Жанр: Наука
У истоков дизайна
...ющее действие формы и привести ее в
соответствие с функцией. Сущность работы молота - падение с определенной высоты
бабы определенного веса. Несмит полностью отказался от рукояти и сделал вертикально
падающий молот, состоявший из наковальни и большой металлической бабы, связанной
штоком непосредственно с поршнем. Он взял на него патент в 1842 г. С того времени
молоты строились по такому принципу до тех пор, пока не были вытеснены
гидравлическими прессами.
Рис. 3.4. Хвостовой молот по патентному чертежу Дж. Уатта
Увеличение размеров машин, их мощи, а значит и тяжести, потребовало создания нового
двигателя с развитым приводом. Таким мощным двигателем, который справлялся бы с
огромными и тяжелыми машинами, оказался паровой двигатель, изобретенный Папеном.
Как уже говорилось, его первоначальная форма была проста - цилиндр с поршнем. Уже
Северн отделяет паровой котел от рабочего пространства и этим усложняет форму.
Следующим крупным шагом вперед был двигатель Ньюкомена и Коули, установленный на
каменноугольных рудниках в 1711 г. Он сохраняет поршневую конструкцию, котел в нем
отделен от рабочего пространства. Новое в его конструкции - балансир, соединенный
одним концом с поршнем, а другим - со штоком насоса. С этих пор балансир надолго
становится обычной и характерной частью парового двигателя*.
* Первой паровой машиной универсального применения без балансира была машина
И.И. Ползунова, описанная им в 1763 г., в которой балансир был заменен шкивами.
Однако из-за экономической отсталости России двигатель Ползунова не получил
должного распространения и признания, проработал всего несколько месяцев, а затем
был оставлен и забыт.
Заслуга создания универсального парового двигателя принадлежит английскому механику
Джеймсу Уатту (1736...1819). В Глазговском университете, где Уатт работал, он изучал
математику, физику, химию, механику, без знания которых работать над созданием
парового двигателя было бы невозможно. Ремонтируя модель машины Ньюкомена, он
пришел к мысли о необходимости отделить конденсатор от рабочего цилиндра, что
удалось ему успешно осуществить и тем самым решить задачу об организации
непрерывного действия, т.е. задачу создания принципиально новых конструкций
передаточного механизма.
Поскольку первоначально все действующие паровые установки служили для откачки
воды, функцию передачи движения в них выполнял балансир. В машине Уатта на
балансир была возложена новая функция - преобразовывать возвратно-поступательное
движение поршня во вращательное. Введение этого звена превратило паровую машину в
универсальный двигатель капиталистической промышленности. Хотя балансир был
неудобен, часто ломался и из-за несовершенства конструкции не мог удовлетворительно
выполнять свою функцию (шток поршня двигался прямолинейно, а концы балансира
описывали дугу), первое время, как форма наиболее привычная и изученная, он был
необходимой деталью паровых двигателей. Балансир произошел от коромысла,
известного со времен древнего насоса, от которого, как уже говорилось, была
заимствована исходная форма паровой машины. Балансир оказывал огромное влияние на
ее форму. Он доминировал над машиной сам по себе и определял вертикальное
положение цилиндра, вовсе не обязательное для эффективной работы машины. На первых
машинах Уатта балансир делался из дерева и достигал солидных размеров. Так, на одной
из машин он имел длину 6 м при длине хода поршня 2,44 м.
Была ли общая форма паровой машины случайной? Основной ее узел - цилиндр с
поршнем - получил форму, жестко обусловленную целесообразностью, имеющую
многовековую историю, существующую и сегодня в двигателе внутреннего сгорания. Ее
случайной назвать нельзя. Маховик был необходим для выравнивания движения и
преодоления мертвых положений поршня, ибо "неравномерность действия двигательной
силы на мельницах, которые приводились в движение ударом и тягой при помощи
коромысел, привела к теории и практическому применению махового колеса, которое
впоследствии стало играть такую важную роль в крупной промышленности" [3]. Для
самого Уатта ни один из узлов машины не был случайной находкой, так как он тщательно
изучал различные варианты и много экспериментировал, отбирая из имевшихся
возможностей наиболее приемлемые. Но объективно его работа зависела от многих
внешних факторов, таких, как недостаточный уровень развития теории, сила
утвердившихся мнений, ограничения патентного права.
