Карандаш (и другие средства для рисования, письма).

Историю развития карандаша можно представить так:

• далекий предок - головешка от костра,
• в древности: свинцовый стерженек - штифт - оставлял мягкий бледно-серый след на листах пергамента; для текста бледноват, им только размечали строки; более темную черту оставлял штифт из двух частей свинца и одной части прокованного молотком олова; со временем под действием кислорода воздуха линия темнела, при желании легко удалялась мякишем хлеба или пемзой (ластик изобрели в 18 веке),
• аристократы использовали серебряный штифт, темно-серая черта коричневела при окислении, стереть мякишем или пемзой невозможно, поэтому рисовали только безошибочно (великие мастера, например, Л.да Винчи)
• минеральные штифты: древесный уголь. Один из рецептов: возьми ивовые палочки, обстрогай и очини с обоих концов, положи в горшок, замажь крышку глиной для герметичности, поставь в печь с вечера до утра... Уголь плохо держится на бумаге. Как только не пытались бороться с этим недостатком! Предварительно покрывали бумагу водным раствором клея и высушивали. После того, как листы были исписаны или разрисованы, их держали над паром. В результате клеевой слой увлажнялся и впитывал уголь, а после высыхания текст или рисунок был уже хорошо закреплен;
• 15 век, в Пьемонте был найден "черный камень", "черный мел" (тюркские корни: "кара" черный, "даш" камень), внедрение было молниеносным и... месторождение быстро иссякло. За ним "исписали" месторождения в Тюрингии и Андалузии...;
• в Париже залежей не было, поэтому изобрели смесь: белая глина + черная сажа. Получили так называемый парижский карандаш ("соус"), он был чернее итальянского, меньше царапал бумагу;
• Л. да Винчи нашел сантину - "красный мел" - природный каолин, окрашенный окислами железа;
• если есть черный и красный мел, почему не сделать цветной? Франция, 15 век, изобрели пастель - мел с добавками пигментов: мел + пигмент + жиры или гуммиарабик или сок смоковницы), выкатывали на мраморной плите, сушили - получались один мягче, другой тверже;
• то в одной, то в другой стране находили залежи графита. В 16 веке - случайное открытие в Англии, в яме от вывороченного бурей дерева. Крестьяне стали метить графитом овец, корзины. Некто наладил продажу в Лондоне графитовых палочек, обмотанных бечевой. Король издает указ: добычу производить только 6 недель в году, дабы месторождение не истощилось, за вывоз из Англии - смертная казнь. Месторождения хватило на 200 лет...
• изобрел карандаш чех Й. Гартмут, владелец фабрики по изготовлению лабораторной посуды. Рассматривая одну из чашек-тиглей он уронил ее и отлетевший осколок оставил на бумаге четкий черный след. Он выяснил, что в глину добавляли графит. Проведя эксперименты он установил лучшие соотношения, так появились знаменитые пишущие стержни "кох-и-нор".

Независимо от него карандаш изобрел француз Н.Конте, в 1790 году. Он предложил помещать стержень в деревянную оболочку.

Сейчас существует 21 степень твердости карандаша. В РФ принята градация от 6 Т (68% каолина) до 6М (80% графита, 20% каолина, пектиновый клей).

Для упрощения технологии и повышения прочности необходимо заменить каолин синтетической смолой - возрастет пластичность стержни можно делать тоненькими, не требующими заточки 0,5 мм (делают в Японии), у нас - 1,2 мм.

По пат. РФ 671 712, выданному японской фирме, пишущий стержень непрерывно экструдируют и непрерывно сверху экструдируют оболочку из пластмассы, затем нарезают на отдельные карандаши; стержень состоит из эпоксидной смолы, графита, стеарата кальция, оболочка - вспененный полистирол.

Когда-то выпускался "химический" карандаш, который правильно называется "копировальный", для заполнения документов под копирку. Перьевая ручка не давала требуемого усилия для продавливания, но оставляла нестираемый след, карандаш давал возможность продавить все слои, но легко стирался. "Химический" карандаш - с добавлением красителей (эозин, родамин, аурамин), которые начинали растворяться при малейшей влажности, проникали вглубь волокон бумаги.

А.с. 11 575 (1928 год): приспособление для смачивания стержня химического карандаша (рис. 2 а); на карандаше крепится резиновый резервуар с водой, которая самотеком или при надавливании пальцем смачивает через накладку из КПМ (капиллярно-пористого материала) стержень карандаша. Прообраз пишущего инструмента, который еще не изобретен: писать должна "палочка", смачиваемая водой, например, из окружающего воздуха...

