Кто — кого?

Руки машины

Возьмите узкую планку длиной в несколько сантиметров. Сделайте в ней отверстия по концам: в одно отверстие вставьте булавку и воткните ее в бумагу, в другое вставьте карандаш и начните его двигать. Можете эти действия выполнить мысленно. Пожалуй, так будет даже лучше. Вы всегда сумеете себе представить, что у вас получилась хорошая (совсем круглая!) окружность. Вы можете остановить карандаш в любой точке, но эта точка всегда будет принадлежать окружности. У карандаша есть всего одна возможность, одна степень подвижности — движение по окружности.

Теперь немного усложним этот самодельный циркуль. Присоединим к нему еще одну планку так, чтобы она легко поворачивалась относительно первой. А отверстие для карандаша сделаем во второй планке. Попробуйте сообразить, какую теперь кривую можно вычертить карандашом, не ломая нашу конструкцию? Да, конечно, вы совершенно правы! Сейчас карандашом можно вычертить сотни, тысячи, миллионы самых различных линий. Нужно только, чтобы все они укладывались в пределах кольцевой площади, ограниченной двумя окружностями. Если вы попытаетесь выехать за ее пределы, то сломаете карандаш или наш механизм. Внутри кольцевой площади можно чертить самые замысловатые фигуры, писать цифры и буквы, рисовать шаржи на знакомых.

Обычному циркулю мы добавили только одну планку, карандашу еще одну степень подвижности — и как удивительно обогатились движения, которые он может выполнять!

Обнаружив это любопытное обстоятельство, мы, казалось бы, не получили пока никакого полезного результата — ведь механизм, присоединенный к карандашу, никак не влияет на движение последнего.

Однако если мы хотим механизировать движение карандаша, заставить его двигаться, не дотрагиваясь до него рукой, наш механизм может оказаться чрезвычайно полезным. Обратите внимание на то, как он «следит» за всеми движениями карандаша. Его звенья сходятся и расходятся, движутся вместе и порознь, то плавно, то резко, по часовой стрелке и против нее.

Каждому рисунку карандаша соответствует строго определенная единственная программа движения звеньев механизма. Значит, заставляя их двигаться в соответствии с той или иной программой, можно, не дотрагиваясь до карандаша, вычертить им любую линию; теперь уже карандаш будет «следить» за движением механизма.

Вряд ли кому-нибудь понравится писать или рисовать таким странным способом. Странным прежде всего потому, что при этом понадобятся сразу обе руки, чтобы управлять движениями обоих звеньев. Но попробуем один раз испытать этот способ; причем будем двигать звенья механизма так, чтобы карандаш вычертил точную окружность. А затем дополним нашу конструкцию еще одним звеном, представляющим как бы радиус нарисованной окружности.

Теперь если поворачивать только одно — например, первое — звено, то оба других звена будут двигаться вполне определенным образом. В этом можно убедиться, просверлив в них ряд отверстий и вставляя по очереди в каждое из отверстий карандаш. Он будет рисовать одну за другой разные кривые, но каждая из кривых будет обязательно повторяться после полного оборота ведущего звена. Этот механизм, так же как и наш первый самый простой циркуль, обладает только одной степенью подвижности. Но если любая точка циркуля движется по окружности и только по окружности, то в нашем шарнирном механизме различные точки его среднего звена будут двигаться самым причудливым образом.

Мы пишем и рисуем, держа карандаш в руке. Рука — механизм, пользуясь которым можно воспроизвести в плоскости и в пространстве самую сложную кривую. Она выполняет все необходимые двигательные функции, держит рабочее орудие, подводит к нему потоки энергии и информации, необходимые для отработки намеченной программы. А кроме того, рука работает не одна, вместе с ней работают мозг человека и его органы чувств.

Каждая рабочая машина — своеобразная рука, но только не такая универсальная. Машина предназначена для выполнения одного или нескольких сходных процессов. Каждый такой процесс требует особой организации потоков энергии и информации, требует выполнения определенных движений. Эти задачи конструктор машины решает с помощью самых различных механизмов.

Источником мощности обычно служит электродвигатель, либо двигатель внутреннего сгорания, или заводная пружина; до этого — паровая машина, опускающийся груз; еще раньше — водяное колесо, энергия животного.

Все же остальное делают механизмы. Они превращают однообразное, равномерное вращение в самые различные движения — быстрые и медленные, прямолинейные и криволинейные; они делят мощность одного двигателя между несколькими орудиями и, наоборот, заставляют работать несколько двигателей на одно орудие.

Много сотен лет люди строят механизмы. Высокого искусства в этом деле они достигли уже два века тому назад. Часы и механические игрушки — вот две отрасли производства, в которых это искусство тогда нашло наиболее впечатляющее выражение. Именно в те годы и еще много лет спустя весь мир поражался чудесным игрушкам французского механика Жана Вокансона, швейцарского часовщика Пьера Дро, его сына Анри Дро и многих, многих других. Их создания, внешне похожие на животных или на людей, были способны выполнять наборы разнообразных движений, подобных движениям животного или человека, а внешние формы и оболочка игрушки еще более усиливали ее сходство с живым существом. Именно тогда появился термин «автомат», под которым вплоть до начала XX века понимались, как это указывается в старинных энциклопедических словарях, «…такие машины, которые подражают произвольным движениям и действиям одушевленных существ. В частности, называют андроидом машину, производящую движения, похожие на человеческие».

Годами длилась постройка такой игрушки, и даже сейчас не так просто понять, каким образом удавалось их авторам, действуя кустарными приемами, создавать уйму передач, размещать их в малом объеме, увязывать воедино движения многих механизмов, подбирать нужные соотношения их размеров.

