Орудия труда, можно сказать, способствовали развитию человека и одновременно являлись показателем\символом эволюции.
Для создания любого инструмента необходимо четко представлять, из чего его можно сделать и как это можно сделать.
Первый вопрос - к материаловедению, второй - к технологии.
Материаловедение как сумма знаний о различных характеристиках материалов, используемых для производства чего-либо, оценивает возможности применения того или иного природного или искусственного материала для изготовления какого-либо инструмента с заранее заданными характеристиками.
Технология как сумма знаний о совокупности производственных процессов выбирает производственный процесс, нужный для создания какого-либо инструмента с заранее заданными характеристиками.
Чтобы изготовить инструмент, необходимы знания и материаловедения, и технологии.
Вся история инструмента, его создания, производства и применения неразрывно связана с развитием этих наук.
Начало всего
Первобытный человек сообразил, что если взять в руку камень, то можно увеличить силу удара руки. Так возник первый, древнейший, вид инструмента - ударный. Но камни в природе обычно имеют округлую форму. Человек заметил, что при падении с высоты или при сильном ударе по камню он раскалывается с образованием кусков уже другой формы. Был подобран камень, ударом другого камня по нему он был расколот на куски, и у них обнаружились острые кромки. Из получившихся кусков был выбран кусок, лучше всех ложившийся в руку и с удобно расположенной на нем режущей кромкой. Это было ручное рубило. Так возник второй вид инструмента - режущий.
Технология родилась именно в этом процессе. Применение этого рубила показало, что для успешной работы им нужно искать достаточно твердые камни для его изготовления. Режущая кромка у мягких камней быстро затуплялась, что заставляло тратить время на изготовление другого рубила.
Материаловедение возникло из опыта сравнительной оценки различных камней для создания рубил с режущими кромками высокой стойкости и выбора соответствующего вида камня.
Опыт применения этого инструмента показал, что режущие свойства рубила обеспечиваются тем, что кромка имеет форму клина. Чем меньше угол при вершине этого клина, тем выше режущие свойства рубила.
Открытие клина и его режущих свойств было одним из великих открытий человека. Оно стоит в одном ряду с открытием огня и умением добывать и использовать его, с изобретением колеса, рычага и т. д.
Каменный век инструмента
Всю историю первобытного общества можно разбить на три четко выраженных периода развития инструмента:
- палеолит (2 млн. лет назад - 12 000 лет назад);
- мезолит (12 000 лет назад -7000 лет назад);
- неолит (7000 лет назад - 3000 лет назад).
Палеолит характеризуется самыми примитивными методами обработки камня и дерева.
Материаловедение определило кремень - Si02 - как наилучший материал для изготовления режущих (и не только режущих) орудий. Широкое распространение в природе, несложность добычи его в нужном количестве, исходные свойства кремня - твердость, способность раскалываться на куски при ударе, а при умелом и точном ударе - на достаточно тонкие пластинки (отщепы) с превосходными режущими свойствами обеспечили кремню успех как материалу для производства инструмента. Технология была достаточно проста: имеются два камня - кремень обрабатываемый и кремень, которым обрабатывают, - отбойник. Ударами различной силы оббивали заготовку, стараясь получить, с одной стороны, ровное острое лезвие, с другой - округлый затыльник, удобно лежащий в руке.
Однако твердость кремня из достоинства при его использовании превращалась в недостаток при его обработке. Она требовала сильных и резких ударов по заготовке, что исключало создание ровного режущего лезвия. При отесывании заготовки от нее отлетали пластинки кремня различных размеров с острыми краями, слишком маленькие для использования в качестве рубил, но вполне пригодные для резания. Они успешно шли в дело безо всякой дальнейшей обработки, так что безотходная технология - изобретение отнюдь не наших дней.
Из этих отщепов возник новый вид инструмента - скребок, которым было удобно очищать звериные шкуры от остатков мяса и жира. Да и дерево неплохо резалось этим скребком. Длинные и тонкие отщепы стали применять как инструмент для прокалывания и высверливания отверстий в шкурах и дереве.
Начали появляться опыт и традиции. Создание новых видов инструментов, орудий требовало профессиональной и высококвалифицированной работы на постоянной основе. И в роду или уже в племени появился мастер, который выполнял эту работу. По своему социальному статусу в племени он стоял на третьем месте после вождя и шамана.
