Марк Туллий Цицерон — знаменитый римский оратор, писатель и государственный деятель — приехал в Сицилию. Он был назначен квестором, то есть хранителем казны и начальником всех сборщиков налогов и пошлин на этом острове.

Объезжая подвластную ему страну, Цицерон посетил Сиракузы. Этот некогда славный и богатый город был столицей маленького греческого государства, покоренного римлянами в 212 году до нашей эры, то есть за 137 лет до приезда в Сиракузы Цицерона. Полуразрушенный и разграбленный завоевателями город захирел и опустел.

Покончив с неотложными делами, Цицерон решил поискать в окрестностях Сиракуз могилу Архимеда — гениального греческого математика, механика, инженера и изобретателя.

О детских и юношеских годах и вообще о жизни Архимеда почти не сохранилось достоверных сведений. Известно только то, что он родился недалеко от Сиракуз в 287 году до нашей эры. Его отец, астроном и математик Фидий, был человеком скромным и небогатым.

Следуя обычаям того времени, Архимед должен был унаследовать профессию своего отца. Поэтому Фидий дал сыну математическое образование, посвятив его в тайны своей науки. На большее у родителей Архимеда не хватило средств.

В эти годы родственник Фидия, Гиерон, служивший в войсках греческого царя Пирра, проявил себя храбрым, умелым и энергичным полководцем. Вернувшись в Сиракузы во главе преданных ему солдат, Гиерон захватил власть и сделался царем этого города.

Отъезд Архимеда в Александрию совпал с началом Первой Пунической войны (264–241 гг. до нашей эры). Тогда два крупных рабовладельческих государства — Рим и Карфаген — боролись за господство на Средиземном море. Они стремились захватить остров Сицилию — богатейшую житницу, снабжавшую хлебом Рим и Карфаген, находившийся неподалеку от нынешнего Туниса.

Сиракузский царь Гиерон был на стороне Карфагена. Когда же он увидел, что Карфаген близок к поражению, то решил вступить в переговоры с Римом. Притворной покорностью ему удалось обмануть римлян и сохранить независимость Сиракуз. Вся остальная часть Сицилии, ранее принадлежавшая Карфагену, отошла к Риму.

Первым научным исследованием Архимеда в механике было доказательство закона рычага.

Люди применяли рычаги с незапамятных времен и умели ими искусно пользоваться. На постройках египетских пирамид рабы втаскивали тяжелые камни наверх при помощи рычагов. Судостроители ставили мачты на кораблях рычагами. Воду из колодцев доставали, пользуясь журавлем, то есть рычагом с противовесом. Римляне взвешивали товары на художественно изготовленных рычажных весах — безменах. Корабли древних приводились в движение веслами и имели рулевое управление, а руль и весла— тоже рычаги.

Архимед не приписывал «волшебных свойств» кругу. Он знал, что явления природы объясняются естественными причинами. Такое объяснение действия рычага и хотел найти Архимед.

Простейший рычаг — это металлический или деревянный стержень. Если его подпереть в середине, то стержень останется в равновесии. Когда к концам рычага подвешены одинаковые грузы, то равновесие не нарушится. Но если на один конец рычага подвешен большой груз, а на другой — маленький, то рычаг выйдет из равновесия: одно его плечо опустится, а другое поднимется. Чтобы равновесие восстановилось, нужно опору передвинуть к большому грузу.

Архимед установил закон равновесия рычага: «плечи обратно пропорциональны силам (грузам)». Иначе говоря, длинное плечо должно быть во столько раз больше короткого, во сколько раз малый груз легче тяжелого. Например, пусть одно плечо рычага имеет в длину 20 сантиметров, а другое — впятеро больше—100 сантиметров. Тогда на короткое плечо можно подвесить 5 килограммов, а на длинное — только 1 килограмм, и рычаг останется в равновесии.

Это правило можно выразить другими словами: «произведения длины плеч на приложенные к ним силы равны между собой». Действительно, при взятых нами размерах плеч рычага и грузах:

Установив закон рычага, Архимед утверждал, что любую тяжесть можно приподнять малой силой, если только возможно взять соответствующей длины рычаг. Говорят, будто бы он воскликнул:

— Дайте мне точку опоры, и я приподниму Землю!

