Кулибин, Иван Петрович
Иван Петрович Кулибин (1735-1818) выдающийся российский механик-самоучка и изобретатель различных механизмов. Он усовершенствовал шлифовку стёкол для оптических приборов. Разработал проект и построил модель одноарочного моста через реку Нева пролётом 298 метров. Создал «зеркальный фонарь» (прототип прожектора), семафорный телеграф и мн. др. Автор более 40 изобретений.
Биография
Иван Петрович Кулибин родился 10 апреля по старому стилю (21 апреля) 1735 года в Нижнем Новгороде, в семье мелкого торговца мукой. Его отец был старообрядцем и воспитывал сына в строгости, с ранних лет приучая к труду. Иван освоил грамоту и счет у дьячка, а затем встал за прилавок, чтобы помогать отцу. Однако больше всего юношу увлекало чтение книг и создание разных игрушек — «флюгеров, толчей, меленок». Убедившись в исключительных способностях сына, Кулибин-старший позволил ему заниматься слесарным и токарным делом.
Ещё в молодом возрасте его заинтересовала механика часов. Он изучал часовой механизм и, конечно же, мечтал создать свои часы. Как-то, будучи в Москве, Иван Кулибин познакомился с часовщиком Лобковым, который передал талантливому юноше не только свой опыт, но и безвозмездно набор необходимых инструментов. Это позволило двадцатилетнему Кулибину открыть в Нижнем Новгороде часовую мастерскую и вплотную заняться часами.
Работы в мастерской было немного, так как часы тогда имел далеко не каждый. Большая часть времени посвящалась разработке новых изобретений. Материально ему помогал друг отца, купец Михаил Костромин.
Одним из первых его произведений стали уникальные карманные часы в металлическом корпусе. Прослышав о намерении Екатерины II посетить Нижний Новгород, Кулибин задумался, «какие пристойные сделать часы, которые представить к поднесению ея императорского величества», и решил: быть им яичной фигурой. В этом проекте ему опять же помогал Костромин с условием, что часы они преподнесут императрице вместе.
Весной 1767 года Екатерины II приехала в Нижний Новгород. Купец Костромин, заручившись поддержкой губернатора Аршеневского ( Кулибин также ремонтировал ему часы и успел заслужить его расположение), добился привилегии представить царице самородка Кулибина и его произведения. Так как часы ещё не были готовы, представленный губернатором изобретатель продемонстрировал государыне созданную им электрическую машину, телескоп и микроскоп, рассказал о незаконченных часах и преподнёс сочинённую в её честь оду.
Екатерины II была восхищена работами мастера и пригласила Ивана Кулибина посетить Зимний дворец, как только его «времясчислительный снаряд» будет готов. Работу над часами Кулибин завершил в марте 1769 года, и сразу же вместе с Костроминым поехал в Петербург.
Часы в форме пасхального яйца
В часы размером с гусиное яйцо был установлен механизм часового боя, музыкальный аппарат, воспроизводящий несколько мелодий, и миниатюрный механизм, приводивший в действие фигурки в столь же крошечном встроенном театре. «В нём ежечасно растворялись маленькие Царские двери, за которыми виднелся Гроб Господень. По сторонам дверей стояли два воина с копьями. Отворялись двери златого чертога, и появлялся ангел. Камень, приваленный к двери, отваливался, дверь, ведущая в гроб, открывалась, стража падала ниц. Через полминуты появлялись жёны-мироносицы, куранты играли три раза молитву «Христос Воскреси», и двери затворялись». В любой момент с помощью специального механизма можно было включить этот театр-автомат. В полдень часы исполняли кант, сочинённый Кулибиным в честь приезда императрицы в Нижний Новгород.
Часовой механизм показывал на циферблате часы и минуты. Он состоял из заводного барабана, улитки (фузеи), колёсной передачи со стрелочным механизмом, хода и балансового регулятора. В качестве двигателя использовалась пружина, заключённая в барабан, который соединён с фузеей при помощи тонкой стальной цепи, по виду схожей с цепью Галля. Эта цепь была составлена из мелких сочленений, исключительно тонкой отделки. Фузея имела своим назначением выравнивание крутящего момента, передаваемого от пружины балансовому регулятору.
Указав, что «всех частей вообще больших и малых 427, сие число находится в часах в яйце», Кулибин подробно перечисляет в особой им составленной таблице, сколько и какие детали входят в это число. В частности, он указывает, что одних пружин —47, колес и трибов 32, разных крепёжных деталей до 175 («шпилек», «винтиков»), разных отделяемых штук — 139; 1 курантовый вал, 3 заводных барабана (с пружинами), 2 циферблата и т. д.
