Живой двигатель или человек-машина
Из журнала «Естествознание в школе» - 2004. - №1
«Машина есть сочетание соединенных вместе деревянных частей, обладающее огромными силами для передвижения тяжестей… применение орудий и машин вызывается необходимостью, и без них ничего нельзя сделать без затруднений.
Всякий же механизм порождается природой и вырабатывается путем познания и изучения мирового вращения.
Витрувий «Десять книг об архитектуре» I в. до н. э. [1]
«Мы понимаем, под машиной активное рабочее средство, которое служит для замены человеческого труда…
Машина в целом делится на следующие части:
· Мотор;
· Рабочая машина;
· Трансмиссия.
Машина становится совершенной, только тогда когда все три составных части автоматизированы. … машина является частичной машиной, если части рабочего процесса выполняется человеческой рукой, …<если> машина приводится в действие живою силою (животным или человеком).
В. Зомбарт «Современный капитализм». ХХ век [2]
В нашей повседневной городской жизни мы погружены в мир машин:
Представим, что мы:
· собрались позавтракать…
Миксером сбиваем омлет, электрокофемолкой мелем кофе, достаем сливки из холодильника, моем посуду в посудомоечной машине;
· занялись домашними делами…
Сверлим электрической дрелью, шьем на электрической машинке, стираем в машине, пылесосим, натираем полы, также с помощью машины.
Газ, вода и тепло, столь привычные горожанину, поступают в квартиры, благодаря работе насосов.
· Решили поехать за город…
Выходя из квартиры, вызываем лифт; на станции метро эскалатор опускает нас на платформу, садимся в вагон, доезжаем до вокзала, пересаживаемся на поезд; или же сразу у подъезда дома усаживаемся в автомобиль, который и довозит нас до дачи.
Говорить о работе промышленности не приходится… Авария 25 мая 2005 г. в Москве, когда часть районов оказалась без электричества, показала, сколь горожане зависимы от «цивилизации машин».
А что может человек делать сам без участия машин? В некотором смысле вопрос некорректный, поскольку человек это – “tool-making animal”[1]. С античных времен человек научился использовать механизмы, подобные рычагу, блокам, наклонной плоскости, которые служат для преобразования мускульной силы человека и для видоизменения траектории движения. Они были известны еще индусам, ассиририйцам и египтянам [3]. Человек наравне с рабочими животными был живым двигателем, который приводит устройства, машины, в понимании Витрувия, в движение, и так продолжалось до начала прошлого века [4].
Кроме этого, не будучи частью машины, человек выполнял и продолжает выполнять много ручной работы. К простейшим видам которой, можно отнести:
- работу носильщика, т. е. переноску и перетаскивание тяжестей; работу землекопа, т. е. рытьё и трамбовка земли; работу слесаря, например, работающего напильником; работу швеи (или рабочего), вращающего ручку швейной машинки (или ворота).
Человек совершает механическую работу и когда отдыхает:
- ходьба; бег; езда на велосипеде гребля на лодке…
- все это примеры активного отдыха. Список можно было бы и продолжить, но придется остановиться потому что, чем более сложные движения совершает человек, тем труднее их описать, рассчитать совершаемую при этом механическую работу.
Несмотря на наступивший век компьютеров, с физической работой мы сталкиваемся почти каждый день и на каждом шагу, особенно, когда оказываемся за городом. Как и на ранней стадии человеческой цивилизации, когда для поднятия грузов и вообще для передвижения нужных предметов, собственно двигателем являлись, прежде всего, руки человека [3]. Таковыми они остались и посейчас: «руки» копают, окучивают, полют и прореживают на огороде; носят воду, возят тачки с песком, кладут кирпичи, пилят, строгают, колют дрова. И хотя человек, этот “tool-making animal”, ушел далеко от своих собратьев, его механическую мощь, наглядней оценивать в лошадиных силах (л. с.). Единица измерения была введена Уаттом, по сути, она характеризует среднюю мощность лошади, массой около 350 кг, которая способна развивать усилие 750 Н [6], 1 л. с. = 736,46 Вт. Для сравнения в таблице № 1 приведены средние мощности человека и различных животных [4,5], в том числе и аиста [6].
