чем человек начал пользоваться раньше - лошадью в качестве тяговой силы или колесом. А ведь наш "Луноход-1" передвигается по поверхности Луны с помощью все тех же колес. Ковш 25-тоиного экскаватора приводится в движение тросами, т.е. в конечном итоге теми же веревками. Однако если читатель настаивает, мы можем привести пример и - по-современнее.

На рис. 13 показан механизм снегопогрузчика, точнее, части этого механизма. Эта часть состоит из лотка, нижняя сторона которого подводится под основание снежной кучи, и двух лап, шарнирно соединенных с двумя вращающимися кривошипами. На рисунке показаны последовательные стадии работы механизма и хорошо видно, как пока одна лапа загребает снег и отправляет его на транспортер, вторая занимает исходное положение. Затем лапы меняются ролями. Это прекрасный пример тому, как с помощью элементарного механизма простое вращательное движение кривошипа превращается в сложное и весьма полезное движение лап.

Рис. 13 Механизм части снегопогрузчика

Задумывался ли кто-нибудь из читателей над тем, как работает швейная машина? А как человек шьет вручную?

Чтобы сделать стежок, он должен проткнуть иголку с одной стороны ткани и вытащить ее с другой. В одной руке вы держите сшиваемый материал, значит, последовательность действий должна быть следующей. Одной (обычно правой) рукой вы протыкаете иголку примерно до половины, затем отпускаете иголку, которая удерживается в материале только силой трения, перемещаете руку так, чтобы она оказалась с другой стороны материала, вытаскиваете иголку и продолжаете движение руки, пока вся нитка не протянется сквозь образовавшееся отверстие. Затем описанная последовательность действий повторяется.

Основная проблема, возникающая при автоматизации подобного технологического процесса, состоит в том, что вряд ли можно мыслить себе станок, в котором рабочий инструмент (игла) хотя бы на некоторое время оказывается полностью свободным, т.е. механически не связанным с какими-либо другими деталями станка, как это имеет место в то время, пока вы переносите руку от одного конца иголки к другому. Заметим, что аналогичная ситуация возникает также в ткацких станках или, если приводить совсем уже современные примеры, в автоматических станках для намотки тороидальных сердечников, широко используемых в радиоэлектронной аппаратуре. В двух последних случаях челнок с ниткой или проводом, пока вы перехватываете, не удержится даже силой трения, поэтому при ручной намотке тороидальных сердечников приходится работать двумя руками, а сердечник удерживать с помощью какого-нибудь механического приспособления.

Существует и вторая проблема, связанная со свободным участком нитки, тянущейся за иголкой. Каждый мужчина, которому хоть однажды приходилось пришивать себе пуговицу, хорошо знает, что если взять нитку подлиннее, то она обязательно запутается, а если взять нитку покороче, то пуговицу придется скоро пришивать заново.

Как же решаются обе эти проблемы в швейных машинах? Начнем с того, что для выполнения шва в швейной машине используется не одна нитка, а две. Каким получается шов, видно на рис. 14. Однако, если читатель попробует выполнить такой шов вручную, он немедленно убедится, что без перехватывания иголки здесь снова не обойтись.

Рис. 14 Для выполнения шва в швейной машине используется не одна нитка, а две

Схематическая конструкция швейной машины показана на рис. 15. Швейная машина - это очень сложный механизм, содержащий большое количество узлов. Мы выделим только те из них, которые необходимы для описания принципа действия. Одна из двух ниток, составляющих шов, намотана на катушку. Катушка может свободно вращаться на Оси, укрепленной в верхней части машины. Сматываясь с катушки, нитка огибает тормоз, затем поднимается вверх, проходит сквозь ушко нитенатягивающего рычага, снова опускается вниз и проходит сквозь отверстие в иголке. Весьма интересно, что в данном случае отверстие в иголке (ушко) расположено вблизи острия иголки, а не с противоположной стороны, как это делается в иголках, которыми шьют вручную.

Рис. 15 Схематическая конструкция швейной машины

Вторая из двух ниток, составляющих шов, намотана на катушку специальной конструкции, называемую шпулькой. Шпулечный механизм состоит как бы из двух горшков, вложенных один в другой (рис. 16). Внешний горшок жестко укреплен на оси и вращается с постоянной скоростью от общего привода швейной машины. Внутренний горшок расположен во внешнем так, что между их стенками повсюду имеется зазор - в этот зазор проходит нитка. Внутренний горшок не вращается. Для того чтобы внешний горшок при своем вращении не увлек внутренний, последний удерживается специальным рычагом, конец которого входит в вырез в стенке внутреннего горшка. Но между концом рычага и вырезом опять-таки имеется зазор. Третий узел, который представляет для нас интерес, это столик, на который кладется сшиваемый, материал. В столике имеются специальные направляющие, передвигающие материал после каждого стежка. Кроме того, в столике имеется отверстие, сквозь которое проходит иголка. Рабочий столик хорошо виден на рис. 15. Для того чтобы понять, как работают все эти узлы, обратимся теперь к рис. 17, где показано несколько промежуточных положений основа ных деталей механизма швейной машины. На рис. 17, а иголка и нитенатягивающий рычаг находятся в своих верхних положениях. Положение всех деталей на рис. 17, а мы примем за исходное. Начиная,с исходного положения, иголка движется вниз, протыкает сшиваемый материал и занимает крайнее нижнее положение. Заметим, что все время, пока двигалась иголка, нитенатягивающий рычаг оставался неподвижным в своем верхнем положении. Внешний горшок шпулечного механизма повернулся при этом на некоторый угол. Положение всех деталей после завершения описанных действий показано на рис. 17,б. Из этого положения иголка начинает подниматься вверх, а нитенатягивающий рычаг опускается вниз. Подобные движения иголки и рычага приводят к тому, что нитка, проходящая сквозь ушко иголки, освобождается и образует небольшую петлю. В эту петлю входит зуб, имеющийся на внешнем горшке. Положение всех деталей механизма, соответствующее только что описанным действиям, показано на рис. 17,в