Корпус часов был изготовлен из золота и состоял из двух самостоятельных половинок: из собственно корпуса, в котором находился внутренний механизм и циферблат часов, и из чехла, который при желании мог открываться и закрываться. Наряду с часовым циферблатом, показывающим время, имелся циферблат курантового механизма, размещенный сбоку корпуса часов. Этот циферблат снабжен стрелкой, которая может переводиться рукой на соответствующий музыкальный номер. Наружная сторона корпуса имела тонкую художественную отделку.
Сейчас эти часы хранятся в Эрмитаже.
Поднесённый дар восхитил императрицу, и она предложила талантливому мастеру возглавить мастерские Академии наук, созданные ещё Нартовым и Ломоносовым, и Кулибин согласился. По приглашению директора Академии наук графа Орлова, в 1770 году он переехал в Петербург.
Мастерские были хорошо оборудованы станками и инструментарием. Часто присутствующий при астрономических наблюдениях царицы, Кулибин сконструировал ещё карманные «планетные» часы с очень сложным механизмом.
Карманные «планетные» часы
Они показывали не только часы, минуты и секунды, но и были снабжены «вечным календарём» и разнообразными дополнительными устройствами. На плоском циферблате вращалось 6 стрелок. Первая из них, имеющая на себе знак «Солнца», обращалась за 365 дней и показывала месяцы. Месяцы были обозначены 12 знаками зодиака, которые помещались на ободе корпуса часов и характеризовали собой годовое движение Солнца по эклиптике. Числа месяца на циферблате не были обозначены, они должны были появляться автоматически ежедневно в отверстии, специально устроенном на циферблате. Только один раз в четыре года (29 февраля), в високосный год, приходилось производить передвижение стрелки вручную. Вторая стрелка со знаком «Земля» показывала начало весны, лета, осени и зимы; третья — недели, обозначенные знаками небесных светил (Солнце — воскресенье, Луна — понедельник, Марс — вторник и т. д.); четвертая показывала часы; пятая — минуты, шестая — секунды.
Кроме указанного, карманные «планетные» часы Кулибина показывали фазы луны и часы восхода и захода солнца в Москве и Петербурге, а также часы рассвета.
Создавая свои «планетные» карманные часы, Кулибин занимался проектированием отдельных вспомогательных устройств календаря, разработкой кинематических цепей, составляющих схему часов, расчетом колесной передачи и элементов часового зацепления. Вместе с тем изобретатель стремился найти и применить в этих часах: -* а)достаточно эффективное устройство для температурной компенсации системы баланс—спираль; -* б)ход или спусковое устройство, лишенное недостатков цилиндрового хода; -* в)рациональные основы регулировки хода часов.
Необходимость применения особого часового зацепления побудила Кулибина заняться его разработкой. В качестве такого зацепления изобретатель проектирует применение в своих часах циклоидального зацепления упрощенной модификации, широко применяемого в часах и в наши дни. От правильного циклоидального это часовое зацепление отличается тем, что эпициклоиды головок зубьев колес и трибов заменены дугами окружности. Форма головки должна быть, по Кулибину, очерчена радиусом в 2/3 или лучше 3/4 толщины зуба. Замена эпициклоиды головки триба вызвана главным образом тем, что в зацеплении необходимо уменьшить угол входа ведущего и ведомого колеса от начала их контакта и до линии их центров. Придавая большое значение обеспечению плавности вращения зубчатой передачи, Кулибин положил это требование в основу расчета элементов зацепления.
Наибольшие трудности у Кулибина возникли при решении вопроса о выборе достаточно эффективного устройства для температурной компенсации системы баланс — спираль и хода, более эффективного, чем цилиндровый ход. Имея основательное знакомство с хронометровым ходом и биметаллическим разрезным балансом по известному ему хронометру английского часовщика Арнольда, Кулибин сначала был склонен применить их в своих часах. Хронометровый ход, как свободный ход с односторонним импульсом, вполне пригоден для устройства хронометров, но малопригоден для карманных часов, так как не выдерживает тряски, неизбежной при ношении часов. Хронометровый ход может надежно работать и быть точным лишь тогда, когда часы находятся в покое; толчки и сотрясения вызывают в хронометре проскакивание зубьев ходового колеса, увеличение амплитуды колебания баланса и даже остановку хронометра. Убедившись в этом, Кулибин начал искать способы и средства для устранения недостатка, чтобы часы с хронометровым ходом сделать надежными «в носке и верховой езде».
