CC BY
15
ВЕСТИ ИЗ МУЗЕЕВ
УДК 069.7 EDN DFBVCE
DOI 10.29003/m3776.0514-7468.2024_46_1/81-89
ПАНТОГРАФ: ИСТОРИЯ УНИВЕРСАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
Г.А. Базанчук, С.В. Кураков, Г.В. Тихомиров*
Плоские и пространственные механизмы сыграли важную роль в истории мировой науки и техники. На примере пантографа - раннего математического инструмента - прослежено во времени развитие этой уникальной по своей простоте конструкции; показаны редкие экземпляры этих приборов из коллекции музея МГТУ им. Н.Э. Баумана. Широкое применение пантографов относится к XVIII-XIX вв., что позволяет раскрыть взаимосвязь между естествознанием (совокупность знаний о Земле, природных объектах, явлениях и процессах) и инженерными, сугубо техническими дисциплинами. До недавнего времени в машиностроении использование механизма пантографа позволяло решать вопросы получения деталей со сложной фасонной поверхностью на копировальных станках без применения систем ЧПУ. Ныне копировальные станки с пантографом продолжают выпускаться, но скорее для хобби, досуга, художественной обработки материалов.
Ключевые слова: пантограф, ранние математические инструменты, масштаб, копир, копировальный станок с пантографом.
Ссылка для цитирования: Базанчук Г.А., Кураков С.В., Тихомиров Г.В. Пантограф: история универсальной конструкции // Жизнь Земли. Т. 46, № 1. С. 81-89. DOI: 10.29003/m3776.0514-7468.2024_46_1/81-89.
Поступила 26.01.2024 /Принята к публикации 21.02.2024
PANTOGRAPH: THE HISTORY OF THIS UNIVERSAL DEVICE
G.A. Bazanchuk, S.V. Kurakov, G.V. Tikhomirov
Museum Bauman Moscow State Technical University
The article talks about the important role played by the rectilinear-directing mechanism in the history of world science and technology. Using the example of pantograph, an early mathematical instrument, we will trace the development of this design, unique in its simplicity, over time and show rare examples of these devices from the collection of the
* Базанчук Галина Алексеевна - директор музея, bga@bmstu.ru; Кураков Сергей Витальевич - инженер музея, ст. преподаватель кафедры «Метрология и взаимозаменяемость», kurakov@bmstu.ru; Тихомиров Григорий Викторович - магистр 2 курса, tgv-22@yandex.ru; МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Жизнь Земли 46(1) 2024 81-89 81
Museum of Bauman Moscow State Technical University. The widespread use of pantographs dates back to the 18th-19th centuries, which allows us to reveal the relationship between natural sciences (the body of knowledge about the Earth, natural objects, phenomena and processes) and engineering, purely technical disciplines, using the example of the use of these scientific instruments in the activities of naturalists and scientists and inventors. Until recently, in mechanical engineering, the use of pantograph mechanisms made it possible to solve the problems of producing parts with complex shaped surfaces on copying machines without the use of CNC systems. Nowadays, copying machines with pantographs continue to be produced, but rather for hobbies, leisure, and artistic processing of materials. The authors' choice of the topic is dictated by the infrequent mention of such tools and mechanisms in modern Russian publications and sources.
Keywords: pantograph, early mathematical instruments, scale, copier, copying, pantograph copying machine.
For citation: Bazanchuk, G.A., Kurakov, S.V., Tikhomirov, G.V., "Pantograph: the history of this universal device", Zhizn Zemli [Life of the Earth] 46, no 1, 81-89 (2024) (in Russ., abstract in Engl.). DOI: 10.29003/m3776.0514-7468.2024_46_1/81-89.