Рис. 16 Шпулечный механизм

Рис. 17 Детали механизма швейной машинки

Далее иголка продолжает подниматься вверх, а нитенатягивающий рычаг опускаться вниз. Свободная петля нитки увеличивается, и ее увлекает за собой зуб внешнего горшка рис. 17,г. Часть петли при этом входит внутрь внешнего горшка и огибает внутренний. Положение деталей механизма, соответствующее крайнему верхнему положению иголки и крайнему нижнему положению нитенатягивающего рычага, показано на рис. 17,д.

Теперь иголка остается неподвижной, нитенатягивающий рычаг начинает подниматься вверх, а внешний горшок шпулечного механизма вместе с зубом продолжает вращаться. Петля нитки, увлекаемая зубом, продолжает охватывать внутренний горшок. Одно из промежуточных положений деталей показано на рис. 17,е.

Когда внешний горшок шпулечного механизма совершает примерно три четверти оборота, петля нитки, захваченная зубом, освобождается и благодаря действию нитенатягивающего рычага, который продолжает двигаться вверх, она вытягивается из внутренней полости внешнего горшка. Процесс завершается, когда все детали снова оказываются в положении, показанном на рис. 17,а.

Легко видеть, что весь описанный процесс привел к получению нового стежка, потому что внутренний горшок вместе с заключенной в нем шпулькой был как бы протащен сквозь петлю верхней нитки. На самом деле все, конечно, происходит наоборот: внутренний горшок остается неподвижным, а петля нитки, увлекаемая зубом внешнего горшка, огибает его, как бы пропуская сквозь себя.

Конечно, это лишь весьма упрощенное описание работы механизма швейной машины. Реальный механизм содержит, кроме того, большое количество фигурных деталей-отражателей, направляющих движение петли нитки так, чтобы она не запутывалась. Нитка, сматывающаяся со шпульки, удерживается специальной тормозной пружиной, которая обеспечивает правильное ее натяжение.

Совместное действие всех деталей, показанных и не показанных на наших рисунках, приводит к тому, что каждый участок нитки описывает чрезвычайно сложную траекторию, а результатом всего этого является то, что шпулька, расположенная во внутреннем горшке, вместе с внутренним горшком проходит сквозь петлю.

Мы привели здесь довольно сложный пример для того, чтобы показать, как в результате согласованных действий отдельных механизмов, совершающих лишь простейшие возвратнопоступательные или вращательные движения, удается осуществить технологический процесс, требующий, вообще говоря, значительно более сложных движений.

Признаемся, правда, что, выбирая в качестве примера именно швейную машину, мы преследовали еще одну цель. Сам процесс шитья освоен человеком еще с древнейших времен, когда вместо иголок пользовались заостренными костями, а вместо ниток - жилами животных или волокнами растений. Каждый умеет шить и тем более каждый знает, что это занятие требует определенных навыков, приобретаемых в процессе обучения. Чему же, собственно, мы учимся, учась шить? Грубо говоря, мы учимся правильно двигать пальцами. Но каждое движение пальцами, сколь бы сложным оно ни было, складывается из отдельных элементарных движений костей руки, а это всегда лишь вращательные движения, поскольку каждая отдельная кость может лишь поворачиваться в своем шарнире - суставе. Чтобы привести в движение, например, косточку средней фаланги указательного пальца, нужно привести в действие соответствующую мышцу . Теперь мы легко можем прийти к выводу, что научиться шить - это значит научиться согласовывать движения отдельных мышц. К слову сказать, то же самое необходимо для того, чтобы научиться ходить.

Процесс шитья на швейной машине, конечно, сильно отличается от процесса шитья вручную. Но в главном они похожи - и в том и в другом случае результат достигается благодаря согласованному действию простейших механизмов, каждый из которых совершает

лишь элементарные движения. Наша цель состояла именно в том, чтобы подчеркнуть эту аналогию.

Казалось бы, настало время задать вопрос, который, вообще-то говоря, является главным среди всего круга вопросов, рассматриваемых в этой книге. Если работа исполнительного механизма сводится к согласованию отдельных простых действий,.то каким же образом осуществляется это согласование? Но не будем торопиться и отложим рассмотрение этого вопроса до следующей главы. А пока сделаем последнее наблюдение, касающееся работы исполнительных механизмов.