Механические самодвижущиеся игрушки выпускались в больших количествах. Зачастую они выполнялись в сочетании с часами, музыкальными шкатулками, табакерками. Строились многофигурные игрушки, разыгрывавшие короткие действия.

При всем этом набор механизмов, которым располагали умельцы, был невелик. Заводные пружины, струны, проволоки, цепочки, рычаги, блоки, зубчатые колеса исчерпывали его почти полностью. И как много удавалось сделать этим скромным набором! Все детали и звенья механизмов были выполнены с ювелирной точностью; они скрывались внутри миниатюрных фигурок, приводя их в движение по довольно сложной программе. Наши предки тренировались изо всех сил, набивая руку на создании все более сложных систем.

Мы не беремся сами судить о том, насколько совершенны и «животноподобны» или «человекоподобны» были движения этих автоматов и андроидов. Мы для этого не располагаем сколько-нибудь точными чертежами или схемами и не встретили ни одной работы, в которой была бы сделана попытка воссоздать сколько-нибудь точно картину их движения.

Поэтому мы просто передадим слово автору статьи «Автомат», опубликованной круглым счетом сто лет назад в энциклопедическом словаре, изданном в Санкт-Петербурге, как тогда назывался Ленинград.

Вот два отрывка из этой статьи с совершенно незначительными изменениями, дающие представление о том, как выглядели эти автоматы и какое впечатление они производили на зрителей, может быть не очень искушенных в механике и тем более в автоматостроении:

«…Гораздо удивительнее были автоматы, устроенные в прошлом веке французским механиком Вокансоном.

Один из его андроидов, известный под именем „флейтиста“, имевший в сидячем положении, вместе со своим пьедесталом, 2 арш. 5½ вершков вышины (то есть около 170 сантиметров) играл 12 разных пьес, производя звуки обыкновенным вдуванием воздуха изо рта в главное отверстие флейты и изменяя ее тоны действием пальцев на прочие отверстия инструмента.

Другой андроид Вокансона играл левой рукой на провансальской свирели, правой рукой играл на бубне и прищелкивал языком по обычаю провансальских свирельщиков. Наконец, бронзированная жестяная утка того же механика — едва ли не самый совершенный из всех поныне известных автоматов — не только подражала с необычайной точностью всем движениям, крику и ухваткам своего оригинала: плавала, ныряла, плескалась в воде и пр., но даже клевала пищу с жадностью живой утки и выполняла до конца (разумеется, при помощи сокрытых внутри нее химических веществ) обычный процесс пищеварения. Все эти автоматы были публично показаны Вокансоном в Париже в 1738 году…»

«…Не менее удивительны были автоматы современников Вокансона швейцарцев Дро. Один из изготовленных ими автоматов, девица-андроид, играл на фортепьяно, другой — в виде 12-летнего мальчика, сидящего на табурете, у пульта, — писал с прописи несколько фраз по-французски, обмакивал перо в чернильницу, стряхивал с него лишние чернила, наблюдал совершенную правильность в размещении строк и слов и вообще выполнял все движения переписчиков…»

«…Лучшим произведением Дро считаются часы, поднесенные Фердинанду VI Испанскому, с которыми соединена была целая группа разных автоматов: сидящая на балконе дама читала книгу, нюхая по временам табак и, видимо, вслушиваясь в музыкальную пьесу, разыгрываемую часами; крошечная канарейка вспархивала и пела; собака охраняла корзину с фруктами и, если кто-нибудь брал один из плодов, лаяла до тех пор, пока взятое не было положено обратно на место…»

Искусство Вокансона, Дро, Кулибина и многих других представляется особенно удивительным, если вспомнить о скромном арсенале механизмов, находившихся тогда в распоряжении инженеров и конструкторов.

Достаточно сказать, что им еще не был известен обычный кривошипно-шатунный механизм.

Преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала паровой машины представлялось чрезвычайно сложной задачей, которая неоднократно обсуждалась в Английском королевском обществе.

Кривошипно-шатунный механизм, изобретенный почти одновременно и независимо друг от друга Мэтью Васбру в 1779 году и Джеймсом Пикаром в 1780 году, считался для этой цели совершенно непригодным, поскольку он, как казалось, не мог обеспечить достаточно равномерного вращения вала. Многие инженеры и ученые тогда считали, что паровые машины должны, как обычно, качать воду с помощью насосов (для этого не надо преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное — вала). По предлагаемой ими схеме воду, собранную таким образом в резервуаре, далее следовало использовать для того, чтобы приводить во вращение водяное колесо, от которого равномерное вращательное движение можно передать любой машине. При этом получалось подобие привычной, веками проверенной схемы! И это казалось превосходным!

Вот пример, лишний раз свидетельствующий о силе многолетней привычки, которую не так легко преодолеть, о ее влиянии даже на передовых людей.

Сам Уатт для своих паровых машин изобретал один за другим различные механизмы, конечно, более сложные, чем кривошипно-шатунный, который спустя некоторое время вытеснил все другие.

Итак, с одной стороны паровые машины, с другой — часы и механические игрушки начали настоящую серьезную историю автоматов.

И почти одновременно начала складываться наука о механизмах. В 1829 году Андре Ампер был приглашен в Политехническую школу в Париже для чтения лекций по теоретической и экспериментальной физике. Подготавливая курс, он решил наметить границы этой науки и сформулировать ее разделы. Увлеченный этой задачей, Ампер вышел далеко за ее пределы и разработал классификацию всех наук вообще, конечно, так, как они представлялись этому талантливому ученому, работавшему полтора века назад.

