Небольшой ликбез по "игрушкам" Монферрана

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Решила я на сей раз обратить ваше внимание на "допотопную" технику, применяемую для таких знаменитых и славных дел, как транспортировка Александровской колонны и колонн Исаакиевского собора, а равно и гром камня.

Как мне заявили некоторое время назад,

Первое, на что обратил моё внимание Сергей, - это сохранившийся стационарный кабестан парусника 18-го века. То же самое делает Niraudit:

Парусник Королевского флота Victory - 104-пушечный первоклассный линейный корабль был заложен 23 июля 1759 года, спущен на воду 7 мая 1765 года

Для начала предлагаю узнать, что Jeer Capstan - шпиль, размещаемый обычно между фок- и грот-мачтой, служил для подъёма такелажа и разных грузов. Обычно было два кабестана (на больших парусниках - и поболее): главным был не джир, а центральный (или якорный) кабестан, служивший для вытаскивания якоря, а потому - самый мощный:

Вот такой якорный шпиль на Виктории:

Этот шпиль имел один общий вал (проходивший через палубу) и две головки с отверстиями для рамбовок (по одной на каждом уровне), что позволяло вращать его сразу и на верхней палубе, и на нижней палубе посредством 14 рычагов, к которым становились по 5-10 человек. На фото прекрасно видно, что шпиль сделан из дерева. Точно так, из дерева сделан и малый шпиль - jeer. Металлическими в них было несколько деталей. Вот чертёж якорного шпиля одного из парусников:

Масштаб: 1:16. План, показывающий разрезы, планы и фасады большого шпиля для 74-пушечных двухпалубных военных кораблей третьего ранга.

Первые корабельные шпили представляли собой обычное бревно с отверстиями для рамбовок (рычагов), закреплённое на железной оси. Затем стали изпользовать не один, а два деревянных барабана на общей оси, чтобы люди могли прикладывать силу к рычагам, уже находясь на двух палубах. Тем самым общее усилие увеличивалось. Более поздние шпили полностью делались из железа и имели зубчатую передачу.

Чтобы иметь некоторое визуальное представление, предлагаю посмотреть очень короткий ролик.

Скажите, чтобы поднять кастрюлю весом 1 кг, прикладываете ли вы усилие, которое приложили бы для подъёма мешка с картошкой?

К чему это я? Да к тому, что, во-первых, во всём нужна мера. А поскольку на судах того времени в походе вовсе не требовалось поднимать супертяжёлые штуки (более 5-6 тонн), то и кабестаны делали под этот вес.

Это, что касается стационарных (неподвижных) кабестанов. Другое дело, на суше. Иногда возникали нетривиальные задачи, для которых машины (а кабестан - сие есть машина) делали особо мощные. Так для Александровской колонны на заводе Бёрда было заказано изготовление кабестанов, которые, по сообщению Монферрана, создавали тяговое усилие более, чем в два раза превышающее вес гранитной заготовки.

"Леса были подняты в центре платформы площадью 3600 туазов, на ней в две линии по кругу были разположены 60 железных кабестанов, с помощью которых должна была подниматься колонна. Каждая из этих машин, с соответствующими блоками (!!!), была изпытана отдельно и выдержала вес в 60 000 фунтов. Эксперименты по определению прочности канатов были проведены на канатной фабрике г-на Сазонова: канаты этого производителя изготавливались с помощью машины и состояли из 522 нитей лучшей пеньки. Каждая из этих нитей выдерживала вес в 180 фунтов, так что эти канаты могли выдержать 93 960 фунтов, как показали эксперименты."(Из главы 4 альбома Монферрана)

Шестьдесят тысяч фунтов - это 27215,54 кг (27 с гаком тонн - это вам не корабельный пятитонник), а 60 машин давали суммарную силу - почти 1633 тонны. Это на подъёме колонны. Для её вкатывания по наклонной плоскости применяли 14 кабестанов, дававших суммарно усилие в 381 тонну.

