Leonardo interesował się maszynami latającymi, odkąd zaczął brać udział w przygotowywaniu przedstawień teatralnych. Tworzeniem spektakli zajmował się przez całą swoją karierę: od początku terminu w pracowni Verrocchia aż po ostatnie lata życia, które spędził we Francji. Konstruowane przez niego mechaniczne ptaki po raz pierwszy – a także ostatni – użyte zostały w charakterze rekwizytów do dworskich inscenizacji.
Latający aktorzy inspiracją dla Leonarda
Podczas organizowanych we Florencji widowisk Leonardo pierwszy raz zobaczył pomysłowe urządzenia pozwalające aktorom wznosić się w powietrze i unosić się nad sceną zupełnie tak, jakby opanowali sztukę latania. W latach 30. XV w. we Florencji wystawiono zapierającą dech w piersiach sztukę teatralną „Zwiastowanie”; funkcję „mistrza efektów” odpowiedzialnego za oprawę pełnił Brunelleschi, który tak jak później da Vinci był artystą i inżynierem.
W 1471 r., gdy dziewiętnastoletni Leonardo pracował w warsztacie Verrocchia, spektakl wystawiono ponownie, używając tej samej maszynerii scenicznej, którą 40 lat wcześniej zaprojektował Brunelleschi. Zawieszona na krokwiach obręcz podtrzymywała 12 chłopców przebranych za anioły. Maszyneria złożona z wielkich bloków, podnośników i kołowrotów pozwalała poruszać, unosić i opuszczać obręcz oraz pozostałe elementy scenografii. Dzięki temu anioły z pozłacanymi skrzydłami trzymające w rękach harfy i płonące miecze mogły zstąpić z nieba i ocalić dusze tych, którzy zasłużyli na zbawienie; jednocześnie z piekielnych czeluści pod sceną wyskakiwały diabły.
Prezentowany przez nas fragment (skróty i śródtytuły od redakcji) pochodzi z książki „Leonardo da Vinci” autorstwa Waltera Isaacsona (tłum. Michał Strąkow) wydanej przez Wydawnictwo Insignis. Więcej informacji: www.insignis.pl
„Leonardo da Vinci”, Walter Isaacson (tłum. Michał Strąkow) / Wydawnictwo Insignis
Innym wystawianym w owym czasie przedstawieniem było „Wniebowstąpienie”, w nim też występowali latający aktorzy. Według relacji jednego z widzów „niebiosa rozwarły się i ukazał się Ojciec Niebieski w cudowny sposób zawieszony w powietrzu, zaś aktor grający Jezusa oderwał się od ziemi, uczyniwszy to bez żadnej widocznej pomocy, po czym płynnym ruchem wzniósł się na znaczną wysokość”. Wniebowstąpieniu towarzyszyła grupa aniołów siedząca na zawieszonych nad sceną sztucznych chmurach .
Pierwsze studia nad lotem przeprowadził Leonardo właśnie na potrzeby takich spektakularnych widowisk. Zestaw szkiców wykonanych przez niego tuż przed wyjazdem z Florencji do Mediolanu w 1482 roku przedstawia skrzydła podobne do tych nietoperza, którymi można poruszać za pomocą specjalnej korby. Z pewnością nie pozwoliłyby osobie kręcącej ową korbą wzbić się w powietrze – przytwierdzone były bowiem do czegoś, co wyglądało na maszynerię sceniczną.
Na innym rysunku przedstawił konstrukcję składającą się z pojedynczego pozbawionego piór skrzydła oraz zębatych przekładni, bloków, korb i lin. Sposób umieszczenia korby oraz rozmiary kół zębatych wskazują, że również i ta machina przeznaczona została wyłącznie na użytek teatru. Jednak nawet podczas pracy nad projektami scenicznymi Leonardo nie zaniechał uważnej obserwacji natury. Na odwrocie kartki z opisanym wyżej szkicem widnieje zygzakowata linia biegnąca z góry na dół wraz z dopiskiem: „W taki sposób ptaki obniżają lot”.
Jeszcze jeden argument przemawia za tym, że na florenckich rysunkach Leonardo przedstawił konstrukcje teatralne, a nie prawdziwe machiny latające: w liście do Ludwika Sforzy wymienił wszelkie rodzaje broni i bojowych pojazdów, jakie potrafił skonstruować, ale nie wspominał o machinie latającej. Dopiero w Mediolanie zabrał się za tworzenie inżynieryjnych projektów, które miały znaleźć zastosowanie w realnym świecie.