В классификации Ампера уже содержалось определение кинематики как науки, «…рассматривающей движения окружающих нас твердых тел и особенно систем таких тел, которые называют машинами».

Заметим, кстати, что в этой классификации он отвел также место и науке об управлении, назвав ее кибернетикой.

Трудно даже представить себе, как усовершенствовались методы проектирования механизмов за двести лет, прошедших со времени Уатта. Конечно, мы должны хотя бы мимоходом коснуться этих вопросов, рассказав о нескольких автоматах.

Наверное, можно пересчитать по пальцам тех жителей земного шара, которые за всю свою жизнь не видели хотя бы одной кинокартины. Кинематограф — удивительное изобретение, и о том, как оно началось, существует много интересных историй.

Рассказывают, например, что между губернатором штата Калифорния Леландом Станфордом и его приятелями как-то на скачках разгорелся спор о том, одновременно или неодновременно отрывает от земли все четыре ноги лошадь, скачущая галопом. Спор длился долго и бесплодно, пока губернатору не пришла в голову мысль обратиться к специалистам-фотографам. Дело происходило в 1872 году; фототехника в то время уже находилась на довольно высоком уровне. И один крупный специалист-фотограф — Эдвард Мейбридж взялся решить этот спор. Вдоль беговой дорожки ипподрома он установил 24 фотоаппарата с интервалами по полметра. К спусковым механизмам затворов этих аппаратов он привязал по нитке и протянул эти нитки через беговую дорожку. На противоположной стороне дорожки он установил длинный белый экран, на фоне которого скачущая лошадь была отчетливо видна.

Его исследовательская работа увенчалась полным успехом. Скачущая лошадь, разрывая нити, приводила в действие поочередно все 24 аппарата; в результате получались серии из 24 снимков, показывающих ее положения в различные моменты галопа. Фотограф извел в процессе опытов полмиллиона фотопластинок (так рассказывают!) и убедительно доказал, что лошадь, скачущая галопом, отталкивается от земли всеми четырьмя ногами в один момент.

Мейбридж опубликовал эти снимки в книге «Лошадь в движении», чем сильно оживил интерес к фотографированию движущихся объектов.

Так или иначе фактом является то, что в конце прошлого века изобретение кинематографа было технически подготовлено: это изобретение должно было быть сделано, и оно было сделано. Почти одновременно и с разных концов к этому изобретению шло столько людей, что до сих пор историки техники не могут разобраться не только, кто в конце концов изобрел кинематограф, но даже в какой стране было сделано изобретение. На эту честь претендуют с одинаковым жаром Америка, Англия, Франция и Германия.

Киносъемочная камера — фотографический автомат — позволяет сделать один за другим через одинаковые интервалы времени ряд снимков на светочувствительную пленку. Современные кинокамеры делают 24 снимка в секунду. В момент съемки — этот «момент» может занимать до ¹/₅₀ доли секунды — пленка должна оставаться неподвижной, а за оставшееся время механизм автомата должен продвинуть пленку точно на один кадр — на 19 миллиметров — и вновь ее остановить.

Вдоль обоих краев пленки — тонкой и непрочной — сделаны отверстия — перфорации. Их можно использовать для того, чтобы 24 раза в секунду продвигать и останавливать пленку. Механизм, который это делает, составляет сердце кинокамеры, и именно наличие его отличает кинокамеру от обычного фотоаппарата.

Разработаны и применяются десятки самых различных конструкций грейферов — так называют эти механизмы. Одна из них представляет собой простой шарнирный механизм.

Его ведущее звено получает мощность от небольшого электродвигателя или от заводной пружины. При нажатии пусковой кнопки он начинает равномерно вращаться. И с каждым оборотом зуб грейферного механизма входит в перфорацию и продвигает пленку на один шаг.

Казалось бы, все очень просто. Но это только кажется! Грейфер должен разгонять и останавливать пленку очень плавно, без резких рывков, иначе перфорация будет повреждена и пленка выйдет из строя. При этом зуб грейфера не должен двигаться поперек пленки, иначе он будет ее «пилить», и это сократит срок ее службы. Одно за другим предъявляются самые различные требования к механизму, на весь цикл работы которого отпускается всего ¹/₅₀ доля секунды.

И то обстоятельство, что существуют десятки самых разнообразных конструкций грейферных механизмов, свидетельствует не о том, что задачу протягивания ленты легко решить десятками различных способов, а как раз об обратном: инженеры и конструкторы десятками различных способов пытаются справиться с теми трудностями, которые возникают при решении технической задачи. В одних случаях они позволяют себе поступиться требованиями в отношении плавности, но зато уменьшить размеры механизма и упростить его схему. А в других — механизм приходится усложнять, чтобы обеспечить самое высокое качество его работы, тогда увеличиваются габариты и стоимость механизма.

Но вот фильм отснят и выходит на экран. Точнее говоря, его выводят на экран. И сделает это тоже автомат — кинопроекционный аппарат, в котором кинолента движется такими же скачками, какими двигалась пленка в кинокамере. 24 раза в секунду вам показывают на экране картинки, на каждой из которых герои фильма искусственно остановлены в последовательных положениях. 24 раза в секунду экран затемняется в то время, когда работает грейферный механизм, передергивая ленту от кадра к кадру.

Человеческий глаз инерционен. Он обладает свойством сохранять некоторое время полученное его сетчаткой зрительное впечатление. Говорят, он обладает «памятью зрения», которая измеряется несколькими сотыми долями секунды. И мы видим на экране вместо тысяч кадров с неподвижными изображениями один кадр, внутри которого совершаются самые сложные действия.