Первые его двигатели строились с балансиром не только потому, что Уатт был связан
существованием патента на коленчатый вал, как это принято считать. В те времена в
научных кругах бытовало ошибочное мнение, что коленчатый вал приемлем лишь
теоретически, но лишен практического значения из-за неравномерностей хода машины и
предполагавшейся в связи с этим переменной длины хода. Вначале Уатт не был убежден в
преимуществах маховика и коленчатого вала, и только проделав огромное число
экспериментов, разработав и испробовав несколько систем передач, он остановился
наконец на шатунно-кривошипной передаче.
Машина Уатта строго логична по форме. Композиционно она отчетливо подразделяется
на ряд основных узлов. В фундаменте скрываются котел и топка, причем фундамент - это
капитальная постройка, прочное основание с некоторыми элементами архитектурного
стиля. С полной ясностью определены места цилиндра, балансира, маховика. Они
расположены так, что не мешают друг другу и создают четкий ритм в работе. Благодаря
простоте композиции и рисунка отдельных элементов функция каждой детали читается
без затруднений; вместе с тем нельзя не почувствовать спокойный рабочий ритм как в
статическом состоянии машины, так и в рабочем. Рисунок колонн, карнизов, постамента
не лишен изящества: Уатт чувствовал гармонию формы и, заботясь о красоте своей
машины, применил в ней элементы архитектурных форм.
Рис. 3.5. Паровой двигатель Дж. Уатта с балансиром
В результате многолетней настойчивой работы Уаттом был построен ряд экономичных
двигателей, получивших широкое распространение. Это были огромные машины, для
которых требовались специальные большие здания. Неудивительно, что скрытая в этом
здании машина наделялась чертами, придававшими ей сходство с архитектурным
сооружением, что выражалось в форме колонн, станин, в литой чугунной орнаментации.
Машины были тихоходными, их детали огромными - все это усугубляло сходство с
архитектурным объектом. Так стал зарождаться в машиностроении архитектурный стиль
- явление, столь характерное для машиностроения первой половины XIX в.
Применение металла, довольно быстро вытеснившего дерево, сильно изменило машинные
формы. В недавнем прошлом деревянные станины, балясины, балансиры имели резко
очерченные прямолинейные формы, свойственные изделиям из дерева; когда для их
изготовления стало употребляться чугунное литье, линии деталей приобрели характерные
закругления с наплывами по краям, вызванные не столько заботой конструктора, сколько
самой техникой литья. (Насколько материал изменяет форму изделия, видно из сравнения
деревянного балансира, установленного на насосе инженера XVII в. Витторио Цонки, и
аналогичного ему литого чугунного балансира машины Уатта.)
Впрочем, инженеры того времени уже замечали взаимовлияние формы и материала. Так,
выдающийся английский механик и изобретатель Г. Модсли (1771...1831) сознательно
избегал острых углов в железных и чугунных изделиях, считая, что острые углы скоро
дают трещины, а в орудиях "острые углы не так приятны как для руки, так и для глаза. Он
применял свою любимую систему круглых или вогнутых углов в различных случаях:
например, в пунктах соединения спиц колеса со ступицею и косяками, и в доказательство
превосходства таких углов протягивал руку и проводил параллель между ними и
округленными углублениями в сочленениях пальцев или указывал на места прикрепления
ветвей к древесному стволу" [4]. Наделенный художественным чутьем, Модели умел
увидеть будущую форму в куске металла, как видит ее скульптор в глыбе мрамора, и
требовал такого же умения от кузнецов. Он был искусным мастером кузнечного дела и
любил сам выковывать модели будущих деталей, несколькими ловкими ударами молота
придавая им безукоризненную форму.
Время шло. Ремесленники-виртуозы, работавшие вручную, уже не могли удовлетворить
растущий спрос на машины: появилась потребность в промышленном машиностроении.
Переход машиностроения на промышленную основу в первую очередь сказался на
токарных станках. Токарный станок принадлежит к наиболее древним; в течение
многовекового существования он достиг значительного развития. На протяжении XVIII в.