Таблица. 1. Средняя мощность.
«Работник» | Fср, Н | Vср, м/с | Рср, л. с. |
Человек |
| 0,76 – 0,80 | 0,14- 0,16 |
Лошадь | 1,22 – 1,25 | 0,90 – 1,0 | |
Бык | 590 | 0,80 | 0,64 |
Вол | 545 | 0,76 | 0,57 |
Мул | 490 | 1,1 | 0,73 |
Лошак | 460 | 1,07 | 0,67 |
Осел | 0,76 – 0,80 | 0,33 – 0,43 | |
Аист | ~44 | ~0,8 | ~0,05 |
Оказывается, что человек не только развивает практически самую малую мощность, но и самое малое усилие. Тем не менее, он был тем универсальным двигателем, который наравне с рабочими животными и часто вместо них использовался для привода простых машин. Человек, эдакий мальчик-с-пальчик, конечно, выделяется именно интеллектом среди живого мира, но со времён древних греков, мы признаем и физическую мощь, как некую составляющую эталона человека. Когда монотонная физическая работа, как источник существования и пропитания отходит на второй план в цивилизованном мире, мы начинаем получать все большее удовольствие от физического труда на дачном участке, походов на природу и т. п. Нам приятно осознавать себя физически сильными “tool-making animals”. Но какова при этом наша физическая мощность? Этому и посвящена статья.
Универсальный двигатель эпохи «средневековья»[2]
Я царь – я раб – я червь – я Бог!
ода «Бог», XVIII в. [7]
Простые машины: рычаг, наклонная плоскость, винт, клин, блок, ворот и т. п. – их действие традиционно изучается в школе, но что заставляло их работать?
Прежде всего, они приводились в движения с помощью рук, и много времени прошло, пока стали использовать силу ног и всю тяжесть человеческого тела [3]. Кроме блоков и полиспастов, известных в античном мире, в средневековье широкое распространение получили конные приводы и ступальные колеса: горизонтальные, вертикальные и наклонные («венецианские»). И хотя сейчас эти приспособления в развитых странах вышли из употребления¸ еще каких-то сто лет назад в известном справочном издании для инженеров Hutte [4], приводились данные о мощности живых двигателей вообще, и у конного привода в частности, см. таблицу 2. В своей автобиографической прозе , описывает, работу водокачки с конным приводом у Крымского моста в Москве, это конец XIX века.
Чтобы не быть голословным, ниже представлены два рисунка, как и предыдущий, взятые из [3], на которых видно, что ступальные колеса приводились в движение, как человеком, так и животными.
Животные сильно утомлялись, писали в XVII в., работая на наклонном ступальном колесе, так, что их приходилось их каждые два часа менять [3], а человек?! Между тем строились колеса, на которых одновременно работало до 50 человек, и конные приводы – до 500 лошадей. Даже простое умножение показывает, что колесо с 50 человеками не даст мощности более 5,5 л. с., а конный привод с 500 не более 250 л. с., на деле цифры были меньшие. Так использование нескольких лошадей в одной упряже снижает мощность, запрягая 8 лошадей, можно было потерять до 50% расчетной силы тяги [4].
В XVII - XVIII вв. стал вопрос об эффективном использовании живого двигателя. Д. Бернулли, Л. Эйлер, Ш. Кулон[3] – вот имена несколько самых известных ученых, изучавших эту проблему [5,8]. Вопросы, которые их занимали, сводились собственно к двум:
- Каковы границы трудоспособности животных и человека. Как получить максимально возможный полезный эффект.
Ш. Кулон на основе экспериментов пришел к выводу, что о трудоспособности человека нельзя судить по кратковременной работе, следует принимать в расчет и последующее утомление. На протяжение всего XIX в. были сделаны выводы, что при прочих равных условиях производительность человека зависит от:
- Навыка; Рода работы; Прикладываемого усилия; Скорости; Времени работы.