Вспомните, сколько радости и удовольствия доставили вам люди, создавшие кинематограф, создавшие его техническую основу — кинокамеру и киноаппарат, два рядовых автомата, и оцените по достоинству их труд и изобретательность.

Если вы посмотрите сквозь ресницы на горящую электрическую лампочку, находящуюся от глаз на значительном расстоянии, то вам покажется, что она окружена радужными кольцами. Эта картина является следствием дифракции света — явления, возникающего при прохождении света сквозь узкие отверстия или щели и связанного с разложением белого света на составляющие его цвета.

Не будет преувеличением сказать, что разложение света на цвета (получение его спектра) является одним из наиболее мощных средств, которые использует человек для изучения окружающего мира. Наука и техника сегодня уже не могут обойтись без спектрографа — прибора, предназначенного для фотографирования спектров различных излучений. С его помощью астрономы изучают звезды, физики — атомы, химики — молекулы, биологи — живые клетки, металлурги — сплавы.

Наиболее простой способ «рассортировать» цвета того или иного излучения состоит в том, что свет этого излучения пропускают через стеклянную призму. Впервые так сделал около трехсот лет тому назад Ньютон, изучая удивительный эффект разложения обычного белого света на все цвета радуги. Призмы еще до сих пор применяются в спектрографии. Однако сердцем современного мощного спектрографа теперь служит не призма, а дифракционная решетка — величайшее чудо механической точности.

Дифракционная решетка представляет собой серию очень узких параллельных канавок, прорезанных на пластинке, сделанной из специального стекла. Эти канавки так узки и так тесно расположены, что каждую из них трудно разглядеть в подробностях даже в микроскоп. До 2–3 тысяч таких канавок приходится на 1 миллиметр ширины решетки, все они должны иметь одинаковую ширину, глубину и профиль. И что самое главное, они должны быть абсолютно параллельны и находиться на совершенно одинаковых расстояниях одна от другой.

Отклонения от идеального расположения канавок не должны превосходить сотых долей микрона! Здесь нет опечатки. Именно сотых долей микрона!

Как ни поразительны дифракционные решетки, изготавливающие их автоматы — так называемые делительные машины — еще более удивительны.

Строятся они, конечно, несерийно. Во всем мире их сейчас не так уж много. И те, кому нужны точные дифракционные решетки, должны годами ждать выполнения своих заказов.

И при всем том по своей принципиальной схеме делительная машина ненамного сложнее простой мясорубки и, уж безусловно, намного проще пишущей машинки.

Канавку за канавкой прорезает алмазный резец двумя передними кромками. Он укреплен в ползуне, который движется вперед и назад по смазанным направляющим. Ход вперед — прорезана очередная канавка, ход назад — резец поднят, а в это время нижний стол, несущий заготовку, перемещается на один шаг. Следующий ход вперед — прорезана еще одна канавка. Весь процесс, как говорится, проще пареной репы. Машина работает не спеша сутки за сутками, без остановки; и когда она в течение нескольких суток наездит таким образом туда и сюда несколько километров, должна получиться дифракционная решетка чуть шире нашей ладони с канавками длиной с указательный палец.

Должна получиться! Но никто не знает, будет ли она удовлетворять тем фантастическим требованиям, которые к ней предъявляются. Не знают этого даже те, кто проводит около нее день за днем десятки лет и, уж конечно, хорошо изучил ее привычки, характер, норов. Почему? А вот почему.

К сотням, тысячам машин предъявляется требование — точность, точность и еще раз точность!

В делительной машине, как лучи света в увеличительном стекле, сконцентрированы и десятикратно увеличены те трудности, с которыми сопряжены попытки человека повысить точность любой машины.

Делительные машины работают на границе точности, на той границе, где начинает сказываться «жизнь» безжизненного металла, из которого сделаны их части.

Металл тверд, но не абсолютно! Небольшие усилия, которые нужно приложить, чтобы, повернув винт, передвинуть нижний стол машины, заставляют винт сжиматься. Конечно, на совершенно ничтожную величину — на десятые доли микрона. Но ведь это уже в 10 раз больше допустимой величины ошибки изготовления решетки! Упругие же деформации других деталей, изменения толщины смазочного слоя между винтом подачи и гайкой увеличивают неопределенность положения алмазного резца еще в несколько раз.

При таких сверхточностях начинает казаться, что детали машины изготовлены не из твердейшей стали, а из резины. С допуском в сотые доли микрона автомат должен перемещать пластинку из одного положения в другое и выдерживать эту точность на протяжении всего пути движения резца. А деформации, происходящие в процессе нормальной работы автомата, превосходят величину допуска в десятки раз. Так может ли вообще хоть сколько-нибудь удовлетворительно работать такой автомат? Оказывается, может! Надо только добиться, чтобы его детали и звенья при каждом ходе нагружались по возможности одинаковыми силами. Тогда они каждый раз будут деформировать механизм на одинаковую величину, и деформации не очень сильно скажутся на точности работы автомата.

Основными силами, нагружающими звенья механизма делительной машины, являются силы трения между винтом и гайкой, а также на направляющих нижнего стола.

Сложнейший физический процесс протекает в зазорах ничтожной величины между винтом подачи и гайкой, между столом делительной машины и его направляющими. В результате этого процесса сила трения не остается постоянной. И сколько уменья и искусства надо, чтобы эти изменения не выходили за допустимые пределы, составляющие всего лишь 0,5 процента максимальной величины!

Но трение не единственное зло, угрожающее точности действия машины. В процессе изготовления только одной решетки несущий ее стол сотни тысяч раз проводит по направляющим. Они изнашиваются — теряется точность.

Металл стареет. В результате с течением времени изготовленные из него детали в ничтожных пределах меняют размеры. Для многих машин это не имеет значения. Для делительных — гибельно.