И все же по четкости, тонкости и долговечности следа карандаш несравним с устройствами для письма чернилами.

Прообразом пера были стержни - клинышки для письма по сырой глине, которыми пользовались писцы древней Ассирии и стилосы (заостренные палочки), которые использовались в Древней Греции и Риме для письма на восковых дощечках.

Самый древний рецепт чернил принадлежит египтянам - смесь сажи и масла для письма на папирусе. Такой же состав использовался в Китае две с половиной тысяче лет назад.

Египтянам же принадлежит и первое устройство для письма (весьма напоминающее современный фломастер), найденное в гробнице Тутанхамона: медная ручка со вставленной в нее свинцовой заостренной трубочкой; внутри трубочки находилась тростинка, заполнявшаяся чернилами, которые просачивались по волокнам стебля, накапливались на заостренном конце и при письме оставляли четкий след на папирусе.

Рис. 2. Развитие средств для письма (2а-2и)

Уже в 3 веке до н.э. в Греции и Риме применялись несколько типов чернил. Из пурпура и киновари делали красные "придворные чернила", которыми писались только государственные документы (чернила строго охранялись специальной стражей). Черные чернила делались из черной краски для живописи, сажи, из плодовых косточек, виноградной лозы, древесного костяного угля. Столетием позже чернила изготовлялись из отвара коры дубильных растений. Впоследствии эти два типа черных чернил на Руси назывались "чернилами копчеными" и "чернилами вареными".

В 16 веке изобрели железные чернила (известны до сих пор). Для их изготовления использовали ольховые корни, кору, ореховую или дубовую кору, чернильные орешки (патологические наросты на листьях различных растений) из этого варили "чернильное сусло" и опускали в него куски железа, ненужные железные вещи и пр. Для упрочнения чернил (чтобы они не "брели сквозь бумагу") добавляли камедь (вишневый клей), а для снижения вязкости - квасцы, имбирь, гвоздику. На приготовление чернил уходило 2 недели.

В 18 веке стали применять железный купорос - это резко повысило скорость приготовления чернил.

Секрет получения чернил был понят после открытия дубильных кислот и окончательно расшифрован химиком К.Б.Шееле в 1876 году. Он установил, что при варке из ольховой коры в воду поступают дубильные кислоты, с которыми железо дает закисные железистые соли. Раствор слабо окрашен, но при высыхании железо окисляется и темнеет. Образуется окись железа, нерастворимая в воде и устойчивая к свету. С тех пор было изобретено множество рецептов чернил, включая "вечные" (ванадиевые, Берцелиус) и невидимые. Однако принципиально новые составы появились лишь при изобретении шариковых ручек, автоматических самописцев, принтеров ЭВМ.

После египетского "фломастера", который был прочно забыт, веками по пергаменту и бумаге скрипело упругое гусиное перо. При подготовке к письму перо очищали в раскаленном песке, обрезали, затачивали. Количество пишущих быстро увеличивалось, перьев требовалось все больше, а из гусиного крыла годилось для письма всего 2-3 пера. Появились способы экономии перьев: их разрезали на несколько частей и каждую из них затачивали. Перо нужно было часто макать в чернила, что отнимало время и отвлекало. Придумали даже нечто, напоминающее авторучку: металлическая трубка, заполненная чернилами, у которой с одной стороны заглушка, а с другой гусиное перо.

Создателем металлического пера (конец 18 в.) был слуга аахенского бургомистра Янсена. Заботясь о своем хозяине, он изготовил перо из стали. Перо не имело прорези, поэтому брызгало и писало без нажима. С изобретением стального пера с прорезью качество письма резко улучшилось и популярность металлических (сталь, серебро, золото) перьев оказалась вне конкуренции.

Существует большой класс изобретений по улучшению перьевых ручек. Приведем наиболее характерные технические решения из российского фонда изобретений (МКИ, кл. В43К).

А.с. 96 (заявлено 7.12.1917 год, выдано 28.02.1925 года): перо для письма, в котором с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания (рис. 2 б) закреплена с помощью эластичного кольца пластинка, которая образует с желобом пера конусообразную трубку (чернила удерживаются в большем количестве).

А.с. 3 157 (1925 г.): ручка для двух поочередно употребляемых перьев представляет собой трубку, из которой высовывается то одно, то другое перо.