Для последних трех условий еще в начале XIX в. были получены эмпирические расчетные зависимости. Человек уступает животным по мощности, но перечень производимых им механических работ заметно разнообразнее, и об этом ниже.
«Все работы хороши, выбирай на вкус»
Человек способен производить столь разнообразную работу, что ее невозможно стандартизовать, да, наверное, в этом и нет нужды, таблица 4, составленная по данным [4, 5, 9,10], охватывает лишь малую толику.
Таблица. 4. Максимальная мощность, развиваемая человеком при различных видах работы.
Вид работы | Fср, Н | Vср, м/с | t, мин | P, л. с. | Вид работы | t, мин | P, л. с. | |
Вращение рукояти ворота | 147 | 0,8 | 480 | 0,08 - 0,10 | Подъем по лестнице | 480 | 0,13-0,14 | |
90 | 0,17 | 1/15 | 1,35 | |||||
41 | 1/20 | 1,87 | ||||||
30 | 0,180 | Ходьба | внутри «беличьего» колеса | 480 | 0,11 | |||
15 | 0,23 | по ступальному колесу | ||||||
5 | 0,26 | снаружи «беличьего» колеса | 0,12 -0,13 | |||||
1,5 | 0,37 | Носильщика | 480 | 0,14 - 0,15 | ||||
У каната ворота | 245 | 0,3 | 480 | 0,10 | Волочение груза | 0,8 | 0,4 | |
У цепи | 294 | 0,4 | 60 | 0,16 | С тачкой | 480 | 0,14 | |
На конном приводе | 178 | 0,6 | 480 | 0,096 | Двуручной пилой | 480 | 0,085 | |
У ручного копра | 138 | 0,45 | 480 | 0,084 | Напильником | 480 | 0,032 | |
138 | 0,69 | 300 | 0,064 | Езда на велосипеде | 180 | 0,18 | ||
У рычага | 49 | 1,1 | 480 | 0,07 | 0,5 | 0,81 | ||
У рычага пожарного насоса | 2 | 0,4 – 0,5 | Гребные гонки | 7 | 0,25 | |||
Лопатой | 600 | 0,01 – 0,025 | Игра на флейте | 6 | 0,13 10-3 |
За городом мы сталкиваемся со многими видами работ, приведенными в таблице: поднимаем воду колодезным воротом, копаем землю лопатой и перевозим ее тачкой, пилим деревья и перетаскиваем бревна, иногда мы занимаемся этим от случая к случаю, а иногда посвящаем целый выходной, который становится настоящим рабочим днем. Езда на велосипеде, это не только активный отдых, но и повседневный способ передвижения в условиях «дачной жизни»; активно отдыхая, мы совершаем механическую работу. За «выходной»=рабочий! день на даче мы 
успеваем переделывать всевозможные дела, статистика показывает, что в этом случае средняя развиваемая мощность составляет около 0,05 л. с.[4]– вот с такой отдачей мы трудимся на даче.
Для данного вида работы, например, вращения ворота, мощность зависит от времени работы, см. рис. 1. Если, необходимо заполнить водой несколько двадцати ведерных бочек, затеяна большая стирка, и воду нужно поднимать из колодца, то мы экономим силы, чтобы иметь возможность работать долго; если нужно поднять всего одно ведро мы можем увеличить мощность в несколько раз. Мощность, которую человек способен развить в течение очень короткого времени, несколько секунд, может заметно превосходить 1 л. с., например, при подъеме по лестнице.
