Леонардо Да Вінчі. Літальні апарати

Леонардо да Вінчі був переконаний, що "людина, котра переборює опір повітря за допомогою великих штучних крил, може піднятися в повітря".

Переконаний у своїй правоті, він почав розробляти апарат, що приводиться в рух тільки силою м'язів людини, і дозволяє йому парити в повітрі як птах. Існує безліч малюнків такого "ornitotteri", придуманих Леонардо. Одні з них зображують лежачу людину, який збирається злетіти з допомогою механізмів, приєднаних до крил; інші - рух вперед за допомогою більш досконалої системи гвинтів і шківа. Є і малюнки людини, розташованого вертикально в літальному кораблі, на педалі якого він натискав руками і ногами.
Щоб сконструювати крила "ornitotteri", Леонардо вивчав анатомію пташиного крила, враховуючи функції та розподіл його пір'я. Спостерігаючи за польотом птаха, вчений зауважив, що вона по-різному махає крилами, коли зависає в повітрі, летить вперед або приземляється. Його цікавили також перетинчасті крила кажанів. На основі цих спостережень Леонардо сконструював величезні крила, призначені не тільки для підняття людини в повітря, але і утримання його в польоті, завдяки елерони і шарнірам. Він збирався імітувати повітряну акробатику птахів, їх здатність берегти енергію в польоті і точно приземлятися. До кінця XV століття Леонардо був переконаний, що зможе здійснити проект механічного польоту. Однак його турбувало те обставина, що можливості м'язів людини обмежені. Тому він збирався замість енергії мускулів використовувати механізм лука, який забезпечував би поступ. Втім, цибуля не вирішував проблем автономності в польоті, що виникають при швидкому розкручуванні пружини.
З 1503 по 1506 р Леонардо був зайнятий дослідженнями в Тоскані. Атмосферні умови, наявність або відсутність вітру, відповідні метеорологічні і аеродинамічні явища змусили його відмовитися від своєї старої ідеї про "інструменті", заснованому на помаху крил, і визнати "політ без руху крил".
Спостерігаючи, як великі птахи дозволяють повітряним потокам підхопити і нести їх в повітрі, Леонардо думав про оснащення людини великими складовими крилами, які дадуть йому можливість увійти в відповідний повітряний потік за допомогою нескладних рухів тіла і не затратити багато сил на це. Людина буде вільно парити, поки не опуститься на землю як "сухий лист".
Систематичні дослідження, зроблені Леонардо на початку XVI ст., Привели його до необхідності вивчити "якість і щільність повітря". Для цієї мети він сконструював гідроскопічне інструменти. Леонардо підкреслював, що закони аеродинаміки аналогічні законам гідростатики, т.е.наука про воду є дзеркальним відображенням науки про вітер, "яку (науку про вітер) ми покажемо через рух води і ця важлива наука стане кроком вперед в розумінні польоту птаха в повітрі" .

Насправді конструювання апаратів здатних літати здавна привертало увагу людини. Захоплення авіамоделізмом, яке у багатьох починається з повітряних зміїв і паперових літачків, в наш час успішно реалізовано за рахунок виробників радіокерованих моделей. Моделі літаків складно назвати іграшками, тому що більшість з них беруть участь в серйозних змаганнях. Професіонали розділяють авіамоделізм на аматорський і спортивний, при цьому перший тип захоплення має найбільше число прихильників.

Ідея польоту в працях Леонардо да Вінчі

Дмитро Олексійович Соболєв, канд.техн. наук, Інститут історії природознавства і техніки ім. С.І. Вавилова, РАН
Однією з найцікавіших сторінок в багатогранній творчості Леонардо да Вінчі є дослідження, присвячені проблемі польоту людини. Леонардо був першим з учених, хто всерйоз зайнявся вивченням цієї теми. У його рукописах зустрічаються малюнки і нам інформацію про те різних літальних апаратів. До цієї теми він повертався протягом всієї своєї творчої діяльності: перші проекти літальних машин відносяться до середини 80-х рр. XV століття, а останні датуються другим десятиліттям XVI століття.
Найбільш численні проекти апаратів з махають крилами - орнітоптерів. Це цілком природно, тому що зразком для наслідування на ранньому етапі розвитку авіації завжди була птах.

