Польза от изобретения винтовой резьбы столь же очевидна, как и польза от открытия человеком колеса. Пожалуй, это один из самых простых механизмов, без которого развитие науки и техники было бы просто невозможно. Многие вещи, созданные человеком, были сделаны не без помощи этого простого и гениального изобретения.
Спиралевидная геометрия винта уникальна. Звучит странно, но предмет с такой формой уже сам по себе является многофункциональным устройством. Подобную геометрию можно использовать для надежного крепления отдельных элементов конструкции, вращающуюся винтообразную деталь можно применять для передаточного сцепления или в качестве транспортного конвейера. Последний вариант использования винтовой геометрии более известен как винт Архимеда. Вообще, легендарному древнегреческому гению приписывают много открытий, и, вероятно, не все из них принадлежат именно ему. Не беремся утверждать, что именно этот великий ученый открыл винтовую форму, но одно из первых упоминаний практического применения такой спирали связано с Древней Грецией (третий век до нашей эры).
Так называемый винт Архимеда — это устройство, которое в прошлом люди использовали для передачи воды на расстояния. Винтовая ось вращалась в желобе, и вода постепенно поступала в нужном направлении. По одной из версий, Архимед придумал это устройство еще во времена своего обучения в Александрии, где на практике смог применить свои знания для осушения залитых Нилом земель.
Кто бы ни изобрел первый винт, он наверняка подсмотрел его форму в природе. Быть может, человек увидел, как плющ по спирали обвивает дерево, а может, его вдохновила закрученная форма морской раковины.
Геометрия, рожденная природой, зачастую бывает настолько точной и совершенной, что сам человек отказывается верить в ее естественное происхождение. Вот относительно недавний пример. Любители вести раскопки время от времени представляют сенсационные находки. Так, в 1998 году экспедиция Центра «МАИ — Космопоиск» исследовала местность на юге Калужской области в поисках упавших метеоритов. На месте поисков один из участников этой экспедиции обнаружил странный камень, в котором виднелся окаменевший болтик.
Среди ученых тут же поднялся переполох — откуда он там появился? Принимая во внимание сроки, которые необходимы для преобразования предмета в камень, можно сделать вывод, что возраст находки должен исчисляться сотнями миллионов лет. Но если так, то кто сделал эту деталь? Неужели 300 миллионов лет назад на Земле существовала продвинутая цивилизация, которая могла делать сложные механизмы? Разгадка на самом деле была очень простой.
После некоторых споров специалисты все же распознали окаменелость, ею оказалось существо под названием криноидея (лат. Crinoidea), или морская лилия.
Специфическое строение этих животных ввело в заблуждение исследователей, которые долго отказывались верить в то, что «болтик» создала природа. Интересно, что этот инцидент с болтиком в камне — не единичен. Морские лилии очень часто принимают за артефакты древней цивилизации — то нарекут их остатками инопланетных машин, то увидят в странных «шлангах» послание из будущего.
А на деле все обстоит куда проще и скучнее. По всей длине тела этих существ (криноидей) пролегал пищевод, который, часто был забит планктоном и песком. Под действием времени содержимое пищевода каменело, и образовывался штырь, который так похож на рукотворный предмет.
Чаще всего встречаются две формы шлица — прямой и крестообразный. Хотя изобрел и запатентовал крестообразную форму прорези Джон Томпсон (John Thompson), такую головку винта (а также отвертку для работы с ней) принято называть Phillips (к голландскому бренду не имеет никакого отношения), в честь Генри Ф. Филлипса (Henry F. Phillips), американского бизнесмена из Портленда, штат Орегон, который выкупил патент у Томпсона и сумел «раскрутить» достоинства новых винтов.
Преимущество крестообразной формы шлица заключалось в более надежном сцеплении винта и отвертки, что было особенно важно в промышленном производстве, в особенности при сборке автомобиля. В тридцатых годах прошлого столетия известные производители автомобилей (например, General Motors) быстро оценили удобство и эффективность новых винтов и взяли их на вооружение.
В интерьере Cadillac 1939 года нетрудно заметить шляпки с крестообразным шлицом
Шли годы, а форма шлица по-прежнему оставалась стандартной — или прямой, или крестообразной. Но, как известно, совершенству нет предела. Со временем даже привычная шляпка винта оказалась улучшенной.
Вообще-то винт относится к такой категории вещей, которые крайне сложно как-то усовершенствовать и сделать лучше. Винтообразная форма сама по себе идеальна, и, чтобы придумать что-то более совершенное, нужно проявить настоящий талант изобретателя. Тем не менее изредка находятся люди, которым по плечу задачи любой сложности. Эти энтузиасты запросто могут заново открыть велосипед или изобрести винтик по-новому.