В результате исследований Кулибин пришел к выводу о необходимости увеличить массу баланса и период его колебаний. Но это оказалось недостаточным. Поэтому Кулибин стал проводить опыты с тем, чтобы усовершенствовать хорошо ему известный цилиндровый ход, что и привело его к созданию «горизонтального» хода. Этот ход от обычного цилиндрового хода отличается формой зубьев ходового колеса. Конструируя горизонтальный ход, изобретатель стремился в максимально возможной степени уменьшить трение между цилиндром и ходовым колесом. Опыты Кулибина, однако, показали, что созданный им ход не может полностью удовлетворять этому требованию без применения двух колес — колеса импульса и колеса покоя. От применения этого хода Кулибин отказался по технологическим соображениям, ввиду трудности его изготовления.
Кулибин, проводя исследования хронометрового и цилиндрового хода часов, стремился найти спусковой механизм типа свободного анкерного хода. С ним изобретатель, по-видимому, не был знаком, хотя в то время в Англии он был известен, но весьма редко применялся по технологическим причинам.
Мастер применил в часах удачное компенсационное устройство новой системы, выгодно отличавшееся от аналогичного устройства английского часовщика Джона Арнольда. У Кулибина баланс неразрезной и монометаллический. Он снабжён парой биметаллических пластин строгоопределённой длины, на конце которых имеются медные грузики Металлы (сталь и медь), из которых изготовлены эти пластины, плотно спаяны. Биметаллические пластины, или «тепломеры», как их именовал Кулибин, прикреплены не к самому ободу баланса, а к стальным планкам, которые изобретатель называл «стальными привертными дощечками». При повышении температуры пластинки с грузиками изгибаются внутрь и уменьшают момент инерции баланса. Баланс Кулибина превосходил по своим параметрам баланс Джона Арнольда. Биметаллические пластины согнуты точно по окружности обода баланса, а их концы, прикрепляемые к стальным планкам, обрезаны под углом 90°. Центральный угол, соответствующий части окружности, равен 90 или 100°.
Свое компенсационное устройство Кулибин разработал в трех вариантах, стремясь придать большую устойчивость движению «тепломеров» от «центра» и к «центру» баланса под действием температурных изменений.
Его компенсационное устройство было более обтекаемо, чем устройство Арнольда. Сам изобретатель писал об этом так: «А как у моих все приборы будут спаяны, выточены и вышлифованы, то по сему от ровного и гладкого хода в воздухе фальшивить не должны. У Арнольдовых же привертных к кругу маятника, движением своим рассекая воздух от неровностей привинченных приборов, должно быть сотрясение, хотя и нечувствительное, но вертикальное и горизонтальное».
На это творение изобретателю потребовалось несколько лет.
В области часовой механики Кулибин работал над теми же вопросами, над которыми в то время работали выдающиеся английские и французские часовщики, решая проблему создания хронометра и последующего усовершенствования его конструкции.
Кулибин создал также проекты башенных часов, миниатюрных «часов в перстне» и др.
За все его труды Екатерина II наградила мастера специально изготовленной золотой медалью на Андреевской ленте. На лицевой стороне медали было изображение императрицы и надпись «Достойному», на обратной – рельефы двух богинь, символизирующих союз Науки и Искусства. Богини держали лавровый венок над именем Кулибина, а надпись гласила «Академия наук – механику Ивану Кулибину». Почётная награда давала право её владельцу беспрепятственно в любое время входить в Зимний дворец наравне с высшими чинами Империи.
В 1797 году Кулибин починил башенные часы Зимнего дворца (погибли при пожаре 17 декабря 1837 года) и обновил боевые часы в самом дворце. В деле Кулибина, составленном за 1792-1799 гг. заведующим общим архивом Министерства Императорского Двора, сообщается что, механик Кулибин с 1797 года «содержит над Зимним замком боевые астрономические часы по величайшему повелению (императора Павла I). Также в 1799 полгода употребил на разобрание, перенесение и собрание в Эрмитаж одних часов с павлином, а других – со слоном. За верностью всех прочих часов имеет каждый день сам смотрение».
В 1801 году Кулибин уехал на родину, в Нижний Новгород, где занялся разработкой и постройкой принципиально новых речных судов.
11 августа 1818 Умер в Нижнем Новгороде.