Современные ученые сомневаются в справедливости этой легенды. Архимед был хорошим математиком, и он должен был представлять, какой примерно понадобится рычаг для того, чтобы шевельнуть Землю.

— Клянусь Зевсом, ты рассказываешь удивительные вещи, Архимед! — воскликнул Гиерон, слушавший пояснения ученого о свойствах рычага. — Но где же найти точку опоры, чтобы приподнять Землю? Поясни это.

— Такой точки не существует, — ответил Архимед.

— Значит, убедиться в могуществе механики невозможно? — продолжал Гиерон.

— О нет! Ты ошибаешься, — возразил ученый. — Я могу предоставить тебе, царь, множество иных примеров!

Как сообщает Плутарх, Архимед будто бы похвалился перед Гиероном, что силой руки он поведет корабль посуху, как по морю. И даже осуществил это.

Для современного инженера техническая задача, придуманная Архимедом, не так уж трудна. В настоящее время, в случае надобности, передвигают многоэтажные каменные дома. Под здание подводят стальные рамы (закладывая в толщу цоколя стальные балки), потом при помощи домкратов опускают его на катки, уложенные на рельсы, и тянут дом мощными электрическими лебедками.

Здание движется очень медленно — только белые черточки-метки на торцах катков, постепенно смещаясь, выдают их еле уловимое вращение. Дом катится, а в это время в квартирах горит свет, действуют водопровод и канализация, и ничто не нарушает повседневную жизнь населения движущегося дома. Люди ложатся спать, а утром выглядывают в окно и смотрят, на сколько метров ушел за ночь их дом.

Прежде всего хотелось бы знать, какова была галера, которую тянула машина Архимеда. Сведения о римских или греческих галерах скудны и неточны. Древние историки любили преувеличивать. Если им поверить, то галеры не уступали в размерах современным крейсерам, что, конечно, неверно.

По некоторым сведениям, наибольшие из галер поднимали до 200 тонн груза, то есть они весили вместе с грузом и командой около 400 тонн. Такие галеры все же были редкостью. Вес обычной торговой галеры вместе с грузом равнялся примерно 75—100 тоннам.

Ворот — извечная принадлежность колодцев, одно из древнейших изобретений человеческого гения. Обрезок круглого полена, насаженный на ось и снабженный рукояткой, — вот и все нехитрое устройство этого приспособления для поднятия тяжестей. Часто взамен рукоятки на оси вала укрепляют колесо, похожее на корабельный штурвал. Человек вращает колесо или рукоятку, вал ворота поворачивается, на него наматывается канат, а ведро или бадья, привязанная к канату, поднимается.

С помощью ворота поднимали воду из глубоких колодцев знойной Аравии. Изможденные рабы египетских фараонов или греческих жрецов воротом выволакивали глыбы мрамора из каменоломен. Воротом поднимали на земную поверхность руды металлов на копях Испании или Македонии. Он оказывался полезным всюду, где было недостаточно силы человеческих рук.

Плутарх указывает, что машина Архимеда состояла из блоков и веревок.

Блок — это колесико с желобчатым ободом, насаженное на ось и укрепленное в обойме. Колесико принято называть шкивом. Желобок в ободе шкива нужен для того, чтобы канат не соскальзывал в сторону и плотнее прилегал к шкиву.

Неподвижный блок, как известно, никакого выигрыша в силе не даст.

Подвижный блок удваивает силу тяги. Поэтому одиночным блоком Архимед, конечно, воспользоваться не мог: от него мало проку.

Известно, что Архимед изобрел бесконечный винт, который также может служить для выигрыша в силе.

Рабочий рукояткой вращает валик, на котором сделана винтовая резьба. Такой валик называется «червяком». Выступающий гребень резьбы червяка входит в промежутки между зубьями шестерни и, поворачиваясь, толкает их — и шестерня вращается. Шестерня— зубчатое колесо, наглухо соединенное с валом, на который наматывается канат.

Каждый оборот червяка поворачивает шестерню только на один зубец.

Существует еще один весьма простой механизм, которым мог воспользоваться Архимед.