Главный недостаток или, правильнее будет сказать, неудобство, которое несет в себе винт, — привязка к стандартам шлица. Каждый винт имеет свой шлиц, определенной формы и размера. Все это приводит к необходимости использования инструмента определенного стандарта. В арсенале любого уважающего себя мастера обязательно имеется целый набор отверток, с помощью которых он может закручивать и откручивать детали разных размеров. По большому счету это очень непрактично и неудобно, особенно когда речь идет о промышленных масштабах. А, между тем, решение проблемы очень простое, и нашли его американские изобретатели и основатели компании Outlaw Fasteners из Шарлотт в штате Северная Каролина.
Команда дизайнеров запатентовала новый универсальный шлиц, который практически лишен подобного недостатка. Он имеет форму утопленной ступенчатой пирамиды с шестигранным основанием. По утверждению создателей революционного шурупа, такая странная форма шлица несет в себе массу преимуществ. Во-первых, отпадает необходимость искать отвертку нужного размера. Во-вторых, сила сцепления на такой форме шлица гораздо выше, а потому бита не срывает резьбу. Кроме того, особая система фиксирования шурупа предотвращает колебания и нежелательное отклонение при закручивании шурупа.
Данный проект был анонсирован на популярной площадке Kickstarter и собрал нужную сумму для продвижения «универсального стандарта» — более ста тысяч долларов. Жаль только, что новаторская идея не решает проблему с горой отверток старых стандартов, которые по-прежнему придется держать под рукой, даже если новый шлиц приживется.
В любой работе, даже самой скучной, есть место для улыбки, нужно просто креативно подойти к самому процессу.
Японский дизайнер Юма Кано (Yuma Kano) придумал, как разнообразить такое простое и однообразное занятие, как закручивание винтов отверткой. Его предложение удивительно просто, но вместе с тем очень необычно. Юма Кано предлагает изменить форму шляпки закручиваемой детали. Как правило, форма этой детали выполнена согласно стандартам, обеспечивающим наилучшее сцепление и максимальную эффективность при использовании в промышленных масштабах. Однако, по мнению японского дизайнера, иногда можно отступить от правил и сделать совершенно неожиданный ход — отказаться от привычной формы прямолинейного или крестовидного шлица. Данный проект дизайнер реализовал совместно с Komuro Seisakusho, заводом по производству винтов в Восточной Осаке.
На данный момент существует большое количество стандартов этой металлической детали. Есть классический прямой шлиц, есть шлиц в форме звездочки, есть крестообразный шлиц, многоугольник и т.д. А японский дизайнер предлагает свой собственный шлиц, простой и понятный каждому, — в виде улыбающегося смайлика.
Конечно, для работы с таким винтом подойдет не любая отвертка или бита — они должны иметь соответствующий выступ. Обычным же инструментом такую деталь ни завинтить, ни открутить. Однако, по большому счету, какое это имеет значение, если крохотный винтик поднимет настроение, пусть и совсем немножко? К тому же уникальность детали может нести в себе и практическую пользу: например, она может защищать конструкцию от «очумелых ручек» или просто подчеркивать оригинальность сборки.
В принципе, идея японца не нова, просто раньше никто не обращал особого внимания на нестандартный шлиц. Некоторые производители умышленно используют особую, «секретную» форму шлица под названием Clutch head. Такая головка имеет сточенные грани, благодаря чему отверткой можно работать только по часовой стрелке.
Например, чтобы разобрать некоторые модели сетевого фильтра APC, придется сломать корпус, поскольку там шлиц тоже сделан наклонным. Такую деталь можно только закрутить, а выкрутить привычным способом не удастся.
⇡#Винт от Mitsubishi: резьба, которая не стирается
Винт — очень простой и надежный крепежный элемент. Однако и он может «сломаться». Его шлиц может быть разбит от чрезмерных усилий, приложенных в процессе откручивания, а сама резьба может быть сорвана. Давать прогнозы — занятие неблагодарное, но все-таки есть надежда на то, что в будущем подобных проблем станет намного меньше. Еще в 2002 году японские ученые компании Mitsubishi Heavy Industries продемонстрировали «улучшенный» вариант винта. Они использовали для его создания полимерный материал с эффектом памяти.
В обычном состоянии этот элемент имеет классическую геометрию с винтовой резьбой. Но стоит его нагреть, и винтовая насечка исчезает — винт распрямляется, превращаясь в стержень, который можно легко вытащить из паза. Стоимость данного элемента выше обычного стального винта — вероятно, по этой причине «вечный» винт пока не получил широкого распространения. Тем не менее, изобретение японских инженеров дает представление о том, что нас ждет в будущем.
