2. Леонардо да Винчи - гениальный изобретатель
Леонардо да Винчи обогатил мировоззрение Возрождения идеей ценности науки: математики и естествознания. Рядом с эстетическими интересами - и выше их - он поставил научные.
В центре его научных конструкций - математика. "Никакое человеческое исследование не может претендовать на название истинной науки, если оно не пользуется математическими доказательствами". "Нет никакой достоверности там, где не находит приложения одна из математических наук, или там, где применяются науки, не связанные с математическими". Не случайно наполнял он свои тетради математическими формулами и вычислениями. Не случайно пел гимны математике и механике. Никто не почуял острее, чем Леонардо, ту роль, которую в Италии пришлось сыграть математике в десятилетия, протекшие между его смертью и окончательным торжеством математических методов в работах Галилея.
Материалы у него были собраны и в значительной мере научно обработаны по самым разнообразным дисциплинам: по механике, по астрономии, по космографии, по геологии, по палеонтологии, по океанографии, по гидравлике, по гидростатике, по гидродинамике, по различным отраслям физики (оптика, акустика, териология, магнетизм), по ботанике, по зоологии, по анатомии, по перспективе, по живописи, по грамматике, по языкам.
В его записях есть такие удивительные положения, которые во всех своих выводах раскрыты только зрелой наукой второй половины XIX века и позднее. Леонардо знал, что "движение есть причина всякого проявления жизни" (il moto e causa d'ogni vita), ученый открыл теорию скорости и закон инерции - основные положения механики. Он изучил падение тел по вертикальной и наклонной линии. Он анализировал законы тяжести. Он установил свойства рычага как простой машины, самой универсальной.
Если не раньше Коперника, то одновременно с ним и независимо от него он понял основные законы устройства вселенной. Он знал, что пространство беспредельно, что миры бесчисленны, что Земля - такое же светило, как и другие, и движется подобно им, что она "не находится ни в центре круга Солнца, ни в центре вселенной". Он установил, что "Солнце не движется"; это положение записано у него, как особенно важное, крупными буквами. Он имел правильное представление об истории Земли и о ее геологическом строении.
Леонардо да Винчи обладал весьма солидной научной подготовкой. Он был, без сомнения, отличный математик, и, что весьма любопытно, он первый в Италии, а может быть и в Европе, ввел в употребление знаки + (плюс) и - (минус). Он искал квадратуру круга и убедился в невозможности решения этой задачи, то есть, выражаясь точнее, в несоизмеримости окружности круга с его диаметром. Леонардо изобрел особый инструмент для черчения овалов и впервые определил центр, тяжести пирамиды. Изучение геометрии позволило ему впервые создать научную теорию перспективы, и он был одним из первых художников, писавших пейзажи, сколько-нибудь соответствующие действительности.
Более других областей науки занимали Леонардо да Винчи различные отрасли механики. Ученый также известен как гениальный усовершенствователь и изобретатель, одинаково сильный и в теории, и в практике. Теоретические выводы Леонардо да Винчи в области механики поражают своей ясностью и обеспечивают ему почетное место в истории этой науки, в которой он является звеном, соединяющим Архимеда с Галилеем и Паскалем.
С замечательной ясностью излагает ученый-художник в общих, крупных чертах, теорию рычага, поясняя ее рисунками; не остановившись на этом, он дает чертежи, относящиеся к движению тел по наклонной плоскости, хотя, к сожалению, не поясняет их текстом. Из чертежей, однако, ясно, что Леонардо да Винчи на 80 лет опередил голландца Стевина и что он уже знал, в каком отношении находятся веса двух грузов, расположенных на двух смежных гранях треугольной призмы и соединенных между собою посредством нити, перекинутой через блок. Леонардо исследовал также задолго до Галилея продолжительность времени, необходимого для падения тела, спускающегося по наклонной плоскости и по различным кривым поверхностям или разрезам этих поверхностей, то есть линиям.
Еще более любопытны общие начала, или аксиомы, механики, которые пытается установить Леонардо. Многое здесь неясно и прямо неверно, но встречаются мысли, положительно изумляющие у писателя конца XV века. "Ни одно чувственно воспринимаемое тело,- говорит Леонардо,- не может двигаться само собою. Его приводит в движение некоторая внешняя причина, сила. Сила есть невидимая и бестелесная причина в том смысле, что не может изменяться ни по форме, ни по напряжению. Если тело движимо силой в данное время и проходит данное пространство, то та же сила может подвинуть его во вдвое меньшее время на вдвое меньшее пространство. Всякое тело оказывает сопротивление в направлении своего движения. (Здесь почти угадан Ньютонов закон действия, равного противодействию). Свободно падающее тело в каждый момент своего движения получает известное приращение скорости. Удар тел есть сила, действующая в течение весьма недолгого времени".
