В рисунках мастера легко распознаются привычные нам (а для людей эпохи Возрождения — инновационные) изобретения: от водных лыж и костюма водолаза до парашюта и планера. Многие его замыслы остались «в проекте»: в виде изображений на бумаге всевозможных механизмов, приспособлений и построек. Эти рисунки — надёжное хранилище авторских идей и изысканий. Они позволяют заглянуть в творческую лабораторию да Винчи, познакомиться с его методом работы и проследить за ходом мысли, за тем, как он ставил и решал шаг за шагом сложные технические, строительные и прочие задачи.
В кругу идей
История открытий и изобретений свидетельствует о том, что полезные идеи рано или поздно доводятся до ума и претворяются в жизнь. Яркий пример того, как это происходит, — научно-техническое творчество Леонардо да Винчи. Прирождённый исследователь и изобретатель, он работал прежде всего с идеями: одни генерировал сам, другие заимствовал и развивал, при этом всегда искал им практическое применение.
Сперва Леонардо составлял план решения: делал набросок будущей конструкции, отражающий общую идею. Затем пристально изучал детали, рисовал эскизы и снабжал их комментариями. И наконец, собирал все части в единое целое — готовую полноценную иллюстрацию. Как заметил один из исследователей творчества художника, многие его наброски представляют собой «незаконченные мысли о способах и средствах». Действительно, изучая эти чертежи и рисунки, иногда приходится додумывать отсутствующие или намеренно опущенные да Винчи детали и подробности. Но есть среди них настолько выверенные и точные, что даже спустя пять столетий их язык понятен без слов. По чертежам, оставленным в наследство будущим поколениям гениальным конструктором и изобретателем, современные умельцы смогли изготовить действующие модели различных устройств.
Чудо-лестница
Перед вами эскиз крепостной башни (рис. 1). Слева от неё схема одной из важных деталей постройки — винтовой лестницы. Её конструкция напоминает знаменитый винт Архимеда, только ступенек не хватает! Приглядитесь к рисунку, и вы раскроете поразительный замысел Леонардо-архитектора. Его лестница двойная: по одной её части можно подниматься на башню, а по другой — спускаться, не сталкиваясь и даже не видя друг друга. Траектории обеих частей лестницы — непересекающиеся винтовые линии (пространственные кривые, закручивающиеся вокруг вертикальной опоры — круглого столба в центре конструкции). У каждой части лестницы есть свои вход и выход, а её моделью служит винтовая поверхность, так называемый геликоид. У настоящей лестницы вокруг столба веерообразно закручиваются ступеньки.
Двойная винтовая лестница украшает королевский замок Шамбор во Франции (фото слева). Его строительство началось в 1519 году, вскоре после кончины Леонардо. Как известно, последние годы жизни он провёл в этой стране, при дворе Франциска I, своего покровителя, и был Первым королевским художником, инженером и архитектором. Принимал ли Леонардо участие в проектировании грандиозного по своим масштабам замка, достоверно неизвестно. Даже если нет, считают специалисты, его создатели использовали идеи да Винчи из рисунков художника. Вполне вероятно, что на выбор архитекторов повлиял его набросок (рис. 1), сделанный ещё в конце 1480-х годов. Всего в Шамборе 77 лестниц, в том числе несколько винтовых, но только эта стала его настоящей достопримечательностью.
Известны и другие двойные винтовые лестницы. Самые ранние из них возводились в европейских соборах ещё в XIV—XV веках, но они уступают лестнице в замке Шамбор не только в размере и декоре, но и в простоте и оригинальности конструкции — полностью изолировать части двойной винтовой лестницы друг от друга до Леонардо никому не удавалось или не приходило в голову.
