Для начала вспомним школьные основы трибологии(науки о трении). Сила трения часто прямо пропорциональна силе давления тел. Коэффициент этой пропорции называют коэффициентом трения. Например, мы тянем деревянный брус весом 100 кг по деревянному полу. Средний коэффициент сухого трения скольжения дерева по дереву — 0,33. [...]]]> Мы уже обсуждали попаданческий велосипед, попробуем вернуться к теме, добавив немного конкретики.

Для начала вспомним школьные основы трибологии(науки о трении). Сила трения часто прямо пропорциональна силе давления тел. Коэффициент этой пропорции называют коэффициентом трения. Например, мы тянем деревянный брус весом 100 кг по деревянному полу. Средний коэффициент сухого трения скольжения дерева по дереву — 0,33. Значит, для поддержания скольжения нам понадобится прикладывать усилие в 33 кгс. Поскольку психологически значения в диапазоне 1-1000 проще воспринимаются человеком чем значения в диапазоне 0.001-1, все значения коэффициента трения дальше будут даваться в тысячных. Например упомянутый выше коэффициент 0,33 — это 330 тысячных.

Аналогично можно оценивать и общую эффективность транспортных средств — просто делим тягу, необходимую для поддержания движения на массу транспорта с грузом. Полученная величина прямо характеризует эффективность транспорта — если коэффициент вдвое меньше то и затраты энергии на тоннокилометр вдвое меньше(строго говоря еще важно отношение массы груза к массе конструкции).

• Скажем, аэродинамическое качество равное 10-20 значит что для поддержания горизонтального полета двигатели самолета должны создавать тягу в одну десятую/двадцатую его веса(или, с выключенными двигателями, самолет должен терять метр высоты на десять метров пути). Таким образом затрата энергии на полет эквивалентна волочению самолета по поверхности с коэффициентом трения 50-100 тысячных.
• 70 килограммовый человек на скорости 5 км/ч затрачивает мощность 60 Ватт, на скорости 5 км/ч. Т.е. эффективность пешехода можно выразить коэффициентом трения порядка 62 тысячных(при ускорении/переносе груза еще больше, уже на 6 км/ч эффективность падает до 84).
• Легковая машина весом в тонну при 6 литрах на 100 км — порядка 60.
• Поезд — ~ 2.
• Супертанкер — < 1.

Трение скольжения деревянного колеса на деревянной оси будет порядка 330 тысячных, по металлу даже больше — до 375(по-видимому, металлические втулки использовались скорее для улучшения износостойкости), но при добавлении смазки(деготь и сало) уменьшается вчетверо — до 72-75. Баббит в подшипниках скольжения уменьшил трение еще в 4-8 раз — до 20-10, а в шариковых подшипниках трение упало до нескольких тысячных. Но это именно трение на оси! Колесо действует аналогично рычагу — когда телега или велосипед проходит метр пути, то трущиеся поверхности оси перемещаются на намного меньшие расстояния — прямо пропорционально разнице диаметров колеса и оси. Т.е. метровое колесо и 3 см ось дадут примерно 10 тысячных даже при простейшем несмазанном деревянном колесе/оси.

Значат ли эти цифры что древняя телега была в десятки раз хуже телеги начала 20 века? Нет. Если мы посмотрим на коэффициент движения при движении современной машины или велосипеда по грунтовой дороге то увидим цифры порядка 30 тысячных — это явно намного больше трения в подшипнике. Откуда это дополнительное трение? Есть еще такая штука как трение качения. Колесо и поверхность чуть деформируются и колесу приходится постоянно выкатываться из небольшой ямки(плюс силы адгезии — колесо и поверхность немного прилипают друг к другу). Для грунтовой дороги это 20-80 тысячных, обычно берут примерно 30. Нетрудно заметить что трение качения на самой лучшей грунтовой дороге больше трения в оси самого грубого колеса.

Для сравнения, трение качения типичной гравийной дороги 19 века сравнимо с трением качения по хорошей грунтовке. Но гравийная дорога не раскисает после дождя, увеличивая потери в 3-4 раза. Для римских дорог данных нет — но, думаю, также сравнимо с лучшей грунтовкой. Асфальт и бетон — 10-15 тысячных, в два-три раза меньше, а трение качения по железной дороге 0.5-2 тысячных — в 15-60 раз меньше!