Еще более отчетливы и замечательны воззрения Леонардо да Винчи на волнообразное движение. Чтобы пояснить движение частиц воды, Леонардо да Винчи начинает с классического опыта новейших физиков, то есть бросает камень, производя круги на поверхности воды. Он дает чертеж таких концентрических кругов, затем бросает два камня, получает две системы кругов и задается вопросом, что произойдет, когда обе системы встретятся? "Отразятся ли волны под равными углами? - спрашивает Леонардо и прибавляет.- Это великолепнейший (bellissimo) вопрос". Затем он говорит: "Таким же образом можно объяснить движение звуковых волн. Волны воздуха удаляются кругообразно от места своего происхождения, один круг встречает другой и проходит далее, но центр постоянно остается на прежнем месте".
Этих выписок достаточно, чтобы убедиться в гениальности человека, в конце XV века положившего основание волнообразной теории движения, которая получила полное признание лишь в XIX столетии.
3. "Лучше быть лишенным движения, чем устать приносить пользу"
Леонардо да Винчи - гений, чьи изобретения, безраздельно принадлежат как прошлому, настоящему, так и будущему человечества. Он жил, опережая время, и если хотя бы малая часть того, что он изобрел, была воплощена в жизнь, то история Европы, а возможно и мира, была бы другой: уже в 15 веке мы разъезжали бы на автомобилях и пересекали бы моря на подводных лодках.
Историки техники насчитывают сотни изобретений Леонардо, рассеянных по его тетрадям в виде чертежей, иногда с короткими выразительными ремарками, но часто без единого слова пояснения, как если бы стремительный полет фантазии изобретателя не позволял ему останавливаться на словесных разъяснениях.
Остановимся на некоторых наиболее известных изобретения Леонардо.
3.1 Летательные аппараты
"Большая птица начинает своей первый полет со спины исполинского лебедя, наполняя вселенную изумлением, наполняя молвой о себе все писания, вечной славой гнездо, где она родилась".
Наиболее дерзновенной мечтой Леонардо-изобретателя, без сомнения, был полет человека.
Одной из самых первых (и самых известных) зарисовок на эту тему является схема устройства, которое в наше время принято считать прототипом вертолета. Леонардо предлагал сделать из тонкого льна, пропитанного крахмалом, воздушный винт диаметром 5 метров. Он должен был приводиться в движение четырьмя людьми, вращающими рычаги по кругу. Современные специалисты утверждают, что мускульной силы четырех человек не хватило бы для поднятия данного устройства в воздух (тем более что даже в случае подъема эта конструкция стала бы вращаться вокруг своей оси), однако если бы в качестве "двигателя" использовалась, например, мощная пружина, такой "вертолет" был бы способен на полет - пускай и кратковременный.
Вскоре Леонардо охладел к винтовым летательным аппаратам и переключил внимание на механизм полета, который успешно работал уже миллионы лет, - крыло птицы. Леонардо да Винчи был убежден, что "человек, преодолевающий сопротивление воздуха с помощью больших искусственных крыльев, может подняться в воздух. Лишь бы члены ее были большей стойкости, способные противостоять стремительности и импульсу спуска связками из прочной дубленой кожи и сухожилиями из сырцового шелка. И пусть никто не возится с железным материалом, потому что последний быстро ломается на изгибах или изнашивается".
Леонардо думал о полете с помощью ветра, т. е. о парящем полете, справедливо заметив, что в этом случае требуется меньше усилий для удержания и продвижения в воздухе. Он разработал конструкцию планера, прикреплявшегося к спине человека так, чтобы последний мог балансировать в полете. Пророческим оказался чертеж устройства, которое сам Леонардо описывал так: "Если у вас есть достаточно льняной ткани, сшитой в пирамиду с основанием в 12 ярдов (примерно 7 м 20 см), то вы сможете прыгать с любой высоты без всякого вреда для своего тела".
Мастер сделал эту запись в промежутке между 1483 и 1486 годом. Несколько веков спустя такое устройство получило название "парашют" (от греческого para - "против" и французского "chute" - падение). Эту идею Леонардо довел до логического конца лишь русский изобретатель Котельников, создавший в 1911 году первый ранцевый спасательный парашют, крепившийся к спине пилота.
3.2 Гидравлика
Леонардо да Винчи начал интересоваться гидравликой, работая в мастерской Вероккио во Флоренции, занимаясь фонтанами. Будучи главным инженером герцога, Леонардо да Винчи разрабатывал вопросы гидравлики для использования в сельском хозяйстве и обеспечения энергией машин и мельниц. "Вода, движущаяся в реке, или призываемая, или гонима, или движется сама. Если гонима - кто тот, кто гонит ее? Если призываема или требуема - кто требующий".