Любую машину следует предохранять от действия пыли. Это знает каждый конструктор и принимает необходимые меры. Делительной машине пыль угрожает катастрофой. Одна пылинка, попавшая между гайкой и винтом или резцом и заготовкой, может привести к браку.

А вибрации! Ветер раскачивает деревья, растущие у здания, в котором установлена делительная машина; их колебания могут отразиться на движении алмазного резца.

Ничтожные колебания температуры вызывают еще более ничтожные изменения размеров металлических деталей. Однако для делительной машины нет ничтожных размеров и величин; и мизерные колебания температуры могут вывести ее из строя.

Много лет с созданием этих машин был тесно связан американский физик Альберт Майкельсон, автор целой серии исследований и опытов по определению скорости света. Свои впечатления о результатах работы машины он изложил в следующих словах: «Когда кажется, что ничего не получится, решетка получается великолепной. Мы празднуем это событие, думая, что проблема решена, а при следующей попытке терпим горькую неудачу. Поневоле приходишь к мысли, что машина имеет женский характер. С ней нужно шутить, ее нужно задабривать, уговаривать, обманывать, а иногда ей нужно угрожать.»

Казалось бы, непреодолимые препятствия вставали на пути создания подобных уникумов, но что может остановить человека, когда он берется за дело?

В глубоком подвале, на специальном фундаменте, за стеклянной стеной установлена делительная машина. Она работает, но алмазный резец поднят. Так она работает час за часом, пока не «прогреется» до своей обычной рабочей температуры, а потом она вхолостую работает еще добрый десяток часов для того, чтобы стабилизировалась смазочная пленка на подвижных частях машины. Только после этого опускается алмаз и начинается процесс изготовления решетки. И там, где стоит машина, нет ни одной пылинки, нет колебания температуры, которая поддерживается постоянной с точностью до сотых долей градуса.

Сутки за сутками работает самый точный автомат. Вместе с ним работают заложенные в него труд и мысль человека, сохраняющиеся в машинах так же, как они сохраняются в книге, картине, симфонии.

Многими «чудесами техники» восхищается и пользуется весь мир — автомобилем, самолетом, телевизором. Наряду с ними человеком созданы «чудеса техники», о которых знают немногие, но без которых сейчас уже немыслима жизнь техники. Делительная машина одно из таких чудес. А в ее основе лежит совсем простой механизм.

Одна из самых больших машин современной техники — шагающий экскаватор.

У этой машины нет привычных для нас колес или гусениц. И когда ей нужно передвинуться с места на место, она «шагает». Этот несколько необычный для машин способ передвижения породил ее название — шагающий экскаватор. А одна из конструкций механизмов шагания представляет собой шарнирный механизм.

Механизм шагания экскаватора, пожалуй, самый большой из семейства шарнирных механизмов. А на противоположном полюсе действуют его микроскопические собратья — механизмы приборов и часов, машин и автоматов, изготавливающие микроскопические детали этих микроскопических механизмов. Рядом с шарнирными и вперемежку с ними в самых замысловатых сочетаниях и соединениях трудятся зубчатые и кулачковые механизмы. Через них текут потоки мощности в тысячи киловатт и в тысячные доли ватта, а также потоки информации, определяющей закономерности их движения.

…Нудно ползет часовая стрелка, совершая оборот за 12 часов. Минутной стрелке для этого нужен один час. Секундной — минута.

Первые паровые машины делали один оборот за несколько секунд; колесо автомобиля, движущегося со скоростью около 100 километров в час, делает 12 оборотов в секунду; вал автомобильного двигателя — 100 оборотов в секунду; турбина реактивного двигателя — 200 оборотов… Может быть, вам кажется, что ничего не стоит заставить деталь машины вращаться с какой угодно скоростью?

И сколько, по вашему мнению, составляет эта «какая угодно» скорость? 500 оборотов в секунду? 1000? 10 000? 100 000?

История того, как инженеры и изобретатели «добывали» все бóльшие и бóльшие обороты, история автоматов — рекордсменов высоких оборотов началась вместе с изобретением колеса. Она очень обострилась после того, как Лаваль придумал паровую турбину, для которой высокие обороты были вопросом «жизни или смерти». К концу прошлого века небольшие по размерам турбины Лаваля совершали свыше 700 оборотов в секунду! Около 50 000 оборотов в минуту!

Вам кажется, что на этом можно было бы остановиться? В конце прошлого века — может быть, да! Но с тех пор наука и техника ушли вперед и им нужны еще большие обороты для самых различных целей.

Несколько лет назад появились сообщения об уникальной центрифуге, ротор которой развивает предельно (!) большие обороты.

Может быть, термин «ротор» не очень подходит для детали диаметром в десятые доли миллиметра или для маленького шарика, которые приводятся во вращение этой машиной. Но скорость вращения у них поистине удивительная. Полтора миллиона оборотов в секунду! Окружная скорость этих микророторов достигает 4000 километров в час.

Это предельная скорость для деталей, изготовленных из самых высококачественных сплавов. При ее достижении ротор буквально взрывается под действием центробежных сил, и только благодаря его малым размерам не происходит серьезных повреждений машины.

…Контактные устройства измерительных систем давят на измеряемые изделия с силой в малые доли грамма, и одновременно с ними существуют машины, посредством которых стальные образцы подвергаются давлениям до 70 000 атмосфер.

Самые большие и самые микроскопические, самые медленные и самые быстрые, самые легкие и самые мощные.

