Колониальный раздел мира в XV и XVI веке между Португалией и Испанией, и начало его передела Голландией, Англией и Францией сначала с помощью пиратов и каперов, а затем и государственных военно-морских сил. Войны на море восточных государств - Японии, Кореи и Китая. Основная тактика морского боя - поджег и разрушение судов противника с помощью огнестрельной артиллерии, пришедшей в XIV веке на смену самострелам и катапультам, а также свободный абордаж. В конце периода, в связи с появлением флажной сигнализации как средства управления и увеличением дальнобойности корабельной артиллерии, появляются предпосылки принятия на европейских флотах тактики линейного боя - организованной и строго регламентированной артиллерийской дуэли корабельных соединений, завершающейся абордажем противников-дуэлянтов.

Рис.2. Типичная венецианская галера XV века (L= 35-40 м, B= 5,0-5,5 м, T= 1,5 м, D=150-180 т ^*), при строительстве которой впервые использованы схемы и простейшие чертежи.

В средние века интенсивное строительство большого количества галер в Венеции для противоборства с Османской империей привело к появлению первой технической документации, содержащей кроме всего прочего схемы и простейшие чертежи. Уже в XIV веке в Венеции на морском арсенале (стапели и бассейны для достройки кораблей) работало до 16 тыс. рабочих различных цехов - плотников, кузнецов, парусников, конопатчиков, такелажников и др. под руководством мастеров и строителей.

В 1410 г. венецианский кораблестроитель Теодоро де Николо создает "Наставление по конструированию галер" и "Руководство к конструированию галер и кораблей", считающихся первыми обстоятельными трудами, обобщающими опыт строительства кораблей и ведения строительной документации той эпохи.

При строительстве большого количества судов самыми разными мастерами, обладающими сугубо индивидуальным опытом, и к тому же еще, держащими его в строгом секрете, естественно возникала проблема обеспечения точности изготовления деталей корпуса и рангоута, хотя о точности в те времена можно было говорить весьма условно.

Любая техническая проблема обычно вызывается требованиями и, в данном случае, ими стали идентичность или близость строящихся судов по грузоподъемности, скорости хода и управляемости. Очевидно, что такая проблема могла быть решена только на основе разработки общих схем и простейших чертежей, а также обучения их чтению.

Рис.3. На рисунке изображен прообраз китайских океанских джонок начала XV века, которые по тем временам были самыми большими кораблями в мире и до сих пор поражают своими размерами и техническим совершенством. Поперечные переборки до верхней палубы, днищевые стрингеры и палубные карлингсы, румпельный руль в диаметральной плоскости, косые паруса - вот неполный перечень технических решений, позволявших этому типу кораблей иметь удивительные прочность и долговечность, ход против ветра, непотопляемость и маневренность.

Значительному развитию технической мысли в области кораблестроения в XV веке способствовали труды великого Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.). Написанное им в 1507 г. сочинение «О движении и измерении воды» можно считать первой попыткой со времен Архимеда осмыслить физические процессы, связанные с водой, ее поведение в покоящемся состоянии и движении.

Краткая биографическая справка: Леонардо да Винчи, итальянский живописец, скульптор, архитектор, ученый и инженер. Находясь на службе у герцога Милана, проявил себя как военный инженер и гидротехник. Заложил физические основы гидравлики, выявил принцип равновесия жидкости в сообщающихся сосудах, занимался вопросами картографии и распространения звука в воде (гидроакустика), создал первый проект подводной лодки, летательного аппарата и парашюта, предложил конструкцию шлюза, исследовал сопротивление материалов, изобрел водные лыжи и спасательный круг.

Сверхъестественная острота восприятия Леонардо и его знаменитый созерцательный метод познания мира позволили ему поразительно достоверно чувствовать поведение жидкости при ее течении (рис.4) и строительных материалов, находящихся под нагрузкой. Только этим можно было объяснить то, что, не имея на вооружении физических законов, он считался отменным мастером конструирования каналов, шлюзов и плотин, проектировал соборы, пытался исследовать циркуляцию крови и аэродинамику полета, изучал волнообразование воды во время прибоя, изобрел гидравлический прибор для определения горизонтального положения и даже делал серьезные предложения турецкому султану по строительству моста через Босфор (!), а правителям Венеции - по созданию подводной лодки для уничтожения турецких кораблей.

Таким образом, труды Леонардо да Винчи, хотя и не обоснованные с физической точки зрения и изданные, как правило, спустя много лет после смерти автора^*), во многом предопределили развитие корабельных наук в XVI веке.

Рис. 4. Эскизы Леонардо да Винчи водных образований при обтекании преград и сливе, сделанные им в 1507 г., по всей видимости, для сочинения "О движении и измерении воды", просто поражают: современная замедленная киносъемка обнаруживает завихрения, которые он уловил невооруженным глазом и детально зарисовал.

Дальнейшее развитие технической документации связано с английским судостроением и, в частности, с именем кораблестроителя Мэтью Бейкера (1533-1603 гг.), которому в 1571 г. впервые в Англии было присвоено звание корабельного мастера.