Леонардо часто использовал деревянные или стеклянные модели каналов, в которых он окрашивал создаваемые потоки воды, отмечал их маленькими буйками, чтобы удобнее было следить за течением. Результаты этих экспериментов нашли свое практическое применение в решении проблем канализации. Среди его рисунков - порты, затворы и шлюзы с раздвижными дверями. Леонардо да Винчи даже планировал прорыть судоходный канал, отводящий р. Арно, чтобы связать Флоренцию с морем через Прато, Пистойю и Серраваль. Другой гидравлический проект был задуман для Ломбардии и Венеции. Он предполагал затопление долины Исонцо в случае турецкого вторжения. Существовал и план осушения Понтинских топей (о чем советовался с Леонардо да Винчи папа Медичи Лео Х).
Леонардо да Винчи создавал спасательные круги и противогазы как для военных, так и для практических нужд. Имитируя очертания рыбы, он совершенствовал форму корпуса корабля для увеличения его быстроходности, для этой же цели он использовал на нем устройство, управляющее веслами. Для военных нужд Леонардо да Винчи изобрел двойную обшивку корабля, способную противостоять обстрелу, а также потайное приспособление для установки корабля на якорь. Эту задачу решали при помощи водолазов, которые опускались под воду в специальных костюмах или на несложных подводных лодках.
Для ускорения плавания ученый разработал схему перепончатых перчаток, которые со временем превратились в общеизвестные ласты.
Одна из самых необходимых вещей для обучения человека плаванию - спасательный круг. Это изобретение Леонардо осталось практически без изменений.
Для очистки каналов Леонардо изобрел драгу, помещаемую между двумя лодками и снабженную четырьмя лопастями. Лопасти приводились в движение рукоятью. По замыслу, собранный со дна ил складывался на плот, укрепленный между двумя лодками. При повороте колеса трос, привязанный к берегу, наматывался на барабан, что автоматически передвигало установку. Ось вращения барабана можно было установить вертикально. Тем самым регулировалась глубина выборки грунта.
3.3 Автомобиль
Именно в голове Леонардо да Винчи родилась идея автомобиля. К сожалению, чертежи кузова не были до конца прорисованы, потому что во время разработки своего проекта мастер был очень увлечен двигателем и ходовой частью.
На этом знаменитом рисунке прототип современного автомобиля. Самодвижущаяся трехколесная телега движется с помощью сложного арбалетного механизма, который передает энергию приводам, соединенным с рулем. Задние колеса имеют дифференцированные приводы и могут двигаться независимо. Кроме большого переднего колеса, было еще одно - маленькое, поворотное, которое размещалось на деревянном рычаге. Первоначально это транспортное средство предназначалось для увеселения королевского двора и относилось к тому ряду самодвижущихся машин, которые были созданы другими инженерами средневековья и Возрождения.
Сегодня словом "экскаватор" ни кого не удивишь. Но вряд ли кто задумывался над историей создания этой универсальной машины. Экскаваторы Леонардо были предназначены скорее для подъема и транспортировки вырытого материала. Это облегчало труд рабочих. Экскаватор устанавливался на рельсы и, по мере продвижения работ, передвигался вперед при помощи винтового механизма на центральном рельсе.
3.4 Леонардо да Винчи как пионер нанотехнологий
художник винтовой гидравлический пила
Группа исследователей из лаборатории Центра исследований и реставрации музеев Франции под руководством Филиппа Вальтера однажды нагрянула в Лувр и, отодвинув музейных работников в сторону, провела рентгенофлюоресцентный анализ работ Леонардо да Винчи. Под лучи портативного рентгеновского аппарата попали семь портретов кисти великого мастера, включая "Мону Лизу".
Анализ позволил определить толщину отдельных слоёв краски и лака на картинах и выяснить некоторые особенности техники живописи сфумато (sfumato - ит. "расплывчатый, размытый"), позволявшей смягчать переход между светлыми и темными участками на картине и создавать правдоподобные тени. Собственно, сфумато - это и есть изобретение да Винчи, и именно он достиг в этой технике наибольших высот.
Как оказалось, Леонардо использовал лак и краску с уникальными добавками. Но самое главное - да Винчи был в состоянии наносить глизаль (лессировку) слоем толщиной в 1-2 микрона. Суммарная толщина всех слоев лака и краски на портретах кисти Леонардо не превышает 30-40 мкм; однако преломление лучей света в различных прозрачных и полупрозрачных слоях создаёт мощный эффект объёма и глубины. Любопытно, что современные покрытия для экранов, формирующие стереоскопический эффект, устроены по тому же принципу (см. Приложение).
Вопрос о том, каким образом Леонардо удавалось наносить краску и лак столь тонким слоем (до 1/1000 миллиметра!), исследование оставило открытым. Дополнительно интригует тот факт, что следов от мазков и тем более отпечатков пальцев ни в одном слое картин обнаружено не было.