Kolejny pomysł Leonarda to obserwacje ptaków
A oto pewien test. Każdemu z nas zdarza się czasem obserwować ptaki w locie, ale czy kiedykolwiek przyjrzeliście się im na tyle dokładnie, by zauważyć, czy bijące skrzydłami latające zwierzę opuszcza je z taką samą prędkością, z jaką je unosi? Leonardo nie tylko zwrócił na to uwagę, ale także zaobserwował, że ta różnica w prędkości zależy od gatunku ptaka. „Są ptaszyny, które poruszają skrzydłami szybciej, gdy je opuszczają, niż gdy je unoszą; tak jest w przypadku gołębi – zanotował. – Są także takie, które opuszczają skrzydła wolniej, niż je podnoszą; należą do nich wrony i tym podobne”. Jeszcze inne gatunki, na przykład sroki, opuszczają i unoszą skrzydła z jednakową prędkością.
Da Vinci opracował strategię, która miała mu pomóc w wyostrzeniu własnych zdolności obserwacyjnych. W tym celu spisywał metodyczne instrukcje określające krok po kroku kolejność prowadzenia obserwacji. „Zacznij od określenia ruchu wiatru, a potem opisz, w jaki sposób ptaki utrzymują się w powietrzu dzięki jedynie balansowaniu skrzydłami i ogonem – brzmiała jedna z instrukcji. – Zrób to po opisaniu ich anatomii”.
W notatnikach Leonardo zapisywał skrupulatnie wyniki tych obserwacji, które robią na nas ogromne wrażenie przede wszystkim dlatego, że sami na co dzień nie poświęcamy czasu na tak uważne śledzenie zwyczajnych zjawisk. Podczas pobytu w podarowanej mu przez Ludwika winnicy w Fiesole da Vinci zauważył podrywającą się do lotu góropatwę azjatycką. „Kiedy ptak o dużej rozpiętości skrzydeł chce wzbić się w powietrze, silnym ruchem unosi skrzydła i ustawia je tak, by dostał się pod nie podmuch wiatru” – zanotował.
Na podstawie obserwacji stwierdził, że zachodzi prawidłowość w rozmiarach ptasich skrzydeł i ogona. „Ptaki o krótkich ogonach mają bardzo rosłe skrzydła, które dzięki swej długości przejmują funkcje ogona; chcąc zmienić kierunek lotu, muszą wykonywać wyraźne ruchy skrzydłami”. A następnie dodał: „Kiedy ptak zbliża się do ziemi i jego głowa znajduje się niżej od ogona, wówczas obniża i rozpościera ogon, jednocześnie lekko uderzając skrzydłami; następnie unosi głowę tak, aby znalazła się powyżej ogona, i zmniejsza prędkość lotu, co pozwala mu osiąść na ziemi w łagodny sposób”. Czy kiedykolwiek zwróciliście na to uwagę?
Leonardo pisze traktat o ptakach
Po 20 latach pilnych obserwacji ptaków Leonardo postanowił nadać sporządzonym przez ten czas notatkom formę traktatu. „O locie ptaków” zaczyna się od wyjaśnienia pojęć grawitacji i gęstości, kończy zaś opisem wyimaginowanego startu zaprojektowanej przez Leonarda machiny latającej, a także porównaniem elementów konstrukcyjnych z częściami ciała ptaka. Tak jak wiele innych dzieł naszego bohatera traktat o ptakach nie został ukończony. Leonardo okazał się bardziej zainteresowany odkrywaniem idei niż ich szlifowaniem i przygotowywaniem do publikacji.
Da Vinci kompletował materiały do traktatu o ptakach, a jednocześnie przystąpił do pisania nowego działu; celem twórcy było osadzenie wiedzy na temat ptaków w szerszym kontekście. „Aby należycie wyjaśnić zagadnienie lotu ptaków, trzeba zacząć od wyjaśnienia zjawiska wiatru, to zaś pociąga za sobą konieczność zbadania ruchów wody – stwierdził. – Właściwe zrozumienie poruszeń wody stanowić będzie drzwi prowadzące do zrozumienia stworzeń latających w powietrzu” . Leonardo nie tylko trafnie uchwycił najważniejsze zasady dynamiki płynów, ale także przekuł swoje spostrzeżenia w podstawowe teorie, które wyprzedzały niektóre z dokonań Newtona, Galileusza i Bernoulliego.
