Опыт о машинах. Новая теорема о потере сил

Первое, скажу более, главное ученое сочинение Карно, изданное в 1783 г., имеет заглавие: «Опыт о машинах вообще».

Те много ошибутся, которые в «Опыте» будут искать технического описания или специального изучения некоторых машин, простых или сложных, употребляемых людьми для своих выгод. Не в этом состоит главная цель автора.

Машина, рассматриваемая в своей общности, есть собрание определенного числа неподвижных и движущихся частей, через которые приложенные к ней силы производят то действие, которого они не могут произвести непосредственно. Посмотрите, например, на обделывателя камней, на руку, обращающую рукоятку простой машины, рукоятку ворота: она поднимает на здания огромные тяжести, а без ворота она не сдвинула бы их ни на волос.

Незнающие тайны таких действий считают их чудесными и совершенно уверены, что машины увеличивают силы. Это ложное понятие, ложное радикально, заставляет многих выдумывать проекты, которые ежегодно бесполезно истребляют большие капиталы, похищая их у земледелия, мануфактурной промышленности и торговли.

О том, что в силе оценивается деньгами и что покупается у инженера, можно дать понятие, ясное и доступное даже не для механиков. Предположим, что силой хотят поднять какой-нибудь груз; сперва надо знать этот груз; высоты и груз, перемноженные между собой, дают произведение, определяющее действие силы. Это произведение, при одной и той же высоте и при одном и том же времени, не может ни увеличиться, ни уменьшиться, когда не увеличивается и не уменьшается сила; если оно удваивается, увеличивается вдесятеро, то и сила должна удвоиться или удесятериться.

То же произведение, определяющее прямое действие силы, употребляется для измерения ее действия на какое-нибудь препятствие посредством машины, так что с помощью машины, устроенной с возможным совершенством, нельзя произвести действия, которое было бы больше непосредственного действия силы. Если хотите, то можете машинами поднимать огромные грузы, миллионы, миллиарды килограммов; но помните, что если произведение веса на высоту остается постоянным, то пространство, на которое подвинете груз, например, в минуту, будет в миллион, в миллиард раз менее того пространства, на которое подвинет ваша рука один килограмм в то же время.

В этом-то состоит настоящий смысл механического афоризма: «машины теряют во времени то же самое, что приобретают в силе». Пусть, говорил Архимед, дадут мне точку опоры вне земли, — я подниму ее, посредством рычага, одной рукой. Это смелое изречение бессмертного геометра значит то же, что машинами можно поднимать огромные грузы; но если бы современники Архимеда верно его поняли, то пришли бы к следующему заключению: архимедов рычаг может подвинуть землю, но на сколько и в какое время? едва на волос в продолжение сорока миллионов веков.

Если машина теоретическая, машина со всеми возможными совершенствами, без всяких недостатков, нисколько не увеличивает силы, то она и не уменьшает ее, передает ее действие во всей полноте. Но совсем другое видим в машине действительной: в первой предполагается, что сообщение между силой и сопротивлением производится посредством частей совершенно не гибких; во второй же веревки, цепи и ремни вредят предполагаемому действию; в той же машине подвижные части встречают большое сопротивление от трения, без которого не трогались бы и наши вагоны на железных дорогах. Все эти причины, в своей совокупности, производят большие потери в силах, отчего действие всякой машины менее действия приложенной к ней силы.

Хотя все эти теоретические правила ежедневно подтверждаются опытами; однако нельзя сказать, чтобы машины были бесполезны; они даже необходимы. Например, для прочности и украшения зданий, надо поднимать на них такие грузы, которые не по силе самого дюжего работника; без помощи ворота не исполнилось бы ни одно предположение архитектора, который к одному камню не может приставить тысячу рук. Итак, волей или неволей, мы всегда должны терять силу, употребляя машины. Потеря сил, происходящая от трения, от большей или меньшей гибкости веревок, была замечена еще древними механиками; новейшие же пошли далее: их опыты научили вычислять, с точностью определять эту потерю.

В таком состоянии находилась наука, когда Карно издал свой «Опыт». В этом сочинении он рассматривает машины или вообще движущуюся систему тел с новой точки зрения и указывает на новую причину или, по крайней мере, на такую причину значительной потери сил, которая не была исследована его предшественниками: он научил, что всячески надо избегать крутых перемен в скорости. Кроме того, Карно нашел математическое выражение потери живой силы, происходящей от той же причины. Это-то выражение или правило называется теоремой Карно, — теоремой, необходимой для вычисления действий машины, необходимой для инженеров, желающих избегать грубых ошибок.