Самое время познакомиться с такими удивительными машинами :о)

КАБЕСТАН

Тут я обращаюсь к Боргнису, а точнее к его "Traité complet de mécanique appliquée aux arts, contenant l'exposition méthodique des théories et des expériences les plus utiles pour diriger le choix, l'invention, la construction et l'emploi de toutes les espèces de machines;" (Полный трактат по механике в применении к искусствам, содержащий методическое изложение наиболее полезных теорий и экспериментов для выбора, изобретения, конструкции и использования всех видов машин;), изданному в 1818 году.

56. Вертикальная лебёдка, которая вращается по кругу с помощью горизонтальных шестов или рычагов (рамбовок), получила название шпиля. Хотя шпиль — одна из простейших машин, которые могут быть изпользованы для создания больших усилий, она не настолько проста, чтобы не иметь нескольких частей, некоторые из которых являются основными и должны присутствовать во всех видах кабестанов, а другие являются второстепенными, то есть полезными без абсолютной их необходимости. Единственными важными частями являются лебёдка (вал ворота) и рычаги. Среди второстепенных наиболее важным является каркасная рама, в которую вставляется лебёдка, и которая называется козлом. Остальные детали служат либо для регулировки направления троса и для фиксации его горизонтально на определённой высоте, либо для остановки шпиля, когда необходимо прервать его действие, либо для приспособления к лебёдке нескольких рычагов на той же высоте, без её ослабления.

57. Различают два основных вида шпилей: передвижные, которые можно легко перемещать с одного места на другое, и стационарные, которые должны всегда работать на одном и том же месте, например, на кораблях или на причалах портов.

58. Обычные шпили, которые мы так часто изпользуем в большом числе операций, имеют чрезвычайно простую конструкцию, легки в изготовлении и очень недороги. В дополнение к этим ценным преимуществам они обладают не менее похвальными достоинствами: они очень прочные, долговечные и требуют мало ремонта. Их лебёдки обычно цилиндрические, иногда немного конические. Их верхняя часть образует квадратную головку с двумя отверстиями, пересекающимися под прямым углом друг к другу. Именно в эти отверстия продеваются рукоятки (рамбовки), к которым приставляются люди или крепятся лошади, которые должны их поворачивать. Нижняя часть лебёдки фиксируется в козле штифтом (штырём), который вставляется в круглое отверстие почти такого же диаметра, просверленное в балке, закреплённой на основании козла; верхняя часть лебёдки закреплена другой балкой с полукруглой выемкой, которая упирается в неё в направлении, противоположном действию силы.

Изпользуя кабестаны, козла сначала устанавливают в фиксированной точке, с помощью нескольких двойных канатов, прикреплённых к задним ногам. Если в пределах досягаемости нет фиксированной точки, в землю вбивают прочные колья, которые служат опорой. Затем берут канат, размер которого должен быть пропорционален весу груза, и, сделав несколько оборотов на лебёдке, один конец прикрепляют к грузу, а другой держит человек, сидящий на земле. По мере того как люди на рамбовках поворачивают лебёдку, часть троса, прикреплённая к грузу, навивается, а часть, которую держит сидящий человек, развивается, так что на лебёдке всегда (сохраняется) одинаковое количество оборотов. Для получения такого эффекта на землю помещают сидящего человека; он должен достаточно крепко держать трос, чтобы тот не соскользнул. Из-за трения, которое увеличивается с числом оборотов, усилие, которое ему (сидящему человеку) требуется, невелико.

59. Стоит отметить, что та часть каната, которая наматывается на лебёдку, с каждым оборотом движется вперёд на свою толщину (вверх или вниз вдоль вала), так что после определённого количества оборотов канату уже не остаётся места, чтобы там поместиться. Затем необходимо остановить кабестан и отпустить канат, чтобы поднять или опустить его, в зависимости от того, где находится конец каната, прикреплённого к грузу, - внизу или вверху, чтобы освободить место для дальнейшего наматывания каната на кабестан. Эту операцию, которую рабочие называют стравливанием, если разстояние, на которое нужно переместить груз, значительно, нужно повторять очень часто; она даже опасна, если речь идёт о поднятии груза или перетаскивании его по наклонной плоскости.

