I. FEJEZET.
BEVEZETŐ
AZ ÁLLATOK KÜLSŐ MECHANIKAI MŰSZEREIRŐL
ÁLTALÁBAN
AKINEK alkalma volt valamely képes szerszám-katalógust lapozgatni, a benne lerajzolt sokféle szerszámot s egyes részeit bizonnyal élénk érdeklődéssel szemlélte. A különféle műszaki czélra szolgáló műszerek és berendezések iránt való érdeklődésünk, melyekkel az ember különféle munkáját könnyíti meg, még nagyobb mértékben fokozódik, ha e műszereket valamely műhelyben működésök közben szemléljük meg és ez alkalommal egyúttal használatukról és kiváló jó tulajdonságukról meg is győződünk. Tapasztalhatjuk ez alkalommal azt is, hogy valamely szerszám, mondjuk, a fogó vagy a kés, különböző, egymástól csak kissé eltérő változatainak is jól kiszámított jélentőségök van; vagy másként mondva: a munka megosztása, könnyítése és tökéletesítése lépést tart a szerszámok és segédeszközök részleteződésével és tökéletesítésével.
De ha az olvasó már a mesterségesen készített szerszámok iránt is érdeklődik, remélhetjük, hogy az ilynemű természetes műszerek, nevezetesen az állatok mozgékony külső részei iránt is érdeklődni fog, minthogy ezek hasonlóan műödnek, analóg czélokra szolgálnak s a külső dolgok fölött úgy uralkodnak, mint az ember kezében amazok.
4
A kik ezeket a természetes eszközöket közelebbről nem ismerik, azt hihetnék, hogy külső alakjokra, berendezésökre nézve a temérdek sokféle mesterséges szerszámmal össze sem hasonlíthatók. Ez azonban igen elhamarkodott itélet volna. A mesterséges és természetes szerszámok közelebbről való egybehasonlításból kitűnik, igaz, hogy emezek között egyes szerszámalakok és kategóriák egészen hiányzanak, de másrészt találunk az állatok felszerelésének tárházában olyanokat is, melyekre az emberi találékonyság még rá nem, jött, nevezetesen, hogy – számba nem véve a mozgás és helyváltoztatás csodálatraméltó műszereit – vannak az állatoknak bizonyos felaprózásra való finom készülékeik, mint p. o. metsző és szúró szerszámaik, melyek – ha eléggé ismeretesek volnának – bizonnyal felköltenék a mechanikusok irigységét is. A természetes műszerek azonkívül már az anyag szempontjából is megérdemlik figyelmünket, a melyből alkotva vannak. Így az a tény, hogy némely mesterséges szerszámot, melynek bizonyos fokban rugalmasnak kell lennie, az állatok műszereinek anyagából, p. o. szaruból vagy elefántcsontból készítenek, arra vall, hogy ezek az anyagok bizonyos czélokra valóban minden más anyag fölött elsőbbséget érdemelnek. Nem kevésbbé mutatkozik ez olyan esetekben is, midőn az illető műszerben a keménység és az. ellenálló képesség forog szóban, mint p. o., hogy egyelőre e tekintetben többet ne említsek, a mi fogaink zománczállománya a legkeményebb és legszívósabb aczéllal is vetekedik.
A mi legnagyobb bámulattal tölthet el bennünket az állatok műszerein s a mi minden más mesterséges szerszám fölé emeli őket, az az a belső mű, az a mechanizmus, a mely őket mozgatja, működésöket létesíti.
Bár mennyire tökéletesedtek is újabb időbeli mesterséges szerszámaink, bizonyos munkákat mégis kézzel kell vé-
5
geznünk, s így el kell ismernünk, hogy a mesterséges gépek, bármennyire csodálatos is szerkezetök, semmiképen sem vethetők egybe a természetes készülékekkel.
Minthogy e mű folyamában a legfontosabb állati műszereket, főleg mechanikai szerkezetökre és működésökre való tekintettel óhajtjuk tárgyalni, talán helyén való lesz, ha megelőzőleg az alkalmazott mechanika elveit, különösen pedig a mesterséges és természetes műszerek közti különbséget viszonylag egyszerű s könnyen felfogható példákon igyekszem az olvasóval megismertetni.
Ha az asztalra könyökölünk s felső karunkat megtámasztjuk, alsó karunkat s kezünket fel- és lefelé mozgathatjuk, mint valami kalapácsot. Ez a berendezés egészen hasonló a mesterséges hámorhoz. Vizsgáljuk meg közelebbről mind a kettőt. Magán a tulajdonképeni műszeren, a pőrölyön a pőröly fejét (aa') és nyelét (ab) különböztetjük meg. Ez utóbbi a de oszlopon c pont körül forgatható.
1. ábra. A hámor vázlata.
Az ilyen, a mérleg karjaihoz hasonló készüléket a mechanikában kétkarú emeltyűnek nevezik.
Ha a pőröly nem nyugszik az üllőn, vagy nincsen valamely módon megerősítve, mint ismeretes, leesik, és pedig, ha a pőröly nyelét, – mint a mathematikai emeltyűt – súly-
6
talannak képzeljük, oly erővel, a mennyi a pőröly feje súlyának megfelel. Ilyenkor azt mondjuk: az ac emeltyűkart az a pontban megtámadó s függélyes irányban ható aa' teher lehúzza; a terhet hordozó ezen emeltyű karját teherkarnak szoktuk nevezni. A pőröly emelésére a nyíl irányában forgó fogas kerék szolgál, melynek kiálló fogai a hátulsó emeltyűkart (cb'') kissé lefelé nyomják s ez által a teherkara pőrölyfejjel együtt a magasba emelkedik. E nyomást, illetőleg azon lenyomást, mellyel a kerék foga az emeltyű hátúlsó karjára hat, erőnek, az emeltyűnek a forgó ponton innen eső hátulsó részét "erőkarnak" nevezzük.