Мы уже можем прийти к первому интересному выводу — подшипники не так важны для попаданческого велосипеда(или для телеги)! Деревянное смазанное колесо с отношением к диаметру оси 30/1 создаст трение порядка 2.5 тысячных. Современный велосипед на типичной грунтовке даст 30 тысячных, велосипед попаданца 32.5 — разница порядка 10%! С баббитом и вовсе пара процентов разницы. Гораздо важнее весовое совершенство транспорта.

Строго говоря, трение качения зависит не только от поверхности, но и от колеса, так что надо еще показать что трение качения попаданческого колеса будет сравнимо с трением качения современного.

Посмотрим на данные французских армейских испытаний 1837-1841 годов. Цифры в таблице — фунты тяги на короткую тонну веса. В короткой тонне 2000 фунтов, так что просто делите пополам и вы получите коэффициент трения в тысячных.

Видно что цифры для грунтовой дороги колеблются от 22 до 38 тысячных. В худшем случае деревянное колесо добавляет 10-20%.

В общем попаданцу можно смело рассчитывать на 33-35 тысячных. Для пешехода, как мы помним, мы получили 62-84. Да здравствует велосипед? К сожалению, велосипедист расходует энергию не только на перевозку себя и груза, но и на движение велосипеда. Уже 20 килограммовый велосипед с 70 кг седоком эквивалентен невесомому, но с потерями на трение в 45 тысячных, а 30-40 кг опустят показатели до 50-55. В общем второй вывод можно сделать уже сейчас — в отсутствие идеально твердых и сухих грунтовок(а лучше бетонных дорог, проложенных … магическими слизнями) велосипед явно не произведет переворота в транспорте.

Припомним историю велосипеда. В 18 веке отмечается множество попыток создания транспорта на человеческой тяге. Но все они похожи друг на друга как родные братья: четырехколесная повозка с двумя седоками, лишь один из них(слуга) прикладывает усилия, механизм чудовищно переусложнен. В 1817 барон Карл фон Дрез создает дрезину — двухколесный самокат весом порядка 20 килограммов с сиденьем. Трудно понять что потребовало от него больше смелости — решение создать неустойчивую конструкцию на двух колесах или решение заставить джентльмена прикладывать физические усилия. В течении пары лет было построено порядка тысячи дрезин, но затем интерес к ним угас. Один из рекордов дрезины — пробег 4 джентльменов от Брингтона до Лондона(95 км) за 12 часов(средняя скорость 8 км/ч). Затем в течении 45 лет никакого прогресса, если не вспоминать о малодостоверной модели МакМиллана, якобы созданной в 1839. Наконец, одному французу(честь изобретения оспаривают сразу трое) приходит в голову прикрепить к переднему колесу дрезины пару педалей — идея завоевывает сторонников и через 5 лет начинается велосипедный бум. Сейчас то любой «знаток» объяснит что лишь туманный технический прогресс позволил приделать педали 45 лет спустя, только вот всех современников поражала простота изобретения.

Первые несколько лет деревянные велосипеды вполне успешно конкурировали со склонными к образованию трещин железными. На иллюстрации ниже вы можете увидеть одну из первых деревянных моделей, участвовавшую в 500 км пробеге Лион-Париж. Весили они порядка 30-40 килограммов — в полтора-два раза тяжелее дрезины, что, по-видимому, объясняется большим диаметром колес.

Примитивное подрессоривание и отсутствие надувных шин делало езду не слишком комфортной — велосипеды часто называли костотрясами. Использование спиц работающих на растяжение сразу облегчило велосипед до 20 килограммов и позволило увеличить диаметр колеса. Большое колесо позволяло развивать высокую скорость и неплохо пружинило, что делало езду куда комфортнее. Так родился велосипед пенни-фартинг, он же велосипед-паук. Дальнейшая история нам мало интересна по причине сильного усложнения технологии.

В общем, если вы хотите представить себе характеристики попаданческого велосипеда, прокатитесь по лесной тропинке на современном … с 30-50 кг мешком цемента. Это лучше чем ходить пешком, особенно если надо тащить солидный груз, но разница не так велика как хотелось бы. У типичного потребителя доиндустриальных времен — небогатого крестьянина нет ни денег ни умений для изготовления велосипеда. Конечно те времена изобиловали бродячими торговцами — им бы велосипед определенно приглянулся… Если бы у нас только был пример использования деревянных двухколесных транспортных средств … и он у нас есть! Знакомьтесь — chukudu, деревянный грузовой самокат из Конго(и не только).