В 1527 году ту же идею применил итальянский архитектор Антонио да Сангалло Младший. По приказу папы Климента VII он начал строительство огромной водовозной башни — колодца Святого Патрика (фото вверху) — в городе Орвието на случай его осады и лишения доступа к внешним источникам воды. Здесь доступ к воде на дне колодца обеспечивали два противоположных входа, которые вели на автономные винтовые лестницы: по одной повозки спускали за водой, а по другой доставляли её наверх. Освещение постройки было естественным: свет проникал внутрь через множество арочных окон в стенах башни.
Воплощение идеи винтового движения
У Леонардо да Винчи есть и более сложные архитектурные композиции из лестниц. Одна из них походит на трёхмерный лабиринт со множеством входов и выходов. Взгляните на следующий набросок (рис. 2). Вы видите сразу четыре не связанные одна с другой наружные лестницы, «закручивающиеся» вокруг массивного квадратного столба, в котором, быть может, скрыто какое-то подъёмное устройство. С удивительной лёгкостью художник соединяет архитектуру и геометрию пространства, сочетает линии и формы и создаёт законченные образы и самодостаточные конструкции.
Да Винчи нашёл ещё одно интересное применение двойной винтовой линии. Он использовал её в конструкции аппарата для дыхания под водой (рис. 3). Это усовершенствованный вариант дыхательной трубки, которой пользовались ещё древние ныряльщики. Аппарат состоит из поплавка с защитным плавучим куполом, маски, шлангов для дыхания и клапана, который контролирует их работу, предотвращая попадание воды внутрь. Шланг сделан из нескольких тростниковых трубок, соединённых вставками из непромокаемого материала, а внутри него находятся двойные пружины — компактный упругий элемент, который, с одной стороны, не даёт материалу сжаться и потерять форму, а с другой — делает шланг гибким.
Секрет полёта
Леонардо одним из первых использовал винтовую поверхность в конструкции воздушного винта — главной детали, при помощи которой летательная машина могла бы подняться вертикально в воздух, если бы удалось как следует раскрутить винт, а заодно справиться с его неустойчивостью при подъёме. Речь идёт о сложном винтовом движении (поворот вокруг фиксированной оси и параллельный перенос вдоль неё, выполненные одновременно), но уже применительно к механике полёта.
Воздушный винт Леонардо да Винчи (рис. 4) считают прототипом современного несущего винта, а его самого —изобретателем геликоптера, или, как его называют в России, — вертолёта. Кстати, слово «геликоптер» родственно слову «геликоид» и происходит от слов греческого языка ëλικου (спираль, винт) и πτεoóν (крыло). Появилось оно только в 1860-е годы, почти через четыре столетия после того, как был сделал этот рисунок.
Да Винчи вполне мог позаимствовать идею «запуска» для своей кон-струкции у «летающей вертушки» — игрушки родом из Древнего Китая. Это был стержень с винтом из птичьих перьев на конце. Его раскручивали руками или с помощью намотанной на стержень нити и отпускали. Современный вариант — примитивный вертолёт «муха» (рис. 5), его легко смастерить самим. А вот форму воздушного винта да Винчи мог выбрать, наблюдая за вращением винта Архимеда (рис. 6). Леонардо-инженер, вообще, не раз пытался приспособить это хитроумное изобретение древнегреческого учёного к разным механизмам. Например, использовал его как деталь гидравлической машины. Или же в качестве элементов вечного двигателя (это была конструкция из двух винтов разного диаметра: по одному вода поднималась, а по другому опускалась на исходный уровень). Но потом Леонардо отказался от этой бесплодной затеи и придумал для винта Архимеда более интересное и полезное применение.
Леонардо не рассматривал свою конструкцию как летательный аппарат, но исследовал механизм её работы. Секрет полёта он искал в природе, которая создаёт оптимальные формы, выполняющие те или иные функции: подолгу наблюдал за «живыми машинами» — свободно парящими в небе птицами, описывал их движения. В его зарисовках есть траектория поднимающейся ввысь птицы (рис. 7), представляющая собой винтообразную кривую.