Технология обогатилась новой методикой подготовки кремня к обработке. Кремневый желвак заворачивался на время в мокрую шкуру, после чего с него легче оббивалась корка и яснее просматривалась структура поверхности кремня, определявшая, что именно из него будет сделано. Появилась и новая методика обработки. Она заключалась в нанесении несильных, но частых и точных ударов по заготовке. Такие удары отделяли от нее мелкие кусочки кремня, создавая инструмент с ровной и прямой режущей кромкой.
Еще одна новая методика -"контрретушь" - состояла в том, что по готовому уже инструменту, уложенному на массивную твердую "наковальню", наносились частые удары деревянной колотушкой - "ретушером", отбивая от инструмента совсем уже маленькие кусочки. Эта технология применялась в основном для заточки новых режущих инструментов и для переточки затупившихся.
Материаловедение предложило новые материалы для производства инструмента - кость и рог. Свойства этих материалов были близки к свойствам кремня за исключением твердости, но их обработка была проще, и они позволяли создать такие инструменты, которые невозможно было сделать из кремня.
Ручное рубило. Составной инструмент - это рубило, соединенное с палкой. Так появился новый вид инструмента - топор, резко увеличивший силу удара режущей частью рубила. Вслед за этим был создан молот. В деревянную или костяную основу вставлялись небольшие кремневые отщепы с острыми кромками. Так, например, создавались ножи с высокими режущими свойствами.
Ассортимент инструментов все более расширяется, появляются специализированные инструменты, предназначенные для выполнения определенных операций, например, для шитья одежды из мехов и кожи -иголки с ушками, для деревообработки - резцы и т. д.
В производстве деревянного инструмента и орудий нашел применение и огонь. В результате обжига повышалась твердость дерева. Такая технология также предохраняла дерево от гниения.
Топор каменный. В это же время зарождались и основы эргономики. Рукояткам инструментов начали придавать такие формы, которые меньше утомляли руку при работе.
Однако бурное расширение потребления кремня для производственных нужд привело к его дефициту. Возникшая ситуация предлагала два варианта действий: или активные поисково-разведочные работы новых месторождений кремня, или сокращение его расхода в производстве инструмента и орудий и повышение коэффициента его использования.
Технология микролитических инструментов и орудий - вариант N 2 - явилась выходом из сырьевого кризиса. Она стала следующим этапом в технологии производства составных инструментов. Уменьшились размеры инструментов, они стали изящнее по своим формам при сохранении свойств и даже их расширении. Упростилась технология производства наиболее распространенных инструментов, сократились расход и потери сырья, а также снизились затраты времени на производственный процесс.
Неолит, последняя стадия каменного века в истории инструмента, явился временем наивысшего развития технологий обработки камня, кости и рога. Были открыты свойства аналогов кремня - яшмы, диорита, нефрита и др. минералов, пригодных для производства инструментов и орудий. Особо нужно выделить обсидиан или вулканическое стекло - материал, непревзойденный по остроте режущих кромок его отщепов.
Подмеченная способность кварцевого песка и других природных абразивов оставлять глубокие царапины на кремневых орудиях привела к внедрению новых технологий: распиловки, черновой обдирки, шлифования и полировки кремня, кости и рога с применением абразивных материалов.
Кузница в Ассирии. Технология сверления с применением абразивных порошков и трубчатых костей стала великим открытием в производстве инструментов. Под перпендикулярно срезанный торец трубчатой кости, приводимой во вращение сначала руками, а затем с открытием лука - тетивой лука, обернутой вокруг кости, подсыпался абразивный порошок и подавалась вода как смачивающая и охлаждающая жидкость. Эта технология позволяла выполнять сквозное сверление во всех известных материалах, включая и кремень.
Умение сверлить кремень позволило окончательно решить проблему надежного закрепления ручек в ударных инструментах - топорах, молотках и т. п. - в сквозные отверстия (так называемые всады) вставлялась и расклинивалась ручка инструмента. Применение абразивных материалов для заточки и полировки режущих лезвий каменных инструментов позволило довести их остроту до максимально возможного предела.
Основные инструменты (ножи, топоры, молотки, тесла и т. д.) приобрели знакомые нам современные формы.
Неолит стал также и временем первого знакомства с самородными металлами - медью, золотом, серебром и очень редким метеоритным железом.
Появление металла
Археологи и историки выделяют медный век (около 4000 лет до н. э. -3000 лет до н. э.); бронзовый век (3000 лет до н. э. - 1000 лет до н. э.) и железный век (1000 лет до н. э. - наше время). С освоением металлов мастера - производители инструмента и орудий из камня, кости и рога стали превращаться в кузнецов. И если ранее их профессия уже была окружена всеобщим уважением и почетом, то теперь, кроме всего этого, ее стал постепенно окружать и покров тайны.