Ha a kerék ereje épen csak annyi, hogy a pőrölyt függő állásban tartja, úgy hogy a nyele, mint a mérleg karja, vízszintesen áll, akkor azt mondjuk, hogy az emeltyű nyugszik, vagyis egyensúlyi állapotában van. A mérlegről mindenki tudja, hogy rajta ez az állapot akkor áll be, ha karjai egyenlő hosszúak és a mozgató erők a karok irányára függélyesen, de úgy hatnak, hogy az erő és teher egymással egyenlő, azaz ha a mérleg mindkét csészéjébe egyenlő súlyokat teszünk.
Az első ábrán érzékített szerszámon azonban ez másképen van, mert az emeltyű erőkarja sokkal rövidebb, mint a teherkarja; vagyis olyan szerszámmal van itt dolgunk, mint a milyen az ismeretes gyorsmérleg, melyről tudjuk, hogy kurtább karjára a súlyt, a hosszabbik karjára pedig a mérendő terhet rakjuk, vagy akasztjuk. Azt is tudja mindenki, hogy a gyorsmérleg rövid karjára, ha azt akarjuk, hogy a hosszabb karján levő terhet egyensúlyozza, vagyis, hogy a gyorsmérleg karja vízszintesen álljon, annyiszor nagyobb súlyt kell akasztanunk, a mennyiszer hosszabb ez amannál. Az a haszon, a mely különösen a pőrölyön az erőkarjának rövidülésével a teherkar javára esik, könnyen belátható. Az erő karjának, illetőleg a fogas keréknek, hogy a terhet jelen-
7
tékenyen magasra emelje s ez által erős ütést tegyen, csak igen kis mozgást vagyis utat (bb'') kell megtennie; más szóval: az ütések ez esetben – különben azonos körülmények között – sokkal gyorsabban következhetnek egymás után, mintha a pőröly nyelének forgási pontja a közepén feküdnék. Az ilyen emeltyűt azért gyorsemeltyűnek szokták nevezni; ellenkezője ennek az az eset, mikor p. o. ruddal valami nagy szikladarabot emelünk, ekkor erő-emeltyűről beszélünk.
Ha most összefoglaljuk a pőröly leírt berendezésének lényegét, az mindenekelőtt abban áll, hogy mi bizonyos erővel, mely nem azon a ponton működik, a hol a teher, tehát nem egyenesen a pőröly fejére hat s a teher hatásával nem is ellenkező irányban munkálkodik: az egyensúlyt vele mégis fentarthatjuk, szóval itt azon fordul meg a dolog, hogy az erő hatását az irányán kívül eső pontra visszük át. Minden olyan készülék pedig, melynek segítségével erőáttétel történik, a fizikában gépnek szokott neveztetni: természetes, hogy az emeltyűs-pőröly is gépnek nevezhető.
Azonban, hogy a hámor működhessék, hajtó erőre, p. o. mozgó vízre van szüksége, mely a vízi kerék lapátjaira függélyesen hatva, a kerék forgó mozgásává változik át. Ha az egész hámort ilyen berendezésűnek fogjuk fel, a mozgó víz hajtotta vízi kerék a mótor, a fogaskerék a közbenjáró, a pőröly maga pedig a tulajdonképeni dolgozó gép.
Vizsgáljuk meg most a 2. ábra segítségével a pőröly mozgását a magunk alkarján.
Ha, mint fentebb említettük, karunk oly helyzetben van, hogy könyökével az asztalra támaszkodik, s így a felkar (cm) mozdulatlanul meg van rögzítve, az alkar (ng) pedig fölfelé és lefelé mozoghat, a kar könyök-ízülete megfelel az előbbi ábra c forgási pontjának, az ízület előtti alsókar (ng) pedig a pőröly nyelének teherkarjával hasonlítható össze.
8
Hátulsó emeltyűkart, mint a milyen az 1-ső ábrán a cb volt, itt első tekintetre nem is látunk; tényleg azonban megvan, csakhogy viszonylag még kurtább. Ez a jelentősége van t. i. a könyök-ízületen túl levő s felfelé irányuló mn nyúlványnak (könyök-nyúlvány), mely a felkar-csont mélyedésébe csap be. Ennek a tulajdonképeni "hátulsó kar"-nak körülbelül az a szerepe van. mint a láb sarkcsontjának, mely a láb főízületétől aránylag még kijebb nyúlik. Az alkarnak ezen hátulsó emeltyűje sok állaton, p. o. a macska karján is (lásd később ábrán) jóval nagyobb, mint az emberén.
2. ábra. Karunk mozgásának mechanizmusa. aci vállizület; cm felső kar; mg alsó kar; acbe a kétfejű karizom: ikn háromfejű karfeszítő izom; in, kn háromfejű feszítő karizom, vagy könyökizom (m. extensor triceps brachii s. anconeus); m könyökizüiet; n könyöknyulvány (processus ulnaris).
Egészen más azonban a berendezés elve a szóban levő állati gépezeten, mint a mesterséges hámoron s már előre is kijelenthetjük, hogy egyszerűbb és tökéletesebb mozgó-készüléket, mint a milyent itt s egyátalában az állati gépezeteken találunk, nem is képzelhetünk. Ez az elv röviden abban áll, hogy az egymásfelé mozgó vagy egymáshoz közeledő részek között sajátszerű, többé-kevésbbé kötélhez hasonlítható rugalmas képletek, az izmok vannak, melyeknek egyedül van meg az a tulajdonságuk, hogy bizonyos
9
feltételek alatt összehúzódnak, megrövidülnek, vagy ismét elereszkednek s így előbbi nyugalmi állásukba jutnak.
Hogy eme természetes mótorokról még tisztább fogalmat szerezhessünk magunknak, tekintsük meg újra a 2-dik ábrát.
Ha az alsó- és felsőkart összekötő kétfejű izom,* ac be, összehúzódik, mindenki beláthatja, hogy a többször említett mozgatható emeltyű, az alsókar, emelkedni fog; és képzelhetjük az összehúzódás fokát oly nagynak, hogy az alsókar a pontozott vonalaknak megfelelő állásba, e' g'-be jut. A mondottak alapján az olvasó maga rájöhet, hogy az említett természetes és mesterséges hámor között a többi között az is a különbség, hogy ezt a hátulsó emeltyűrészre tett nyomás, amazt pedig az első emeltyűrészre tett húzás emeli fel.
Most még a kart emelő húzókészüléket kell közelebbről megvizsgálnunk.