Виды работы различаются не только по типу используемого «простого механизма». Рассмотрим рисунки 2 и 3. Лом, колодезный журавль, рукоять насоса, ручки пожарной трубы, ручки тачки, весло – все это примеры рычага, да и вороты, по сути, - рычаг. Однако, при этом человек находится в разных положениях: идет, стоит, сидит; совершает руками разные действия: статическое (в случае с тачкой) вращательное (в случае с воротом), периодическое (гребля, работа насосом); работают разные группы мышц, в ряде случаев, человек «работает весом своего тела». В течение короткого времени, работая руками, (вращая руками ворот), и руками и корпусом при гребле, он развивает почти одинаковую мощность. Однако, при работе пожарным насосом, мощность заметно больше, возможно потому, что при этом пожарный давит всем телом вниз. Возя землю на тачке, устают не только руки, но и мышцы спины и ног, вместе с тем, возможно, потому, что работают и другие мышцы кроме мышц рук, человек способен развивать заметно большую мощность. Ручной копер, ручная баба, используются для забивания свай и трамбовки земли, увеличение средней скорости работы, как это ни странно покажется на первый взгляд, приводит (даже при сокращении времени работы!) к уменьшению мощности, а значит к уменьшению дневной выработки, во истину: «тише едешь, дальше будешь».
Оптимальный темп работ, - по нему можно сразу определить умеющего от взявшегося за работу впервые. Один мальчишка быстро водит ножовкой туда-сюда, стараясь скорее отпилить доску, при этом он скоро устает, и уже нет сил отпиливать следующую, а иногда он и вовсе бросает дело на полдороге. Другой, – столь медленно водит полотном пилы, что работа оказывается бесконечно долгой. Подчас можно наблюдать, что деревенская бабушка не спеша колет и колет дрова, не выказывая при этом чрезмерной усталости, в то время как ее «городской» великовозрастный внук без толку машет топором. Свой оптимальный темп есть в любом виде работы: и в разгрузке машины кирпича, и перетаскивании мешков с цементом, и в косьбе, и в прополке гряд…
Работать напильником приходилось, наверное, каждому из нас еще в школе. В слесарной мастерской можно увидеть, что движения рук опытного преподавателя заметно отличаются от «спорадических» движений, совершаемых учеником. На рис. 4а [4], показано, как меняется КПД, развиваемая мощность и потребляемая энергия в зависимости от скорости движения напильником. Первые две зависимости имеют максимум, а последняя – минимум. Интересно, что максимумы производительности и мощности близки, но не совпадают. Преподаватель работает в оптимальном темпе, при котором производительность наибольшая. Однако, максимум составляет всего 0,03 л. с., что в трое ниже показателей при более «простых видах» работы. При «ленивой» работе ученика (низкой скорости опиловки): развиваемая мощность невысока, производительность низкая, затраты энергии на единицу «продукции» - большие. Увеличение скорости обработки приводит на начальном этапе к росту вырабатываемой мощности и производительности, к снижению энергозатрат. Но «суетливые» движения напильником туда-сюда так же не гарантируют максимальной производительности, как и излишняя медлительность. Полученные зависимости носят довольно общий характер, их можно отнести не только к данному виду работ, но и к другим видам. Аналогичные зависимости мощности и КПД от скорости характерны как для живых двигателей, например, лошади [4], так и «неживых», например паровоза [11].
На рис. 4б и 4в видна еще одна характерная особенность, с ростом скорости падает развиваемое усилие, и это также характерно для двигателей «любой» природы. Не претендуя на абсолютную точность, можно отметить еще одну тенденцию. Человек «приспособлен» природой лучше всего к ходьбе по ровной дороге. Простые виды работы: носильщика, рабочего с тачкой, письмоносца (см. дальше), которые, собственно, и состоят в этом движении, дают при длительной работе максимальную мощность. С точки зрения совершаемых движений работа воротом более однообразна и проста, чем пилой и лопатой, в последнем случае играет роль и то, что усилия при работе лопатой большие, чем сложнее движения тем развиваемая мощность меньше. Из таблицы видно, что интеллектуальная деятельность человека, например, игра на музыкальных инструментах также сопряжена с совершением механической работы, однако, полезная работа при этом мизерна; цель интеллектуальной работы не преодоление неких сил сопротивления!