Введение. В современном мире мы окружены предметами, имеющими очень древнюю историю функционального применения. Зачастую назначение и форма многих вещей претерпевают значительные метаморфозы. Примером таких превращений является пантограф - инструмент пропорциональной математики, охватывающей античность, Средние века и эпоху Возрождения. Если сегодня исследователь обратится к ресурсам Интернета, результатом поиска будут конструкции токосъёмника для электротранспорта, манипуляторы для разгрузочно-погрузочных работ, механизмы мебельных лифтов, стойки для удобного расположения микрофона и многое другое. Авторов заинтересовало инженерно-техническое направление применения пантографа, но в данной статье характеризуется использование этого плоского пространственного механизма в естественнонаучной сфере и области обработки материалов - дерева, кости и металла.
Первое известное научное описание устройства пантографа и его применения дал Христофор (Кристоф) Шейнер (лат. Christophori Scheiner, 1575-1650) - немецкий астроном, физик, механик и математик в своём труде [10], изданном в 1631 г. В трактате автор описывает изобретённый им в 1603 г. прибор и приводит примеры его использования в широком спектре областей человеческой деятельности: от астрономии до гражданских и военных наук, а также применительно к изобразительному искусству. Аллегорический фронтиспис издания показывает, что пантографом можно работать как горизонтально, так и вертикально, чтобы, например, механически воспроизвести перспективу. Мы видим устройство, хотя и грубое (упрощённое) по конструкции, но вполне эффективное для решения прикладных задач того времени (рис. 1).
Немного ранее Жак Бессон (Jacques Besson, 1540?-1573) - французский изобретатель, математик, богослов и философ - в своём трактате [9] приводит схему работы машин и механизмов, где применяется плоскопараллельное движение пантографа или параллелограмма, а также показывает способ построения фигур постоянной ширины методом копирования - обкатки шаблона (рис. 2).
Как видим, научный опыт Античности и Средних веков стал базой для применения нашего устройства в эпоху Ренессанса и Просвещения. Итак, пантограф - это прибор, предназначенный для копирования планов, чертежей, карт, гравюр и эстампов, декоративных элементов и т. д. в увеличенном или уменьшенном масштабах. Его название происходит от двух греческих слов: pantos - «весь (всё)» и grapho - «пишу», т. е. «всё пишу», тем самым подчёркивается многофункциональность устройства.
Рис. 1. Титульный лист, фронтиспис и примеры конструкций пантографа из издания «Pantographice...» Х. Шейнера, 1631 г. [10].
Fig. 1. Title page, frontispiece and examples of pantograph designs from C. Scheiner's book "Pantographice...", 1631 [10].
Рис. 2. Прямая и обратная задача построения фигур постоянной ширины методом копирования (а, б) и применение пантографа в механизме подачи суппорта плоскошлифовального камнерезного станка (в) [9].
Fig. 2. Direct and inverse problem of constructing constant-width figures by the copying method (а, б) and the use of a pantograph in the support feed mechanism of a surface grinding stone-cutting machine (в) [9].
Чертёжные пантографы и механизмы с пантографом в коллекции музея МГТУ им. Н.Э. Баумана. Мы уже знакомили читателя журнала «Жизнь Земли» с самым ранним экспонатом музея МГТУ им. Н.Э. Баумана - это английский пантограф фирмы «Nairne & Blunt» [3], произведённый в 1774-93 гг., которому на прошедшем 16 декабря
¿^¿ÎShû З&мигь
2024, том 46, № 1
2022 г. юбилейном XXX заседании Экспертного совета при Политехническом музее был присвоен статус «Памятник науки и техники России».
Второй пантограф из коллекции музея МГТУ им. Н.Э. Баумана изготовлен в мастерской Чарльза Бланта (Charles Blunt, сын Томаса Бланта), произведён в Лондоне на Tavistock street, дом 38, примерно в 1811-18 гг. и имеет ряд локальных технологических упрощений. Он более прост в изготовлении, чем первый пантограф, но при этом оба прибора имеют одно и то же компоновочное решение, примерно равные габариты и вес. Небольшие отличия в деталях (рис. 3) говорят о том, что в начале XIX века английским производителям математических инструментов приходилось жертвовать эстетикой внешнего вида механизмов в угоду конкурентоспособности своих изделий при бурном развитии и увеличении числа подобных фирм во время промышленной революции [2]. Но при этом представленные пантографы всё равно являются непростыми в изготовлении, имеющими высокую долю ручного труда приборами; они наглядно демонстрируют посетителям нашего музея технологические возможности мастеров того времени.