Az említett kétfejű karizom, mely az alkart felemeli, egész hosszában nem egyforma vastag, hanem közepén, karunk belső felszínén a bőrön át is érezhető a duzzadása, azaz, mint műnyelven mondani szokták, hasa (be') van mindkét végén pedig aránylag vékony szalagokban (bc, és e'e
) végződik. E végek nem pirosak, mint az izom hasrésze, hanem fehérek és sokkal keményebbek ezek az inak, melyek önmaguktól nem húzódhatnak össze, hanem, mint a mesterséges gépeken a szíjjak, csak arra szolgálnak, hogy a tulajdonképeni mótor, az izom húzását a mozgatandó részekre átvigyék.
Ha meggondoljuk, hogy némely más állati gépezet-részen az izmok mindkét végükön széles végekkel tapadnak, tiszta dolog, hogy itt a karon, melyen az említett izom
* Két fejűnek azért mondjuk, mert eredésénél kétfelé van osztva, vagyis két feje (ac) van.
10
mindkét végén vékony, kötélszerű inakban tapad a csontokhoz, ennek a berendezésnek különös jelentőségének kell lennie. Ha a rajzot megtekintjük, láthatjuk, hogy az izomnak megvékonyulása épen ott van, a hol a kar hajlik, nevezetesen egyrészről a vállon és másrészről a könyökön; ha máskép volna ez a berendezés, nem jó volna, mert könnyen felfogható, hogy a hajlítás képessége igen meg volna nehezítve, ha az izom hasa a hajlásban feküdnék, számba sem véve, hogy a becsíptetett izom összehúzódása is nagyon akadályozva volna.
Meg kell itt jegyeznünk, hogy az izomnak azt a végét, mely a mozdulatlan géprészen fekszik, eredő pontjának, a másik, a mozgó részen levő pontját pedig tapadó pontjának nevezzük. Az eredő ponton levő izomrész rendesen az izom fejének szokott neveztetni.
Mielőtt tovább fűznők a természetes és mesterséges gépek összehasonlítását, az eddig leírt kar-gépezetnek egynémely alaptulaldonságait kell közelebbről megtekintenünk. Bár igen egyszerű, s – hogy szerkezetét még egyszer szabatosabban körvonalozzuk – tulajdonképen a körző szárainak megfelelő két rúdból áll, melyek a közöttük levő kétfejű izom hatására egymáshoz közelíthetők, eme legegyszerűbb formájában is az állatok két legnevezetesebb műszerfajtáját, a közelítő és távolító szerszámot tárja elénk.
Hogy a szóban levő készülék közelítő, s még hozzá milyen pontos, kitünő műszer, mindenki könnyen tapasztalhatja. Fektesse alkarját az asztalra s vegyen a kezébe valami enni valót, mondjuk egy almát. Mikor a kétfejű karizom összehúzódik, alkarja felemelkedik az asztalról s keze a félkörrel, melyet emelkedésében leír, egyenesen a szájához viszi az eledelt.
Hogy evvel az egyszerű készülékkel, mely arra szolgál, hogy vele valami külső tárgyat közelítsünk testünkhöz, tes-
11
3.ábra. |
tünket is közelíthetjük a külső tárgyakhoz, szintén nem nehéz belátni.
A dolog egyszerűen a nyugvó és a mozgó emeltyű szerepváltoztatásán alapszik. Gondoljuk, hogy az alsókar rögzítve van, a felsőkar és a vele kapcsolatos testrészek ellenben mozgathatók, világos, hogy ha a kétfejű izom ez esetben összehúzódik, a felkart s vele az egész testet az alkarhoz közelíti.
Hogy mikép lehet az, hogy a felsőkar és váll odahúzása az egész test helyváltozását is maga után vonja, felfoghatóvá válik, ha az olvasó a 3. ábrát megtekinti, melyen A és B az embernek azt az állását ábrázolja, melyet rúdramászáskor foglal el. Az első állás (A) a kart abban a szakaszban ábrázolja, mikor fölfelé irányzódik, vagyis mikor a kéz a rudat a fej fölött levő valamely pontján ragadja meg; a a többször említett kétfejü izom állását jelzi. Ha most ez az izom meg akar rövidülni, s a kéz a rúdhoz van rögzítve, a megrövidülés – mint a második állás (B) feltünteti – csak úgy történhetik meg, ha a felkar az alkarhoz közeledik; ez a közeledés pedig magától érthetőleg csak az egész test emelkedésével jöhet létre.
A testnek a kétfejű karizom segítségével való felfelé emelése jó példáját szolgáltatja az izomerő nagyságának; a mi, az izom aránylagos puhaságát tekintve, méltán csodál-
12
kozásunkat keltheti fel. Az izomnak valóban rengeteg munkaerejének megvilágítására legyen itt megemlítve, hogy lábikra-izmunk (m. gastrocnemius) a többi között legnagyobb összehúzódásakor nem kevesebb, mint 5600 kilogrammot volna képes felemelni.
Az izomnak e nagy erejét tekintve, akaratlanul is azt kérdezhetjük: miként van az, hogy karjainkkal legfeljebb egy-két mázsát bírunk csak felemelni? Erre az a felelet, hogy a kar nevezett izma eredése természeténél fogva egész erejének csakis kis részletét tudja kifejteni.