Соперничество на море с Испанией способствовало настолько сильно развитию судостроения в Англии, что весь XVI век она лидировала в судостроении среди европейских стран, значительно опередив Испанию с Португалией и соседнюю Францию, которая еще в начале века строила первоклассные корабли.

Основным достижением строительной документации Бейкера явились первые теоретические эскизы и чертежи корпусов кораблей, позволяющие производить гибку шпангоутов (флоров и тимберсов) для серийных кораблей единообразно с помощью лекал, изготовленных в соответствии с этими чертежами, и тем самым, значительно повысить точность изготовления корпуса корабля как самой сложной его части.

В манускрипте 1586 г."Фрагменты старого английского кораблестроения", приписываемом Бейкеру, представлены самые первые проектные чертежи корабля. По всей видимости это были серийные галеоны типа “Ревендж” водоизмещением 976 т (рис.5), организацию постройки которых накануне разгрома “Непобедимой армады” осуществлял знаменитый моряк и капер Джон Хоукинс (1532-1595 гг.), являвшийся с 1571 г. главным кораблестроителем Англии.

Заложенные великим греком основы гидростатики были существенно развиты лишь через восемнадцать веков, когда в том же 1586 г. вышел классический труд "Принципы равновесия" голландского инженера и математика Симона Стевина (1543-1620 гг.), который ввел в Европе десятичные дроби. Стевин по сути вновь открывает закон плавучести, формулируя его как равенство равнодействующих сил - силы веса и силы плавучести (поддержания), действующих с условных центров - центра тяжести и центра величины, и описывает основное условие равновесия: центр тяжести должен находиться на одной вертикали с центром величины (рис.6), т.е.

D = g V ; x_c = x_g , (1586 г.)

Вместе с тем, тогда Стевин ошибался, утверждая, что для обеспечения остойчивости судна, понятие которой он впервые формулирует, центр тяжести должен быть обязательно ниже центра величины.

Еще одним существенным вкладом Стевина является описание основных свойств гидростатического давления (всесторонность давления) и объяснение эффекта сообщающихся сосудов.

а).
б).
Рис.5. Галеон “Ревендж” (а) и прообраз теоретического чертежа его корпуса (б), разработанный английским кораблестроителем Бейкером (L=30,0 м, B=8,7 м, T=4,55 м, D=976 т).

Рис. 6. Схема сил, действующих на плавающий корабль.

Почти одновременно со Стевином и независимо от него (труды Стевина были написаны на малоизвестном в научных кругах голландском языке, а латинский перевод появился только в 1608 г.) вопросы гидростатики решал гениальный итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642 гг.), сочинение которого "Рассуждения о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся" вышло в свет в 1612 г. В нем изложен оригинальный подход к обоснованию закона Архимеда и теории плавания тел. Галилей рассматривает поведение тела в жидкости в ограниченном объеме и ставит вопрос о весе жидкости, способной удержать тело заданного веса.

.

Краткая биографическая справка: Галилео Галилей, итальянский ученый, один из основателей точного естествознания. Заложил основы современной механики: выдвинул идею об относительности движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, сложения движений; открыл изохронность колебаний маятника. Построил телескоп с 32-кратным увеличением и открыл горы на Луне, четыре спутника Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце.

Обстоятельное изучение гидростатического давления Стевином и Галилеем было вызвано тогда не только потребностями в судостроении, но и техническими проблемами, которые возникали при строительстве самых различных гидротехнических сооружений, что в особенности касалось Голландии, отвоевывавшей у моря каждый квадратный метр суши с помощью дамб.

В 1614 г. опубликовывается сочинение итальянца П.Пантеро "Боевые корабли"- первая научная работа, систематизирующая всевозможные данные по средиземноморским галерам и, в частности, подробно описывающая конструкцию галер и их тактическое использование.

1571 г. был знаменит не только тем, что он связан с именем Бейкера или с последним на Средиземноморье сражением галерных флотов Венеции и Османской империи при Лепанто. В этом году родился Иоганн Кеплер (1571-1630 гг.) - знаменитый немецкий астроном, который открыл законы движения планет и заложил основы интегрального исчисления. В 1615 г. он написал статью «Новая стереометрия винных бочек» о вычислении объема винных бочек, где использовался принципиально новый подход к вычислению объемов, ограниченных криволинейными поверхностями, основанный на идее метода неделимых, принадлежащей Архимеду. Предложенный Кеплером способ замены произвольных криволинейных отрезков прямыми линиями стал в основу, так называемого, приближенного интегрирования, которое развивалось впоследствии многими учеными и широко используется до настоящего времени.

В 1629 г. немецкий ученый Йозеф Футтенбах опубликовывает в Ульме сочинение “Корабельная архитектура”, в котором дается описание отдельных строительных элементов таких итальянских судов, как галера, галеас и галеот, бергантино, фелукка, фрегатта и т.д., что явилось дальнейшим обобщением судостроительного опыта Средиземноморья.