«В лесу раздавался топор дровосека»
Важно оценить, на сколько данные по средней мощности, развиваемой человеком при разных видах работы, могут отличаться от мощности отдельного человека. Заготовка дров – тяжелый труд, с которым современный горожанин встречается от случая к случаю, а еще полвека назад во многих московских квартирах хранились топоры и пилы, т. к. город использовал дрова для плит и печей.
Рассмотрим пример заготовки дров. В инструкции (проспекте) финской фирмы Fiskars, производящей топоры, приведены скорости лезвия топора при колке дров, которую производили шесть различных людей (№ 2 из рубщиков наиболее опытный) [12], см. Таблицу 5. Экспериментально фиксировались два последовательных момента времени, в которые топор пересекал лазерные пучки, условия опыта имитировали сосновые поленья высотой около 30 см и диаметром 15-20 см [12], экспериментальные значения – результат усреднения пяти независимых попыток. Указываемая в проспектах масса топора складывается из массы лезвия (для обоих типов топоров она 1,05 кг) и массы пустотелой рукояти, которая практически равномерно распределена по всей длине. Таким образом, для топора типа F1500 распределенная масса эквивалентна, тому, что при ударе топором его лезвие утяжеляется на ⅓ от массы рукояти, т. е. на ~250 г. Совершая работу, топор описывает дугу, равную приблизительно четверти окружности (см. рисунок)[4]. Радиус этой окружности складывается из длины чуть согнутых рук человека ~0,60 - 0,65 см и длины части рукояти ~0,57 см (руки захватывают топор в конце топорища, показанной более светлой на рисунке), таким образом, длина дуги ~2 м. Конечно, это движение не является движением с постоянным ускорением, однако предположим, что средняя скорость при движении равна половине конечной (½ <V>), тогда время движения топора, при котором он набирает скорость ~0,3 с.
Было бы ошибочно рассчитывать мощность исходя из этого времени – стремительному падению топора предшествует относительно медленный подъем до верхней точки. Опытный рабочий совершает 25-30 движений в минуту [4], т. е. общее время 2,0 – 2,4 с; любопытно, что подъем парового молота составлял 9/10, опускание 1/10 от всего времени, как установил Г. Гельмгольц. Но в отличие от парового молота «дровосек» отдыхает в момент подъема топора, и это позволяет «восстановить» силы. Кинетическая энергия топора F 1500 в момент удара 135 Дж, следовательно, средняя за 2 с мощность 67,5 Вт или 0,09 л. с. Полученное значение вполне согласуется со средними значениями мощности при простых видах работ, однако, опытный дровосек (№2) развивает мощность почти в 2 раза большую, а неопытный (№4) – в 8 раз! меньшую. Падая с высоты 1,3 м тело должно приобрести скорость около 5 м/с, следовательно, дровосек №4 почти ничего не «вкладывает» в удар, любопытно, что в опытах по расщеплению дерева топором, когда удар топора имитируется гильотиной, расчетная высота падения 4,3 м, что соответствует конечной скорости 9,2 м/с. [12]. Во всех трех случаях можно принять время удара приблизительно одним и тем же, возможно у опытного удары чуть реже, за счет этого он способен «вкладывать» в удар большую силу, но не максимум, чтобы иметь возможность работать в течение длительного времени.
Итак, ваш личный результат может сильно отличаться от среднего значения, и это зависит как от физических возможностей, так и от опыта того или иного вида работы. Любопытно, что при рытье лопатой оптимальная частота движений 17 – 19 в минуту [4], т. е. одно движение за 3,0 – 3,5 с. Понятно, что лопата с землей тяжелее топора, а посему движения становятся реже. Вскапывая землю под огород, оцените ту мощность, которую при этом развиваете, и сравните с приведенной в Таблице 4.
Но допустим, что вы в жизни никогда не рубили дрова, не носили воду из колодца и не вскапывали землю под огород, но все же есть один вид механической работы, совершаемой абсолютным большинством людей. Это ходьба!
Простая ходьба
Не ходок – а не догонишь,
В двух шагах – а потерялся:
Человеческий детеныш
В куст шиповника забрался.