4. ábra. |
Ezt a nevezetes viszonyt, mely az állati gépezetek erőelhasználásának megértésére nézve igen nevezetes, magyarázzuk meg közelebbről is. Jelentse a 4. ábrán ac az alsó és cd a felső kart, a mely utóbbit ismét mozdulatlannak tételezzük fel. Tegyük most fel, hogy az a kézre ható 500 klgrmmnyi [!] súlyt kellene egyensúlyban tartanunk, még pedig izmunkkal, mely, egyenesen reá akasztva, legerősebb összehúzódásával ugyan csak 500 klgrmmnyi súlyt bírna felemelni. Ez az izom a mondott súlyt csakugyan fel bírná emelni, ha a föld vonzó erejének irányával ellenkező (aa'), azaz függélyes irányban felfelé tudnánk működtetni, épen úgy, mintha a rögzített csiga kötelére akasztanók az 500 klgrmmnyi súlyt. Ha azonban az izom nem az emeltyű végén teszi hatását, hanem közel forgási pontjához, p. o. b-ben: az említett súlyt még akkor sem volna képes egyensúlyozni, ha erejének működési iránya a legkedvezőbb lenne, azaz, ha úgy mint az előbbi esetben, függélyesen állana az emeltyű-karra (b'), mert az erő hatása annál gyengébb, minél rövidebb az emeltyűn az erő karja. Mondjuk, hogy ez a kar csak tizedrésze az alsókar egész hosszának. akkor a hatóerő is 10-szer kisebb, azaz csak 50 klgrmmnyi leszen. A kétfejű karizomnak azonban valamelyes súly felemelésekor nincsen ilyen kedvező úánya; ellenkezőleg, támadószöge (bd) igen kedvezőtlen, úgy
13
hogy az eredési pontra felvett 50 klgrmmnyi erőnek, melyet az erőparallellogramm átlagával [átlójával] (bf) érzékítünk, rendesen csak egy kis, az emeltyűre függélyesen működő részlete (be) érvényesül, a többi része pedig, (a másik összes erő bg) az emelésnél kárba vész és ha a könyök nincsen rögzítve, a könyöknek csak hátra tolódását okozza, a mit könnyen észrevehetünk.
Hasonlítsuk most újra össze a kar gépezetét a hámorral.
A pőröly ütése az üllőre, mint már tudjuk, úgy jön létre, hogy a fogas kerék a fogával bizonyos magasságra felemeli, azután pedig saját súlyánál fogva ismét leesik. Lényegesen máskép történik ez karunkon, ha p. o. kezünkkel az asztalra ütünk. Felemelt karunkat is leejthetjük ugyan, mint a pörölyt; azonban mindenki tudja, hogy ha csak kissé erősebb ütést akarunk is kezünkkel tenni, az bizonyos erőbe kerül, azért már ebből is következtethetjük, hogy az ütés súlyosbítása, a lefelé ható mozgás gyorsítása különös izmok segítségével történik. Ez izmok egyike a már különben ismert 5-ik ábrán pontozott vonalakkal (ikn) van jelölve s ha tekintetbe vesszük, hogy ez az izom az alkar forgási pontja mögött, a könyöknyúlványra (n) tapad, s összehasonlításra a 4-ik ábrát (hd) is szemügyre vesszük, kiviláglik, hogy ez izom működése ellenkező, mint a kar hajlító izmáé.
5. ábra. Karunk mozgásának mechanizmusa. (V. ö. a 2. ábra magyarázatát.)
Különben nem arra kell itt a súlyt helyeznünk, hogy a kar lefelé való mozgásának van gyorsító eszköze, – mert hiszen ilyen berendezés a pőröly nyele alatt alkalmazott rúgó is, – hanem egy más körülményre. A ki újabb szerkezetű gőzhámort látott működésben, tudja, hogy ez az egyszerű hámortól a maga javára abban különbözik, hogy az ütés erőssége szabályozható. A gőzhámor e szabályozhatósága azon alapszik, hogy a pőrölynek nemcsak emelkedése, hanem esése is a gőz feszítő erejével történik úgy, mint
14
a lokomotívon, melynek nagysága alkalmas szelepek segélyével nagyobbítható vagy kisebbíthető.
A gőzkalapács eme mozgása igen alkalmas arra, hogy a kargépezet egynémely tulajdonságát megvilágosítsa. Mint a gőzkalapácson, úgy itt is két egymás ellenében működő erőt különböztetünk meg: annak az erőnek, mely a pőrölyt emeli, megfelel a kar hajlító izmának húzása, annak pedig, mely a pőröly eső mozgását gyorsítja, a kar feszítő izmának működése. Nem kevésbbé állja ki a hasonlatot az alkalmazott mozgató erők szabályozhatása is. Miként a gőz feszítő ereje, legalább bizonyos határok közt, tetszés szerint növelhető vagy csökkenthető a szerint, hogy a géphez több vagy keveseb gőz bocsáttatik: úgy tehetjük a kar izmaival s általában akaratunk hatalma alatt álló más izmainkkal is. Izmaink ugyanis, mint általában ismeretes – s frissen kikészített izomnak elektromossággal való ingerlésével erről mindenki könnyen meg is győződhetik, – különböző fokban húzódhatnak össze az elektromosság erejéhez képest s ha csontokkal vannak kapcsolatban, majd kisebb, majd nagyobb fokban mozgatják azokat, illetőleg majd gyorsabb, majd lassubb mozgásukat okozzák.
15
A természetes – vagy mint rövidség okáért nevezni fogjuk – az izomgépeknek még egy más igen nevezetes tulajdonságuk is van, a mi valamennyi mesterséges gépek fölé emeli őket, bármilyen csodás szerkezetűek is azok: hogy t. i. önnönmagukat kormányozhatják. Beszélnek ugyan önnönmagukat kormányzó mesterséges gépekről is; de meggondolva, hogy pl. a lokomotív gépész közbenjárása nélkül valamely adott pillanatban magától soha sem áll meg, meggyőződhetünk, hogy a mesterséges gépek önkormányzása a természetes gépekével egybe nem vethető. Nem mélyedhetünk itt be az izommozgás mechanizmusának és szabályozásának tárgyalásába, egyet azonban mégis meg kell említenünk, azt, hogy az izmok minden képzeletet fölülmúló bonyolult szerkezettel, az idegrendszerrel állanak kapcsolatban s hogy az izom s általában az állati mozgás tulajdonképeni indító erőit az idegrendszerben, illetőleg az érzékszervek útján az idegrendszerrel közölt ingerekben kell keresnünk.
Most még az állatok mechanikai műszereinek némely más általános viszonyairól kell szólanunk.