Представьте себе обычный колодезный ворот, но только его вал сделан разной толщины: одна сторона, допустим — правая, потолще, а левая — потоньше. Канат намотан на обе половины вала: один конец на более толстую, а другой — на ту, что потоньше. Середина каната образует петлю, продетую сквозь подвижный блок.

Когда вал вращают, канат сматывается с тонкой части вала, проходит сквозь блок и наматывается на толстую часть.

Может быть, у мастеров того времени не хватило умения построить разностный ворот, дающий силу тяги в 15 тонн, но тогда Архимед мог соединить ворот с дифференциальным блоком.

Этот остроумный механизм состоит всего лишь из двух блоков — подвижного и неподвижного, но неподвижный блок особого устройства: он изготовлен из двух шкивов разного диаметра, намертво скрепленных друг с другом. Такой блок похож на дифференциальный ворот: там вал разного диаметра, а тут шкив такой же.

Действует этот блок так: цепь или канат огибает шкив меньшего диаметра, опускается к подвижному блоку, проходит сквозь него и возвращается на неподвижный блок, но попадает на шкив большего диаметра.

Продолжая свой рассказ о событиях минувших лет, Плутарх диктовал рабу-писцу: «Царь, пораженный виденным и оценив могущество науки, пригласил Архимеда построить машины, пригодные для обороны города».

По словам Плутарха, Архимед согласился, но сделал это неохотно, потому что презирал практическую деятельность и считал свои изобретения игрушками. Историк писал: «Не должно думать, что Архимед придавал своим изобретениям большую цену. Для него это были большей частью как бы игрушки геометрии. Он исполнял их, уступая почетным настояниям царя Гиерона. Гиерон убеждал Архимеда перенести на время духовную мощь свою с умственных вещей на телесные и дать людям возможность ощутить силу его соображения, дав ее практическое, полезное применение… Построение же машин и все искусство, направленное на удовлетворение житейских потребностей, было в глазах Архимеда чем-то неблагородным и низкоремесленным».

Сиракузы не могли бороться с грозным Римом. В Первую Пуническую войну они вынужденно признали свою зависимость от Рима. И Гиерон аккуратно посылал римскому сенату ценные подарки, то есть платил дань, а жители Сиракуз скрепя сердце терпели надменное высокомерие римлян.

В Сиракузах тогда боролись две партии: олигархов и демократов. Олигархи — родовитые и богатые рабовладельцы — льнули к Риму; они продавали римлянам хлеб и покупали у них рабов. Демократическая партия состояла из сиракузских купцов, владельцев галер, ремесленников и мелких землевладельцев. Эта партия отстаивала независимость Сиракуз или, в крайнем случае, предпочитала присоединение к Карфагену. Большинство ученых тоже принадлежали к партии сторонников Карфагена.

Прошло пять дней. Римляне ринулись на штурм.

О том, что случилось в этот день, рассказывает древнегреческий историк Полибий. Он писал эти строки примерно через 50 лет после героической обороны Сиракуз.

«Римляне сняли с восьми пятипалубных кораблей — пентэр — весла, у одних с правого борта, а у других с левого, и связали суда попарно бортами, лишенными весел. На связанные пентэры они установили стенобитные машины — самбуки — и, действуя веслами только с наружной стороны, стали подвозить самбуки к городским стенам.

Находившиеся на каждом римском судне воины были вооружены луками, пращами и легкими дротиками-копьями, чтобы прогонять со стен города защитников Сиракуз, нападавших на суда из-за зубцов крепостных стен.

Архимед не оставил описания своих метательных машин. Судить о них, руководствуясь сообщениями Полибия или Плутарха, трудно. Эти историки сами не видали машин Архимеда. Они описывали их со слов римских воинов, многое преувеличивали и приукрашали, а иногда сообщали и вовсе неправдоподобные вещи.

До Второй Пунической войны римляне хотя и знали о существовании метательных машин, но почти не пользовались ими. Они довольствовались преимущественно стенобитными машинами — таранами. После Второй Пунической войны римская армия обзавелась метательной артиллерией. Видимо, жестокий урок Архимеда их кое-чему научил: они на себе испытали грозную мощь военной техники греков. Римляне стали строить свои машины по образцу орудий, захваченных в Сиракузах.