он был коренным образом усовершенствован, причем основным принципиальным
усовершенствованием было введение механического суппорта. Маркс высоко ценил это
изобретение и по значению приравнивал его к универсальному паровому двигателю
Уатта: "Это механическое приспособление заменяет не какое-либо особенное орудие, а
самую человеческую руку, которая создает определенную форму, направляя, подвода
резец и т.д. к материалу труда, например к железу" [3]. В результате стало возможным
придавать геометрические формы отдельным частям машин "с такой степенью легкости,
точности и быстроты, которую не смогла бы обеспечить и самая опытная рука
искуснейшего рабочего" [3].
Точность и геометризация - это было как раз то, чего не хватало кустарному
машиностроению. Техникам стало невозможно работать дальше без точного расчета
деталей и формы машины. И это хорошо понимали инженеры того времени. Несмит
писал, что формы всех машинных деталей можно свести к шести простейшим
геометрическим элементам, соединяющимся в различных комбинациях: линии,
плоскости, кругу, цилиндру, конусу и сфере. Изготовление таких форм на глаз, по его
словам, мешало развитию цивилизации. С появлением суппорта задача геометризации
была разрешена.
Новые возможности сразу сказались на формах изготовляемых деталей. Точность и
геометризация лишили машину индивидуального почерка изготовлявшего ее мастера, как
бы обезличили ее и еще больше отдалили от работника, которому она давно уже не
принадлежала. Глаз человека, воспитанного на образцах ремесленного производства, не
мог привыкнуть к этой холодной точности и воспринимал ее как нечто бездушное и
гибельное для всего живого. В то время в общественном сознании стал складываться
эмоциональный образ машины-чудовища, машины - символа всяческого уродства.
Конечно, основой этого общественного мнения, продержавшегося в литературе более
столетия, были социальные причины - о них говорилось выше, однако свою роль сыграли
и "странные" формы металлических, громоздких машин.
Тогда еще никто не замечал возникновения новой, непривычной красоты машинных форм
- красоты мощи, ритма, точных линий, вместе с которыми на смену индивидуальности
мастера пришла индивидуальность конструктора, творца новых, не существующих в
природе форм. В то время машинные формы еще не установились, они возникали,
пробираясь сквозь лес случайностей, остатков устаревших, но довлеющих психологически
конструкций, в поисках целесообразной, экономичной структуры, преодолевая
сопротивление материала.
Рис. 3.6. Насос Цонки с балансиром
А главное, о форме никто не думал как о форме. Она рождалась стихийно и, как все
стихийное и хаотичное, не могла не вызывать протест. Механизированное изготовление
деталей и их геометризация были первыми шагами на пути к упорядочению машинной
формы, хотя они, как уже было сказано, возникли, вызванные потребностью в новой
технологии. Вторым важным рычагом приведения разнообразных, "разношерстных"
машинных форм к некоторому общему знаменателю была стандартизация.
Стандартизация и унификация деталей в том понимании, в каком они сейчас существуют
в нашем представлении, были введены позже, уже в XIX в. Первые зачатки унификации
появились в оружейном деле еще во времена Петра I, в 60-х годах XVIII столетия
унифицированные детали применялись на Тульских оружейных заводах при изготовлении
мушкетов. В конце века в Англии Уитни, затем во Франции Грибоваль разработали
унифицированные размеры для деталей оружия, а также сделали попытку
стандартизировать типы артиллерийских орудии в их соотношении с весом и размерами
снарядов. С середины XIX в. стандартизация уже стала ощущаться как необходимое
условие дальнейшего успешного развития техники. Машинный парк быстро рос,
машиностроение утвердилось как ведущая область техники, а изготовляемые вручную
винты, заклепки, клинья и т.п. детали продолжали делать на глаз отдельно для каждой
машины. Стоило какому-либо винту выйти из строя, как приходилось вызывать мастера,
чтобы специально нарезать другой такой же. Отсутствие унификации деталей оказывало
влияние и на форму машины. На больших склепанных листах металла сделанные вручную
заклепки, разные по величине и с неодинаковыми расстояниями, производили
хаотическое впечатление.