А.с. 3 837 (1925 г.): наконечник к ручкам для письма, в котором для увеличения количества набираемых чернил, а значит и сокращения времени на отвлечение внимания пишущего, наконечник выполнен в виде пластинки с желобками; сеть желобков за счет капиллярного эффекта захватывает значительно больше чернил.

А.с. 78 018 (1949 г.): перо для письма - для удержания большего количества чернил имеет загнутые внутрь лапки в виде лепестков с мелкими отверстиями (рис. 2 в).

А.с. 79 542 (1947 г.): насадка к перьям - для удержания чернил (рис. 2 г), прикрепляется к перу со стороны вогнутой части, снабжена поперечными гофрами и отогнутыми крючками.

А.с. 86 509: перо с запасом чернил - снизу укреплена трубка, в которой фитиль из губчатого материала со скошенным концом (рис. 2 д).

В приведенных изобретениях заметно явное стремление увеличить полезную функцию - удобство и продолжительность непрерывного письма. Кроме рабочего органа (пера) и трансмиссии (ручки) начали появляться новые подсистемы.

А.с. 4 955 (1926 г.): ручка для пера с резервуаром для чернил.

А.с. 5 974 (1927 г.): то же, резервуар заполнен пористым материалом (губкой).

А.с. 8 176 (1927 г.): трубчатое перо с резервуаром для чернил, закрывается колпачком.

А.с. 8 223 (1928 г.): перо с резервуаром для чернил, который образуется из двух половинок самого пера и нижней откидывающейся частью.

Обнаруживаются недостатки у пера - в частности, истираемость кончика, поэтому для увеличения полезной функции нужна дифференциация свойств материала:

А.с. 12 642 (1927 г.): способ получения на золотом пере наконечника из осмистого иридия (для автоматических ручек).

Все шло к появлению, а затем и развитию автоматической ручки:

А.с. 24 268 (1929 г.): автоматическая ручка для пера с резервуаром для чернил; при нажатии кнопки шприц выталкивает каплю на перо и, возвращаясь под действием пружины, всасывает новую порцию чернил из резервуара.

Автоматическая ручка, превратившаяся в довольно сложную техническую систему, развивается за счет развития (увеличения полезной функции) своих подсистем. Совершенствуется, например, резервуар:

А.с. 66 214: резервуар для авторучки, в котором в целях автоматического засасывания наружного воздуха и для равномерного питания пера чернилами верхний конец резервуара снабжен пробкой из КПМ.

А.с. 74 633: автоматическая ручка, в которой резервуар гофрированный растягивающийся цилиндр для набора чернил.

А.с. 198 956: то же, продольные гофры.

А.с. 906 354: перьевая авторучка со сменным баллоном.

Кроме резервуара развиваются и другие подсистемы:

А.с. 91 953: наконечник к авторучкам для жидких чернил, который имеет один канал, разделенный на две части, из которых одна для подвода воздуха внутрь резервуара, а другая для стока чернил к концу пишущего острия.

А.с. 94 422: то же, но с целью увеличения емкости канала и улучшения подачи чернил к пишущему концу, воздушный канал совмещен с крепежной резьбой наконечника.

Предпринимаются попытки увеличения числа функций за счет совмещения нескольких ТС в одной:

А.с. 75 821: авторучка для письма чернилами разных цветов, у которой внутри несколько отдельных пишущих наконечников, выдвигаемых из корпуса.

По новому кругу идет развитие рабочего органа - пера, превратившегося в целую подсистему - пишущий узел:

А.с. 825 357: перо для письма, в котором вместо фигурной пластины с пишущим острием и капиллярным чернилоподводящим каналом, образованным продольным разрезом (недостаточно надежная и сложная подача чернил, трудно получить необходимую жесткость пера) предложена пластина, имеющая продольную V-образную складку, внутренняя полость которой образует капиллярный канал (рис. 2 е).

А.с. 867 687: перьевая ручка с регулируемой шириной расщепа, содержит втулку с резьбой, которую вращают (это сокращает расход чернил при письме).

А.с. 941 225: пишущий узел перьевой авторучки, в которой для исключения неравномерной подачи чернил к кончику пера, подтекаемости, выброса чернил - предложен вкладыш из КПМ.

А.с. 1 076 321: то же, но втулка имеет переменное сечение.

Современный период характеризуется двумя тенденциями:

• "интеллектуализация" авторучки, резкое усложнение конструкции за счет введения электронных блоков, попытка увеличить полезную функцию путем тонкой и точной саморегулировки.