рис.1

Перший відомий проект літальної машини Леонардо да Вінчі - це проект орнітоптера, де людина повинна перебувати в лежачому положенні (1485-1487 рр.) (Рис. 1). Для помахів крилами потрібно використовувати і силу рук, і силу ніг "пілота". Ось крила розташовувалася таким чином, щоб при русі вниз воно одночасно рухалося назад, створюючи поряд з підйомною силою і силу, спрямовану вперед, необхідну для горизонтального польоту.
Леонардо не тільки привів короткий опис конструкції, але і дав рекомендації випробування апарату. Він писав: "Цей прилад ти відчуєш над озером і одягнеш у вигляді пояса довгий хутро, щоб при падінні не потонути. Треба також, щоб опускання крил вироблялося силою обох ніг одночасно, щоб ти міг затримуватися і балансувати, опускаючи одне крило швидше за інше, дивлячись по потребі, так, як ти бачиш це роблять шуліки й інші птахи. і до того ж опускання за допомогою двох ніг завжди буває більш потужним, ніж за допомогою однієї ... а піднімання крил має відбуватися силою пружини або, якщо хочеш, рукою, а ще краще підняттям ноги , Це - краще, тому що руки у тебе тоді вільніше "(Леонардо да Вінчі. Вибрані природно-наукові твори. М.1955. С. 605).

Мал. 2

Для управління висотою польоту да Вінчі запропонував оригінальний механізм, що складається з рухомого горизонтального хвостового оперення, з'єднаного з обручем на голові людини. Піднімаючи і опускаючи голову, випробувач повинен був, за задумом Леонардо, піднімати і опускати хвостову поверхню орнітоптера (рис. 2).
Прагнучи зменшити витрати сил на рух крилами, великий італійський винахідник запропонував робити на махають поверхнях спеціальні матерчаті клапани, які при русі крила вниз щільно притискалися б до натягнутою на арматуру крила сітці, а при зворотному ході відкривалися, дозволяючи вільно проходити повітрю. Схожа ідея застосовувалася пізніше іншими конструкторами орнітоптерів.

Рис.3, 4

Ще одним варіантом орнітоптера, запропонованим Леонардо в ті ж роки, був апарат, в якому людина повинна була здійснювати помахи крилами, на зразок велосипедиста обертаючи ногами колеса, з'єднані важелями з силовою конструкцією крил (рис. 3). На ескізі цього апарату звертає на себе увагу щось, що нагадує дзвіночок, підвішений перед обличчям "пілота". Дослідники до цих сперечаються, що б це могло бути. На мій погляд, даний пристрій - це маятник, призначений для індикації положення в просторі. Відомо, що приблизно в 1485 р вчений зробив ескіз такого пристрою (рис. 4). Якщо це так, то ми бачимо перший малюнок авіаційного приладу.

Мал. 5, 6, 7

Найбільш відомий проект - орнітоптер-човен (рис. 5). Він датується приблизно 1487 р Судячи з усього, людина повинна була сидіти або стояти в човні, рухаючи з'єднані з крилами важелі. Ще один важіль призначався для поворотів горизонтального керма, що нагадує за формою хвіст птаха.
В кінці 1480-х рр. Леонардо да Вінчі робить креслення і опис великий літальної машини з двома парами махають крил (рис. 6). Що стоїть в чимось на зразок чаші, чоловік приводив крила в рух за допомогою системи блоків. Цікаво, що апарат мав прибиране шасі; опори могли складатися вгору за допомогою ворота і тросів (рис. 7).
Леонардо так пояснював концепцію свого нового орнітоптера: "Я вирішив, що стояти на ногах краще, ніж лежати долілиць, бо прилад ніколи не може перевернутися догори ногами ... Підйом і опускання при русі [крил] будуть проводитися опусканням і підніманням обох ніг, що дає велику силу, а руки залишаються вільними. Якби тобі довелося б лежати долілиць, то ноги, в гомілкових суглобах, сильно втомлювалися б ... "(Леонардо да Вінчі. Вибрані природно-наукові проізведенія..С.606).
Дане міркування, звичайно, вірно, але тим не менше цей проект слід віднести до найменш вдалого результату творчих пошуків Леонардо да Вінчі. Дуже великі розміри апарата: розмах крил - 40 ліктів (близько 16 м), висота конструкції - 25 ліктів (10 м), складна і важка трансмісія - все це робило шанси на підйом в повітря ще менш реальними, ніж у колишніх орнітоптерів.