Nikt przed nim nie zdołał w metodyczny sposób wyjaśnić, jak ptaki unoszą się w powietrzu. Większość uczonych polegała na opinii Arystotelesa, który błędnie założył, że „ptactwo jest podtrzymywane przez powietrze, tak jak statki podtrzymywane są przez wodę”. Leonardo uświadomił sobie, że unoszenie się w powietrzu wymaga innej dynamiki niż dryfowanie na wodzie, ponieważ ciało ptaka waży więcej od powietrza, co oznacza, że ptaszyna będzie ściągana przez ciągnącą w dół siłę ciężkości.
Pierwsze dwie karty „O locie ptaków” poświęcone są omówieniu praw ciążenia, które badacz określił „przyciąganiem jednego ciała do drugiego”. Stwierdził, że siła ciążenia działa wzdłuż „wyobrażonej linii przebiegającej pomiędzy środkami każdego z tych ciał” . Wyjaśnił, jak wyznaczyć środek ciężkości ptaka, a także piramidy i innych skomplikowanych brył.
Obserwacje Leonarda wyprzedziły jego czasy
Istotny wpływ na studia nad lataniem oraz przepływem wody wywarło spostrzeżenie, że „powietrze w przeciwieństwie do wody może ulec kompresji” . Innymi słowy, uderzenia skrzydła powodują, że ciśnienie powietrza pod nim wzrasta i jest wyższe od ciśnienia rzadszego powietrza nad skrzydłem. „Gdyby powietrze nie ulegało kompresji, ptaki nie znajdowałyby oparcia w powietrzu uderzanym skrzydłami” . Opadanie bijących powietrze skrzydeł unosi ptaka coraz wyżej i sprawia, że przemieszcza się on naprzód.
Leonardo doszedł też do wniosku, że naciskowi wywieranemu przez skrzydła ptaka na powietrze towarzyszy równy i przeciwstawny nacisk wywierany przez powietrze na powierzchnię ptasich skrzydeł. „Spójrz tylko, jak bijące powietrze skrzydła umożliwiają ciężkim orłom unoszenie się w rozrzedzonym powietrzu na dużych wysokościach. Ciało oddziałuje na powietrze z taką samą siłą, z jaką powietrze oddziałuje na ciało” . 200 lat później Newton przedstawił bardziej wyrafinowaną wersję tego twierdzenia w postaci trzeciej zasady dynamiki: „Każdej akcji towarzyszy reakcja równa co do wartości i kierunku, lecz przeciwnie zwrócona”.
Da Vinci wysunął także inną hipotezę, którą można uznać za zapowiedź sformułowanej przez Galileusza zasady względności: „Efekt, jaki wywiera poruszające się powietrze na nieruchome ciało, jest taki sam, jak wtedy, gdy przedmiot porusza się, a powietrze jest nieruchome” . Inaczej mówiąc, siły działające na ciało ptaka poruszającego się w powietrzu są takie same jak te oddziałujące na ptaka, który jest nieruchomy, ale znajduje się w strumieniu przepływającego powietrza.
Przemyślenia naszego bohatera wyprzedziły też o ponad 200 lat odkrycie przez Bernoulliego prawa, zgodnie z którym im szybciej przepływa powietrze (lub ciecz), tym mniejsze wywiera ciśnienie. Leonardo narysował poprzeczny przekrój ptasiego skrzydła obrazujący jego asymetryczną budowę – górna część jest bardziej zakrzywiona niż dolna (podobnie jest w przypadku skrzydeł samolotów, które również wykorzystują zjawisko opisywane przez równanie Bernoulliego).
Powietrze opływające górną zakrzywioną powierzchnię skrzydła ma do pokonania dłuższą drogę, co oznacza, że prędkość powietrza opływającego skrzydło jest większa u góry niż u dołu. Taka różnica prędkości powoduje, że ciśnienie powietrza jest wyższe pod skrzydłem niż na jego górnej powierzchni, co umożliwia ptakowi (albo samolotowi) stabilny lot.
„Powietrze nad ptakami ma mniejszą gęstość od tej, jaką posiada normalnie” – napisał da Vinci . Leonardo pierwszy zdał sobie sprawę, że ptaki unoszą się nie tylko dlatego, że biją skrzydłami w powietrzu, ale także dlatego, że machanie skrzydłami wytwarza siłę, która pcha ptaka przed siebie, a ciśnienie powietrza maleje podczas opływania zakrzywionej górnej powierzchni skrzydeł.