Ha az állatok mechanikai műszereiről beszélünk, rendesen azt hisszük, hogy azok mind kemény, ellentálló szerszámok, mint p. o. a véső, a fúró s más effélék, melyek alkalmazásával valamely akadályt kell legyőzni. Vannak azonban #hajlékony s rugalmas anyagból való szerszámok is, mint p. o. az ostor s más verő szerszámok. Így van ez az állatok műszereivel is, melyeket az anyag szerint, a melyből állanak, keményekre és hajlékonyakra lehet osztanunk. Lényeges különbség azonban a kettő között, hogy az állati szerszámokon a hajlékony, rugalmas anyag gyakoribb, mint a mesterségeseken és hogy az aránylag merev részekből alkotott szerszámok is, mint egészek leggyakrabban épen olyan hajlékonyak, mint a hajlékony anyagból formáltak. Midőn ez utóbbiakra például a gerinczoszlopot s főleg a felsőbb
16
rendű állatok farkát hozzuk fel, melyek olyan mozgékonyak, mint a vessző, ki kell fejeznünk, hogy ez a különbség voltaképen min alapszik. Azon, hogy a mesterséges merev emeltyűkből álló szerszámokon az emeltyűk száma rendesen csekely, azaz az emeltyűk hossza aránylag igen nagy, ellenben az efféle természetes berendezések pl. a kigyó gerincze, igen számos s apró darabból vannak összetéve.
Most mondjunk még valamit a tisztán hajlékony anyagból alkotott műszerek nagy elterjedéséről. Gondoljunk a puhatestű állatokra, kagylókra, csigákra, bizonyos férgekre, a meduzákra, az ázalékállatkákra stb., melyek testében vagy épen nincs szilárd rész, vagy csak kevés van benne. Igy p. o. a csigabiga [!] legkiválóbb külső műszerei, a lába meg a szarvacskái, tisztán puha anyagból valók s egész testökben – az ú. n. szerelmi nyilat figyelmen kívül hagyva – csupán a rágásra való "reszelő" (radula) van szilárd anyagból alkotva. De sok olyan állatnak is vannak lágy anyagból való műszerei, a melyeknek különben a legtöbb műszerök kemény anyagból való. Így p. o. a gerinczes állatok ajkai és ormánya, mindenekelőtt pedig a nyelvök.
Épen ez az utóbb említett szerv az, mely az állatok rugalmas szerszámainak az analog mesterséges berendezések fölött való elsőbbségét feltünteti, vagyis, helyesebben, bebizonyítja, hogy a technika ilyen mechanismust egyáltalában nem is bir szerkeszteni. Vajjon melyik mechanikus gondolt komolyan valami olyan szerszám szerkesztésére, mely tetszés szerint megnyulhat vagy megrövidülhet, szélesbedhet vagy keskenyedhet s e mellett minden képzelhető kanyargást végezhet, mint a nyelv? Az állati mechanikai eszköz ez alapformájának utánozhatatlan elve tulajdonképen az, hogy nemcsak a mozgó, hanem a mozgatott rész is izmokból, azaz összehúzódó szövetből áll, vagyis az ilyen műszer önnön-magát mozgatja. Nézzük ez érdekes berendezést közelebb-
17
6. ábra. A nyelv saját izmainak vázlata. A rostok összehuzódásának fokát a vonalak egyenlőtlen vastagsága jelzi. |
ről. Későbben meg fogunk ismerkedni olyan készülékkel, a mely a nyelvet előre és hátra, fölfelé és lefelé mozdítja; evvel szemben a nyelv a mozgatott. De a nyelv ez izmoktól függetlenűl meg is nyúlhat, össze is húzódhatik, ki is szélesedhet, meg is keskenyedhet, mert egészben véve maga sem más, mint izmok szövedéke. Ez izmok berendezésének és működésmódjának hozzávetőleges képét a 6-ik ábra vázolja.
A nyelvben két fő irányban futnak izomrost-nyalábok: hosszanti és erre kereszt irányban. Vegyük, hogy az A rajzon a nyelv hosszanti izomnyalábjai összehúzódtak, vagyis megrövidültek, a keresztben futók pedig az elernyedés állapotában vannak: könnyű belátni, hogy, ha az ellenkező áll be, vagyis, ha a hosszanti nyalábok ernyednek el, a keresztbe futók pedig megrövidülnek, a nyelv a B rajz alakját ölti fel, vagyis meghosszabbodik. Hogy a B képen a középen legkarcsúbbra van a nyelv rajzolva,csak azt akarja jelenteni, hogy a keresztben futó rostok összehúzódásának a nyelv nem egész hosszában kell egyenletesen történnie.
Egészen hasonlóan van szerkesztve némely állatnak egész izomzata, p. o. némely féregé, s így megérthetjük, mi
18
ként tud az ilyen állat – pl. a teste hátulsó részével valamely kőhöz tapadó piócza – a nyelvhez hasonló mozgásokat végezni.
Térjünk ezek után újra a kemény részekből álló szerszámokra vissza.
Mindenekelőtt arra kell figyelnünk, hogy az állatokon két egészen különböző rendszerű ilyen szerszám található. Egyiket a kar gépezetén már megismertük. Ennek az a jellemvonása, hogy a kemény részek egészben szilárd rudak, melyek a megfelelő testrész lágy szervei között feküsznek. És ezt a rendszert nemcsak a gerinczeseken, hanem némely gerincztelenen is megtaláljuk. Így p. o. a tengeri csillag-állat karja hasonló szerkezetű, mint a gerinczoszlop, sőt részben a szilárd rész állományára nézve is talál a hasonlat, minthogy mindkettő főleg mészből áll. Bizonyos korallok is hasonlóan vannak alkotva, a mennyiben a kemény részek belül, a lágyak pedig kívül vannak.
Épen ellenkező az a szerkezet, a mit p. o. a rákokon és a bogarakon, valamint a rokon állatokon látunk. Mindenki tudja, hogy a rák testén a kemény váz kívül van, a lágy részek pedig ezen belül vannak. Mondhatjuk tehát: a gerinczes állatok, a csillagállatok stb. emeltyűi szilárd rudak, melyeket izmok vesznek körűl; a rákok s rokonaik emeltyűi pedig szilárd csövek, melyekben az izmok és más lágy részek belül vannak.
Az emeltyűrendszer szerkezetének eme különbségévei azonban még egy másik különbség is összefügg, az, a mely a szorosabb értelemben vett mechanikai szerszámra, vagyis azon vég-részeire vonatkozik, melyeknek a környezetre való kozvetetlen hatás a rendeltetésök.