Мал. 8, 9

Мабуть, з часом Леонардо сам зрозумів нереальність свого задуму. Можливо, він навіть проводив якісь досліди, так як в його записках 1485-1490 рр. є малюнок експерименту по визначенню підйомної сили махають крила (рис. 8). Трохи пізніше він вказав на можливість використання в якості джерела енергії для руху крил стислий з великою силою цибулю (рис. 9). При розпрямленні потужний цибулю дійсно міг створити великий імпульс сил, але він був би дуже короткочасним, і в кращому випадку машина могла б тільки підстрибнути вгору.

Мал. 10, 11

Підказку для виходу з цього глухого кута дало ретельне вивчення механізму польоту птахів, яким учений захопився на рубежі XV-XVI ст. Спостереження за пернатими наштовхнуло його на вірну думку про те, що основна тяга в польоті створюється кінцевими частинами крила. В результаті в самому кінці XV ст. Леонардо робить креслення принципово нового проекту орнітоптера - з крилом, що складається з двох шарнірно з'єднаних частин (рис. 10). Помахи повинні були здійснюватися зовнішніми частинами, складовими близько половини загальної площі крила. Дана ідея, що є першим кроком у зародженні концепції апарату з нерухомим крилом - літака, знайшла практичне втілення в останньому десятилітті XIX ст. в експериментах знаменитого німецького піонера авіації О. Лилиенталя. Відомо, що той пробував здійснювати польоти з планером, кінці крила наводилися в рух від закріпленого на його тілі двигуна (рис. 11).
Наступний крок в еволюції поглядів Леонардо на конструкцію літальної машини пов'язаний з дослідженням їм механізму ширяючого і планує польоту пернатих. Він прийшов в висновку: "... Коли птах знаходиться в вітрі, вона може триматися на ньому без помахів крилами, бо ту ж роль, яку при нерухомому повітрі крило виконує щодо повітря, виконує рухомий повітря відносно крил при нерухомих крилах" ( Леонардо да Вінчі. Вибрані природно-наукові твори. с.497).
Грунтуючись на цьому принципі, відомим в наші дні як принцип оборотності руху, Леонардо приходить до висновку: не людина повинен крилами відштовхувати повітря, а вітер повинен ударяти в крила і нести їх в повітрі, як рухає він вітрильний корабель. Тоді пілотові літальної машини необхідно буде тільки забезпечувати рівновагу за допомогою крил. "Не потрібно багато сили, щоб підтримувати себе і балансувати на своїх крилах і направляти їх на шлях вітрів і управляти своїм курсом, для цього досить невеликих рухів крилами", - пише Леонардо да Вінчі в 1505 г. (Giacomelly, R. The aerodynamics of Leonardo da Vinci // Aernautical Journal. 1930. Vol. 34. P. +1021)
Спираючись на розроблену ним концепцію, вчений задумав створити новий тип літального апарату. Швидше за все він повинен був принципово відрізнятися від орнітоптерів колишніх років. На думку італійського дослідника творчості Леонардо да Вінчі Р. Джакомеллі, це міг бути моноплан з розмахом крил приблизно 18 м, призначений для польотів в висхідних потоках повітря (за сучасною термінологією - планер-парітель). Крила були рухливі, але в порівнянні з попередніми проектами рухливість їх була вельми обмежена і служила б тільки для балансування (Giacomelly, R. Leonardo da Vinci e il volo meccanico // L'Aerotechnica. 1927. No. 8. P. 518-524 .).
Пілотована "штучний птах" повинна була стартувати з вершини гори Монте Чечер (гора Лебедя) в околицях Флоренції і, підхоплена вертикальними потоками, піднятися в повітря. "Велика птах почне перший політ зі спини свого велетенського лебедя, наповнюючи всесвіт подивом, наповнюючи чуткою про себе все писання, - вічною славою гнізда, де вона народилася", - написав Леонардо да Вінчі у своєму "Трактаті про політ птахів" (1505 р ) (Леонардо да Вінчі. Вибрані природно-наукові твори. С.494).
Але Італії не судилося стати батьківщиною планеризму. Завантажений численними замовленнями, Леонардо так і не зміг приступити до здійснення своєї ідеї (або не захотів - для нього завжди було цікавіше генерувати проекти і постулати, ніж втілювати їх в життя).