А.с. 1 214 495: авторучка, содержащая корпус, резервуар, пишущий наконечник с капиллярным каналом, электронный блок управления каплеобразования на выходе из наконечника, отличающаяся тем, что с целью повышения надежности содержит электрический датчик силы, преобразователь напряжения в частоту с усилителем, трансформаторный выход, который соединен с пьезоэлектрическим преобразователем (трубчатый, поляризованный в радиальном направлении), в котором расположен капиллярный канал. Нажим пальцем внизу ручки на пластину датчика, срабатывает преобразователь (трубчатый), объем капилляра уменьшается, выталкивается капля из выпускного отверстия. При увеличении силы надавливания увеличивается частота выталкивания капель: от 0 до 2 кГц и более.

· появились первые признаки сворачивания этой ТС.

А.с. 1 250 478: инструмент Котова для письма (рис. 2 ж); письмо с использованием движения пальца руки (прототип пат. Франции 1 264 621).

Однако еще в самый разгар усовершенствований авторучки появилась новая техническая система.

Один из главных недостатков авторучки - кляксы. В 1938г. венгерский журналист и издатель Ласло Биро изобрел шариковую авторучку, взяв за основу быстросохнущую типографскую краску. Получив патент он перед началом войны уехал в Аргентину и в 40-х годах начал там серийное производство ручек. Находившийся в то время в Южной Америке англичанин Генри Мартин быстро оценил значение шариковой ручки. Шла вторая мировая война, и штурманы бомбардировочной авиации испытывали немалые сложности, делая навигационные расчеты в воздухе: традиционные перьевые ручки для этого не годились, так как при перепадах давления из них вытекали чернила, а работать карандашами было неудобно. За немалую сумму Мартин приобрел у братьев Биро право на выпуск шариковых ручек в Англии. Переоборудовав заброшенный ангар, он начал их изготовление специально для королевских военно-воздушных сил. Скоро производство было налажено и в США. За один только год американские и британские штурманы получили 30 тысяч шариковых ручек.

21 октября 1945 года один нью-йоркский универмаг предложил шариковые ручки обычным покупателям. Успех был огромен. За день удалось продать 10 тыс. ручек, хотя стоила новинка недешево - столько, сколько американский промышленный рабочий получал за 8 часов. В 1948г. производством шариковых ручек занялась известная фирма "Паркер".

Подлинно массовое производство, которое привело к быстрому падению цен на новинку, первой освоила французская фирма "БИК". Сегодня она ежедневно выпускает более 10 миллионов шариковых ручек.

Массовый выпуск подтолкнул к совершенствованию всех подсистем шариковой авторучки. Прежде всего, рабочего органа (шарика):

А.с. 77 080: пишущее устройство к автоматическим ручкам, в которой удерживающая шарик поверхность имеет пазы для лучшего его смачивания.

А.с. 1 234 228: инструмент для письма, содержащий шарик, трубчатый корпус, резервуар для красителя (рис. 2 з), в котором для повышения надежности в работе и качества наносимых линий, шарик выполнен с углублениями в виде радиальных каналов, часть из них имеет конусообразное сужение к центру шарика, с диаметром входного отверстия больше, чем у остальных каналов. При вращении через освободившиеся от краски каналы поступает порция замещающего атмосферного воздуха. В зависимости от количества каналов с конусообразным сужением и их расположением получают орнаментированную несплошную линию. Шарики могут быть различного диаметра, съемные наконечники.

Применение пасты вместо чернил со временем выявило недостатки, присущие только пасте. В патентном фонде есть множество технических решений по предотвращению образования в пасте воздушных пузырей, пробок. Первые шариковые ручки имели поршень в резервуаре, он осуществлял давление (пружиной или винтом) на пасту - подача к шарику была равномерной. Однако, при прекращении письма происходило излишнее протекание пасты, необходимо было освобождать поршень от действия пружины - это усложняло конструкцию.

А.с. 85 680: для упрощения поршень работал лишь под атмосферным давлением, так называемый плавающий поршень.

Были попытки заменить пасту чернилами:

А.с. 80 986: шариковая ручка для обыкновенных жидких чернил (не нужны специальные чернильные пасты); но это изобретение - от бедности, не было отечественной пасты. Хотя решение, в целом, прогрессивно - при использовании чернил требуется меньшее усилие при писании.

Начали появляться новые подсистемы:

А.с. 1 164 072: авторучка, содержащая трубчатый резервуар с электрическим нагревательным элементом, контактирующий с поверхностью письма элемент, отличающаяся тем, что с целью увеличения надежности в работе, трубчатый резервуар выполнен в виде трехслойного (средний слой электропроводящий), содержит источник тока.