A rák lábán (7. ábra) több tagot látunk, melyek közűl a végső tag rendesen az ismeretes ollót alkotja. Ez a végső tag a szorosabb értelemben vett szerszám, vagyis az az esz-
19
|
7. ábra. A nagy tengeri rák (Hommarus) lábának 3., 4. és 5. tagja. ab izület; dc a 4-ik tag hajlító izma. |
köz, mellyel a rák bizonyos munkát végez, a mennyiben vele pl. valamely tárgyat megragad, esetleg ketté vág. Az anyag, melyből e szerszám alkotva van, ugyanaz, mint a mely a láb többi tagját alkotja, melyeknek a végső tag mozgatásában csak mintegy közbenjáró szerepök van. Es ez nagyon természetes is, minthogy mind a végízek, mind a többi lábízek kemény részének anyagát a test legkülső rétege, a bőr szolgáltatja.
A gerinczeseken ez egészen másképen van.
Vegyük a rákláb analogonjáúl a kar gépezetét; akkor azt is vehetjük, hogy a hüvelykből és többi ujjból álló vég-része, mely ugyancsak fogó készülék, megfelel a rákláb ollójának; s e hasonlat annyiban találó, hogy ujjaink külszínén is vannak kemény részletek, a körmök, melyekkel szilárd anyagokat épen úgy fel tudunk aprózni, mint a rák az ő ollójával. Itt azonban az a különbség, hogy ezek a szerszámok, a körmök, egészen más anyagból valók, mint az ujjak vagy a kar szilárd váza; bátran mondhatjuk, hogy itt kétféle kemény anyaggal van dolgunk, t. i. belsővel, mely csont és porczogó, meg külsővel, mely a tulajdonképeni szerszámokat, a körmöket, patákat, csőröket, szarvakat, fogakat, stb. alkotja, s ezek nem egyebek, mint a külső bőrnek sajátszerűen átalakult részletei, melyek általában nincsenek ugyan egyenes kapcsolatban a belső szilárd részekkel, egyesek mégis rendesen olyan szoros kapcsolatkn vannak velök, – a mt munkaerejökre nézve igen fontos – mintha eggyé olvadtak volna, mint p. o. a macska körme az ujj utolsó részével és a kérődzők szarva a homlokcsont nyulványával.
Az olyan műszerek megértéséhez, mint a milyen a mi karunk, a rák lába, melyek egymás felé hajlítható merev emeltyűkből állanak, szükséges még megismerkednünk, hogy miként vannak ezek a részek egymással összekötve,
20
más szóval, hogy miként vannak izületeik, csuklóik szerkesztve.
Hogy a természetes izületekről lehető tiszta fogalmat szerezhessünk, vegyük először a mesterséges csuklók főformáit szemügyre. A mesterséges izületek két fő typusát különböztethetjük meg, melyeket röviden tengely- és vápa-izületeknek nevezhetünk. A tengely-izületek példájául szolgálhat az ajtósarok vagy a tollkés; lényege az, hogy a két egymásfelé hajlítható rész egyikén s leginkább a mozgónak az egyik végén kerek lyuk van s ezen szeg vagyis tengely megy keresztül, mely valamely módon a másik, többnyire a mozdulatlan részhez van erősítve. A vápaizület igen sokféle lehet. A 8. ábrán egyik kiváló formája látható. Ezen, mint látható, a b test felső végén serpenyő szerű vájulat (vápa) van s ebben a rúd hengere fekszik, mint valami teknőben s benne mozgatható; de első tekintetre is felötlik, hogy a rúd forgása teljes kört soha sem írhat le, mint az pl. tengelyizületen lehetséges.
8. ábra. Csukló-izület hengeres felülettel. |
9. ábra. A mesterséges, B természetes dió- vagy golyóizület. |
A vápa-izületnek egy másik fontos alakja az ú. n. golyó-vagy dióizület, melyet a 9. ábra A rajza tüntet fel. Ebben a mozgatható rész izülő végén golyószerű s megfelelő gömbölyű tokban mozog, mely elől olyan szűk, hogy a mozgó
21
rész izül eti feje ki nem jöhet belőle. Belátható, hogy ebben az izületben a mozgás módjának lényegesen másnak kell lenni, mint az előbb leírt vápaizületben, vagy a tengelyizületben. Az említett két izületben a forgás ugyanis csak egy síkban vagyis egy (való vagy képzeleti) tengely körül történhetik, a dióizületben ellenben minden irányban lehetséges, vagyis végtelen sok tengely van, mely körül forgás létesülhet. Ezért nevezik a dióizületet másként szabadizületnek, ellentétben a tengely- és hengerizülettel, melyeket csukló- vagy sarokizületeknek is szoktak nevezni.
10. ábra. Mesterséges kettős vápaizület. |
11. ábra. Természetes kettős vápaizület egy tengeri pók lábán (Langer nyomán). |
Egy harmadik alakja a vápaizületnek az, melyet a 10. ábra A és B rajzai érzékítenek s mely a technikában nem ritkán van alkalmazva. Ennek jellemző vonása az, hogy a forgó test (a) két egymástól távol álló két vápán vagy vápában (bc) forog, azért ezt kettős vápaizületnek is nevezik. Ha most áttérünk az állati vagyis természetes izületek tárgyalására, első sorban arra kell figyelmeztetnünk, hogy azon izületformák, melyek a mesterséges gépeken a leggyakoriabbak, vagyis a tengely- vagy tollkésszerű izületek, ítt sohsem jönnek elő s így minden állati izület vápaizület. Megjegyzendő továbbá, hogy a mesterséges és természetes
22
gépek vápaizületeinek szerkezetében lényeges különbség van. Valamennyi mesterséges vápaizület ugyanis kevés kivétellel úgy van szerkesztve, hogy mindkét emeltyűjök minden segédkészülék nélkül elválhatatlanul van egymással mozgathatólag összekötve, mint a tollkés izülete; ellenben a természetes vápaizületek szilárd részei, mint olyanok, rendesen lazán állanak egymás mellett s szilárd összefűzésökre különös kötelékek szükségesek. Ezt a nevezetes viszonyt közelebbről is meg kell világítanunk.