Мал. 12, 13

Незадовго до смерті вчений ще раз повернувся до думок про рух по повітрю за допомогою нерухомого крила. У його рукописи, що зберігається в Інституті Франції в Парижі, є маловідомий малюнок, що датується 1510-1515 рр. (Рис. 12). На ньому зображена людина, яка, тримаючись руками за площину, спускається по повітрю, і є вказівка ​​про спосіб управління: "Цей [людина] буде рухатися направо, якщо він зігне праву руку і розпрямить ліву назад, і ваша потім рухатися справа наліво при зміні положення рук "(Gibbs-Smith, С. Leonardo da Vinci's aeronautics. London, 1967. P. 21.). Мабуть, дана ідея найпростішого балансирного планера, або, точніше, керованого парашута, виникла у Леонардо в результаті спостереження за падінням аркуша паперу в повітрі.
Говорячи про вишукуваннях Леонардо да Вінчі в області польоту, не можна не згадати ще про двох піонерських проектах - проект парашута і проект вертольота. Обидва вони зроблені в 1480-і рр., Одночасно з першими пропозиціями по створенню орнітоптерів.
Малюнок спускається на пірамідовідном парашуті людини (рис. 13) Леонардо супроводжував написом: "Якщо у людини намет з прокрахмаленного полотна, шириною в 12 ліктів і висотою в 12, він зможе кидатися з будь-якої великої висоти без небезпеки для себе" (Леонардо да Вінчі. Вибрані природно-наукові твори. С.615).

Мал. 14

Знайоме багатьом зображення вертольота Леонардо да Вінчі (рис. 14) являє собою перший проект вертикально злітаючого літака. На відміну від сучасних вертольотів з лопатевим гвинтом, ця машина повинна була підніматися в повітря за допомогою добре відомого в XV в. архимедова гвинта, діаметром близько 8 м. Незважаючи на те, що гвинт повинен був розкручуватися вручну, Леонардо да Вінчі вірив в здійсненність свого проекту: "Я говорю, що коли цей прилад, зроблений гвинтом, зроблений добре, тобто з полотна, пори якого прокрахмалени, і швидко приводиться в обертання [...] названий гвинт угвинчується в повітря і піднімається вгору ".
Як всякі перші пропозиції, ці проекти були ще недосконалі. Парашут не мав спеціального отвору в вершині купола, що забезпечує стійку траєкторію зниження, а в проекті вертольота не враховувався вплив реактивного моменту від обертання гвинта, який розкручував би розташовану внизу конструкцію, далека від найкращою була і форма гвинта. Але тим не менш обидва вони представляють собою видатні технічні передбачення.
Чудові ідеї Леонардо да Вінчі довгий час залишалися невідомими, так як він не опублікував результати своїх досліджень. В кінцевому підсумку те, до чого Леонардо прийшов протягом декількох десятиліть, затягнулося на століття. Тільки в XVIII столітті на зміну безуспішним спробам польоту за допомогою помахів прикріпленими до рук і ніг крилами прийшли перші проекти літальних апаратів з утворюючим підйомну силу нерухомим крилом і невеликими рухомими крилами для створення спрямованої вперед сили - Сведенборга (Швеція, 1716 г.), Бауера ( Німеччина, 1763 г.), Кейлі (Англія, 1799). Польоти на балансирних планерах почалися в кінці XIX ст., А перші вертольоти з'явилися тільки в XX ст.
Аналіз розвитку поглядів на конструкцію крилатого літального апарату в працях Леонардо да Вінчі і в роботах наступних піонерів авіації дозволяє зробити наступний загальний висновок: всупереч поширеній серед істориків авіації точці зору, ідея літака зародилася не сама по собі як альтернативна орнітоптер концепція, а "виросла" з проектів апаратів з махають крилом через ряд проміжних зразків полусамолетов-полуорнітоптеров, автором перших з яких був великий Леонардо.