Рис. 3. Сравнение двух пантографов: 1 - «Nairne & Blunt», 1774-1793; 2 - «С. Blunt», 1811-1818: а) более точная фасонная пропиловка плоского шарнира (по стрелке); б) и в) - более изящное оформление мест крепежа и сочленений у модели 1. Из коллекции музея МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Fig. 3. Comparison of two pantographs: 1 - one by "Nairne & Blunt", 1774-1793; 2 - one by "C. Blunt", 1811-1818: а) more precise shaped sawing of a flat hinge (arrow); б) and в) - more elegant design of fastening points and joints in model 1. From the collection of N.E. Bauman MSTU museum.
Одним из таких примеров технического совершенства может служить редкая модель пантографа (рис. 4), выпускавшегося в середине XIX века фирмой оптиков-механиков «Г. Белау и Сынъ» (фр. «G. Boelau et Fils») в Санкт-Петербурге. В этом приборе при помощи нити и системы блоков происходит взаимодействие копировального узла (рис. 4в) с подпружиненным чертёжным приспособлением (рис. 4б), что позволяет пользователю пантографа, когда нужно, поднимать грифель и прерывать обводку до перемещения иглы копира в нужную точку на плоскости.
Во второй половине XIX века постепенно наступает закат эры применения чертёжных пантографов - для масштабирования станут использовать оптическо-проекционные методы переноса изображения, копирование выполнять фотохимическим способом, находить длину пути курвиметром, а площадь - планиметром. Конечно, прибор ещё
Рис. 4. Пантограф «Г. Белау и Сынъ», середина XIX в. (а); чертёжное устройство с плоской пружиной (б); копировальный узел с системой блоков и рычагом (в). Из коллекции музея МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Fig. 4. Pantograph by "G. Boelau et Fils", mid-19th century. (а); drawing device with a flat spring (б); copying unit with a system of blocks and a lever (в). From the collection of N.E. Bauman MSTU Museum.
будет производиться и усовершенствоваться в XX веке, пантограф станет более точным и жёстким, в его комплекте появятся новые приспособления, сложные узлы и даже линзы для удобства работы [6]. Но из-за своей громоздкости и больших габаритов пантографы станут «обитателями» конструкторских бюро, военных штабов и геодезических контор, скорее, как непременный атрибут интерьера, чем прибор первой необходимости инженера-конструктора, топографа и др.
В конце XVIII века английский изобретатель Джеймс Уатт применяет т. н. «параллельное движение» для прямолинейного направления поршня и клапана в его паровой машине. Узел, реализовавший этот замысел, получил название «параллелограмм Уатта», или «механизм Уатта» (рис. 5).
Рис. 5. Модель рычажного механизма паровой машины Уатта, изготовленная в 1862-1867 гг. в мастерских МРУЗ из русской коллекции А.С. Ершова музея МГТУ им. Н.Э. Баумана (а); схема паровой машины Уатта (б); диаграмма траекторий механизма Уатта (в).
Fig. 5. Model of the lever mechanism of Watt's steam engine, made in 1862-1867 in the workshops of MRUZ from the Russian collection of A.S. Yershov, Museum of Moscow State Technical University named after N.E. Bauman (а); diagram of Watt's steam engine (б); diagram of trajectories of Watt's mechanism (в).