60. В 1739 году Академия наук предложила премию за создание кабестана, который имел бы преимущества старого, но не имел бы его недостатков, и в особенности чтобы можно было бы избежать стравливания. Однако среди полученных ею разработок она не нашла ни одной, которая в достаточной мере соответствовала бы требованиям, которые Академия выставила. То же самое она предложила в 1741 году, удвоив размер премии. Учёные возпользовались этой задержкой либо для составления новых проектов, либо для внесения дополнений и изправлений в старые. Однако Академия заявила, что среди представленных ей работ она не нашла ни одной, которая не имела бы своих недостатков, которые могли бы быть перевешены достоинствами; тем не менее, она решила, что из этих работ четыре заслуживают награды: ибо, помимо предложения новых кабестанов, гениально придуманных и полезных, по крайней мере, в некоторых случаях, они создали теории, которые могли привести к улучшению маневров старого кабестана; и она разделила премию поровну между этими четырьмя разработками. Сами работы, получившие премию, вместе с тремя другими трудами, под названием accessit, были опубликованы в пятом томе Собрания сочинений. Среди авторов работ, удостоенных премии, были маркиз Полени (Poleni) и Жан Бернулли, сын.

61. Одно из средств, предлагаемых для устранения неудобств, связанных со стравливанием, состояло в том, чтобы разположить вокруг барабана, в месте прохождения троса, несколько щипцов или клещей, которые, с одной стороны, с силой захватывая трос, предотвращают его соскальзывание, а с противоположной стороны открываются и освобождают трос. Каждые из этих клещей, как только они зажимают трос, держат его в натянутом состоянии в течение времени, необходимого для прохождения по дуге около ста двадцати градусов; после этого они отпускают его, сворачивая: таким образом, если у кабестана двенадцать таких клещей, то четверо находятся в непрерывном действии. Этот метод имел два очень существенных недостатка: помимо сложности устройства, клещами очень быстро может изнашиваться канат, даже если принимаются меры по его сохранению; сами же клещи по своей природе подвержены частым нарушениям при работе, которые всегда имеют очень неудобные и часто очень опасные последствия.

62. Бернулли заметил, что на шпиле (пока канат не совершает один полный оборот, и два конца тянутся перпендикулярно оси и (лежат) в плоскости, которую охватывает канат при вращении цилиндра) канат, разматываемый с лебёдки, всегда остаётся в той же плоскости, не приближаясь и не удаляясь от концов цилиндра (не не тянется вверх и не опускается); и что в том случае, когда направления, в которых натянут канат (идущий к грузу и идущий к сматывающему работнику), не лежат в плоскости дуги, которую канат сначала делает на цилиндре, он (канат) меняет местоположение, поворачиваясь, пока направления сил не окажутся в плоскости этой дуги. Математик придумал простой способ избежать этого смещения, несмотря на перекашивание (наклонное положение): нужно было сделать вокруг цилиндра выемку в виде желобка, как на шкивах. Эта канавка должна была быть настолько глубокой, что, при условии наклона силы от 30 до 40 градусов и более, канат во время вращения никогда не смог бы выйти из неё.

Следуя этим принципам, Бернулли предложил сделать так, чтобы канат проходил через две лебёдки, а не через одну, как в простом кабестане, сделав вокруг каждого из этих двух цилиндров определённое количество пазов или желобков, все горизонтальные и, следовательно, параллельные друг другу, и близко друг к другу; но для того, чтобы разпределить наклон троса, проходящего от одного цилиндра к другому, канавки в двух цилиндрах не должны быть на одном уровне, а первый желобок второго цилиндра должен быть между первыми двумя канавками первого.

Итак, пропустив канат через первую направляющую (желобок) первого цилиндра; затем, прежде чем он сделал бы полный оборот, заправляют его в первую направляющую другого цилиндра, оттуда его пропускают во вторую направляющую первого цилиндра и так далее. Он (Бернулли) приспособил к каждой лебёдке зубчатое колесо : эти два колеса (валов), входя в зацепление друг с другом, передавали движение от одного к другому.

