Предыстория

Все вы хорошо помните прекрасную сказку Ганса Христиана Андерсена «Соловей». И многим из вас поющая механическая птичка из этой сказки кажется чистейшей выдумкой автора. Но это не так. Подобную игрушку (правда, не столь совершенную) придумал и сделал еще за целый век до нашей эры замечательный греческий инженер Герон Александрийский.

По нынешним понятиям конструкция, разработанная Героном, была очень простой. Птичка сидела на крышке герметического сосуда. В этот сосуд вливалась вода. Она вытесняла воздух в трубку, которая была проведена в горлышко птички. Когда сосуд заполнялся доверху, птичка умолкала, вода из сосуда автоматически выливалась через сифон, а затем все повторялось сначала.

Поющая птичка Герона еще не была самоиграющим музыкальным инструментом: она издавала всего один звук. И вообще до таких инструментов было еще очень далеко. Но чтобы стало яснее, на какой почве они появились, желательно хотя бы коротко проследить одну из линий прикладной механики.

Тот же Герон Александрийский придумал немало других интересных механизмов. Один из них, например, открывал двери храма, когда на жертвеннике перед храмом разводили огонь. Это казалось чудом, а на самом деле представляло собой остроумное инженерное решение. Под жертвенником помещался баллон, наполовину заполненный водой. Когда баллон разогревался от огня, воздух в нем расширялся и вытеснял воду через трубку в ведро, подвешенное на веревке. Ведро опускалось, тянуло веревку, а веревка раскручивала барабан, связанный с дверью. Вот и весь автомат. Разумеется, все детали конструкции были надежно скрыты от посторонних глаз.

В средние века были изобретены механические часы. Это событие имело как бы двойное значение. Во-первых, появился измеритель времени, более точный и надежный по сравнению с предыдущими. Во-вторых, часовой механизм стал основой для многих автоматических устройств.

На первых порах эти устройства лишь прилагались к часам: например, механизм башенных часов Страсбургского собора приводил в действие не только стрелки, а еще и самые разные фигуры людей и животных. Затем многие забавные устройства отделились от часов и обрели самостоятельную жизнь. Появились механический петух, механический орел, механические куклы и т. д.

Часы постепенно совершенствовались, уменьшались в размерах и в конце концов дошли до карманного объема. Конструкторы механических развлекательных устройств умело использовали это: если раньше привод к игрушкам подводился извне и его приходилось как-то прятать, то теперь весь механизм умещался внутри игрушки или в небольшом ящичке, на котором эта игрушка стояла.

В 1736 году французский механик Жак Вокансон продемонстрировал изумленной публике заводную утку, которая ходила, взмахивала крыльями, крякала, клевала зерна кукурузы и даже отправляла естественные надобности. Вокансон создал и другие игрушки, но утка, пожалуй, была самой знаменитой из них: она была известна во многих странах, в том числе и в России.

Удивительные игрушки конструировали швейцарские механики из семьи Дроз. Например, собака, охраняющая корзину с яблоками, начинала лаять, как только кто-нибудь проявлял неравнодушие к чужой собственности. А их механический театр разыгрывал целые представления, в которых участвовали пастухи, коровы, ослы. Вот, скажем, такой эпизод из спектакля: пастух заходит на мельницу, выносит оттуда два мешка муки, взваливает их на осла и уводит его. Тысячи деталей составляли конструкцию этого театра, а в основе - все тот же часовой механизм.

Все знают, с каким необычайным мастерством строил свои замечательные часы русский механик Иван Петрович Кулибин. Но не всем известно, что из-под его рук вышло немало забавных заводных игрушек, и среди них «придворный бал» с танцующими дамами и кавалерами.

Многие развлекательные изделия знаменитых механиков сохранились до сих пор, они демонстрируются в музеях. А некоторые даже не потеряли способности действовать. Эти действующие игрушки и в наши дни приводят зрителей в изумление: кажется невероятным, что можно так оживить металл. Но люди, причастные к технике, знают, что основа всех этих конструкций проста: движущей силой служит часовой механизм, а движения любого типа можно смоделировать с помощью рычагов, шестеренных передач, кривошипов и некоторых других издавна известных технических элементов. Так что изумлять должно не то, что металлические фигурки движутся, а изобретательность и невероятное трудолюбие их авторов. Некоторые автоматы содержат тысячи деталей, и почти все они изготовлялись вручную. Попробуйте сделать вручную хотя бы небольшую шестеренку, и вы убедитесь, как это нелегко.

Кое-кто может сказать: а стоило вкладывать столько изобретательности и труда в игрушки? Дело в том, что от игрушек механики нередко переходили к более серьезным вещам. Вокансон, например, изобрел и построил оригинальный шелкоткацкий станок.

В семнадцатом-восемнадцатом веках прикладная механика достигла расцвета. Мы увидели, что механизмы под руководством людей научились тончайшим движениям и действиям. А теперь посмотрим, как они попутно научились исполнять музыку.

Почти триста лет назад в Италии появился музыкальный инструмент для тех, кто не умеет играть. Крутишь ручку - раздается музыка. Чаще всего звучал тогдашний шлягер «Прелестная Катарина» - по-французски «Шарман Катарин». От названия песенки произошло одно из названий инструмента - шарманка.

В науке есть понятие - «черный ящик». Это когда ясно воздействие на какой-нибудь аппарат или прибор, легко поддается наблюдению результат такого воздействия, но при этом остается загадкой то, что происходит внутри. Короче, известен вход, известен выход, неизвестен процесс. Иногда по входу и выходу удается исследовать и процесс. Давайте примем шарманку за такой ящик, тем более что она и в самом деле имеет похожую форму, и попробуем мысленно проанализировать ее устройство.

Вход шарманки - рукоятка, выход - музыка. Слушая ее, мы прежде всего легко можем уяснить, что внутри шарманки есть трубы, поскольку звуки исходят явно органные. Раз трубы - значит, должно быть устройство для нагнетания воздуха. Трубы звучат не все сразу, следовательно, существует механизм для открывания и закрывания клапанов. И наконец, мы слышим не беспорядочное чередование звуков, а музыку, значит, она каким-то образом заранее запрограммирована. Крутя ручку, мы ее воспроизводим.

Теперь от мысленного исследования перейдем к реальному. Откроем стенку инструмента и посмотрим, что внутри. Действительно, тут и трубы, и клапаны, и мехи. А самое интересное - мы видим валик, на котором запрограммирована музыка. Вспоминаем широкоизвестное: основа фонографа тоже валик с записанными на нем звуками. Разница, правда, есть, и существенная, мы до нее еще дойдем, а пока отметим главное: валик как основа программного устройства не был новинкой задолго до фонографа.