Это несколько иной вид пантографа, но всё же во всех отношениях это настоящий пантограф. В более поздней практике в качестве узлов перемещения для исполнительных механизмов будут использоваться обработанные направляющие, но в ХУШ веке технология точной обработки таких узлов, имевших большие габаритные размеры, ещё не была развита. На диаграмме (рис. 5в) показана траектория перемещения механизма Уатта. Это не совсем параллельное движение, точнее - лемнискатоида, плоская алгебраическая кривая шестого порядка, частный случай кривой скольжения, но, как видим, эта кривая имеет параллельный участок необходимой длины для выполнения своей задачи плоскопараллельного перемещения.
Изобретение Уаттом его параллелограмма привело к тому, что в первой половине XIX века появилось огромное семейство плоских механизмов с прямыми направляющими, которые решали задачу превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот [7]. С этой научной проблемой в буквальном смысле бились многие известные учёные-механики, такие как Эванс, Нейрлих, Редтенбахер, Рёло и др. «Инженерный ажиотаж» не обошёл стороной великого русского математика и механика, академика П.Л. Чебышёва, разработавшего свой плоский пространственный механизм [4], модель которого хранится в музее МГТУ им. Н.Э. Баумана (вместе с другими творениями гениального учёного, изготовленными в мастерских ИМТУ по его заказу) и занимает достойное место среди других многочисленных экспонатов коллекции кинематических моделей с прямолинейными направляющими (рис. 6).
Дальнейшее развитие конструкции станков с пантографом. Свойством пантографа редуцировать (уменьшать) копируемое изображение очень быстро воспользовались художники-гравёры и медальёры [5]. На свет появился копировально-гравировальный
Рис. 6. Пример отображения информации о модели П.Л. Чебышёва в сетевом ресурсе «Теа-трум Машинарум - цифровой музей» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Справа - часть коллекции плоских пространственных механизмов Ф. Рёло в витрине музея.
Fig. 6. An example of displaying information about P.L. Chebyshev's model in the network resource "Theatrum Mashinarum - Digital Museum" of N.E. Bauman MSTU. On the right is part of F. Reuleaux' collection of flat spatial mechanisms in a museum showcase.
станок, кинематическая схема которого в дальнейшем развилась, преобразовалась и была использована при создании широкой группы копировально-фрезерных и копироваль-но-строгальных станков с пантографом. В 1788 г. француз Жан-Баптист Бартоломью Дюпьер (фр. Jean Baptiste Barthélémy Dupeyrat, 1759-1834) создал чуть более продвинутую машину (рис. 7), которая получила широкое признание среди французских ремесленников и закупалась Монетными дворами Англии (Soho и Королевский монетный двор), а также Монетным двором в Карлсруэ (Германия). Как и первая паровая машина, этот копировальный станок сразу нашёл своё применение в 1790 г. на предприятии в Сохо, которым руководил Мэттью Болтон (англ. Matthew Boulton, 1728-1809) - английский промышленник и деловой партнёр инженера Джеймса Уатта.
Рис. 7. Фронтальный вид «медальёрного, или портретного» станка с пантографом, предположительно авторства Жана-Баптиста Бартоломью Дюпьера, конец XIX в. [8, с. 592]: А) крупная заготовка для обводки копиром, Б) уменьшенное вырезанное изображение, например, медального или монетного штемпеля (пуансона).
Fig. 7. Frontal view of the "medal or portrait" machine with a pantograph, presumably by Jean-Baptiste Bartholomew Dupierre, late 19th century. [8, p. 592]: А) a large blank for tracing with a copier, Б) a reduced cut-out image, for example, of a medal or coin stamp (punch).