Современные чукуду используют автомобильные подшипники, но их предки использовали обычные деревянные оси, смазанные пальмовым маслом. И несмотря на отсутствие покраски/лакировки они служат примерно 2-3 года. Такая поделка стоит порядка 50-100 долларов(в основном — труд мастера), так что даже минимальное усложнение конструкции переведет его в одну ценовую категорию с китайским велосипедом — имхо, именно поэтому чукуду использует примитивные цельные колеса и не использует педали. В отсутствие высокотехнологических конкурентов мы бы обязательно увидели не только простейшие самокаты-тележки но и полноценные деревянные велосипеды.

Самые интересные источники:
Bicycle: The History, by David V. Herlihy
A Treatise on Roads and Pavements by Ira Osborn Baker
Draft of farm wagons
Обсуждение на FAI
Клиометрика. Животная сила (часть 2)
Коэффициенты трения [1], [2]

Информации по гидравлическому органу в интернете достаточно, можно погуглить на слова hydraulic organ, hydraulis, hydraulos, hydraulus or [...]]]> Невнимательных просьба заметить — статья про оргáн, а не про óрган.
А раз у нас орган — то вопрос не столько в самих трубах, сколько в воздуходувке.
Тем более, что сегодня будем рассматривать орган древнегреческий, звущийся гидравлос…

Информации по гидравлическому органу в интернете достаточно, можно погуглить на слова hydraulic organ, hydraulis, hydraulos, hydraulus or hydraula. Ну или совсем для эстетов — на «ὕδραυλις». Однако, на кое-какие особенности органа хотелось бы обратить внимание.

Изобретен он был Ктезибием лет за триста до нашей эры. Это тот самый Ктезибий, который написал «Пневматику», до нашего времени не дошедшую. Орган был доработан лет через двести Героном Александрийским, который тоже был не последний изобретатель.

Принцип действия органа — воздух из насоса подавался не напрямую в трубы для извлечения звука, а в металлическую камеру, погруженную под воду. Воздух вытесняет из нее воду и вода в сосуде поднимается. Между ходами насоса давление в музыкальных трубах не падает за счет того, что в трубы выдавливает воздух вода.
Если воздух перекачать — то он выйдет из-под полусферы пузырями, произойдет просто сброс давления.
Уровень воды (и соответственно давление в музыкальных трубах) будет колебаться только если сразу откроются много труб и произойдет достаточно резкий сброс давления, главное правильно рассчитать производительность насоса.

Собственно, заслуга Ктезибия в том, что он изобрел ресивер — устройство для накопления газа под давлением. И с его помощью звук шел из органа постоянно, а не только во время движения поршня. Это вам не баян!

Усовершенствование Герона Александрийского в том, что он не только довел конструкцию, но и у него насос работал от небольшой ветряной мельницы.
Постепенно гидравлос все более распространялся, особенно в Римской Империи. Есть записи, что некий Антипатр из Дельф в 90-м году до нашей эры играл на гидравлосе два дня кряду — и покрыл себя славой в соревновании музыкантов. Гидравлос был также любимым инструментом Нерона. Да и вообще — на гидравлосе играли чуть ли не каждом публичном мероприятии, он даже был обязателен как музыкальное сопровождение во время принятия присяги при вступлении в должность.

Вот как это примерно выглядело, это остатки органа 3 века нашей эры.

На удивление в средние века желание строить органы не пропало.
Вот только это были не те органы, потому как с технологиями все просело (ну как случилось, например, с бетоном или астролябией). Классические средневековые органы работали только за счет мехов.
И, также как с астролябией, умение строить хоть какие-то органы возродили арабы, и уже в Византии (в Восточной Римской империи) начали пачками строить такие органы с мехами. То есть — никакой гидравлики! О ресиверах просьба не заикаться, а уже привод от ветряной мельницы «а-ля Герон» это вообще за пределами понимания.

Но ведь орган с мехами не дает такой равномерности звука! На длинных нотах он будет «заикаться», громкость не будет ровной, потому что не будет ровного давления. В общем — баян!