Медный век был достаточно кратким в истории человечества, но за это время была освоена медь - самый первый металл, получивший широкое распространение. Медь - металл, чаще всех встречающийся в самородном виде и вполне подходящий для производства инструментов и других орудий. Золото для этих целей было непригодно в силу его мягкости, трудоемкости добычи.
Бронзовый век. Бронза, сплав двух металлов - меди и олова, стала следующим металлом, освоенным человеком. Прочность ее оказалась значительно выше, чем у меди, и бронзовые инструменты обладали существенно более высокой стойкостью.
Кузница в Древней Греции
Материаловедение путем чисто эмпирических действий стало изучать свойства этих материалов для производства инструментов. Технология предложила уже привычные методы для обработки этих материалов, однако методы оказались непригодными -под ударами материалы не раскалывались, как давно известный кремень и его аналоги, а пластично деформировались - ковались. Но это свойство металлов - пластичная необратимая деформация - очень облегчало создание новых форм различных предметов без применения сложной технологии, применяемой при обработке каменного сырья. Новая технология -механическая обработка давлением, она же холодная ковка, вошла в арсенал металлообработки.
В процессе освоения ковки выяснилось, что под ударами молота металлы становятся прочнее, происходит так называемая нагартовка, рост прочности и твердости поверхностного слоя металла. При нагреве же металла и медленном его охлаждении - отжиге - нагартовка исчезает, а сам металл становится мягким. При сильном нагреве металл хорошо поддается ковке. Возникает еще одна новая технология - горячая ковка металлов.
Новые технологии создали и новые инструменты. Возникли кузнечные клещи для удержания раскаленных заготовок при ковке, кузнечные зубила для разрубания горячих поковок и т. д. Возрастает масса молотов, они получают удлиненные ручки, обеспечивавшие увеличение силы удара.
С созданием мехов для подачи воздуха в кузнечные горны, позволивших повысить температуру нагрева обрабатываемых металлов до их расплавления, возникла технология формового литья. Теперь расплавленный металл можно было отлить в форму, получив почти готовое изделие. Заточка литого режущего инструмента с уже сформированной режущей кромкой была проще.
Ассортимент медных и бронзовых инструментов расширяется, появляется все больше специализированных инструментов. Создаются строительные и сельскохозяйственные, а также инструменты для горнодобывающих работ.
Металлы позволили упростить производство инструментов и расширить их ассортимент при снижении трудозатрат и времени производства.
Серьезным недостатком меди и бронзы являлась их низкая твердость и в силу этого неудовлетворительная стойкость режущих кромок. Режущие инструменты приходилось часто перетачивать или вообще изготовлять заново. Поэтому полностью вытеснить из обихода каменные, костяные и роговые инструменты, в особенности их режущие виды, ни медь, ни бронза не могли.
Инструмент в ранних цивилизациях (до н. э. - VII в. до н. э.)
С точки зрения истории инструмента важен тот факт, что в этот период в Древнем Египте и Междуречье впервые появилось такое явление, как ремесленничество. Основными производителями инструментов среди ремесленников были кузнецы.
Из новых видов инструментов, возникших в Древнем Египте и Междуречье, нужно назвать коловорот - инструмент для сверления отверстий. Египтяне широко применяли для соединения частей деревянных изделий деревянные же гвозди, для которых требовалось сверлить огромное количество отверстий в соединяемых деталях. Египтяне ввели в употребление и деревянный молоток, т. е. молоток с головкой из дерева. Этот молоток вполне годился для работы с деревянными гвоздями. Отдельно необходимо упомянуть специализированный ювелирный инструмент, возникший при работах с золотом и серебром. Новый вид инструмента - измерительный инструмент -применялся в основном для землемерных работ, а также при разбивке строительных площадок под возводимые сооружения.
Материалом для мастеров-инструментальщиков Древнего Египта и Междуречья были медь и бронза, а также природно-легированные сплавы на основе бронзы, обладающие повышенной твердостью (так называемая черная бронза и ее разновидности, весьма редкие и очень высоко ценившиеся). Но материаловедение понимало, что механические свойства меди и бронзы в сравнении со свойствами железа были значительно ниже. С железом мастера Древнего Египта и Междуречья познакомились сначала в виде метеоритного железа, крайне редко встречающегося в местах падения метеоритов. Первые же изделия из железа, полученного уже из природных руд, известны с 1500 г. до н. э. Окончательным переходом в железный век принято считать время с VII в. до н. э. по V в. до н. э.