Катапульта, в отличие от баллисты, имеет только один упругий жгут; он расположен горизонтально и закреплен в прочной деревянной раме. В этот жгут вставлен конец рычага с «ложкой» наверху. В «ложку» вкладывали камень, а рычаг оттягивали назад и вниз воротом. При этом упругий жгут из бычьих сухожилий закручивался, накапливая силу для броска.

В нужный момент «ложку» катапульты отцепляли от веревки; упругий жгут быстро и с большой силой распрямлялся и поворачивал рычаг с «ложкой» так, что он ударялся о перекладину машины и камень вылетал из «ложки».

По меткости и дальности стрельбы катапульты уступали баллистам.

«Вороны» — это машины, устроенные наподобие современных колодезных журавлей. На одном конце «ворона» помещался груз — противовес, а с другого свешивался канат на блоке. К канату привязывали цепь с клещами или крюком. Цепь была нужна для того, чтобы осаждающие не могли отрубить клещи или крюк.

«Ворон» наклонялся через крепостную стену, как журавль в колодец. Защитники крепости направляли клещи так, чтобы захватить ими таран, которым противник пытается пробить стену. Если это удавалось, то воины, стоявшие у «ворона», изо всех сил тянули его вниз и поднимали захваченный таран наверх.

Изобретая машины, Архимед изучил свойства рычага, блока, ворота и открыл существование центра тяжести.

Подобно этому, решая один практический вопрос, заданный ему царем Гиероном, он установил закон равновесия плавающих тел.

Однажды царь Гиерон заказал мастеру изготовить золотой венец и выдал ему нужное количество золота. Искусно сделанный венец весил ровно столько же, как и полученное мастером золото.

Однако возникло подозрение, что мастер утаил часть золота, добавив при отливке венца взамен золота столько же по весу серебра.

Великий Архимед трагически погиб в день взятия римлянами Сиракуз.

Рассказывают, что ученый в это время решал какую-то геометрическую задачу. Увидев римского воина, вбежавшего в его дом, Архимед якобы воскликнул:

— Не тронь моих чертежей!

Но римлянин ударом меча убил его.

Плутарх и некоторые другие историки утверждают, что Марцелл был очень огорчен смертью Архимеда. Это вполне понятно, потому что имя великого ученого было прославлено среди его современников.

У Архимеда не было учеников, которым он передавал бы свои знания. Но все механики и инженеры в течение многих столетий учились по его сочинениям.

Замечательнейшими механиками и изобретателями II–I веков до нашей эры были Ктезибий и его ученик Герон.

Сын парикмахера, Ктезибий родился в Александрии. Ему надлежало унаследовать профессию отца. Но юношу влекли к себе математика и механика.

Александрия была огромным торговым городом. Туда приходили с юга караваны со слоновой костью, крокодиловыми кожами, страусовыми перьями и фруктами. Из Аравии купцы в белых бурнусах привозили финики, индийские шелковые ткани, серебряные и золотые изделия и красные рубины. Из Греции плыли корабли с оливковым маслом и виноградным вином.

Машины строились, чтобы выиграть в силе.

Данный Архимедом закон рычага позволил рассчитать выигрыш в силе на подвижном блоке, вороте, домкрате.

Но до Герона никто не дал правила, общего для всех машин, которое получило у механиков название «золотого»: «сколько выигрываем в силе, столько теряем в скорости».

Пусть, например, при подъеме груза полиспастом получается десятикратный выигрыш в силе. Зато рука, тянущая веревку, должна двигаться в десять раз скорее поднимающегося груза. Когда рука опустится на 20 сантиметров, груз поднимется только на 2 сантиметра.

Выигрыш в силе, получаемый при помощи машин, возбудил у изобретателей желание придумать «вечный двигатель». Эта машина, раз пущенная в ход, должна бы вечно продолжать свое движение.

На первый взгляд кажется, будто построить «вечный двигатель» нетрудно.

Возьмем, например, обыкновенное водяное колесо с черпаками, укрепленными на его ободе. Оно вращается под действием тяжести воды, наполняющей верхние черпаки и выливающейся из нижних.

Многим изобретателям казалось, что стоит к такому колесу присоединить насос — и «вечный двигатель» готов!