Вертикальний "ORNITOTTERO"
Необхідність в більш потужному джерелі енергії призвела Леонардо до думки задіяти всі частини людського тіла в процесі польоту. На малюнку - людина, керуючий легкими механізмами не тільки за допомогою рук і ніг, а й голови, яка, за словами Леонардо, "має силу, рівну 200 фунтам". Людина стоїть в центрі величезного судини, який представляє собою чашу діаметром 12 м, забезпечену сходами (12 м). Крила апарату мали ширину 24 м і розмах 4,8 м. На цьому апараті Леонардо припускав використовувати дві пари крил, що махають по черзі.

гелікоптер
Даній Малюнок - зображення "предка" сучасного вертольоти. Радіус Гвинт - 4,8 м. ВІН МАВ металеву окантовку и полотняний покриття. Гвинт пріводівся в рух людьми, Які йшлі вокруг осі и штовхалі важелі. Існував і ще один способ запуску Гвинт - нужно Швидко розкрутіті трос під віссю. "Я думаю, що якщо цей гвинтовий механізм добротно зроблений, тобто. Е. Зроблений з накрохмаленого полотна (щоб уникнути розривів) і швидко розкручений, то він знайде собі підтримку в повітрі і злетить високо вгору"

Гідроскоп
Гідроскоп - прилад, винайдений Альберти. Він являв собою простий набір шкал з гідроскопічесім речовиною (бавовняна вата, губка і т.д.) і воском, що не вбирає воду. За словами Леонардо, прилад застосовувався для того, "щоб дізнатися якість і щільність повітря і коли піде дощ".

Вимірювач величини нахилу
Цей прилад являє собою маятник, поміщений всередину скляної посудини (у формі дзвону), службовець для того, щоб "направити апарат (літальний) прямо або під нахилом, як вважаєте за краще, т. Е. Коли захочеться летіти прямо, встановіть кульку в середину кола" .

дослідження балансування
Рухи планера в польоті контролювалися рухомими крилами і балансуванням льотчика: "людина повинна бути вільна донизу від талії, щоб він міг себе врівноважити, хоча і знаходиться при цьому в човні, і так, щоб його центр ваги збігався з центром ваги всієї конструкції і був урівноважений з ним".

дослідження рівноваги
Вчений провів дослідження рівноваги планера c метою визначення центру гравітації у птиці. Малюнків цього планера не існує, але відомо, що він повинен був бути побудований з легких матеріалів: бамбука і тканини з кріпленнями і відтяжками з сирого шовку або зі спеціальної шкіри. Висока конструкція з тростини в формі циліндра або паралелепіпеда, мабуть, витягується на лямках з дуже широких (близько 10 м в ширину) крил цього планера. У цій конструкції льотчик розташовувався набагато нижче крил, що створювало рівновагу апарату.

Що лежить "ORNITOTTERO"
Цей малюнок - один з найзнаменитіших малюнків Леонардо: "А обертає крило, В повертає його за допомогою важеля, С опускає його, D піднімає його". Людина лежить на платформі витягнувшись: "На цьому місці розташовується серце". Ноги просунуті в стремена таким чином, що одна нога піднімає крило, інша опускає. Це - літальний апарат, в якому розпростертий людина крутить педалі, піднімають і опускають крила, що згинають і обертають їх за допомогою мотузок і важелів, тобто цей апарат як би "гребе" по повітрю.

В іншому варіанті "Ornitottero" чотири крила наводилися в рух руками і ногами пілота. Руки підіймають свої крила за допомогою барабана, а ноги опускали по одній парі крил по черзі. Таким чином, ритм махають крил прискорювався. Апарат на спині пілота керувався накручуванням канатів на барабани і розкручуванням їх.