Leonardo projektuje latające machiny
Badania nad anatomią w połączeniu z wnioskami wyciągniętymi z analizy zjawisk fizycznych przekonały Leonarda, że możliwe jest skonstruowanie skrzydlatej machiny, dzięki której ludzkość opanuje sztukę latania. „Ponieważ ptak jest mechanizmem działającym według praw matematyki, człowiek jest w stanie stworzyć taki sam mechanizm – stwierdził. – Człek wyposażony w wystarczająco duże i odpowiednio zamocowane skrzydła może pokonać opór powietrza i wznieść się w przestworza”.
Pod koniec lat 80. XV w. Leonardo, łącząc inżynierię z wiedzą fizyczną i anatomiczną, rozpoczął prace nad zaprojektowaniem machiny, która podołałaby temu wyzwaniu. Pierwszy projekt wygląda jak ogromna miska z dwiema parami skrzydeł przypominającymi wiosła; wirujące flanki miały poruszać się naprzemiennie w górę i w dół, upodabniając machinę do jednej z czteroskrzydłych ważek, które Leonardo obserwował od młodości.
Konstruktor zdawał sobie sprawę, że stosunkowo słabe mięśnie klatki piersiowej człowieka nie zdołają wygenerować takiej ilości energii, jaka była potrzebna do zasilania latającej machiny. W związku z tym wymyślił osobliwy system napędowy przywodzący na myśl skrzyżowanie siłowni z izbą tortur: pilot miał jednocześnie pedałować, kręcić korbą kołowrotu, naciskać głową specjalny tłok i poruszać ramionami, do których przywiązane były liny. Nie jest jasne, w jaki sposób miałby jeszcze sterować machiną.
W tym samym notatniku widnieje elegancki szkic przedstawiający konstrukcję z pojedynczym poziomym skrzydłem podobnym do skrzydła nietoperza, a zbudowanym z cienkiego szkieletu, na którym rozpięto skórzaną membranę. Całość przypomina jeden z florenckich projektów Leonarda wykonanych z myślą o teatralnych widowiskach. Skrzydło połączone jest z grubą drewnianą belką – da Vinci doprecyzował, że powinna ważyć 70 kg, a także mechanizmem dźwigniowym umożliwiającym poruszanie skrzydłem w górę i w dół. Leonardo dorysował nawet zabawną postać podskakującego mężczyzny trzymającego za koniec dźwigni.
Na małym rysunku poniżej przedstawił pomysłowy detal: podczas unoszenia skrzydła w górę specjalny zawias miał kierować spiczaste końcówki flanki w dół, zmniejszając tym samym opór powietrza; po uniesieniu skrzydła mechanizm złożony ze sprężyny oraz niewielkiego bloku powodowałby rozprostowanie końcówek skrzydła . Późniejsze modyfikacje tego projektu obejmowały m.in. wyposażenie boku urządzenia w skórzane klapy, które podczas ruchu w dół pozostawałyby zamknięte, natomiast otwierałyby się w trakcie ruszania w górę w celu zmniejszenia oporu powietrza.
Lotnia Leonarda poleciała, inne machiny nie
Z czasem Leonardo porzucił nadzieje na skonstruowanie machiny latającej wyposażonej we własny napęd i skupił się na projektowaniu lotni. Niedawno brytyjska sieć telewizyjna ITN zleciła skonstruowanie lotni na podstawie jednego z rysunków Leonarda – zaprojektowana 500 lat wcześniej aerodyna okazała się zdolna do lotu.
Przez większą część swojej kariery da Vinci pozostawał jednak wierny marzeniu o stworzeniu maszyny, która pozwoliłaby człowiekowi wznieść się w powietrze za pomocą ruchomych skrzydeł poruszanych siłą ludzkich mięśni. Narysował kilkanaście projektów takich maszyn napędzanych mechanizmami wykorzystującymi pedały lub dźwignie, z pilotem w pozycji stojącej lub leżącej. Swoją machinę określał mianem uccello, czyli ptak.
Leonardo na pięknych rysunkach ukazywał ptaki w locie wykonujące ostre zwroty, przenoszące środek ciężkości ciała, szybujące i manewrujące na wietrze. Pierwszy zastosował linie i zawijasy do przedstawienia na rycinach niewidzialnych prądów powietrznych. Ale pomimo piękna swojej sztuki i pomysłowości projektów nigdy nie udało mu się stworzyć latającej machiny napędzanej siłą ludzkich mięśni. Trzeba jednak przyznać, że mimo upływu pięciu stuleci wciąż jeszcze nikt tego nie dokonał.