«.Мы не можем точно установить время, когда это изобретение Дюпьера было обнародовано; но мы уверены, что прошло не очень много времени с этого момента... Одно несомненно - автор опирался на труды Плюмье (фр. Charles Plumier, 1646-1704) и Ла Кондамина (фр. Charles-Marie de la Condamine, 1701-1774)., а также схемы механика Ш. Юло (фр. C. Hulot), значительно их упростив.» - цитата из учебника токаря «Bergeron», 1796 г. [8, с. 592]. На самом деле, перед нами двухшпиндельный токарный станок, на котором шаблон и заготовка устанавливаются на отдельные передние бабки, обращённые к фронтальной части станка. Трассирующий (копирующий) и режущий инструменты установлены на рычаге, поворачиваемом влево. Стоит обратить внимание, что направляющие пантографа узлы крепления инструмента и шарниры выполнены достаточно жёстко - не из металлополосы, а из прутка квадратного сечения.
Другое практическое применение пантографа в XIX в. - механизированное нанесение монограмм, букв, цифр и различных надписей на простые и фасонные поверхности
(рис. 8) - для памятных подарков, сувениров и т. п. При этом гравёр мог выполнить надпись двумя способами - при осевом вращении инструмента (сверла, бура или фрезы) получалось, по сути, фрезерование, а при неподвижном инструменте (резце) надпись была похожа на штихельную гравировку.
Рис. 8. Гравировальный пантограф, гравюра из Американской энциклопедии 1870 г.1 Гравёр обводит копиром набранное слово, инструмент повторяет уменьшенное изображение на ручке столовой ложки. Справа - пример такой тиражной гравировки монограммы.
Fig. 8. Engraving pantograph, a print from the American Encyclopedia, 1870. The engraver traces a typed word with a copier, and the tool repeats a reduced image on the handle of a tablespoon. On the right is an example of such a monogram print.
Громоздкие чертёжные «левиафаны» к середине XX века практически исчезают, механизм пантографа дольше всего продержался в устройствах копировально-фрезер-ных и многошпиндельных станков [1]. Но и здесь пантограф в конце XX века потеснили станочные системы с ЧПУ, а с развитием программного обеспечения и интеграцией автоматизированного проектирования c автоматизированным производством посредством CAD/CAM/CAE и вовсе сделали прибор «техническим анахронизмом». Таковы современные реалии. Конечно, копировальные станки с пантографом продолжают выпускаться (например, появился термин «Дупликарвер») в машиностроительном сегменте рынка, но уже скорее для хобби, досуга, мелкосерийного производства, художественной обработки материалов при гравировальных, ювелирных, а также реставрационных работах или в версии «сделай сам».
Заключение. Пантограф, или параллелограмм, как плоский пространственный механизм, привнёс в механику XVIII-XIX вв. множество возможностей для создания нового оборудования, позволившего решить проблему использования пара как источника энергии и передачу различного вида рабочих движений машин. Прибор способствовал развитию гравировального дела, помогал геодезистам изменять масштаб карт, навигаторам - рассчитывать криволинейную длину маршрута пути, а чертёжникам - копировать необходимые документы. Посетители музея МГТУ им. Н.Э. Баумана могут убедиться в этом, познакомившись с богатой коллекцией моделей кинематических механизмов, часть из которых - не что иное, как модифицированный или усложнённый пантограф.
1 http://glavmex.ru/forum/viewtopic.php?f=3&p=37361, https://www.si.edu/object/patent-model-pantographic-engraving-machine:nmah_998164
ЛИТЕРАТУРА
1. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. М.: ЛЕНАНД, 2021. Т. 1. ISBN 978-5-9519-2082-9.
2. Базанчук Г.А., Кураков С.В. Инженерная графика и черчение как искусство. Экспонаты из коллекции и фондов музея МГТУ им. Н.Э. Баумана // Станкоинструмент. 2019. № 4 (17). C. 120.
3. Базанчук Г.А., Кураков С.В. Ранние математические инструменты в коллекции Музея МГТУ имени Н.Э. Баумана - связь естествознания и прикладной науки // Жизнь Земли. 2022. Т. 44, № 1. С. 90-91.
4. Ершов Б.А., Кутеева Г.А., Тарабарин В.Б. О роли моделей механизмов П.Л. Чебышёва в истории науки и техники // Гуманитарный вестник. 2016. № 1 (39). С. 8-11.
