Иван Петрович Кулибии — один из виднейших русских механиков и изобретателей. Перечень его работ обширен и многообразен: проект арочного моста через Неву, осуществленный в виде уменьшенной копии и установленный в Таврическом саду в Петербурге, оптический телеграф, водоходное судно, машина для соляных заводов, сеялка.
Помыслы Кулибина были направлены к тому, чтобы облегчить каторжный труд волжских бурлаков, крестьян, рабочих на соляных заводах. Великий механик мечтал прославить родину своими сооружениями.
Но в царской России судьба Кулибина сложилась так, что ни одно из его важных изобретений не было доведено до широкого практического использования. Только потомки смогли вполне оценить огромное значение кулибинского творчества. При жизни Кулибина величие его дерзаний понимали лишь передовые люди и ученые; при царском же дворе Кулибин пользовался почетом не за эти изобретения, а как придворный механик — за всякие «кунстштюки», служившие для развлечения императрицы Екатерины и ее приближенных, а позднее императоров Павла и Александра I. Таковы хитроумные, изящные часы, волшебный фонарь, различные фейерверки и тому подобное.
Очень много и упорно работал Кулибин над «самобеглой коляской». По одному из своих проектов он построил хорошо действовавшую самокатку.
Самокатка была трехколесной. Два задних колеса были ведущими, а переднее — направляющим.
Кулибин поставил перед собой почти те же задачи, которые стоят и в наше время перед конструкторами автомобилей. Только нынешний конструктор знает, как решить их, в его распоряжении — образцы уже осуществленных машин, справочники.
Кулибин применил для самокытки одно-единственное поворотное колесо. Зато самокатка имела маховик, подшипники качения, коробку передач.
Усилие можно умножить, замедлив движение. Попытки двигать повозку силой пружины, ветра или реакцией струи пара не дали хорошего результата. Легкий велосипед оказался единственным работоспособным самокатом.
Все, что было в его распоряжении, — это «самобеглая коляска» Шамшуренкова, отрывочные сведения о заграничных проектах подобных экипажей да законы механики, в те времена изученные и изложенные далеко не так полно и ясно, как теперь.
Рассматривая самокатку Кулибина и оставляя в стороне все то, что нам уже известно из экипажного дела — колесо, кузов и другое, можно представить себе новые задачи, которые решал Кулибин. Вот они: сделать работу механизмов коляски более плавной, обеспечить движение коляски не только по ровным, но и по тяжелым дорогам, на подъемах; дать «двигателю», то есть слуге, который приводил коляску в действие, возможность отдыхать после разгона коляски до определенной скорости; уменьшить трение в механизмах самокатки.
Люди давно заметили, что если приложить силу к какому-нибудь тяжелому, способному катиться или вращаться предмету, дать ему толчок, то он будет продолжать катиться или вращаться некоторое время и после того, как действие силы прекращено. Предмет как бы накапливает энергию, а затем расходует ее; вращается или движется, как говорят, по инерции. Оказалось, что можно двигать тяжелый предмет толчками, и его однажды возникшее движение будет плавным, непрерывным. Этот принцип хорошо наблюдать на работе колодца с колесом: толчками вращают огромное колесо; несмотря на то, что полное ведро тянет колесо в обратном направлении, можно даже на короткое время отнять руку от колеса — накопленная в нем энергия будет все так же плавно поднимать ведро.
Приблизительно такое же колесо, так называемый маховик, включил Кулибин в систему силовой передачи своей самокатки. Слуга, который приводил механизм коляски в действие, находился сзади, на запятках. Становясь на педали, попеременно поднимая и опуская ноги, он толкал то одну, то другую тяги, передававшие эти толчки на звездочку (зубчатое колесо) храпового механизма, который был насажен па вертикальной оси маховика. Вращение маховика сглаживало толчки и обеспечивало плавный ход самокатки.
В работе того же колодезного колеса можно увидеть и другой принцип, который был использован Кулибиным для устройства коробки передач, обеспечившей движение самокатки с разными скоростями в зависимости от дорожных условий.