Все пространство между этими «самыми» заполнено механизмами — этими руками машин. Из маленькой капли стекла они делают колбу для электролампочки, а из капли побольше — колбу телевизионной трубки; из металлического слитка катают стальной лист и проволоку; из стального листка штампуют кузов автомобиля и перо; из куска проволоки — гвоздь. Они режут, строгают, фрезеруют, шлифуют металл — сталь и чугун, дюраль и бронзу, месят тесто и из куска теста делают булку; из щепки — спичку, из бумаги, краски и клея — конверт, тетрадь, книгу, из…

Нет смысла продолжать это перечисление. И нет возможности рассказать о том, как устроены и действуют каждый из этих автоматов по отдельности. Как нам поступить дальше? Об этом мы посоветуемся чуть позже. А пока давайте вернемся к шарнирному механизму из планок, который мы собирали на первых страницах этой главы. Начнем всю работу сначала.

Первую планку снабдим на одном конце шаровой поверхностью и вставим в неподвижную шаровую полость. Сейчас эта планка может поворачиваться в любом направлении в пространстве — она имеет три степени подвижности. С ее свободным концом шарнирно соединим вторую планку. Наш двухзвенный механизм будет иметь уже четыре степени подвижности. К свободному концу второго звена подвижно присоединим третье звено. Присоединим так, чтобы оно относительно второго звена имело три степени подвижности.

Теперь пойдем дальше. К третьему звену присоединим сразу еще пять звеньев. К этим пяти звеньям присоединим к каждому еще по звену, а к тем еще по звену.

Вы уже догадываетесь, что мы конструируем механизм руки. По крайней мере схематически картина у нас получилась вполне похожей. Плечевой сустав имеет 3 степени подвижности, локтевой сустав — 1, лучезапястный сустав — 3, каждый палец — 4 степени подвижности.

Механизм руки обладает ни много ни мало 27 степенями подвижности. Такой свободой движений не обладает ни одно техническое устройство, и нет механических устройств, которые хотя бы сколько-нибудь приближались к такому уровню.

Мы неспроста поместили рассказ о механизме руки в одном месте с рассказом об экскаваторе.

От живой руки человека вернемся к «руке» экскаватора и сравним их. Не правда ли, между ними много общего? Кисть человека как ковш экскаватора, а мощные звенья — плечо и предплечье — образуют механизм, доставляющий этот «ковш» в любую точку пространства, так же как механизм экскаватора доставляет настоящий ковш.

Но на этом их сходство кончается. Кисть руки — универсальнейший механизм. Он может взять карандаш, горсть песка и щепотку соли, ручку напильника, лист железа и иглу, электролампочку, смычок и листок папиросной бумаги. И не только взять, а, взяв, выполнять действия самые тонкие и сложные.

Необыкновенная подвижность, выработанная в процессе всего эволюционного развития, отличает механизм живой руки от любого технического устройства и составляет ее важную особенность.

Большое число степеней подвижности в значительной мере определяет чудесные свойства живого механизма, способного осуществить бесчисленное множество самых разнообразных движений, позволяет использовать один и тот же механизм для выполнения самых различных процессов. А если нужно, в работу включается вторая рука — еще один живой механизм, обладающий еще 27 степенями свободы.

Наша прогулка успешно продвигается вперед. Пожалуй, самое время сделать небольшой привал, чтобы обменяться впечатлениями, вспомнить интересовавшие нас вопросы, тем более что на некоторые из них сейчас уже можно ответить.

Что общего между будильником и вычислительной машиной, лифтом и тепловозом, киноаппаратом и автоматом, выпекающим пончики?

Все они мертвы без энергии. Независимо от назначения и конструкции машины через ее механизмы и устройства должны течь потоки энергии. В будильнике она нужна, чтобы преодолевать трение в механизмах привода стрелок, — ее источником служит заводная пружина. Вычислительной машине, лифту, киноаппарату нужна электроэнергия — к ним она подводится непосредственно из электросети или от электродвигателей.

Поступая от внешнего источника, энергия ветвится, расходится по всем исполнительным механизмам машины непрерывным потоком или отдельными порциями, а отработав, возвращается во внешний мир в большинстве случаев в виде тепловой энергии. В тепловую энергию превращается механическая энергия, израсходованная на преодоление трения во всех подвижных сочленениях машины. В тепловую энергию превращается электроэнергия, поступившая из сети в вычислительную машину и в электродвигатели металлорежущих станков. В тепловую энергию, рассеивающуюся в воздухе, превращается химическая энергия топлива, сгорающего в автомобильном двигателе и ракете.

Потоки энергии движутся через машину организованно. Иначе как бы машина могла выполнить возложенные на нее задачи? Все энергетические процессы подчинены определенной программе, определенным командам. И одновременно с потоками мощности через механизмы и устройства машины текут ручейки информации, обеспечивающей управление энергетическими процессами.

По мере усложнения задания ручейки информации становятся все более многоводными. А через устройства современной большой вычислительной машины текут гигантские потоки информации. Переработка этих потоков составляет существо и основу выполняемого ею технологического процесса. Однако для поддержания этих потоков нужна энергия, пусть в сравнительно небольшом количестве, но нужна. Значит, одновременно с потоками информации через вычислительную машину текут небольшие ручейки энергии, поддерживая ее жизнь.

В начале книги мы собирались расставить все машины по полкам. Одну из полок, где стоят машины-двигатели, мы уже «укомплектовали». Теперь входим в мир рабочих машин — от самых простых, выполняющих за человека тяжелую работу, и до таких, которые не так уж зря называют «электронным мозгом».

Неужели, чтобы расставить их на нашей этажерке, придется описывать конструкцию и принципы действия каждой? Но ведь это практически невозможно!

