Вертолёт, 2005 № 04

Обычно Леонардо в своих работах был сдержан в чувствах, но в заметках о летании не смог удержаться от проявления эмоций: «Большая птица первый начнет полет, наполняя Вселенную изумлением, наполняя молвой о себе все писания — вечной славой гнезду, где она родилась».

Летательные «аппараты» человек начал изобретать с того момента, как освободил руки от необходимости опираться на землю при хождении. Брошенный рукой или с помощью пращи камень, летящее копье, бумеранг и воздушный змей появились еще до нашей эры. В 14 веке нашей эры на воздушных змеях уже летали люди, правда, «летчиками» становились осужденные на смерть преступники. Воздушный волчок, представляющий собой раскручиваемый руками пропеллер, появился в Китае еще в начале нашей эры.

В Древней Греции родился романтический миф о крыльях Дедала. За два столетия до Леонардо о летательной машине с машущими крыльями писал английский ученый Р. Бэкон.

Леонардо стал первым человеком, выполнившим обширное научное исследование проблемы механического летания. Он оставил письменные свидетельства своих рассуждений, чертежи и рисунки изобретенных им летательных аппаратов с машущими крыльями — орнитоптеров. Это дает основание считать Леонардо да Винчи родоначальником авиационной науки и автором нескольких типов летательных аппаратов. В датированной 1488–1489 гг. рукописи содержится эскиз машины со спиралевидным винтом (рис. 1), который сопровождается следующим текстом:

«Наружный край винта должен быть из проволоки толщиной в веревку, и от окружности до середины должно быть восемь локтей. Я говорю, что когда прибор этот сделан хорошо, то есть из полотна, поры которого прокрахмалены, и быстро приводится во вращение, то названный винт ввинчивается в воздух и поднимается вверх…».

Леонардо снабдил вал винта рукоятками: он предполагал, что этот винт будут вращать четыре человека (по числу рукояток), идущие по платформе. Намотанный на нижний конец вала трос (бухта) — альтернативный способ приведения вала во вращение.

Леонардо дал схему летательного аппарата, способного поднять человека в воздух за счет источника энергии, расположенного на самом аппарате. Этим аппарат Леонардо концептуально отличается от воздушного волчка, запускаемого в воздух посредством внешнего импульса.

Природу подъемной силы Леонардо видит в сопротивлении воздуха: «Муха при остановке в воздухе ударяет свои крылья с большой скоростью и шумом, выводя их из положения равенства и поднимая их вверх на длину этого крыла; и, поднимая, ставит крыло вперед под наклоном так, что оно ударяет о воздух почти ребром; а при опускании ударяет воздух плашмя…». И еще: «С такой же силой действует предмет на воздух, с какой и воздух на предмет». Возможно, Леонардо делал какие-то расчеты силы воздушного сопротивления. В пользу такого предположения говорит тот факт, что диаметр винта, указанный им, составляет около 7 метров: таким же он был и у первых вертолетов, которые человеку удалось поднять в воздух.

Отдельный вопрос — механизм привода Архимедова винта во вращение. Идущие от винта к платформе расчалки означают, что винт с валом, ферма крепления вала к платформе и сама платформа механически представляют собой единое целое. Стоящий на платформе человек, упираясь руками о рукоятку, пытается вращать вал винта. Но при этом он упирается ногами в платформу, которая получает импульс в противоположном направлении. Если платформа и винт связаны жестко, силы действия и противодействия остаются внутренними силами механической системы, они уравновешиваются и аппарат остается недвижим. В этом случае приходится признать, что предполагаемый механизм привода винта неработоспособен.

Здесь возможны два объяснения. Первое состоит в том, что закон равенства сил действия и противодействия Ньютон открыл два столетия спустя и Леонардо не мог его учесть. С другой стороны, Леонардо мог вообще не задумываться об этой проблеме, поскольку единственно важным для него было показать принципиальную возможность полета путем «ввинчивания» в воздух подобно тому, как обычный винт ввинчивается в дерево.

Рис. 2. Конструкция платформы геликоптера Леонардо да Винчи

Действительно, закон о равенстве действия и противодействия Ньютон сформулировал лишь в 1687 году. Вместе с тем, суждения Леонардо ясно показывают, что он интуитивно шел к пониманию этого закона: «Столько силы, сколько затратишь на натягивание своего лука, столько же выявится, когда лук будет спущен, и столько же возникнет в предмете, который приведет он в движение…». Действие силы реактивной отдачи Леонардо наблюдал сам, когда находился на службе у миланского герцога Альберто Моро и среди прочего занимался бомбардами и метательными орудиями.

Обратимся теперь к заметкам Леонардо, где он говорит о модели своего аппарата: «Можно сделать себе маленькую модель из бумаги, ось которой из тонкого листового железа, закручиваемая с силой, и которая, будучи отпущена, приводит во вращение винт».

Для развлечения придворных герцога Леонардо мастерил множество причудливых летающих игрушек. Среди них мог быть и Архимедов винт. Чтобы он взлетел, достаточно было закрутить металлическую ось с помощью изображенного Леонардо на эскизе ворота и отпустить модель. Тогда накопленная в металлической оси энергия упругости привела бы в противоположное и взаимно уравновешенное инерционными силами вращение винт и рукоятки ворота с нужным аэродинамическим эффектом. В нижней своей части рисунок Леонардо нечеток и допускает различные толкования. Одно из таких толкований представлено на рис. 2.

В показанной конструкции нет жесткой связи нижней части вала и платформы, которая выполнена не в виде диска, а в виде кольца. По внутренней поверхности кольца скользят лопатки, прикрепленные к нижнему концу вала. При этом рукоятки служат для закручивания упругого вала, который жестко закреплен на верхней опоре фермы. Люди, стоящие на платформе, или какая-то внешняя сила закручивают рукоятками вал настолько, насколько позволяет его прочность. При отпускании рукояток вал начинает раскручиваться. Расположенные на конце вала лопатки силами инерции и силами аэродинамического сопротивления замедляют скорость вращения вала. Аппарат с частью вала, расположенной выше точки его заделки на ферме, приобретает вращение в направлении, противоположном вращению скрученного вала с лопатками на его нижнем конце.

В действительности полет аппарата, имеющего две противоположно вращающиеся части, состоялся через 300 лет после рождения эскиза геликоптера Леонардо. Успех сопутствовал французским ученым Лануа и Бьенвеню. Два расположенных на одной оси двухлопастных винта они соединили упругой рессорой. Отсутствие фюзеляжа позволило сделать модель предельно легкой, с массой менее 100 грамм. За одну секунду она поднималась на три метра.