Железный век окончательно утвердил железо как основной материал для производства инструментов и орудий. Железные инструменты, особенно режущие, наглядно демонстрировали свое полное превосходство над инструментами из меди и бронзы.
Технология искала и находила новые методы обработки железа для создания из него инструментов и орудий. Основным технологическим методом стала горячая свободная ковка железа. Были открыты и новые технологии термической обработки железных изделий - закалка и отпуск. Закалка резко повышала их твердость, но увеличивала хрупкость. Отпуск снижал хрупкость, но одновременно уменьшал твердость. Методом проб и ошибок отыскивалось необходимое соотношение этих свойств. Было обнаружено, что если проковать место контакта двух раскаленных кусков железа, то эти куски прочно соединятся в единое целое. Возникла еще одна новая технология - кузнечная сварка. Применение этой технологии позволило разработать способ осталивания - наварки стального лезвия на железный инструмент. Появилась технология науглероживания железа - насыщение поверхностного слоя железного изделия углеродом, повышавшим твердость изделия. Особенно ценной она оказалась для создания режущих инструментов.
Все эти новые технологии позволили создавать прочные железные инструменты, увеличить их режущую способность и повысить стойкость. Особенно важно это было для деревообрабатывающих инструментов. Они стали реже требовать переточки и позволяли обрабатывать такие породы древесины, которые медными и бронзовыми инструментами обрабатывались с большими трудозатратами. Но широкое распространение железа сдерживалось сложностью производства его в нужном количестве. Наладить массовое производство инструментов из железа оказалось возможным только в античное время.
Инструмент в античное время (VII в. до н. э. - V в. н. э.)
Античный железный инструмент в Греции и Риме практически повторял уже существовавшие виды медных и бронзовых инструментов. Но стал легче и изящнее в силу более высокой прочности железа.
Произошло важное событие -производство железа отделилось от производства изделий из него, в частности инструмента. Теперь кузнец уже не сам занимался получением железа из руды, а покупал готовое железо у тех, кто специализировался на его производстве.
Возник инструмент для обработки металлов резанием. Его появление стало возможным благодаря технологиям закалки и науглероживания железа, резко повышавших твердость и стойкость инструмента. Расширился ассортимент инструментов для развивающегося земледелия - кос, серпов, вил, мотыг и т. п. Зарождающееся кораблестроение в странах, бедных строевым корабельным лесом, потребовало создания новых инструментов для обработки древесины, позволяющих экономнее расходовать драгоценную импортную древесину. Возник такой вид инструментов, как продольные пилы для разделки стволов деревьев на доски, необходимые для строительства кораблей с набойной обшивкой. Произошло разделение деревообрабатывающего инструмента на плотницкий и столярный. Все возрастающие масштабы строительных работ потребовали новых строительных инструментов. Инструменты из железа могли обрабатывать такие строительные материалы, для которых не годились инструменты из меди и бронзы.
Технология обогатилась двумя новыми методиками соединения различных металлов - клепкой и пайкой.
Инструмент в Средние века (V-XVBB.H.3.)
Гибель Римской империи и утрата многих достижений античных технологий отрицательно повлияла на развитие инструментов и их производства. Многие инструменты, применявшиеся в больших мастерских с разделением труда, были забыты за полной их ненадобностью - для замкнутого автаркического хозяйства феодала или на крестьянском дворе они были просто не нужны.
С возрождением городов, существовавших еще в римскую эпоху, а также с возникновением новых городов в них появлялся класс ремесленников, производителей различной продукции, среди которой был и разнообразный инструмент.
Многие ремесленники нуждались в нем, так как самостоятельно изготавливать его для своего производства было просто невозможно, не владея соответствующими технологиями и оборудованием. Инструмент также начинал пользоваться все возрастающим спросом и за пределами самих городов. Ремесленники в бурно развивающихся городах создали свои цехи - объединения по профессиональному признаку. Но в цеховой организации производства, связанной многочисленными ограничениями, места для каких-либо совершенно новых видов инструментов просто не было.
Материаловедение в Средние века познакомилось с таким замечательным материалом, как булат, попавший в Европу в ходе крестовых походов в виде оружия с высочайшими режущими свойствами. Однако производство булата было окружено глубокой тайной. Поставки его в Европу с востока производились только в виде холодного оружия. А вскоре технология производства булата вообще была утрачена в самих местах его возникновения и производства. И тем не менее загадка булата подтолкнула на его исследования целый ряд выдающихся ученых Европы. Но это произошло уже в Новое Время, в эпоху промышленного переворота.
Каких-либо совершенно новых инструментов или технологий Средние века так и не смогли создать.