Нет! Надо, очевидно, попытаться сделать по другому, попробовать выяснить общие принципы построения машин. Иначе все, что мы будем узнавать о них, станет похожим на совершенно запутанный клубок, из которого в полном беспорядке и во всех направлениях будут торчать шарниры, зубья, катоды, реле, клапаны и прочее и прочее.

У нас в руках есть ниточки, которые нам помогут шаг за шагом распутать этот клубок. Эти ниточки — ручейки, реки, потоки энергии, информации и материалов. Нам надо проследить, как организуются они в рабочих машинах, независимо от того, идет ли речь о мощностях в тысячи киловатт или доли ватта, независимо от того, по каким механизмам и устройствам они проходят через машину, как обрабатываются и используются. Тогда все станет на свои места, и наша прогулка от этого только выиграет.

Мы так и поступим, только чуть позже.

На протяжении всей нашей прогулки мы пытаемся сравнивать устройство и действие машины с устройством и действием живого организма.

Что мы успели выяснить? Об этом тоже пора сказать несколько слов.

Человек и машина подчиняются некоторой группе одних и тех же законов природы. Через «механизмы» и «устройства» живого существа, как через механизмы и устройства машины, текут потоки энергии и информации. Это сходство сразу бросается в глаза, как только мы примерили к ним понятия «энергия» и «информация».

Как всякая машина, живой организм снабжен двигателем, поставляющим ему энергию, необходимую, чтобы жить и работать.

Как многие высокоорганизованные машины, живой организм оборудован совершенной системой связи и управления — центральной нервной системой.

И наконец, как всякая машина, живой организм реализует все взаимодействия с внешним миром через движения и только через движения.

Как видим, не так уж мало общего между живым организмом и машиной!

Затем мы решили подробнее ознакомиться с конструкцией некоторых механизмов и устройств живого организма. Мы начали с живых двигателей — мышц и обнаружили, что их конструкция и свойства существенно отличаются от конструкции и свойств машин-двигателей.

До того как был вскрыт механизм действия мышцы, казалось, что остается один шаг до создания искусственной руки, казалось, что искусственная мышца будет очень похожа на естественную. Теперь, после того как узнали побольше о том, как устроена мышца, сходство между ними нам представляется очень отдаленным, а путь до создания искусственной руки — очень длинным.

Затем мы обнаружили еще одну особенность живого организма — несоизмеримо большое по сравнению с техническими устройствами число степеней подвижности.

206 подвижно сочлененных костей человеческого тела, покрытых 639 двигателями — мускулами, сообщают телу такое богатство поз и движений, каким не обладает ни одна машина.

И наконец, мозг! Он обеспечивает управление каждым, самым элементарным движением любого из суставов и сочленений, осуществляет согласование всех возможных элементарных движений во времени и пространстве, сочетание этих движений в сложнейшие комплексы, а также их увязку с движениями, совершающимися во внешнем мире. Зачастую он выполняет все эти действия, одновременно решая другие, более сложные задачи.

Когда человек знает, что такое велосипед, но не знает, что такое самолет, ему проще всего предположить, что самолет — это нечто вроде велосипеда. Когда он знает, что такое автомат, и не знает, что такое мозг, то для начала не плохо высказать предположение, что мозг — это автомат. Часто так и делают. Иногда добавляют слово «особый». Особый автомат! Это слово стыдливо закрывает самое непонятное: характер и темперамент, уровень развития и интересы, склонности и привычки — одним словом, все то, что принято называть человеческой индивидуальностью.

Итак, особые двигатели, особая система управления, невероятная подвижность! Каждый читатель понимает, что эти особенности не исчерпывают всего, что отличает живой организм от машины. Мы именно на них сосредоточили внимание просто потому, что они крайне важны, когда делаются попытки сравнить живой организм и техническое устройство.

Так ли уж они важны? Может быть, когда человек и машина переходят к делу, эти особенности отступают в тень?

Ни один самый высококвалифицированный слесарь-лекальщик не сумеет вручную изготовить шарик для шарикоподшипника, удовлетворяющий всем требованиям, которые предъявляются к изделиям такого типа. А очень «простые» автоматы изготавливают совсем круглые, гладкие и одинаковые шарики десятками и сотнями миллионов, причем совсем не так, как их стал бы делать человек. И никому не приходит в голову поручать такую работу человеку.

С другой стороны, просто невозможно себе представить техническое устройство (например, искусственную руку), которое могло бы сравниться по тонкости, сложности и разнообразию движений с рукой человека. Чтобы создать такую искусственную руку, необходимо сначала создать искусственную мышцу, сходную с естественной мышцей, причем тут мало внешнего сходства и даже мало сходства в энергетических процессах. Необходимо добиться, чтобы обе конструкции были одинаковы во всех тех особенностях, которые позволяют мышцам тончайшим образом осуществлять самые сложные движения естественной рукой.

Шестилетнему Томми Саффорту сказали, что в кукурузном початке 594 зерна, и спросили, сколько зерен будет в 1040 початках. Томми, почти не задумываясь, ответил на этот вопрос. Он очень легко оперировал цифрами, в уме извлекал кубические корни из девяти- и десятизначных чисел.

Артур Гриффитс в течение 1,5 секунды находил произведение двух любых двузначных чисел, помнил квадраты всех чисел до 130 и их кубы до 100.

В английском фунте 20 шиллингов, 240 пенсов, 960 фартингов. Чудо-математик Бакстон в уме удваивал фартинг 139 раз. Результат этой процедуры, который он выразил в фунтах, содержал 142 цифры.