Машину для пробивания дыр под заклепки в листовом железе в начале XIX в. изобрел
Модсли. Мысль об этом усовершенствовании появилась у него в связи с тем, что он
подрядился поставлять в течение нескольких лет королевскому флоту листовое железо
для паровых котлов. Станок позволил делать одинаковые заклепки на одинаковом друг от
друга расстоянии. Небольшая как будто унификация была отправной точкой для
дальнейшей работы мысли в этом направлении, тем более что она дала значительный
технологический и экономический эффект: процесс значительно ускорился, а стоимость
каждого листа упала с 7 шиллингов до 9 пенсов.
На своем заводе Модсли ввел впервые ограничения для нарезки винтов. До этого не
существовало никаких правил относительно числа винтовых оборотов и их формы. Для
борьбы с происходившей от этого неразберихой Модсли создал целую систему
винторезных станков, которая действовала, правда, только на его заводе. В дальнейшем
дело унификации продолжили его ученики Джозеф Клемент и Джозеф Витворт. Идея
стандартизации винтовых нарезок окончательно сложилась у Клемента к 1828 г., когда он
предложил твердо установить зависимость длины винта от числа и формы оборотов на
нем, приняв дюймы за единицу измерения. Он первым претворил в жизнь свое
предложение при активном участии Витворта. Нововведение дало такой ощутимый
экономический эффект, что ему последовали другие фирмы. Двумя десятилетиями позже
Витворт разработал систему нарезок, которая получила мировую известность.
Введение стандартизации при всей своей очевидной пользе послужило еще одним
аргументом для противников технического прогресса в споре относительно социальной
роли техники и искусства, начавшемся в середине XIX в., в котором приняли участие
философы, социологи и деятели искусства. Видя в технике прежде всего гибельную силу,
они полагали, что стандарт чужд и противоестествен природе человеческого духа и его
высшему проявлению - искусству. Одно из основных отрицательных качеств
стандартизации видели во множественности, повторяемости, массовости. Однако
парадокс заключается в том, что стандартизация не была абсолютно новым явлением:
зачатки массового производства возникли еще в древности именно в искусстве, в виде
формовки, литья, благодаря которым с помощью стандартных форм и стандартных
моделей изготовлялись копии оригиналов. Одновременно это означало и демократизацию
искусства. Впоследствии, с изобретением фотографии, эта тенденция развилась в еще
большей степени. Но, появившись в технике в пору грандиозных социальных сдвигов, она
отталкивала своей новизной и отрицанием индивидуальности и рукотворности.
Новые возможности и технология построения машин резко изменили формы
обрабатывающих станков. Токарные станки середины и конца XVIII в. различаются своей
формой так сильно, как будто их разделяют столетия, Как мы уже говорили, токарные
станки начала XVIII в. отличались один от другого не столько конструкцией, сколько
формой и эти различия зависели от социального назначения станка. Прошло всего
несколько десятилетий, и изукрашенные станки в стиле рококо стали принадлежностью
истории, отошли в область занимательных курьезов. Но и рабочие станки ремесленников
не походили па новые заводские машины, хотя многие их основные узлы в принципе
оставались теми же. И главное достижение станочного дела периода промышленного
переворота - механический суппорт - применялось в более или менее развитой форме на
станках докапиталистического периода. В новых станках, несмотря на многие
усовершенствования, узлы, играющие принципиальную роль, продолжают оставаться
традиционными: станина с горизонтальными направляющими, передняя и задняя бабки,
система зубчатых колес. Начисто исчезает лучок, который, впрочем, не был обязательной
деталью и старых станков; теперь он заменяется механическим двигателем. С появлением
трансмиссии исчезает маховик, а вместо него появляется колесо со шкивом.
Обязательный теперь механизм суппорта не так велик, чтобы существенно изменить
форму. И все-таки различия настолько характерны, что спутать временную
принадлежность станков невозможно.
Для сравнения приведем токарно-копировальный станок Яковлева - Нартова (1725) и
токарно-винторезный станок завода Модсли (1800). Первый из них - производственный
станок, типично ремесленный: предельно простой и удобный, без каких-либо украшений,
но со всеми признаками индивидуального характера труда. Второй - полностью
принадлежит капиталистическому предприятию. Их разделяет три четверти века.