Пользу и необходимость теоремы Карно можно объяснить замечанием, немного странным, но верным: Карно внес в материальный мир пословицу, употребляемую в нравственном смысле: много шуму, да мало дела. Теперь эту пословицу можно применять к тем прожектерам, которые кричат о чудесах своих изобретений, никогда не оправдываемых на деле. Пользуясь случаем, не могу не напомнить, что знающие люди должны строго отличать материальное изобретение машин для передачи действия сил от капитальных истин, прилагаемых ко всем возможным движущимся системам тел. Относительно первого предмета древние едва ли были ниже новейших механиков, что подтверждается винтом Архимеда, зубчатыми колесами Ктезия, гидростатическим фонтаном Герона александрийского, его же паровым вращательным снарядом и множеством военных машин; относительно же истин теоретических преимущество, без сомнения, остается на стороне новых. Механику обогатили голландцы Стевен и Гюгенс, итальянцы Галилей и Торричели, англичане Ньютон и Маклорен, швейцарцы Бернулли и Эйлер, французы Паскаль, Вариньон, Даламбер, Лагранж и Лаплас.

Вот те высокие знаменитости, в число которых вступил Карно открытием своей прекрасной теоремы.

Несмотря на мои объяснения неудобств, происходящих от крутых перемен в силах, я боюсь, чтобы мои слушатели не потребовали от меня крутого перехода к другим предметам биографии; я должен повиноваться их желанию; но осмеливаюсь еще прибавить несколько слов.

Потеря сил! — Это выражение совершенно справедливо в том случае, когда действие машины сравниваем с тем, которое она может произвести, если строитель тщательно отклонит причины крутых перемен в скорости; но это выражение не имеет буквального смысла: ни сила, ни часть ее никогда не теряются; все, чего лишается полезное ее действие, употребляется на расстройство машины. Здесь-то обнаруживается великая польза теоремы Карно в искусствах и промышленности. Может быть, не поверят, но я должен сказать, что эта теорема играла большую роль во многих событиях нашей революции. В моей молодости, пользуясь благосклонностью и дружбой Карно, я иногда осмеливался возбуждать в нем воспоминания о наших смутах, в которых действия неистовых партий уничтожались или отчасти удерживались мерами крутыми, жестокими, настоящими государственными переломами. Тогда я спрашивал, каким образом он один постоянно надеялся достигать цели без потрясений и всегда согласно с законами. Один и тот же ответ Карно глубоко врезался в мою память, и к большому моему удивлению, я нашел его в его теореме, потому что политическое устройство общества он рассматривал, как машину, в которой от крутых перемен теряется много силы, которая мало-помалу расстраивается, и наконец все ее части выходят из своих мест: тогда надо вновь собирать или совсем переделывать.

Такое сравнение многим покажется странным; но что думать? Слабость нашего ума должна беспрестанно прибегать к сравнениям для объяснения наших идей и наших чувствований. Вы удивляетесь: но вот примеры.

Один из ученых, прославивший нашу академию, в затруднительных обстоятельствах следовал правилу: «Вода принимает форму сосуда, в который она наливается: благоразумный человек должен также соображаться с обстоятельствами».

Одного из наших товарищей, столько же принесшего чести академии, спросили, каким образом он прошел невредимо сквозь наши междоусобные распри. «Возмущенная страна, отвечал он, есть повозка, в которой бешеные лошади закусили удила; остановить их невозможно, спрыгнуть с повозки — попадешь под колеса; что же остается делать? закрыть глаза и ожидать, что будет: я так и сделал».

В сочинении, которое завлекло меня так далеко, Карно посвятил несколько страниц вопросу о вечном движении и объяснил, что всякая машина непременно остановится: этого мало: он даже назначал время, когда машина перестанет действовать. Доказательства автора превосходны: ни один геометр не будет оспаривать их строгости; но можно ли надеяться, что они уничтожат многочисленные проекты, которые каждый год, ошибаюсь — каждую весну являются перед нами? К сожалению, нельзя на это надеяться. Выдумщики вечных движений не поймут доказательств Карно, также как изобретатели квадратуры круга не понимают геометрии Евклида. Они уверены, что изобретения зависят не от науки, но от внезапного вдохновения; вот почему они не теряют бодрости и упорствуют в своих мечтах. Свидетельствуюсь одним художником, во многих отношениях заслуживающим уважения; один раз со всем простосердечием он сказал мне: что за чудо, что все вечные движения всегда прекращаются!