Аппараты, снабжённые искусственными крыльями и способные подняться в воздух за счёт мускульной силы человека (орнитоптеры, или махолёты), — вот что занимало Леонардо больше всего (кстати, первым попытался реализовать эту идею искусный мастер Дедал, герой античной мифологии). Да Винчи не раз возвращался к решению данной задачи. Безуспешно. В итоге он решил воспроизвести самый простой способ полёта птиц — придумал планер, парящий за счёт воздушных потоков. Исследуя проблему полёта, он интересовался буквально всем, даже такой мелочью, как звук, производимый крыльями мухи! И в этом был, кажется, весь Леонардо — величайший гений эпохи Возрождения, «самый ненасытно любопытный человек всех времён», как заметил один из его биографов.
Мечты сбываются
Воздушный винт, которому Леонардо придал форму геликоида, упоминается в его знаменитом трактате «О летании». Согласно описанию, винт должен иметь металлическую окантовку и полотняное покрытие, а каркасом полотну послужат тонкие длинные трубки. И далее да Винчи добавляет: «Можно сделать себе маленькую модель из бумаги, ось которой, из тонкого листового железа, закручиваемая с силой и которая будучи отпущена, приводит во вращение винт». Ну а дальше додумывайте сами... Судя по деталям конструкции, винт могли вращать с помощью приделанных к оси рычагов. Или «запускать» его мог пружинный механизм. А что такое пружина? Да та же винтовая линия, выполненная в металле, способная накапливать и отдавать энергию.
Рисунок воздушного винта — один из самых известных в коллекции работ Леонардо, посвящённых проблеме полёта. Его изучали и любители и специалисты: учёные, конструкторы, инженеры, изобретатели. Ни одна из построенных ими моделей так и не смогла сама, без двигателя, подняться в воздух. Но куда важнее другое. Набросок да Винчи заключал в себе бесценную идею и спустя столетия другие изобретатели и учёные создали настоящий летательный аппарат.
Вообще, на счету Леонардо множество самых разных полезных изобретений, в его время невостребованных, надолго позабытых и потом придуманных заново.
***
Подробности для любознательных
Винтовая линия и геликоид
Винтовая линия — кривая, которую описывает точка, движущаяся с постоянной скоростью по образующей цилиндра, когда та равномерно вращается вокруг его оси. Эта кривая пересекает все образующие под равными углами. Если на листе бумаги провести под углом к его большей стороне несколько параллельных прямых на одинаковом расстоянии друг от друга, а затем свернуть бумагу в цилиндр, соединив две меньшие стороны, то на его поверхности мы увидим винтовую линию: правую, если при взгляде снизу она закручивается против часовой стрелки, или левую — если закручивается в обратную сторону.
Когда вращение вокруг неподвижной оси с одновременным переносом вдоль неё совершает не точка, а линия, она описывает в пространстве винтовую поверхность. Так, отрезок, скользящий одним концом по винтовой линии, а другим — по оси цилиндра, описывает геликоид (от греч. ?????ς — спираль, извилина).
Цилиндрическая винтовая линия может перемещаться вдоль самой себя. Она определяет кратчайший путь между двумя точками разных образующих на поверхности цилиндра. Аналогичными свойствами обладает геликоид. Он скользит сам по себе и имеет минимальную площадь при заданной внешней границе. Простота, гибкость, динамичность, «экономичность» — благодаря этим свойствам винтовые формы распространены в природе (вспомним хотя бы «двойную спираль» молекулы ДНК и вьющиеся растения) и широко применяются на практике, особенно в технике (от пружины и штопора — до шнека мясорубки и гребного винта).
***
Несущий винт — воздушный винт с вертикальной осью вращения — источник подъёмной силы вертолёта. С его помощью осуществляются управление полётом и посадка аппарата. Идея использования для полётов вращающегося винта возникла ещё в глубокой древности и была популярна в Европе в Средние века. Сама конструкция имела «лопасти» и походила на пропеллер.