⇡#Улиткоходы — самые необычные вездеходы
Если смотреть на вращающуюся резьбу, например на сверло, возникнет оптическая иллюзия — предмет «оживает» и складывается впечатление, будто винтообразная насечка перемещается. Наверное, эта иллюзия и подсказала человеку удивительный механизм, альтернативу колесу — шнекороторный движитель. Этот двигающий транспорт элемент получил свое название от немецкого слова Schnecke, которое переводится как «улитка». Использование в качестве двигающего элемента вращающихся винтообразных стержней позволило изобретателям сконструировать новый вид вездеходов.
Собственно, вездеходами называть шнекороторные машины было бы не совсем корректно, поскольку такой транспорт способен перемещаться не по любому грунту. Например, на обычной асфальтированной или бетонной трассе шнекоход не проявит своих достоинств — он будет неповоротлив и медлителен. Но стоит такой машине оказаться на болотистой или заснеженной местности, и она с легкостью пройдет там, где другой транспорт безнадежно увязнет.
Даже сегодня конструкция шнекохода вызывает удивление у тех, кто ранее не видел данный класс машин, уж больно странно выглядят такие устройства.
Однако история шнекоходов начинается гораздо раньше, чем можно было бы предположить. Например, в СССР инженеры были прекрасно осведомлены о потенциальных возможностях данного вида машин. Их производство не было налажено в большом количестве, однако отдельные экземпляры были на вооружении в Советской армии. По этой же причине в отечественной прессе не акцентировалось внимание на необычных конструкциях вездеходов. Зато упоминание о них мы находим в совершенно необычном месте. В 1958 году в журнале «Юность» впервые публикуется детская книжка Николая Носова «Незнайка в Солнечном городе», где автор удивительно точно описывает шнекороторные машины, называя их «спиралеходами».
Любопытно, что первые отечественные вездеходы со шнеками стали разрабатываться только спустя десять лет после выхода этой книжки. Ими занимались инженеры ЗИЛа под руководством советского конструктора Виталия Андреевича Грачёва.
Впрочем, большинство машин, созданных в СССР, так и остались на стадии прототипа. Лишь в восьмидесятые годы на заводе имени Лихачева была выпущена партия из пары десятков поисково-спасательных комплексов повышенной проходимости «Синяя птица».
Генри Форд, владелец легендарной Ford Motor Company, был одним из первых, кто задумался над массовым производством машин со шнекороторным механизмом. В начале прошлого века он стремился расширить производство и начал экспериментировать с различными типами тракторов. Акционеры компании, которым принадлежало 41,5 процента акций, категорически препятствовали Форду в его «творческом поиске». Поэтому чтобы продолжать поиски нового, Генри совместно с сыном пришлось создать отдельную компанию Henry Ford and Son, которая впоследствии стала использовать бренд «Фордсан» (Fordson). Один из концептуальных фордсанов (или фордзонов — так называли в СССР вариант тракторов, выпускаемых в конце двадцатых годов XX века по лицензии) имел необычный движитель — пару вращающихся спиралеобразных цилиндров. Модель получила название Armstead Snow Motor, или «Снежный дьявол».
Хроника 1929 года очень убедительно показывает преимущества данного шнекохода на занесенной снегом местности. На видео показана абсолютно рабочая модель трактора фордсана, которая может с легкостью проходить там, где лошади безнадежно вязнут в сугробах.
И все-таки, кто же первым изобрел шнекоход? Возможно, это был швейцарец Иакоб Морат, который в 1899 году запатентовал в США машину с шнековым приводом для ведения сельскохозяйственных работ. Придумана же она была еще раньше (по некоторым данным — в 1868 году). В России также была запатентована модель саней, которые использовали тот же принцип, ее автором был Ф. Дергинт.
⇡#Подземные лодки: на винте под землю
Клаус Филипп Мария Шенк граф фон Штауффенберг вошел в историю прежде всего потому, что его фамилия фигурировала в списке обвиняемых военных вермахта, осужденных по заговору против Гитлера. Но в жизни этого человека есть еще один момент, который имеет прямое отношение к нашей теме.
Не секрет, что немецкое командование стимулировало целый ряд проектов по созданию нового оружия и оснащения для немецкой армии. Клаус фон Штауффенберг руководил одним из таких засекреченных исследований. Под его началом проектировалась лодка для перемещения под землей. Да, вы не ослышались — именно под землей. Собственно, что тут странного? Буровые установки, которые делают туннели, известны давно. Вопрос был в том, как сделать такую установку мобильной. В основе этого удивительного проекта лежало изобретение немецкого инженера В. фон Верна, который запатентовал его в 1933 году. Подобную лодку венчал огромный мощный бур, который позволял транспортному средству в буквальном смысле врезаться в твердую породу.
Когда на проект выделялись средства, предполагалось, что эти подземные лодки успеют сделать к вторжению в Великобританию, направив их под Ла-Маншем. Согласно расчетам немецких инженеров, судно могло перемещать команду из пяти человек и нести боезаряд в 300 килограммов, передвигаясь под землей со скоростью 7 км/час. Но, как известно, операция «Морской лев» не состоялась, а сам Гитлер счел более разумным сделать ставку на воздушные силы. В конечном итоге разработка немецкой подземной лодки была заморожена.