Известно много людей, поразительно быстро выполняющих в уме действия над большими числами. Лет пятьдесят-шестьдесят назад они производили вычисления быстрее, чем другие это делали с помощью существовавших в те времена вычислительных средств. Сейчас самый быстродействующий из таких чудо-математиков был бы не больше, чем неуклюжий «тихоход» по сравнению с электронным вычислительным автоматом. В этом отношении автомат уже давно и намного обогнал даже самого выдающегося человека.

Но вот другой пример. К оживленному перекрестку на большой скорости движется такси. Сядем рядом с водителем и понаблюдаем за ним. Он следит за сигналами светофора и за действиями регулировщика, который может находиться на перекрестке, одновременно следит за движением машин, мчащихся впереди, навстречу, слева и справа. В зеркале водитель видит машины, движущиеся сзади; следит за действиями десятков пешеходов, пересекающих перекресток и подходящих к нему. Он не просто наблюдает за этой сложной, мгновенно меняющейся картиной, а непрерывно действует; непрерывно оценивает ситуацию, пользуясь самыми непонятными с первого взгляда критериями, которые ему подсказывает опыт. По выражению лица пешехода видит, собирается ли тот подождать, пока пройдет машина, или сейчас очертя голову кинется бежать через перекресток. Обменявшись мгновенным взглядом с водителем соседней машины, определяет, что тот собирается делать. Он видит, или по крайней мере должен видеть, все и обязан так управлять машиной, чтобы обеспечить безопасность движения. А если на улице снег, дождь, гололед или листопад, то во все свои действия водитель должен вносить поправки; величины поправок никто не может ему подсказать, он вынужден определять их сам, причем мгновенно, на ходу машины. Все эти задачи многократно усложняются, если пассажир торопится и водитель стремится ехать хотя бы немного скорее других машин.

И тем не менее водитель такси решает эти задачи и доставляет пассажира по назначению, да еще успевает обсудить с ним по дороге газетные сообщения, недостатки в работе торговой сети, результаты вчерашнего матча.

Миллионы водителей во всем мире успешно водят машины в самых разнообразных условиях, и — что самое удивительное — о труде водителей говорят скорей как о физическом, чем об умственном.

А можно ли представить себе автомат за рулем автомашины, движущейся по оживленней улице? Причем мы имеем здесь в виду не излюбленный фантастами некий автомат, который неизвестно как устроен и неизвестно как действует и про который заранее можно сказать, что он делает все.

Давайте еще немного подождем с ответом на этот вопрос. Он будет совсем ясен, когда мы узнаем подробнее, как собирают и обрабатывают информацию человек и автомат, как осуществляется в автомате и живом организме процессы управления, как устроены и действуют современные автоматы. Но вот что нужно заметить!

Механики средневековья и современные инженеры, изучая трудовые процессы, выполняемые человеком, механизируя и автоматизируя их, каждый раз убеждались и убеждаются, что живой организм и рационально построенные машина и автомат выполняют эти процессы, действуя совершенно по-разному.

Швейная машина шьет не так, как швея; тестомесильная машина месит тесто не так, как пекарь; пишущая машинка пишет не так, как человек. Автомобиль движется не так, как четвероногие. Пароход плывет не так, как рыба. Самолет летит не так, как птица.

Конечно, некоторые элементы внешнего сходства в действиях технического устройства и живого организма всегда можно найти и зачастую использовать. Но чем сложнее технологический процесс, тем все меньшим и меньшим становится это сходство и тем очевиднее выступает вся глубина различия между живым организмом и техническим устройством. И это различие определяется не какими-то таинственными свойствами живого организма, а в значительной мере теми особенностями, которые мы успели обнаружить и сформулировать, обмениваясь первыми впечатлениями.

Живое существо и техническое устройство движутся и действуют по разному не потому, что, создавая швейную машину, пароход и самолет, человек не знал (да еще и сейчас в точности не знает), как шьет швея, плывет рыба и летит птица. При создании своих конструкций Природа и Человек шли и идут разными путями, поскольку они располагают различными возможностями и средствами и стремятся к различным целям.

Природа никогда не пыталась заимствовать свои конструкции у Человека. Человек, приступая к созданию каждой новой машины, всегда пытается подсмотреть, как такую «машину» сделала Природа, а подчас и скопировать ту или иную конструкцию. Но это приводило к успеху довольно редко. На первых этапах создания самодвижущихся машин появлялись проекты паровозов, переступающих искусственными «ногами», самолетов с машущими крыльями. Эти проекты оказались бесперспективными. Человек многому учится у Природы, однако заимствует у нее с оглядкой, с учетом реальных возможностей.

Только когда человек ставит задачу создать машину, которая делает то, что делает живое существо, не стремясь к тому, чтобы его машина делала это так, как делает живое существо, он добивается успеха.

Именно тем труден процесс создания каждой новой машины, что она не слепое копирование живых механизмов техническими средствами. Именно поэтому создание каждой машины — это загадка с разгадкой.

Загадки задает жизнь:

Как одеть, обуть и накормить миллиарды людей?

Как добыть энергию и оторваться от Земли?

Как запомнить звук и передать мысль?

Как сделать совсем круглый шарик и изящный кузов автомобиля?

Ответы ищут и находят люди — конструкторы, инженеры, ученые. Конструирование машины не простая арифметика. Здесь каждая загадка имеет десятки и сотни ответов — самых разных. Никто эти ответы заранее не знает. Так разве не интересно посмотреть, как их находят?

Если вы не желаете верить на слово и хотите иметь собственное мнение о том, что такое машина, волей-неволей надо снять с нее крышку и заглянуть поглубже в хитросплетение механизмов и устройств, в котором нет ни одной лишней шестеренки или проволочки, которое живет и действует так, как это задумал человек.