Тем не менее, церковные органы начали строить по всей Европе начиная с 9 века.
И многие сотни лет экономика Европы была подсажена на очень затратные постройки соборов, города отдавали на постройку до четверти бюджета на протяжении сотен лет — только чтобы переплюнуть соседа еще более крутым собором. Соборы поэтому росли ввысь, оттачивая готический стиль. А украшением собора (кроме витражей и химер) было орган. И соборы соревновались в органах в том числе.

Чувствуете, какая точка приложения сил попаданца?
При этом гидравлос — это классическая «утерянная технология древних», которые так любили в средневековье, это новшество не вызовет отторжения.

Итак, пара мельничных жерновов (бегунов) 5-6 футов (1,5-1,7 м) в диаметре и 18 дюймов (0,46 м) толщиной установлены стоймя на каменном ложе шириной восемь футов (2,44 м) . Материал жерновов — [...]]]> Скажем сразу: пороховая мельница — предприятие дорогостоящее, имеющее смысл только при больших объёмах производства. Но для снабжения массовых армий трудно придумать что-то более подходящее.

Итак, пара мельничных жерновов (бегунов) 5-6 футов (1,5-1,7 м) в диаметре и 18 дюймов (0,46 м) толщиной установлены стоймя на каменном ложе шириной восемь футов (2,44 м) . Материал жерновов — камень (мрамор). Металлические жернова повышают качество пороха и убыстряют работу, но значительно дороже. Ложе должно иметь вогнутую форму (чтобы смесь не выталкивалась). Качество поверхностей — по возможности более гладкие, даже полированные. Вес жернова — от 4 до 5.5 тонн.
Оси жерновов соединены с валом, который вращается водяным колесом или лошадями. Средняя скорость вращения жерновов — 10 об/мин. Вращение жерновов в паре должно быть независимым друг от друга. Для снижения вероятности случайного взрыва жернова нужно подвесить тягами к коромыслу, посаженному на вертикальный вал, т.о., чтобы катки не соприкасались с лежнем.
Просеянную смесь (~65 кг) равномерно рассыпают по бегунной тарелке. Перед началом работы смесь необходимо смочить дистиллированной водой (если этого не делать — крайне высока вероятность взрыва). Смачивание производится из лейки, по возможности равномерно — дозировка (от 2-3,5 % от веса закладки). В начале обработки скорость вращения жерновов — 4 об/мин. После того, как смесь превратиться в твёрдую плитку скорость доводится до 12 об/мин. Общее время обработки — 5 часов.

Помимо высокой производительности, пороховая мельница имеет ещё один плюс — на выходе получается порох большей плотности, с большей степенью смешения компонентов, чем на любой толчее. Это повышает мощность пороха и сроки его хранения.

По возможности порох нужно делать в тёплое время года. Если порох перетирать на морозе, вода смерзается и смесь плохо перемалывается.

Следует только помнить, что на выходе мы получим пороховую мякоть. Дело чести попаданца — сделать из нее гранулированный порох, который не смерзается, много меньше гигроскопичен и более мощный, чем просто мякоть.

На мой взгляд — браться за него смысла нет. Ну разве что накинуть кому-нибудь схему на салфетке, чтобы потом на визитках писать: «изобретатель велосипеда».

Дело в том, что велосипед — устройство достаточно высокотехнологическое. Тот велосипед, который [...]]]> Вообще-то для попаданца «изобретение велосипеда» — дело привычное, я бы сказал даже рутинное.
Но сейчас речь о настоящем велосипеде…

На мой взгляд — браться за него смысла нет.  Ну разве что накинуть кому-нибудь схему на салфетке, чтобы потом на визитках писать:  «изобретатель велосипеда».

Дело в том, что велосипед — устройство достаточно высокотехнологическое. Тот велосипед, который мы знаем, появился только после того, как по вменяемым ценам стали выпускать цепную передачу. То есть две шестеренки, цепь и педальный узел — это и есть велосипедное «сердце». Несмотря на всю примитивность, этот узел требует высокой точности. И из дерева его не сделать —  во-первых на сами педали идут такие нагрузки, что ломаться они будут регулярно, а обеспечить ременную передачу сложно — дерево при нагрузка слегка деформируется и как ремень не натягивай — очень скоро он будет проскальзывать. То есть на самом деле можно и из дерева — но только как демонстрационный экземпляр, он будет жутко дорогой и недельная эксплуатация для него — неподъемный срок.