Действительно, возникает вопрос: как удается придать легкими толчками ладони вращение колодезному колесу, когда его удерживает ведро весом около трех четвертей пуда? Дело в том, что колесо имеет гораздо больший диаметр, чем ворот, на который намотана веревка с ведром на конце. Сила тяжести ведра, скажем, равная 10 килограммам, приложена на плече не более чем 0,2 метра, а сила человека — на плече длиной не менее 1 метра. Значит, человек должен приложить к колесу силу в пять раз меньшую — всего 2 килограмма. При этом рука человека проходит вместе с ободом колеса путь, скажем, около 0,5 метра, а ведро поднимается только на 0,1 метра. Происходит увеличение силы за счет скорости.
Увеличение силы требовалось и для того, чтобы заставить самокатку Кулибина двигаться на подъем или по плохой дороге. Если на горизонтальной утрамбованной парковой дорожке движение коляски обеспечивалось силой примерно в 20 килограммов, то на подъеме в 5—6° или на булыжной мостовой при той же скорости требовалась втрое большая сила. Это увеличение можно было получить двумя способами: заставить слугу напрягаться или уменьшить скорость. Кулибин выбрал последнее.
От оси уже упомянутого маховика усилие передавалось через пару шестерен па продольный горизонтальный вал. На заднем конце вала находилась еще одна шестерня, зацеплявшая при вращении зубцы большого барабана, смонтированного на оси задних колес. Так вращение передавалось от маховика к колесам. Чтобы быть вполне точным, нужно заметить, что зубцы в шестернях самокатки были выполнены в виде простых выступов — штифтов; это было так называемое «цевочное зацепление», несколько упрощенное по сравнению с ныне известным всем зубчатым.
На донышке барабана было три круга штифтов. Самый малый имел 10 штифтов и был вдвое меньше второго и втрое меньше третьего. Ведущую шестерню на горизонтальном валу, также имевшую 10 штифтов, можно было передвигать вдоль вала, вводя ее в зацепление со штифтами одного из кругов. При зацеплении со штифтами малого круга скорости вращения вала и оси колес были равны; при зацеплении со штифтами второго или третьего круга колеса вращались вдвое или втрое медленнее, но с удвоенным или утроенным усилием. А слуга нажимал на педали равномерно, не напрягаясь.
Таким образом, в силовой передаче кулибинской самокатки были составные части трансмиссии теперешнего автомобиля.
Механизм привода давал самокатке свободный ход. Когда она катилась под уклон или шла после разгона по ровной дороге, тяги привода скользили по зубцам шестерни, и слуга мог не работать педалями и отдыхать.
Оси колес самокатки покоились не в гнездах, как оси карет того времени, а на гладких цилиндрах, установленных на раме. Цилиндры образовывали подобие теперешнего роликового подшипника. Оси не соприкасались со всей поверхностью опоры, а перекатывались по поверхности цилиндра. Трение, естественно, значительно уменьшалось.
Для рулевого управления Кулибин выбрал схему, отличную от распространенной экипажной и более близкую к еще не применявшейся тогда шарнирной. Единственное переднее колесо самокатки не нужно было перекатывать, как колеса экипажной оси, насаженной на шкворень; его нужно было лишь поворачивать вокруг его собственной вертикальной оси. Рулевой привод состоял из двух рычагов, тяг и поворотного круга, в котором было установлено переднее колесо. При поворачивании одного из рычагов назад тяга, связывавшая этот рычаг с кругом, поворачивала круг, а вместе с ним и колесо, в соответствующую сторону. Забегая вперед, отметим, что привод от рулевого вала к одному из передних колес автомобиля устроен -почти так же, а на второе колесо поворот передается от первого поперечной тягой, как у экипажей с шарнирной передней осью.
Но все усовершенствования, введенные Кулибиным в конструкцию самокатки, все же не могли превратить ее в полноценный самодвижущийся экипаж. Мускулы человека были недостаточно мощным и недостаточно надежным двигателем.
Расчет показывает, что для передвижения повозки (вместе с тремя-четырьмя людьми) весом до полутонны хотя бы со скоростью 10 километров в час по булыжной дороге требуется мощность около половины лошадиной силы. Ясно, что один или два человека могут развивать такую мощность только в течение очень короткого отрезка времени.
Поэтому мускульно-силовые самокаты не получили распространения.