Ha valami szilárd testet egy másik körül különböző irányban forgatni akarunk, dióizületet (9. ábra A) használunk, melynek tokja, mint ismeretes, a forgó felületet úgy befogja, hogy ez utóbbi, ha lefelé lóg is, nem esik ki belőle. Ilyenforma feladata van a csipő-izületben a mi lábunknak, a mellyel olykor forgó mozgást is kell végeznünk. Ha ezt az izületet a csontvázon tekintjük meg (12. ábra, B), láthatjuk, hogy ez tulajdonképen nem olyan dióizület, melyben a czombcsont feje a csipőcsont izvápájában szorosan benn fekszik, hanem olyan, hogy a czombcsont, ha meg nem támasztanók, kiesnék belőle. Az ilyen sekély vápájú izületnek azonban a mélyebb vápájú fölött az a kiváló jó oldala van, hogy az izülő rész hatalmasabb mozgásokat, azaz nagyobb kitéréseket tehet. A vállizületben még sekélyebb az izvápa s ennek köszönhetjük, hogy karjainkat olyan rendkívül szabadon mozgathatjuk.
Nézzük most, miként van megalkotva az említett izülő csontoknak egymással való szoros kapcsolatjok. Hogy ezt megérthessük, szükséges valamely állatnak, p. o. a macskának megfelelő izületét, teszem a könyök izületét, természetes állapotban megtekintenünk. A 13. ábra, mely a könyökizületet hosszában átmetszve tünteti fel, tájékoztathatja ez irányban az olvasót. Látható ezen, hogy a csontokat hártya borítja, melyet csonthártyának szoktak nevezni: látható
23
továbbá, hogy a csonthártya nem megy át a csontok izületi végére, hanem keresztül vonul az izületen s egyesül a másik csont hártyájával. Talán még jobban érzékíthetjük ezt, ha végökkel két pálczát, pl. két czeruzát illesztünk össze s érintkező végüket szorosan járó kaucsuk csővel fogjuk össze.
12. ábra. A csipőizület vázlata. A pontozott rész a porczogót, a vonalozott a csontot, az erősebb fekete vonalak pedig a csonthártyát, illetőleg (bc és gf) a hártyás ízületi tokot jelentik. |
13. ábra. A könyökizület vázlata hosszanti metszetben. – ib hajlító-, kd feszítő izom; ab, cd izületi tok. |
A csonthártyának azt a részét, mely az izületen átvonul, (13. ábra ba és dc) izületi toknak nevezik s főleg ez az, a mt az izülő csontokat egymással összetartja. Lényegében a csipőizület csontjait is ugyanolyan kötelék tartja egybe mint a könyök izületét (12. ábra B). Az ab és gh sötét vonalak a csipőcsont csonthártyáját jelentik; dc és ef a czombcsontét, cb s fg pedig a tokot, mellyel a czombcsont a csipő sekély izületi vápája szélére van függesztve. Az izületi tok széléből itt még egy szalag (gi) megy be az izületbe, mely az izület közepén tapad oda s ugyancsak a czombcsontot tartja; ugyanilyszerű megerősítést s izesülést ábrázol a 14. ábra is, melyen egy bogárnak feje és nyaka közti szabad dióizülete van feltüntetve.
14. ábra. Egy rovar vagy rák csukló-izülete. A sötét vonalak a külső kemény bőrvázat, ab, cd pedig a bőr megvékonyodásával alakult ízületi ránczokat jelzik; – + a forgási tengelyt jelenti; il hajlító-, kd feszítő izom. |
15. ábra. Egy bogárnak feje (k) és nyaka (H) közti szabad dióizülete. |
Ha a fentebb említett botvégekre húzott kaucsukcső szerepét egybehasonlítottuk az izületi tokkal, ez a hasonlat annyiban is találó, hogy az is, ez is nagyon rugalmas; e tulaj-
24
donság az izület mechanizmusára nézve igen fontos. Először is világos, hogy ilyen rugalmas kötelék az egyes csontokat szorosan összetartja. Ha például a 13. ábrán lerajzolt izületi tokot megtekintjük s képzeljük, hogy az alsó kar a felső kar felé hajlik, az izületi tok hátulsó részlete (cd) természetszerűleg kitágul, vagyis hosszában megnyúlik, elülső részlete (ba) pedig ránczokba szedődik. Ha azután az alsó kart magára hagyjuk, az izületi tok hátulsó, kifeszített részletének hatására ismét előbbi nyugvó állásába tér. Az izületi tok eme hatását utánozhatjuk némileg a kar csontvázán is, ha zárt kaucsuk cső helyett az izület elülső és hátulsó részére drótrugókat alkalmazunk.
Ne higyjük azonban, hogy egyedül az izületi tok az a kötelék, mely a csontokat összetartja. Ellenkezőleg a legtöbb izületen még egész rendszere van a mellék- és segítő szalagoknak, melyeknek berendezése sokszor, p. o. a kéz-vagy lábizületen rendkívül bonyolult. A mi czéljainkra legyen elég a 16. ábrán bemutatnunk a szarvasmarha bokaizületének nehány szalagját.
Ez ábrán S a lábszárcsont alsó vége, Fk a láb, a melyen azonban csak a hosszú sarokemeltyű (sarkcsont F) lát-
25
ható, a sajkacsonthoz (k) izülő lábközépcsontok és az ujjak pedig hiányoznak.
A szárcsont és a láb közötti kapcsolat egy mesterileg alkotott, közbeeső csont, az ugró-(vagy szökő-)csont (Sp) közbenjárásával jön létre. Ennek a csontnak két izületi feje
van; a felső, a melyen a szárcsont csúszik ide-oda, s az alsó, mely a sarkcsont izfelületén mozog. A szökőcsontot egyrészről a szárcsonttal, másrészről pedig a sarkcsonttal izületi tok köti össze, mely azonban a rajzban el van hagyva.
16. ábra. A szarvasmarha bokaizülete. S lábszárcsont; h boka; F sarkcsont; Sp szökő (v. ugró) csont (astragalus); k sajkacsont (os naviculare); 1., 2., 3. a külső oldalszalagok.