Рис. 7. Шведский 64-пушечный галеон “Васа” (L= 62 м, B=11,7 м, T= 4,7 м, D= 1300 т) был одним из крупных кораблей своего времени. В 1628 г. на глазах у ликующей публики Стокгольма он при подготовке торжественного салюта опрокинулся от небольшого шквала ветра и затонул, унеся с собой более 400 человек. Катастрофы судов от потери остойчивости в те времена случались и раньше, однако эта трагедия, ввиду ее полной нелепости, обострила проблему обеспечения остойчивости корабля при минимальном возвышении вырезов под пушечные порты над ватерлинией.

Дальнейшее развитие интегральное исчисление на основе метода неделимых получает в трудах итальянского математика Бонавентуры Кавальери (1598-1647 гг.), который в 1635 г. опубликовывает сочинение о вычислении площадей и объемов с помощью совокупности довольно разнородных, но практически пригодных приемов для определения площадей и объемов как простых, так и сложных фигур и тел.

И хотя первоначально появление интегрального исчисления было вызвано не потребностями судостроения, развитие этого раздела математики в дальнейшем позволит именно кораблестроению выйти на новый качественный уровень, где проблема точности определения объемного водоизмещения как нигде обострилась до крайности. Вслед за Кавальери интегральное исчисление получило дальнейшее развитие в трудах французского математика Пьера Ферма (1601-1665 гг.) и итальянского физика и математика, ученика Галилея, Евангелисты Торричелли (1608-1647 гг.).

В этом же году французский кардинал Ришелье высказывает идею и предпринимает первые действия по созданию в стране академии наук, призванной, в частности, решать многие научные проблемы кораблестроения и мореплавания.

Рис.8. Титульный лист знаменитых “Бесед...” Галилео Галилея.

Возвращаясь к Галилею, необходимо отметить, что в кораблестроении он прославился не исследованиями гидростатики, а как родоначальник новой науки о прочности. В 1638 г. незадолго до смерти Галилея в голландском городе Лейдене вышла в свет на итальянском языке его знаменитая книга "Беседы и математические доказательства о двух новых науках, относящихся к механике и местному движению синьора Галилео Галилея, первого философа и математика великого герцога Тосканы" (рис.8). Первой наукой является механика равноускоренного движения (падение тел), а второй - сопротивление материалов.

Определенное представление о прочности и упругости материалов было еще в античной и средневековой науке (Филон из Византии, Герон Александрийский, Иордан Неморадий - XIII в., Леонардо да Винчи - XV в.). Однако Галилей первым поставил вопрос о прочности тел и первым попытался его решить, так как в “Беседах” он рассматривает один из фундаментальных вопросов: “сопротивление, оказываемое твердыми телами силе, стремящейся их сломать” [5].

Рис.9. Обычная и параболическая конструкция балок.

Сам Галилей подчеркивал в своей книге прикладное значение своей работы и, в частности, для нужд кораблестроения. Так, например, анализируя изгиб призматической балки (например бимсов корабля), загруженной сосредоточенной силой в пролете, он заметил, что нагруженность сечений по мере удаления от точки приложения силы падает. Раз так, то нужно сечения делать переменными по площади и при постоянной ширине балки наиболее выгодно изменять ее высоту по параболе (рис.9): "Отсюда ясно, что можем уменьшить вес балок на 33%, нисколько не вредя их прочности; это обстоятельство может принести большую пользу при постройке крупных кораблей, в особенности при укреплении палуб и покрытий, так как в сооружениях подобного рода легкость имеет огромное значение" [5].

Таким образом, Галилея можно считать и основателем специального раздела прочности - строительной механики корабля.

В 1641 г. Торричелли получает формулу для определения скорости жидкости, вытекающей из отверстия в сосуде - одну из основных формул гидравлики

, (1641 г.)
где v - скорость жидкости,м/c; g - ускорение свободного падения, м/c²; h - отстояние отверстия от поверхности жидкости, м.

В 1650 г. в Англии впервые обнародовано сочинение, посвященное обзору достижений английского кораблестроения, одного из фаворитов английской королевы Елизаветы I, мореплавателя и организатора пиратских и первых колониальных экспедиций в Америку Уолтера Рэли ^*) (1552-1618 гг.), написанное им в первом десятилетии XVII века во время заключения в Тауэре.

В результате сравнения английских кораблей XVI и начала XVII века Рэйли формулирует шесть главных требований к любому строящемуся кораблю: прочность корпуса, скорость, остойчивость, возможность действовать артиллерией во всякую погоду, плавность качки и возможность держаться против ветра. Особой ценностью является то, что в этом фундаментальном труде автор дает обстоятельные рекомендации по размерам основных деталей корпусного набора, характеру обводов и назначению осадки, выбору соотношения длины и ширины корпуса судна.

Краткая биографическая справка: Уолтер Рэли, английский мореплаватель, организатор каперских экспедиций, поэт, драматург, политик, историк и ученый. Получил образование в Оксфордском университете. Фаворит королевы Елизаветы I. Основатель первой английской колонии «Вирджиния» в Северной Америке. Управляющий рудниками, лорд-наместник Девона и Корнуэлла, один из руководителей разгрома испанской «Непобедимой армады». Автор книг о Гвиане и Истории мира.

Глава 3. Период становления и революционного развития корабельной науки (с 1650 по 1906 год)