Можно изобрести велосипед «паук» — с огромным передним колесом, где человек фактически на нем сидит и крутит педали, прицепленные непосредственно к переднему колесу. И что с ним делать? Армию ими оснащать? Да ими даже почтальоны не пользовались, это было так — модное развлечение, типа сегодняшнего скейта. И еще — он появился ровно тогда, когда смог появиться. То есть когда можно было из металла сделать прочные, тонкие раму и колеса — и приличного качества шарикоподшипники. Изобретать такие штуковины — это иметь фору в полгода относительно реальных изобретений.

И то же самое — о классическом велосипеде. Он появился ровно тогда, когда смогли все компоненты производить массово. Идея витала в воздухе, не зря ведь выражение «изобрести велосипед» имеет такой смысл. Не, ну можно запатентовать (тогда уже было патентование) форму рамы из двух треугольников или чуть наклонную вилку (до нее  не сразу додумались). Но патент — он как правило на 25 лет. Самому производить такое — не та прибыль. Разве что по 20 центов с каждого проданого за патент снимать — эти средства не спасут попаданца.

Вобщем вердикт: велосипед пападанцу изобрести можно. Из любви к искусству. Пользы от него ждать не стоит.

Все великие империи древней Латинской Америки (мезоамерики) — инки, майя, ольмеки и пр. [...]]]> А зачем изобретать колесо, если уже шумеры бодро рассекали на боевых колесницах? Для каменного века что ли? Где среди мамонтов на них гонять?
Но в реальности земля круглая и попаданца может занести и в древнюю Америку, а тут расклады были совершенно другие..

Все великие империи древней Латинской Америки (мезоамерики) — инки, майя, ольмеки и пр. колеса не знали. То есть дороги они строили, и дороги приличные, каменные. А вот ездить по ним было некому. Поле для внедрения безграничное, проблемы могут возникнуть только с  инерцией мышления.

Но тут возникает несколько технических проблем. Считается, что главное изобретение, продвинувшее колесо — это изобретение легкого колеса со спицами. Без него боевые колесницы не дадут скорости, а военная техника во все времена — главный двигатель прогресса. Но последние исследования показали, что это только половина проблемы. Высчитано, что более сложной технической проблемой является изготовление оси. И чем длиннее ось, тем сложнее ее изготовить тамошними технологиями. Так получается, что колесо легче отцентровать, чтобы оно не билось, чем отцентровать ось. И с ростом длины оси эти проблемы растут как снежный ком. Наверняка, первые колесницы были узкими. Но слишком узкими их не сделать — они будут переворачиваться. Поэтому реальное боевое применение они получили, когда длина оси достигла 1.75 метра. Причем, если посмотреть на древнеегипетские колесницы — ширина самого места водителя была в районе метра и оси торчали по бокам — хороший пример инертности мышления, когда уже можно расширить место для двух человек, но все равно по старинке встает один. Более того — если колея порядка 1.80 метра — это ширина двух лошадиных задниц и в колесницу можно запрячь пару. Ну, это как с «хюндая» с движком на сто лошадей пересесть в «ауди» с движком на двести.

Но это еще не конец. Эта ширина, которая плюс-минус 1.80 метра  — постепенно переросла в стандарт железнодорожной колеи (опять-таки инертность мышления), и с этим столкнулись американцы с твердотопливными компонентами «шаттла», когда они не смогли сделать бак шире трех метров, чтобы можно было перевозить его по железной дороге. Привет космическим технологиям от шумерских колесниц!

С народами мезоамерики ситуация будет другая. В их случае боевая колесница мало применима — в джунглях на ней не покатаешь. Да и с тягловыми животными тоже  не срослось — ламы и альпаки это вам не лошади и быки, тут по габаритам ближе к козе. Значит, и телега должна быть во-первых поуже, а во-вторых не такая быстрая, поэтому не нужно возиться с прочными спицами. Проблема вполне решабельная, возникает только вопрос — а почему это не было придумано тогда? Если по религиозным мотивам, то проблема может быть серьезной. Но там было много народов и много разных верований — и ни у одного из них колеса не получилось. Вот что значит — отсутствие военного применения!  Пора засылать попаданца…