De látunk az izület oldalain három segédszalagot, és pedig egyet (1) a szárcsont és az ugrócsont között és kettőt (2, 3) az utóbbi és a sarkcsont között; s magától értetődik, hogy
e szalagok á lábnak oldalra való bicsaklását akadályozzák meg.
A gerinczesek izületeinek e szalagokon kivül még más tulajdonságaik is vannak, melyek mozgásukra, a csontoknak szorosan egymáshoz való tartására nem kevésbbé fontosak, mint a szalagok.
A mesterséges vápaizületeknek egyik főkellékük az, hogy érintkező felületeik, a mennyire csak lehet, símák legyenek, mert ellenkező esetben a mozgató erő nagy része a surlódás legyőzésében vész el.
26
A mi a csontizületek érintkező felületeinek símaságát illeti, mondhatjuk, hogy tökéletesebb, mint a mesterséges izületeké. Az állatok csontjainak izületvégei, valamint az izvápák felületei olyan símák, hogy valósággal tükröznek. És az izülő felületek eme símaságát még nagyban előmozdítja egy nyúlós nyálkás anyag, az ú. n. izületi nedv (synovia), melyet az izületi tok belső fala választ ki magából s a mely az egymáson csuszamló felületek minden egyenetlenségét kitölti, mint az olaj, melyet a mesterséges izületekre cseppegtetünk. Ennek a természetes izületi kenőcsnek azonban azon kívül, hogy a felületeket sikamlóssá teszi, még egy más fontos jelentősége is van. Ismeretes ugyanis a tapadás (adhaesio) törvénye s tudja mindenki, hogy p. o. két üveglemez, ha nedvesítve egymáshoz nyomjuk, minden más segítség nélkül függhet egymáson. Ugyanez történik két egymással érintkező csontfelületen is és különösen a csipőizületre mondhatjuk, hogy a czomb súlyának egy részét épen ez az erő tartja.
Ezenkívül még egy erő járul közre az izülő csontok összetartásában, mely olyan hatalmas, hogy a szalagkötelék bizonyos tekintetben nélkülözhető. Ez az erő a levegő nyomása.
Ez állításunkat kisérletileg is be lehet bizonyítani. Nem kell e végből mást tennünk, mint egy állatnak, p. o. egy nyúlnak vagy más vadnak, mielőtt bepáczolnák, kikészítjük késsel a czombizületi tájékát s a csipő-izület összes szalagjait átvágjuk. Ha most az állatot levegőbe emeljük, bámulhatunk, hogy a czombja az izületből ki nem esik; erre most fúróval megfúrjuk a medencze felől az izületet a vápa közepén s abban a pillanatban, mihelyt megnyílt az izület, a czomb azonnal kiesik izületéből. Hogy a czombcsont feje elóbb ki nem esett az ízületi vápából, annak az volt az oka, hogy a levegő nyomása tartotta vissza; a kisérlet azon sza-
27
kában pedig, melyben a megfúrásra a levegő az izületbe hatolt, kiesett, természetszerűleg azért, mert a körlég az izületben is ugyanazon nyomással volt, mint a külső részeken. Hogy ez csakugyan úgy van, meggyőződhetünk, ha a czombcsontot ismét visszahelyezzük az izületbe s a fúrt lyukat ujjunkkal jól befogjuk, mikor is a czombcsont megint benn marad az izületben s a czomb rendesen csüng az állatról, ellenben azonnal kiesik az izületből, mihelyt ujjainkat elvesszük a fúrt nyílásról.
De a természetes izületek nemcsak szalagjaikkal, légnyomással járó berendezésökkel és rendkívül síma felületökkel keltik fel a mechanikusok irígységét: van még égy berendezésük, mely méltán legnagyobb bámulatra ragad.
Ha meggondoljuk, hogy csontjaink egészben véve nagyon merevek, magától felmerűl a kérdés, miként van az, hogy az erős lökésektől, melyeknek csontvázunk sokszor ki van téve, oly ritkán sérül meg. Azt kellene ugyanis gondolnunk, hogy, ha pl. valami magas helyről a kemény talajra ugrunk, czombcsontunknak vagy csipőinknek, merevségük miatt, izre-porra kell törniök, mivel a szilárd talajra eséskor az illető csontok nagy erővel ütődnek egymásba. Hogy ez valóban meg nem történik, annak oka az egymással izülő csontfelületek alkotásában van. A csontok izülő felülete t. i. vékony porczogó-réteggel van bevonva, mely lágyabb természetű és nem tiszta fehér, hanem kékes színű. (V. ö. a 12. ábrát.) Ennek a porczogónak azonkívül, hogy az izülő felületeknek nagy símaságot kölcsönöz, az a különös sajátsága van, hogy nagy ellenálló képesség mellett rugalmas is. Ezen a tulajdonságon alapszik, hogy az izülő csontokra ható lökések meggyengülnek, a mennyiben hatásuk egy része a porczogó összenyomására fordíttatik és feszítő erővé alakul. E porczogó-részeknek körülbelül az a hatásuk van, mint a vasuti
28
kocsik ütközőinek, melyek nélkül a kocsik összetalálkozáskor bizonyára nagy rázkódást szenvednének.
Az eddig előadottakból azt vehetné ki az olvasó, hogy a gerinczes állatok csontemeltyűin csak az ízületi végek érdemlik meg figyelmünket, hogy többi részének alkotásáról és tulajdonságáról semmi különöset sem mondhatnánk. Pedig minden csont – nem tekintve ama csodás sajátságát, hogy önmagától folyvást megújul – a legnevezetesebb mechanikai mesterművek egyike, a milyent csak képzelhetünk. A csontok alkotását és belső szerkezetét itt sajnos nem tárgyalhatjuk, s csak annak a megemlítésére szorítkozunk, hogy az állat csontemeltyűi nem tömörek s nem is egyszerűen üresek, mint a mesterséges gépek részei, hanem belsejökben a tartó gerendák és támasztó oszlopok egész rendszere van, mely sokkal bonyolultabb, s a csont különböző részeire ható nyomások és húzások mivoltához jobban hozzá vannak szabva, mint a házfedél szarúfa-váza, vagy a függő híd gerendázata.