Впрочем, временные рамки могли бы быть более узкими: еще в 50...60 годах XVIII в.
можно было встретить индивидуальные ремесленные станки, отличающиеся весьма
высокой культурой формы и высокими техническими качествами, какими были,
например, станки немецкого механика И.М. Таубера. Но они появлялись теперь все реже.
Если оставить в стороне конструктивные особенности станков, то непохожими их делают
различия в применении материала. Ремесленные станки делались почти целиком из
дерева, и только зубчатые колеса, резец, центры были металлическими (как это мы видим
на станке Яковлева - Нартова), станок же Модсли полностью выполнен из металла. У
него литая чугунная станина, точно подогнанная и прочно укрепленная болтами,
свидетельствующая всем своим видом о большой тяжести и устойчивости. Бросается в
глаза аскетичная обнаженность функции.
Производственные ремесленные станки, полностью изготовленные из металла, как
единичные явления встречаются в середине XVIII в., их очертания имеют характерный
рисунок ремесленных станков. Один из таких станков показан на рисунке. Очевидно, он
представляет собой целую серию подобных, что можно заключить из того факта, что обе
его чугунные стойки отлиты по одной модели. Станина также отлита из двух одинаковых
частей и скреплена со стойками болтами. Станок имеет все признаки ремесленного: его
привод - ножная педаль с маховиком, механический суппорт отсутствует, в фигурных,
изогнутых стойках проявляются черты интерьерности. Отсюда следует, что, хотя для
промышленного производства металл был основным материалом при изготовлении
станков, сам по себе он не меняет "лица" изделия. По-этому-то ремесленный
металлический станок так похож на ремесленный станок Нартова и так далек по форме
от станка Модсли.
Рис. 3.7. Токарно-винторезный станок Модсли 1800 г. с характерными закругленными
формами
Итак, в станке Модсли мы видим уже все основные элементы современных нам
аналогичных механизмов. Основные детали станка изготовлялись серийно и поэтому
имели геометризованный рисунок: безукоризненно параллельные направляющие
трехгранной формы, точно подогнанные к треугольным креплениям на станине;
утяжеленная книзу чугунная рама станины со специфическими закруглениями и
утолщениями в местах опоры функционально соответствует своему назначению, а также
технике литья. Тектоника станка такова, что в целом он воспринимается точно
уравновешенным и хорошо защищенным от вибрации. Несущие части легко
поддерживают на себе рабочий механизм.
Рис. 3.8. Производственный токарный станок из металла середины XVIII в.
Мастерская Модсли, позже выросшая в машиностроительный завод, была одним из
первых капиталистических предприятий и пользовалась широкой известностью. Трудами
самого Модсли и его учеников был создан довольно большой станочный парк, в котором
концентрировались передовые достижения технической мысли того времени. Станки
Модсли в высшей степени интересны с точки зрения формообразования, поскольку
воплощают в себе характерные особенности формы раннего периода капиталистического
производства и вместе с тем отличаются высоким техническим совершенством и
культурой. Тенденция к упрощению и удешевлению сочетается в них с логической
простотой конструкции, геометрически правильные очертания помогают восприятию
целостной формы и как бы воплощают в себе четкие и точные, размеренные движения
высококвалифицированного рабочего. Модсли впервые применил на токарном станке
1797 г. стационарное защитное устройство, чтобы зубчатые колеса, соединяющие
шпиндель с ходовым винтом, не захватили рабочего.
На заводе Модсли было около дюжины станков, все на чугунных станинах, производство
которых обходилось дешевле, чем производство деревянных, благодаря высокой
технологичности литья и возможности серийной формовки. Почти все они имели
механический суппорт и приводились в движение ременной передачей от трансмиссии.