Модель "ORNITOTTERO"
Тут представлений один з варіантів "ORNITOTTERO". Пілот з апаратурою на спині розташовувався під металевим півколом; рух крил створювалося за рахунок руху ніг. Цьому допомагали руки, керуючі рукоятками, розташованими під півколом. Кермо розміщувався на шиї пілота. Напрямок польоту визначалося поворотом голови.

орнітоптер
Фюзеляж за формою нагадує човен для пілота. Мабуть, про повітрі Леонардо мислив тими ж поняттями, що і про воду. Величезні крила (схожі на крила кажана) наводяться в рух системою гвинтів і гайок. Як і на човнах, був передбачений кермо. Широка хвостова площину призначалася, мабуть, для контролю висоти.

На малюнку не планер, керований пілотом, а цікавий "гібрид". Льотчик висить вертикально в центрі апарату, кінчики крил мають з'єднання, контролюючі машину, а жорстка конструкція підтримує її.

Орнітоптер з пружинним приводом
Будучи переконаним, що неможливо управляти таким апаратом за допомогою тільки сили людських м'язів, Леонардо дав альтернативні рішення. Наприклад, їм був спроектований апарат з пусковим пружинним пристроєм, що передає свою енергію крил "ornitottero" (в даному випадку - вертикального) в момент розпрямлення пружини. У детальному опрацюванні зліва Леонардо зобразив пристрій, аналогічне до тих, що він використовував у своєму "автомобілі" і в деяких годинникових механізмах. Дана система теоретично настільки випереджала свій час, що навіть отримала назву "Аероплан Леонардо". На практиці вона виявилася недосконалою через необхідність швидкого розкручування пружини і труднощів при її зворотному змотуванні під час польоту.

парашут
"Якщо у людини є тент з щільної тканини, кожна зі сторін якого становить 12 довжин руки, і висота - 12, то він може стрибнути, не розбившись з будь-якої значної висоти".

політ птиці
Завдяки систематичним дослідженням польоту птаха, Леонардо вирішив замінити політ за допомогою махають крил планувальним польотом. Близько 1505 році була закінчена його книга "Сodice sul Volo degli Uccelli" (в даний час вона знаходиться в Туріні, в колишньої Королівської бібліотеці). Дані малюнки - з цієї книги.

Прилад для вимірювання швидкості вітру
Існував і інший вид анемометра. Він був зроблений з конусоподібних трубок і застосовувався для того, щоб встановити, пропорційний чи вітер, що повертає колесо, вхідний отвір в конусі, враховуючи ідентичну інтенсивність вітру.

Система відтяжок важелів і з'єднань
Леонардо вважав, крила можуть підніматися і опускатися системою канатів і блоків, що приводиться в рух ногами пілота, всунути в стремена, і його руками, які керують рукоятками. Піднімаючись і опускаючись, крила, також, згиналися і розпрямлялися за допомогою автоматичної системи відтяжок, важелів і з'єднань.

Спуск на землю "сухим листком"
"Людина повернеться направо, якщо зігне праву руку і витягне ліву; змінюючи ці рухи, він буде повертатися справа наліво".

Анемометр
На малюнку зображений "пластинчастий анемометр", або "щітка", так як традиційно для проби вітру застосовувалися пір'я. Прилад являє собою градуйовану тростину з тонкими пластинками, які рухаються в залежності від інтенсивності вітру.

Апарат вертикального зльоту і посадки
На вертикальному "ornitottero" Леонардо планував розмістити систему втяжні сходів. Прикладом йому послужила природа: "подивися на кам'яного стрижа, який сів на землю і не може злетіти через своїх коротких ніг; а коли він в польоті, витягни сходи, як показано на другому зображенні зверху ... так треба злітати з площини; ці сходи служать ногами ... ". Що стосується приземлення, він писав: "Ці гачки (увігнуті клини - см. Деталі праворуч), які прикріплені до основи сходів, служать тим же цілям, що і кінчики пальців ніг людини, який на них стрибає і все його тіло не здригається при цьому , як якщо б він стрибав на каблуках ".

Обговорити на форумі

Використано матеріали з сайту www.leonardodavinchi.ru