После войны в СССР подобные исследования велись по разработкам Александра Иосифовича Требелева. Наш соотечественник долго и подробно изучал аналогичные проекты заграничных коллег и старался систематизировать сведения о подземоходах. В итоге советские ученые пришли к выводу, что оптимальный способ создать подземную лодку — постараться найти альтернативу привычному штопорному механизму, который использовался в конструкциях почти всех подземных лодок того времени.
Чтобы отойти от стереотипного представления о подземной лодке, ученые стали присматриваться к обычным кротам. Над животными было проведено немало опытов, в ходе которых ученые вели наблюдения и старались понять, каким образом кроты так быстро пробивают себе путь под землей. Оказалось, что в процессе рытья тоннелей крот задействует не только передние лапы, но и все тело. Головой и передними лапами он выполняет поворот и движение вперед, а задними лапами отталкивается от земли.
Аналогичный принцип был реализован и в машине Требелева, где вместо задних ног использовались домкраты. Совместно с конструкторами А. Баскиным и А. Кирилловым Требелев смог сделать машину, которая работала с эффективностью в 300 оборотов в минуту, что давало потенциал для продвижения на 10 метров в час. И это было только начало. Позже в СССР был спроектирован и построен настоящий подземный крейсер под кодовым названием «Боевой крот».
Эта машина с блеском прошла первое испытание, но на второй попытке проверить работоспособность устройства, в Уральских горах, произошел взрыв, в результате которого погиб весь экипаж подземного судна. На этом перспективная разработка была приостановлена.
То, что винт — это деталь для крепежа элементов конструкции, очевидно для всех. Но, как вы могли убедиться, область применения этой мегаполезной крохотной вещи куда шире. На винте можно ездить, им можно сверлить, им можно даже рисовать. Художники мыслят нестандартно, поэтому талантливый дизайнер вполне может представить себе, как будет выглядеть портрет из шурупов.
Калифорнийский художник Andrew Myers делает свои картины из сотен и даже тысяч шурупов. Он вкручивает их в деревянный холст, а затем тщательно раскрашивает шляпки по одной, благодаря чему с расстояния можно увидеть узнаваемые образы. Каждый шуруп вкручен на определенную глубину, что придает картинам Эндрю определенную рельефность.
Завершая сегодняшний разговор о винтах и шурупах, стоит вспомнить еще об одном замечательном приборе, который был бы невозможен, если бы человек не открыл для себя винтовую спираль, — штопор.
Проявив смекалку и вспомнив пару-тройку фокусов, изобретательный человек сумеет одолеть пробку с помощью лезвия, отвертки, каблука и прочих подручных средств. Но куда проще взять металлическую спираль и без лишних усилий откупорить бутылку. И, кстати, человек додумался до изобретения штопора не так и давно. Подумать только — такая полезная вещь, а изобретена лишь пару столетий назад.
По одной из версий, прототипом современных штопоров стало устройство, с помощью которого в XVII веке солдаты производили очистку ствола в своих мушкетах. Оно представляло собой длинную одинарную или двойную спираль, которая засовывалась в ствол и проворачивалась там несколько раз с помощью специального крепления на конце устройства. Таким же образом извлекался неизрасходованный заряд или застрявшая пуля.
А запатентовал сей полезный инструмент 24 августа 1795 года англичанин по имени Samuel Henshall, который работал ректором в церкви Bow Church на востоке Лондона. Он был сыном бакалейщика из Чешира, поэтому его изобретение в какой-то степени закономерно. Теперь в церкви, где служил Сэмюэль, висит гордая табличка о том, что здесь нашел свое последнее пристанище изобретатель штопора. Как-то в одном из своих писем он написал: «Я нашел новое применение винту. Когда каждый человек узнает об этом, то удивится, что сам не додумался до этого».
Первый штопор имел ограничительное кольцо, которое препятствовало слишком глубокому проникновению «червяка» в пробку. Также с одной стороны рукоятки была прикреплена кисточка, с помощью которой можно было смахнуть крошки воска, которым заливалась пробка, или остатки самой пробки. Незадолго до своей смерти Сэмюэль Хеншелл объединился с известным предпринимателем из Бирмингема Мэтью Болтоном (Matthew Boulton), чтобы начать массовый выпуск штопоров, но заработать состояние так и не успел.
Сегодня, когда царит мода на умные вещи, даже штопор обзавелся «извилинами». Некоторые модели умеют считать количество открытых бутылок, другие определяют температуру напитка. Но, по большому счету, эти дополнительные «опции» — от лукавого. Ведь самое главное в штопоре — винт. Даже незаметная металлическая деталь может куда больше, если догадаться, как правильно ее использовать.