Выше мы неоднократно обращали внимание читателя на тот факт, что исполнительные механизмы способны совершать чрезвычайно сложные действия. Теперь нам хочется заметить, что сложность, как таковая, сама по себе далеко не всегда является достоинством. Рассмотрим снова работу швейной машины, на этот раз с несколько иных позиций. Допуская некоторую вольность, можно сказать, что швейная машина имеет четыре руки. Первая держит иголку, вторая (нитенатягивающий рычаг) натягивает нитку, третья держит шпульку и пропускает ее сквозь петлю в нитке и, наконец, четвертая рука - это рабочий столик, удерживающий и передвигающий сшиваемую ткань. Именно потому, что рук четыре, каждая из [ них может ограничиться лишь простейшими движениями. Наверное, если бы у человека также было четыре руки, то научиться шиТь ему [ было бы гораздо легче. Правда, вопрос о согласовании движений рук по-прежнему пока оставляем в стороне.

Отметим лишь тот факт, что увеличение количества рабочих органов исполнительного механизма, во всяком случае на примере швейной машины, сопровождается как упрощением конструкции каждого из них, так и повышением производительности механизма в целом. Последнее утверждение пока еще не слишком очевидно, поэтому рассмотрим еще один пример.

Пусть на сей раз это будет экскаватор (рис. 18,а). Рабочий цикл обычного ковшового экскаватора состоит из двух основных частей. В течение первой, рабочей, части ковш захватывает грунт, поднимается и переносится в горизонтальной плоскости. Затем открывается дно ковша и грунт высыпается либо на отвал, либо в кузов грузовика. В течение второй, холостой, части цикла ковш совершает ту же траекторию, но в обратном направлении и возвращается в котлован. Полезная работа, как таковая, выполняется только в течение первой части цикла, и в то же время длительность обеих частей примерно одинакова. Иными словами, полезная работа совершается" лишь примерно в течение половины общего рабочего времени экскаватора. Заметим попутно, что ковш экскаватора совершает подчас весьма сложную траекторию и это требует от того, кто им управляет, т. е. экскаваторщика, определенных навыков, напряженного внимания и достаточно интенсивной работы рычагами.

Рис. 18 а Экскаватор

Иначе работает роторный экскаватор. Здесь имеется много ковшей, обычно меньшего размера, укрепленных на ободе вращающегося колеса. Ковш, который в данный момент находится внизу, захватывает грунт (рис. 18,6), затем по мере вращения колеса ковш с грунтом поднимается, достигает наивысшей точки, начинает переворачиваться и содержащийся в нем грунт высыпается на ленту транспортера. Ковш продолжает свое путешествие уже пустым до тех пор, пока снова не окажется внизу. Каждый отдельный ковш здесь, так же как и в случае одноковшового экскаватора, в течение одной половины оборота колеса совершает полезную работу (захватывает и поднимает грунт), а в течение второй половины оборота путешествует вниз порожняком. Но весь секрет как раз в том и состоит, что пока одни ковши опускаются, другие ковши, укрепленные с противоположной стороны колеса, поднимаются. Таким образом, ни одна минута рабочего времени не пропадает впустую. Управление роторным экскаватором неизмеримо легче. По существу оно сводится лишь к управлению движением экскаватора в целом, поскольку каждый ковш движется по простейшей круговой траектории. Не надо также открывать дно ковша, потому что для высыпания грунта он попросту переворачивается. Справедливости ради следует что, роторный экскаватор далеко не всегда может заменить ковшовый. Роторный экскаватор работает в легко доступных местах, но зато производительность его гораздо выше.

Рис. 18 б Ковш, который в данный момент находится внизу, захватывает грунт

В современной технике, пожалуй, именно исполнительные механизмы - самые распространенные и самые разнообразные устройства: от тончайших приборов, позволяющих препарировать бактерию на предметном стекле микроскопа, до гигантских шагающих экскаваторов, поднимающих в своем ковше столько грунта, что им можно почти заполнить целый железнодорожный вагон; от чугунной болванки, заколачивающей сваи, до станка, изготовляющего ковры с тончайшим узором. Поэтму сколько бы мы ни приводили здесь примеров, мы все равно не охватим даже малой части существующих в настоящее время механизмов. А если так, то не остается ничего другого, как вернуться к мамонтам.

Есть ли исполнительный механизм в ловушке для мамонтов? Конечно, есть. Это все тот же камень, выполняющий работу, ради которой и была построена ловушка. Движение камня - простейшее из простых, оно даже не возвратнопоступательное, а просто поступательное (точнее, падение). Но вот проблема согласования движения камня с движением остальных частей ловушки играет здесь ничуть не менее серьезную роль, чем в любом ультрасовременном исполнительном механизме. Камень должен начать падать в строго определенный момент времени, иначе вся затея не имеет смысла.

Констатируя с сожалением, что в этой главе ни разу не было упомянуто мыло, авторы приглашают читателя перевернуть страницу.