О. Вациетис «Человеческий детеныш» ХХ век
При ходьбе энергия затрачивается на периодическое небольшое поднятие тела и на замедление и ускорение конечностей, главным образом ног [13]. В первом приближении, можно пренебречь колебательным движением тела, движением рук, и рассматривать работу лишь по подъему центра тяжести, описывающего дугу Èabc, см. рис. 5б. Линия А относится к одной ноге, линия В – к другой; прямые участки отвечают моментам опоры на землю, дуги – моментам движения без опоры. В отличие от ходьбы при беге существуют участки, когда обе ноги человека отделяются от земли. Можно предположить, что Èabc эквивалентна дуге окружности ÈBED (см. рис. 5в). Работа при ходьбе по ровной дороге пропорциональна массе тела человека и пройденному пути (П).
Чтобы выяснить, какую работу совершает человек, идя по ровной дороге, необходимо прежде определить, что такое ходьба. Схематично механика движения показана на рис. 5. «Ходьба есть не что иное, как ряд падений вперед, предупреждаемых вовремя поставленную опорою ноги, остававшейся до этого позади.» [14[5]], см. рис. 5а.
Воспользуемся выводом, предложенным в [5]. Совершая шаг, тело человека, как бы, вращается вокруг опорной точки С (см. рис. 3в), причем радиус вращения ïСАï = ïСВï = ïСЕï = L, где L = 91,5 см – длина ноги (хотя центр тяжести человека находится несколько выше - вблизи солнечного сплетения), длина шага человека ïSRï = S = 68,5 см, а высота подъема ïEDï = H. ΔСВА – равнобедренный, причем ïSRï = ïBAï = 2ïDAï; ΔDAC – прямоугольный. Тогда H = L·(1 - cos(ÐDCA)). Используя приближенное значение корня и рассмотрев ΔDAC, можно сделать следующие преобразования: cos(ÐDCA) = (1 - sin(ÐDCA)²)½ = 1 – ½ sin(ÐDCA)² = 1 – ½ (S/L)². Высота подъёма центра тяжести при каждом шаге H = ⅛ (S/L)·S. Весь путь человека складывается из отдельных шагов!, следовательно, суммарная высота подъема пропорциональна пройденному пути с коэффициентом пропорциональности ⅛ (S/L)·≈ 1/11. Иными словами работа при перемещении по горизонтальному пути выражается формулой: A = ⅛ (S/L)·mgП ≈ 1/11·mgП. Коэффициент пропорциональности 1/11 является несколько завышенным, так при спокойной ходьбе принят коэффициент 1/15 [9,10,14], а при более быстрой 1/12 [9], чем быстрее шаг человека, тем короче участки а и с, см. рис.5б. Характерные скорости идущего человека приведены в таблице 6. Надо сказать, что данные известного физика [13] не вполне согласуются, с теми, которые можно получить предлагаемым расчетом, однако мы не знаем методик, по которым оценивались мощности. Без какого-либо комментария данные [13] воспроизведены в более современных изданиях, например в [15]. Можно лишь сказать, что марш-бросок – не может быть столь продолжительным как целый рабочий день, поэтому мощность может быть заметно большей. Предполагается, что без ущерба для здоровья человек может развивать мощность в два раза большую, чем при длительной работе [4]. Оценивая работу почтальона, если взять вместо коэффициента 1/12, 1/15 и получим значение мощности практически такое же, как у .
Таблица 6. Мощность, развиваемая человеком при ходьбе.
