Машина

Машина. В настоящее время понятие о машинах вполне выработано и установлено, и под машинами в технике подразумевают совершенно определенный класс устройств для произведения движения и получения работы. Но, прежде чем дойти до такой определенности, понятие о машинах постепенно изменялось и вырабатывалось. В прежние времена под машинами разумели вообще почти все искусственные устройства для технических целей, смешивая в понятии о машинах то, что мы теперь различаем под названиями: машинный инструмент, прибор и т. п. В этом смысле можно сказать, что машины существовали еще в глубокой древности и применялись как для обработки и производства различных предметов, так, преимущественно, и для подъема и перемещения грузов при грандиозных постройках, которые любили воздвигать народы древности. Неточность определения машин сохранилась до последних десятилетий, и лишь 40 лет тому назад немецкий профессор Рело (Reuleanx, 1829—1905) установил впервые вполне научно и точно понятие о машинах, которое было принято затем во всем свете и ограничило область машин вполне определенным образом. Рело определил машину так: машина есть искусственное сооружение, служащее для того, чтобы заставлять силы природы работать для наших нужд вполне определенным образом, при совершении движений, заранее вполне определенных и обусловленных исключительно устройством самой машины, но не зависящих совершенно от передаваемых машиной сил.

Поясним это подробнее. С незапамятных времен людям пришлось в помощь своим природным, весьма несовершенным органам работы и обороны — рукам, ногам и зубам — придумывать различные вспомогательные приспособления, орудия, сперва для грубых и насущных работ, а потом и для более тонких. Такие орудия, понятно, не делают человека физически могущественнее, не увеличивают  запаса той энергии, которую он может, безвредно для себя, израсходовать за известное время. Эта энергия, или работоспособность каждого человека обусловлена его природными данными. Орудие же позволяет только приноравливать развиваемую человеком работу к различным обстоятельствам, сообразно цели ее; оно позволяет изменять характер работы, внешний вид или форму ее, если можно так выразиться. Надобно проколоть кожу или материю для пропуска нити при шитье — и вот вместо толстого пальца это делает тонкая («острая») игла; надобно раздробить какое-нибудь тело — и вот вместо мягкого кулака по нему ударяет твердый камень («молот»), держимый рукой, и тело раздробляется. Надо вбить гвоздь — и рука, слабое давление которой не может его вдавить, наносит удар молотом, и развивается на короткое время огромная сила, вгоняющая гвоздь в доску. Меч и топор рубят и врага и дерево, веретено прядет нить и т. д. Но во всех таких случаях движение орудия есть в то же время и движение держащей его руки и так же сложно и постоянно, как и это последнее. Всякий новый взмах руки отличается от предыдущего, и часто меч промахивается мимо врага, топор попадает в ногу, игла колет валец, молоток срывается с гвоздя. Нужно иметь очень верный глаз, искусную руку, большой навык. Кроме того, несмотря на большую сложность и разнообразие возможных движений рук и ног, все-таки для многих работ рука и нога не приспособлены. При шитье для того, чтобы продернуть лишь нить и иглу (ничтожная работа), надобно подымать и двигать всю тяжелую руку и т. п.

Поэтому уже с давних пор люди старались сделать потребное для какой-ниубдь цели движение орудия менее зависимым от характера движений руки или ноги, иначе говоря, стремились преобразовать неудобное для работы движение органа тела в удобное и, наоборот также, позволить руке двигаться так, как ей всего удобнее, и вот (всего 50 лет тому назад) появилась швейная машина, которая позволяет руке работать очень удобно для нее — вертеть рукоятку, отчего рука менее устает, а машина шьет  иглой сама, в результате чего производительность швеи увеличилась во много раз при той же затрате работы, при той же степени усталости.

Различные ручные (и ножные) машины появились очень давно, и мы находим их уже у народов древности: египтян, ассириян, греков, римлян. Одни из таких машин позволяли преобразовывать движете руки или ноги в более удобное, другие же позволяли складывать вместе работы нескольких отдельных людей или животных. В этом последнем деле древние народы достигли замечательных результатов. Но, несмотря на обширное распространение работы животных и умение пользоваться ею в машинах, древние инженеры все-таки чувствовали, что во многих случаях мощность людей и животных оказывается недостаточной, а рабочие особенности живых существ — неудобными для работы. Человек или животное слабы, должны отдыхать, спать и пр.; работа вместе многих животных требует много места, животные работают несогласно, мешают друг другу, их надобно кормить, нужны запасы провизии, кухни, жилища и дp. Живые двигатели, кроме того, очень тяжелы.

Таким образом, по мере развития техники явилось необходимым заменить людей и животных какой-либо другой энергией, менее грузной, не устающей и удобной для пользования. Пришлось искать в природе таких проявлений ее действий, которые можно было бы утилизировать людям для своих нужд, которые можно было бы заставить работать за себя и для себя. Недостатка в таких проявлениях сил природы, производящих огромные работы, не было и нет. Наоборот, проявления больших количеств энергии в природе наблюдаются постоянно и иногда в таких колоссальных количествах, что они наводят ужас на человека. Постепенно однако страх перед природой заменяется наблюдением, и, наконец, человек решается даже обкрадывать природу, отнимая у нее часть запасов энергии и для своих нужд. Появляются двигатели, работающие силами природы.