Таким образом, канат можно перематывать на двух цилиндрах, при этом он не опускается и не поднимается, так как цилиндры, на которых он перематывается, вращаются. Было сделано несколько направляющих, которые вызывают достаточное трение, чтобы канат не мог соскользнуть при вращении цилиндра. Этот метод был различным образом модифицирован несколькими механиками, в том числе М. Кардинет (Marcel Cardinet), который был вознаграждён правительством за эту разработку в 1794 году. Его недостаток в том, что кабестан теряет своё самое ценное свойство - простоту; он делает его эксплуатацию неловкой и неудобной, а также занимающим слишком много места.

К кабестану Марселя Кардинета я ещё вернусь. А пока перехожу ближе к "игрушкам" Монферрана. Как уже сообщалось, для транспортировки и подъёма колонн исаакиевских и Александровской изпользовались шпили системы Бетанкура, потому и продолжим разсмотрение одних из древнейших машин, изобретённых человечеством с них.

Кабестан Бетанкура

Эту статью нашла тут. Как водится, перевод выполнен с помощью он-лайн помощников (гугля, дипла и яндекса), а также нескольких словарей.

По поводу кабестана

Введён в употребление мсье де Бетанкуром, генерал-лейтенантом русской службы(1).

(Статья предоставлена господами Ламе и Клапейроном, инженерами Королевского горного корпуса, подполковниками инженерных войск на русской службе. )

___

Генерал-лейтенант де Бетанкур руководил строительством Исаакиевской церкви в Петербурге, и ему пришлось решать вопрос о том, как поднять колонны портика, каждая из которых была вырезана из цельного куска гранита, длиной 56 футов.

Обычный кабестан, как ему казалось, не мог быть легко применён для этой операции. Когда речь идет о поднятии груза, изпользование этой машины в целом очень неудобно, потому что, будучи вынужденным часто останавливаться, чтобы опустить (стравить) или поднять трос на оси кабестана, необходимо найти средство фиксации поднятого груза, чтобы предотвратить его ретроградное (возвратное) движение. Это неудобство возрастает с увеличением количества шпилей, которые необходимо изпользовать при больших манёврах.

___

(1) Член-корреспондент Академии наук, известный в Европе благодаря важным открытиям в области промышленной механики. Эта заметка была написана на основе описания и рисунков, найденных в его бумагах, после его смерти в 1824 году.

Эти недостатки ощущались уже давно, и для их устранения было придумано множество средств, почти все из которых имеют недостатки почти столь же значительные, как и те, которые предлагалось устранить.

Французская академия наук, намереваясь обнаружить некоторые полезные усовершенствования кабестана, изпользуемого на флоте, предложила в 1739 году в качестве предмета премии механиков найти кабестан, обладающий преимуществами обычного шпиля и не имеющий его недостатков. Ни одна из представленных в установленное время разработок не удовлетворила мнение Академии, она возобновила и удвоила премию, которую в следующем году разделила между четырьмя работами, содержащими наиболее полезные идеи. Именно в четвёртом из этих трудов, автором которых является М. Людо (Ludot), генерал де Бетанкур нашёл принцип работы кабестана, который он выполнил несколько лет назад и который, как показал опыт, обладает всеми преимуществами, которые только можно пожелать.

Есть много машин, основанных на простых и определённых принципах, которые обязаны своим успехом только тому, как они выполнены: несомненно, именно благодаря своей плохой конструкции кабестан г-на Людо оставался забытым в течение восьмидесяти пяти лет. В том виде, в котором он был описан, его изпользование было практически неосуществимым, и без многочисленных изправлений и почти полной реконструкции, которые внёс в нее генерал де Бетанкур, эта машина до сих пор была бы неизвестна практикам.

Фигуры на прилагаемой пластине (Pl. V) и следующие условные обозначения дадут полное представление об этом шпиле.