Ход человека | V | Масса, кг | Коэффициент | P, л. с. | P, [13] л. с. | |
м/с | км/ч | |||||
Тихий шаг (прогулка) | 0,5 | 2 | 70 | 1/15 | 0,03 | - |
Ход письмоносца | 1,4 | 5 | 1/12 | 0,11 | 0,08 | |
Скорый ход | 1,7 | 6 | 1/11 | 0,14 | - | |
Марш-бросок | 1,94 | 7 | - | - | 0,27 |
Итак, если мы совершаем быструю прогулку, то развиваем мощность около 0,08 -0,11 л. с., а если велосипедную со скоростью 18 км/ч (5 м/с) – 0,16 л. с. [13] (данные, приведенные в таблице №4, - 0,18 л. с., получены в лаборатории на велоэргометре). Как и при физической работе¸ чем сложнее вид активного отдыха, тем сложнее оценить развиваемую механическую мощность.
Заключение
Настоящая статья является небольшим обзором данных о человеке, как «живом двигателе», которые были получены во второй половине XIX начале ХХ века, основная цель тех исследований были сформулированы еще во времена Ш. Кулона – получение максимальной работы в течение полного рабочего дня (8 – 10 часов). При этом не только расчеты и методики страдали несовершенством, но и часто смешивалось понятие мощности, развиваемой человеком с понятием полезной мощности, развиваемой при том или ином виде работы. Тем не менее, они позволили выявить некоторые закономерности феноменологического характера, а именно, от каких факторов зависит, развиваемая человеком мощность, и провести параллели между человеком и другими двигателями живыми и неживыми.
В конце XIX века возникает несколько современных разделов науки, таких как биомеханика, эргометрия. Одна сторона проблемы связана с тем, как «действует» живой двигатель, человек; уже упоминалось, об исследованиях бр. Веберов, следует сказать и об использовании фотографических методов, начало которым положил в 80-ые годы XIX века. Ниже показаны, полученные им кинограммы ходьбы и бега: человек, одетый в черный костюм двигался на черном фоне; следы на фотографической пластине оставляли только наклеенные белые полосы ткани [16].
Так было выяснено, чем бег отличается принципиально от ходьбы. Кинограммы позволяют строить пространственные трехмерные модели движения человека.
Другая сторона проблемы связана с оптимизацией орудий и механизмов, используемых при ручном труде. При этом изучается их действие, в том числе и экспериментально, в условиях моделирующих работу человека.
На рис. 7, например, представлены некоторые устройства, тестирующие работу топора [12]. На рис. 7а показано в каких условиях происходит измерение усилий, необходимых, чтобы расщепить стандартный образец, таким образом сравниваются различные типы лезвий топора, ищется оптимальный угол и тип заточки. Гильотина, на рис. 7б, имитирует условия удара дровосека, при этом изучается, например, скорость лезвия топора (см. выше), необходимая для того, чтобы расколоть стандартный образец, кроме этого тестируются условия безопасности работы.
…Каменный топор возник в эпоху палеолита, топоры существуют и сейчас в эпоху компьютеров. Физический труд сохранился, хотя и не является определяющим. Что же изменилось?... Технические приемы работы человека на протяжении тысячелетий носили эмпирический характер, умения и навыки, машины, механизмы и правила их эксплуатации передавались из поколения к поколению от «мастера» к «ученику». При этом искусство «учителя» заключалось в том, чтобы объяснить «как делать» и «для чего» [2], сложился даже термин: передать “know-how”, современное естественнонаучное познание отвечает еще и на вопрос, «почему». Не только эмпиризм, но и теоретический расчет. И это касается не только оптимизации древних орудий труда: топора, лопаты, очень часто мы слышим, что прежде чем сделать какой-либо новый элемент гимнастики, его предварительно просчитывают с точки зрения физики и биомеханики человека. По-разному можно оценивать, произошедшую смену вех:
Пока рука давила на рычаг,
А воды
Вращали мельничное колесо –
Их силы
Не нарушали древних равновесий.
Но человек
К извечным тайнам подобрал ключи
И выпустил плененных исполинов.
Так писал М. Волошин в своем цикле «Путями Каина. Трагедия материальной культуры» [17]. Тот, кто хочет вернуться назад, должен пожелать стать вновь «живым двигателем эпохи средневековья», но не хотелось бы стать и живым дополнением компьютера. Человек в среднем способен развить мощность в 1/10 л. с., на мгновение - в десять раз большую; важно к чему он ее приложит.