В настоящее время машин мы и называем такое сооружение, в котором имеются вполне определенные движения, необходимые для производства различных изделий, и которое приводится в  движение какой-нибудь силой, животными или энергией, взятой из запасов природы, так что машина передает работу от источника энергии к местам, где требуется производить изготовление изделий, превращая ее иногда из одной формы в другую.

Самым существенным обстоятельством в устройстве машин является именно полная определенность движения и независимость его от всех побочных обстоятельств. Этим именно машина и ее работа отличаются от орудия и ручной работы человека. Благодаря полной определенности движений, машина может, повторяя свое движение  много раз, производить сотни и тысячи одинаковых движений и изготовлять большое количество одинаковых предметов, совершенно однообразно, так что разница в форме и размерах изготовленных вещей будет гораздо меньше, чем при ручной работе. Поэтому там, где такое однообразие требуется (массовое производство), машинам отдается безусловное преимущество перед ручной работой.

Для более удобного изучения машин, именно с точки зрения полной определенности движений, называют такую систему тел, в которой подобная определенность имеется, механизмом (см.), и вопросы о движениях таких  механизмов рассматривают в теории механизмов.

В практике обыкновенно принято делить машин на двигатели, машины-орудия и приводы. Поясним это. Если исключить отдельные небольшие, ручные или ножные машины (швейные машины, токарные станки и т. п.), то можно сказать, что в настоящее время в подавляющем большинстве случаев все превращения энергии для технических целей, производимые помощью машин, происходят таким образом, что различные изделия выделываются в большом числе в особых, специальных зданиях (фабриках или заводах), где имеется много отдельных машин, называемых станками, или машинами-орудиями, которые действуют непосредственно на перерабатываемые материалы и производят все нужные работы. Все такие процессы на станках изменяют форму и размеры материала, соединяют вместе несколько отдельных тел и прочее. Изучение всех таких процессов и станков составляет предмет механической технологии. Немало станков встречается и в области химической технологии, где меняется не только форма, но и химический состав обрабатываемых тел.

Но фабрика или завод со всеми станками может работать только тогда, когда мы пустим, так  сказать, в них какую-нибудь энергию из  запаса, даваемого нам природой. Машины, приспособленные к тому, чтобы непосредственно получать эту энергию от какого-нибудь тела (воды, пара и пр.), называются машинами-двигателями, или просто двигателями. Как показали и теория и практика, удобно двигатели на фабриках и заводах централизовать, т. е. иметь всего один большой двигатель или несколько таковых. Поэтому число станков на заводе или фабрике бывает в десятки и сотни раз более числа двигателей. От двигателя работа передается к станкам при помощи промежуточных приспособлений, называемых приводами, или трансмиссиями (см.).

Операции технологии почти бесконечно разнообразны, и изучить и даже лишь назвать все роды станков невозможно. Важнейшими операциями являются: обточка, строгание, сверление, пиление, прядение, ткачество, удлинение, загибание, перемешивание, уплотнение или прессование и пр. Сообразно этому получают название и станки.

Область двигателей гораздо менее разнообразна. Важнейшие источники энергии в настоящее время: энергия падающей с высоты воды (см. XIV, 520, приложение), которая утилизируется в водяных двигателях, и химическая энергия горения, которая утилизируется в тепловых двигателях (или паровых машинах и турбинах) или же в двигателях внутреннего сгорания (см. двигатели и паровые машины). Прочие виды энергии (ветер, морские волны, прилив и отлив, лучистая теплота солнца и пр.) мало удобны для пользования и пока утилизируются очень слабо (ветер) или совсем еще не утилизируются.

Приводы, или трансмиссии, состоят из вертящихся длинных тонких железных цилиндров (приводных валов), от которых посредством ремней, канатов или зубчатых колес передается движение к отдельным станкам. За последние 20 лет с таким механическим приводом удачно конкурирует электрический привод, или электрическая передача.

Особый класс машин составляют машины подъемные (см.) и перевозочные (транспортирующие). В этих машинах самое тело не изменяется, а только подымается вверх и перемещается в разные стороны машиной, имеющие целью главным образом подъем тел, но могущие переносить тела и горизонтально, однако в умеренных пределах, называются подъемными кранами. Если же целью является перевозка тела на большое расстояние, то получаем машины перевозочные. Источник энергии может и здесь помещаться на центральной станции, где стоит двигатель, от которого работа передается многим подъемным или перевозочным машинам (подъемные краны с механической, гидравлической или электрической передачей, электрические трамваи и т. п.), или же двигатель помешается на самой подъемной или перевозочной машине (паровые краны, паровозы, пароходы, автомобили, аэропланы, дирижабли, подводные лодки и т. и.) и едет вместе с ней. Необходимость нести на себе двигатель и запас топлива (или другой энергии) для него сильно стесняет радиус действия перевозочной машины.