Несмотря на их различные назначения, а значит и различия в конструкции, серийность и
геометризация налагают на них своеобразный отпечаток. Чугунные колонки станин и
железные растяжки, закрепленные болтами, геометрически чистые линии
горизонтальных направляющих, точная подгонка одной детали к другой - все это
предполагает точный расчет конструктора. Ряд деталей на заводе Модсли производился
серийно, о чем свидетельствует наличие сборочного цеха. В станках Модсли все говорит о
стремлении к максимальному удешевлению и упрощению производства. Это прежде всего
сказывается в отказе от каких бы то ни было украшений, зато большое внимание
уделялось прочности станков. Поэтому некоторые из них работали на протяжении всего
XIX столетия.
Рис. 3.9. Паровоз с "ногами" Брунтона 1813 г.
Как видим, в эпоху промышленного капитализма социальный заказ оказывал влияние на
форму станков не меньше, чем в мануфактурный период. Максимальное удешевление -
основная, доминирующая нота в формообразовании этого периода; удешевление как
производства станка, так и работы на нем; удешевление, которому подчинялись выбор
материала, способы изготовления, технологические усовершенствования и форма. Отсюда
ведут свое начало неотрывно связанные с формой поиски наиболее рациональной
конструкции.
В то время такой поиск только начинался и относился главным образом к технической
части, а интересы главного участника производственного процесса - человека, его
требования, способности и возможности, как правило, не учитывались. Еще не была
замечена зависимость между производительностью труда и композиционным
расположением узлов станка, его формой и технологическим процессом. Познание этих
закономерностей возникло почти столетием позже, на новом, более высоком, этапе
овладения техникой.
Мы уже говорили о том, что одной из основных причин некритического перенесения
старых форм на принципиально новые объекты была свойственная каждому
созидательному процессу преемственность формы и даже некоторая косность,
заставляющая инженера на первых порах втискивать новое содержание в уже имеющуюся
привычную форму. Маркс так описывает попытку построить локомотив: "У него было в
сущности две ноги, которые он попеременно поднимал, как лошадь. Только с дальнейшим
развитием механики и с накоплением практического опыта форма машины начинает
всецело определяться принципами механики и поэтому совершенно освобождается от
старинной формы того орудия, которое превращается в машину" [3].
В сущности конструкторы знали о машинах очень мало. Упоминаемые Марксом паровозы
Брунтона (1813) и Гордона (1824) получили "ноги" потому, что инженеры того времени
не могли представить возможности передвижения на колесах без подталкивания. Первые
легкие паровозы не давали достаточного сцепления колес с рельсами и поэтому
буксовали. Потребовалось несколько лет настойчивых опытов и изучения законов трения,
чтобы установить причины скольжения колес по рельсам. А пока паровозы пытались
снабдить "ногами". В локомотиве Брунтона поршневой шток соединялся с механизмом,
подражавшим движению ног лошади, который и заставлял колеса катиться. При первом
же испытании этот паровоз взорвался. Не имел также успеха и локомотив с "ногами"
конструкции Гордона, как и другие многочисленные попытки такого рода.
Приблизительно в то же время выдающиеся конструкторы Блекетт и Хадлей провели ряд
экспериментов и на их основе доказали, что ведущие колеса паровоза не просто катятся, а
и упираются в рельсы и их трение почти в 50 раз превышает трение свободных колес
вагонов. Так был открыт секрет буксования паровозов и отпала необходимость в
искусственных "ногах".
Рис. 3.10. Трехколесный паровоз Гордона 1824 г.
А теория подражания животным формам продолжала существовать. Веком позже русский
машиностроитель В.Л. Кирпичев продолжал борьбу с ее последователями: "Отсутствие
фантазии ничем не может быть заменено в техническом деле. Важные технические
усовершенствования в большинстве случаев имеют характер неожиданности; это хорошо
видно в области механики, в замене ручного труда машинами. Казалось бы, чего проще - в
точности подражать движению рук и ног работающего, сделать железного рабочего.
Почти всегда с этого и начинались изобретения, но случаи удачи на этом пути редки. В
большинстве случаев оказывается нужным придумать что-нибудь совсем непохожее на
человека и на движения его членов и даже непохожее на ручные инструменты и станки,
исполняющие такую же работу, хотя и есть исключения" [5].
Немецкий ученый-машиностроитель Франц Рело в середине прошлого столетия хорошо
понимал, в чем коренное отличие кинематики маш
...Закладка в соц.сетях