Литература
1. Витрувий, «Десять книг об архитектуре», перев. с лат. , 2-ое изд. Едиториал УРСС, М. 2003 г.
2. В. Зомбарт// «Современный капитализм», Т. 3. Хозяйственная жизнь в эпоху развитого капитализма, 1 п/том, ГИЗ, М-Л, 1930 г.
3. Итоги науки в теории и практике, под ред. М. В Ковалевского, , Н. Морозова, , кн. VIII, «Мертвая природа», ред Н. 2 «Современная техника», изд. Т-ва «Мир», Типо-литография Т-ва Кушнеров и К0, М. 1912 г.
4. HÜTTE Справочник для инженеров, архитекторов, механиков и студентов, изд. 6-ое т. 1, 2, ред. , Т-во Скоропечатни. , М., 1905 г; изд. 9-ое т. 3 М. 1917 г., а также изд. 14-ое т. 2, ГОНТИ М-Л, 1931 г.[6]
5 Ю. Вейсбах, «Теоретическая и практическая механика» т. II, ч.1, пер. Н. Соколова и П. Усова, С-Петербург, тип. , 1861 г.
6 О. Лилиенталь, «Полет птиц как основа искусства летать», Институт компьютерных исследований, Москва-Ижевск, 2002 г.
7. , «Стихотворения», Гос. Издат Художественной Литературы, М. 1958 г.
8 Ф. Розенбергер, История физики, ч. II, ГТТИ, М-Л., 1933 г.
9 , Задачи и вопросы по физике, ГОНТИ, М-Л, 1938 г.
10 А. Бачинский, Собрание вопросов и задач по элементарной физике, ГосИздат, М.-Л., 1928 г.
11. А. Никольский, Паровозы. «Виктория», М. 1997.
12 Fiskars, проспект, прилагаемый к топорам (инструкция), Finland, стр. 13., см также Niemella T., Paivinen M., “Usability testing method for splitting axes”, NES 2rd Annual Congress, pp. 161 – 165.
13. , «Ведение в механику и акустику», ГТТИ 1933 г., М.-Л.
14. , «Занимательная физика» кн. 1, М. «Наука», 1983 г
15. , Медицинская физика и биологическая физика», М. Высшая школа, 1996 г.
16. Н. Берштейн, Н. Бункин, «Ходьба», БСЭ, 1-ое изд., М. «Гос. Инст. Советская энциклопедия», М. ОГИЗ, 1935 г.
17. М. Волошин, «Пути России», «Современник», М. 1992 г.
[1] Животное, делающее орудия труда.
[2] Эта эпоха «средневековья» в использовании человека в качестве живого двигателя сохранялась вплоть до начала ХХ века.
[3] Ш. Кулон первый, кто систематически исследовал это вопрос, примечательно, что работа его называлась «Теория простых машин», т. е. человек или животное – неотъемлемая их часть. Кулон рассматривал по отдельности работы при: забивании свай, передвижении тачки, копании земли заступом, и т. д. [5]
[4] Траектория движения сложная: руки, полусогнутые в локтях в верхнем положении, распрямляются в конце удара, при движении топора он совершает вращение относительно локтевого сустава и плечевого одновременно, тем не менее в первом приближении, воспользуемся самой простой формой движения.
[5] Ссылаясь на великолепную книгу , необходимо учесть, что данным этой книги, по меньшей мере, сто лет. Первое издание «Занимательной физики» вышло в 1913 г. цитируемый материал взят самим Перельманом из нескольких книг: «Лекций по зоологии» П. Бера, написанных в 60-70 гг. XIX века, совместной работы бр. Веберов: <Механика механизма ходьбы человека> “Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge“ 1833 или 1836 г. (из этой книги взят график и рисунки, как следует из издания «Занимательной физики» 1924 г.) и брошюры «Работа живых двигателей» 1914 г.
[6] Информация, содержащаяся в изданиях разных лет, дополняет друг друга.