На фиг. 1 показан его вид спереди; он полностью смонтирован, с канатом и рамбовками. На фиг. 2 показан тот же кабестан без каната, разрезанный вертикальной плоскостью, горизонтальный след которой изображен на плане (рис. 3). Наконец, на рис. 4 показана форма головки кабестана, в которую помещаются рычаги. Одни и те же буквы соответствуют всем рисункам; они обозначают

A, вал кабестана; он сделан из кованого железа и имеет 5 дюймов в диаметре. На этом валу закреплены две цилиндрические шайбы c и d диаметром 8 дюймов; шайба d в нижней части сделана из чугуна и составляет одно целое с шестернёй e.

B, C - два полых чугунных цилиндра, в окружностях которых сделаны пазы для приема каната. Эти канавки разполагаются таким образом, чтобы выпуклости одного цилиндра соответствовали по горизонтали углублениям другого; форма их меридионального сечения должна быть параболической, а не круговой, чтобы канат, когда он изменяется в диаметре, всегда мог сжиматься по бокам, не касаясь дна.

Оси этих цилиндров изготовлены из кованого железа. На их нижних концах закреплены два зубчатых колеса, каждое из которых представляет собой единую деталь с цилиндрической частью, которая касается соответствующей шайбы d оси A. Подразумевается, что зубья должны почти на половину своей длины превышать цилиндрическую часть, чтобы иметь возможность свободного зацепления при соприкосновении дисков. Верхняя часть F f каждого из цилиндров В и С гладкая и имеет тот же диаметр, что и нижний диск; он также должен касаться верхнего диска c оси A.

D — шкив (блок, ролик), который может скользить прямо вокруг своей оси; эта ось поворачивается одновременно с цилиндрами В, С; это движение сообщается ему зубчатым колесом g.

Рычаг F — закреплённый на раме шпиля рычаг, служащий для прижатия шкива D с помощью каната hi к верхней части каната, выходящего из шпиля.

Только что описанный шпиль имеет следующие преимущества перед обычными шпилями: 1-е. его движение непрерывно, и никто никогда не обязан стравливать (канат), свойство, которое очень важно, когда речь идёт о поднятии веса; 2-е. канат всегда находится в одном и том же месте, а та часть (тот конец) этого каната, которая прикрепляется к сопротивлению (грузу), всегда находится в самой нижней части шпиля, что облегчает средства её крепления и позволяет людям, приставленным к рычагам, проходить через канат, не прерывая их действия; 3-е. трение меньше, так как соотношение между мощностью и сопротивлением не зависит от размеров цилиндров В и С, и можно по желанию увеличивать их диаметр и уменьшать диаметр их шеек; 4-е. канат не меняет своего места и, может сделать вокруг цилиндров самое большее четыре или пять оборотов, даже для поднятия самых больших тяжестей, цилиндры могут быть очень короткими: именно это позволяет разместить рычаги на высоте, наиболее благоприятной для действия людей.

Упомянутые в статье суда, движимые с помощью кабестанов , так и назывались - кабестаны.

По поводу "современников", Gusv явно загнул :о) Парусник королевского флота с названием "Виктория" был спущен со стапелей в 1765 году, а потому сравнивать его мощность с кабестанами, изпользуемыми, более полувека спустя, как-то не серьёзно, совсем не по-взрослому. По этому же комменту у меня сегодня ещё одно замечание: кабестан не разсчитывают по пределу прочности канатов. И, да, для примера с парусника был взят не самый мощный кабестан. Неспортивно, джентльмены! По поводу "коробочки", привожу чертёж (!!!) из альбома Монферрана.

Кстати, блоки с тремя и с четырьмя шкивами видны?

Статья на этом не завершается

(делаю традиционный перерыв), но хочу подытожить:

 И Sergey Gusv, и Niraudit показали своё нежелание хотя бы чуточку поглубже покопаться в теме, которую они же и попытались поднять. Видимо, оказалась неподъёмной :о) Кабестан им в помощь :о)))