5. Загорский Ф.Н. Труды Ла-Кондамина по теории токарно-копировальных станков. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 34-35.
6. Нетыкса М.А. Техника черчения: О том, как и чем чертить. М.: Типолитография Т-ва И.Н. Кушнерев и К°, 1913. С. 282.
7. Тарабарин В.Б. Коллекция моделей механизмов МГТУ им. Н.Э. Баумана. Историческая часть 1860-1935. М.: Изд-во Первый том, 2019. С. 217-238.
8. Bergeron L.-E. Manuel du tourneur: ouvrage dans lequel on enseigne aux amateurs la manière d'exécuter sur le tour à pointes, à lunette, en l'air, excentrique, ovale, à guillocher, quarré, à portraits & autres, tout ce que l'art a produit de plus ingénieux & de plus agréable (https://archive.org/details/ manueldutourneur02berg/mode/2up).
9. Besson J. Théatre des instrumens mathématiques et méchaniques de Jacques Besson, avec l'interprétation des figures d'icelui par Fr. Beroald (https://catalogue.bnf.fr/ark:/12148/cb393159737).
10. Scheiner Ch. Pantographice, seu ars delineandi res quaslibet per parallelogrammum lineare seu cavum, mechanicum, mobile: libellis duobus explicata, et demonstrationibus geometricis illustrate (https://archive.org/details/gri_33125008065183/page/n11/mode/2up).
REFERENCES
1. Artobolevsky, I.I., Mechanisms in modern technique (Moscow: LENAND, 2021. V. 1) (in Russian).
2. Bazanchuk, G.A., Kurakov, S.V., "Engineering graphics and drawing as an Art. Exhibits from the museum collection of the Bauman Moscow State Technical University", Stankoinstrument 4 (17), 120 (2019) (in Russian).
3. Bazanchuk, G.A., Kurakov, S.V., "Early mathematical instruments in the museum collection of the Bauman Moscow State Technical University: The connection of natural and applied sciences", Zhizn Zemli [Life of the Earth] 44 (1), 90-91 (2022) (in Russian).
4. Yershov, B.A., Kuteyeva, G.A., Tarabarin, V.B., "Role of P. Chebyshev's models of mechanisms in the history of science and technology", Gumanitarnyy vestnik 1 (39), 8-11 (2016) (in Russian).
5. Zagorsky, F.N., Proc. of La Condamine on the Theory of Copy Turning Lathes (Moscow: USSR Academy of Sciences, 1960) (in Russian).
6. Netyksa, M.A., Drawing technique: About how and with what to draw (Moscow: Typo-lithography T-va I.N. Kushnerev and C°, 1913) (in Russian).
7. Tarabarin, V.B., Collection of mechanisms models from BMSTU. Historical part 1860-1935 (Moscow: Pervyi tom [First volume], 2019) (in Russian).
8. Bergeron, L.-E., Manuel du tourneur: ouvrage dans lequel on enseigne aux amateurs la manière d'exécuter sur le tour à pointes, à lunette, en l'air, excentrique, ovale, à guillocher, quarré, à portraits & autres, tout ce que l'art a produit de plus ingénieux & de plus agréable (https://archive.org/details/man-ueldutourneur02berg/mode/2up).
9. Besson, J., Théatre des instrumens mathématiques et méchaniques de Jacques Besson, avec l'interprétation des figures d'icelui par Fr. Beroald - Gallica (Bibliothèque nationale de France) (https:// catalogue.bnf.fr/ark:/12148/cb393159737).
10. Scheiner, Ch., Pantographice, seu ars delineandi res quaslibet per parallelogrammum lineare seu cavum, mechanicum, mobile: libellis duobus explicata, et demonstrationibus geometricis illustrate, (https://archive.org/details/gri_33125008065183/page/n11/mode/2up).