Прототип этого изобретения - пат. США 3 725 284, в котором электронагрев снаружи стержня; стержень при этом плохо прогревается при низких температурах, конструкция ненадежна; включение осуществляется поворотом колпачка.

Разработано множество составов паст. Главные требования к пасте противоречивы:

• паста в шариковой ручке должна не застывать минимум год, а попав на бумагу (20-30 с.) - высохнуть;
• паста должна быть жидкой, чтобы хорошо смачивать шарик и оставлять четкий непрерывный след на бумаге, и в то же время должна быть густой, чтобы она не вытекала из ручки в нерабочем положении (когда она висит, лежит);
• записи, сделанные пастой должны длительное время не выцветать, не изменять свой цвет, не осыпаться.

Одно из удачных решений: использование олигомерных составов (промежуточное положение между мономерами и полимерами), они достаточно жидки, а попав на бумагу, быстро полимеризуются и химически связывают красители ("Химия и жизнь", № 8, 1980, с.47).

"Интеллектуализация" не минула и шариковую ручку:

А.с. 1 113 281: шариковая авторучка, которая для расширения функциональных возможностей содержит электромеханический преобразователь, датчик тактильной чувствительности и тактильную ячейку в виде прямоугольной матрицы Брайля; электромеханический преобразователь (пьезокерамические стержни) с частотой 210-220 Гц. Для слабовидящих - запись в виде кода Брайля.

Как и всякая ТС (и в первую очередь ТС близкие человеку), шариковая ручка адаптируется к руке, в частности, в процессе динамизации появляются гибкие конструкции:

А.с. 1 202 902: шариковая авторучка, у которой кончик стержня вместе с трубчатым пластичным корпусом может изгибаться (при ввинчивании колпачка) на угол такой, чтобы всегда был угол 90 град. к поверхности письма (наилучшее рабочее положение шариков в зависимости от анатомического строения кисти руки).

Одно из решений, к которому часто возвращались - замена пасты жидкими чернилами. Это не случайно: шарик легче крутится в чернилах, а значит рука устает не так быстро и пишется легче (почерк лучше). Шариковая ручка появилась как альтернатива "чернильным ручкам", поэтому в прямом виде такой возврат не произошел.

"В недрах" старой ТС зародилась и быстро развилась новая система - фломастер. Прообразы этого устройства можно найти и в системе карандаш ("химический"), и в перьевых ручках (использование КПМ), и в авторучках (запас жидких чернил), и в шариковых ручках (корпус + пишущий стержень, заостренный конец).

Приведем лишь два характерных изобретения:

А.с. 294 305 (пат. РФ, японская фирма): пишущий наконечник для авторучки (фломастера) - был стерженек с продольными канавками снаружи, предложено - внутренний капиллярный канал 0,02-0,04 мм с радиальными каналами и поперечными кольцевыми канавками.

А.с. 1 158 382: прибор для письма, содержащий корпус, резервуар для красителя, насадок с капиллярным каналом для выхода красителя, и средство для выброса красителя через насадок, отличающийся тем, что с целью повышения качества письма и удобства пользования, средство для выброса выполнено в виде намотанного на резервуар металлопленочного конденсатора, одна обкладка которого через выключатель связана с насадком. От внешнего источника заряжают конденсатор. Под действием электростатических сил краситель выталкивается из капиллярного канала наконечника насадка, одноименно заряженные частицы красителя отталкиваются. Толщина линии зависит от зарядного напряжения.

Появление ЭВМ и быстро печатающих устройств потребовало изобретения принципиально новых способов автоматического письма. Например, одно из первых изобретений:

А.с. 147 105: перо для осуществления записи на термической бумаге (рис. 2 и): рабочая часть в виде петли токопровода, защищенной керамикой.

И одна из последних разработок Института кибернетики АН УССР ("НТР: проблемы и решения", № 3, 1988, с.2) - сверхскоростной способ письма. ТС пишет обычными чернилами на обычной бумаге. Но в "новой ручке" нет ни шарика, ни пера, ни стержня, которые имели бы механический контакт с бумагой. Эффект письма достигается тем, что устройство выстреливает капли чернил объемом в несколько сот кубических микрон со скоростью до 10 тысяч капель в секунду. Поэтому скорость письма достигает огромной цифры: 8-12 м/сек. Производительность устройства возрастает в десятки раз, добавим к этому еще возможность получения цветных изображений.