О могущественности машин судят по количеству работы за единицу времени. Это количество называется мощностью (см. единицы измерений).

Вследствие различных т. н. «вредных сопротивлений» во всяких машинах часть подведенной к ней работы теряется на преодоление этих вредных сопротивлений (превращаясь в работу трения, раздвигания среды, работу колебательного движения, в электричество, в теплоту и пр.), и только оставшаяся работа доходит до орудий и идет для той цели, для которой машина построена, идет, как говорят, на преодоление «полезного» сопротивления. Потеря на вредные сопротивления неизбежна во всякой машине, и инженер может только стараться о том, чтобы потеря эта была по возможности меньше. Отношение количества работы, подведенной к машине за известное время, к тому, которое за эго же время пошло на преодоление полезного сопротивления, называется коэффициентом полезного действия машины, или отдачей («Rendement»). Вопрос о возможно полной утилизации данного запаса энергии является в  особенности важным и острым там, где энергия стоит денег (топливо), и рассмотрения всех условий утилизации работы в машине, клонящиеся к возможному увеличению коэффициента полезного действия, и составляют предмет «теории машин», или «теоретического  машиностроения». Понятие о коэффициенте полезного действия прилагается как к машине-двигателю, так и к машине-орудию и к целой машинной установке (полной фабрике или центральной станции), Следует еще заметить, что понятие о запасе работы, подводимой к двигателю, или о так называемой располагаемой работе, является несколько неопределенным.

О степени совершенства машин судят иногда в другой форме, не пользуясь коэффициентом полезного действия. Именно рассматривают расход рабочего тела (пара, газа, воды и пр.) на единицу мощности в машине-двигателе или же в целой машинной установке, относя тогда этот расход к единице веса выработанного товара. Так, в паровой машине говорят о расходе угля (нефти и т. п.) на одну лошадиную силу в час; при насосной установке говорят о расходе угля в котлах или нефти в двигателе Дизеля на тысячу ведер воды, поднятых в час на данную высоту; о расходе угля на  фабрике на один пуд выработанной пряжи и т. п. Сообразно степени возможного совершенства машин данного типа, при покупке или заказе машин во всех серьезных случаях обусловливают в контракте такие «нормы» расхода рабочего тела, которые завод должен выполнить (завод «гарантирует» такой-то расход).

Как нас учит  закон сохранения энергии, даже при полном отсутствии всяких вредных сопротивлений, машина передала бы от двигателя к станкам, самое большее, всю ту работу, которую получила от источника энергии. В действительности же передается всегда меньше. Отсюда понятна бесплодность тех попыток, которые делались и делаются время от времени еще и сейчас лицами, мало знакомыми с физикой, к тому, чтобы устроить машину, которая, будучи раз пущена в ход, сама собой работала бы все время без привода в нее какого нибудь работающего тела, обладающего запасом энергии — perpetuum mobile (см.).

Технические выгоды работы машин по сравнению с ручной работой следующие. 1) как уже сказано ранее, большая точность работы, большее однообразие изготовляемого товара; 2) машины, приводимые в движение могущественными двигателями, действующими силами природы, могут совершать такие тяжелые работы, которые совершенно недоступны труду даже тысяч людей; 3) те запасы энергии, которые даже в настоящее время утилизируются нами, дают нам в сумме такую мощность, которая превышает мощность рабочих целого государства, и поэтому без машин мы не имели бы возможности производить массу работ, которые поддерживают нашу современную жизнь (книгопечатание, пути сообщения и пр.).

Об экономическом значении машин сказано особо (см. капитализм). Здесь мы укажем только еще два важных свойства всех машин, имеющие коммерческое значение. 1) Всякая машина стоит относительно тем дешевле, чем она больше по мощности. Таким образом, стоимость двигателя на одну лошадиную силу или стоимость станка на единицу веса переработанного товара будут тем  меньше, чем  больше мощность или производительность машин. Это свойство, зависящее от условий изготовления машин и т. п., весьма важно в том отношении, что дает выгоду в устройстве крупных фабрик по сравнению с мелкими в  смысле обзаведения машин. 2) Всякая машина тем совершеннее в смысле расхода энергии, чем она больше по мощности.

Таким образом, большая фабрика или завод с сильными двигателями и крупными станками для обработки больших вещей будет тратить на единицу выработанного товара и гораздо меньше топлива или вообще энергии и на ту же единицу списывать меньше погашения и процентных денег на затраченный капитал; это обстоятельство является весьма благоприятным для работы крупных предприятий и затрудняет мелким предпринимателям, маленьким фабричкам и мастерским, конкуренцию с крупными. Прежде для облегчения мелких предпринимателей придумывали мелкие так называемые «двигатели для мелкой промышленности», но все они не могли изменить названного закона. Когда выяснилась бесплодность попыток устройства таких двигателей, стали стараться устроить раздачу энергии в малых количествах всем желающем с  больших центральных станций, на которых в силу приведенных выше двух законов, энергия может быть получена сравнительно дешево и поэтому по доступной же цене отпущена всем желающим. О так называемых «простых машин» см. простые машины.

А. Сидоров.