И.В. Анищенко (г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ),
Р.Ф. Ахматова (г. Нижний Тагил, НТГСПА)
Научный руководитель - Ю.Б. Сериков

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО АБРАЗИВНОМУ ПИЛЕНИЮ
(аспекты экономического моделирования)

Пиление в древности представляло собой вспомогательную и промежуточную стадию обработки камня. Большинство пил – это плитки камня с абразивной структурой. Никаких зубьев на абразивных каменных пилах нет. Действие пилы рассчитано на абразивные зерна, которые царапают и стачивают обрабатываемую породу, при затуплении выпадают, после чего в действие вступают лежащие за ними острые частицы. Следы сработанности на абразивных пилах выглядят в виде толстых и тонких царапин, расположенных параллельно друг другу и рабочему краю лезвия пилы.
В эксперименте мы попытались смоделировать некоторые способы абразивного пиления камня. Одновременно выясняли рабочие качества пил из различных материалов: скорость пиления и износ материала пил. Вместе с этим рассматривались некоторые аспекты экономического моделирования: затраты времени, рабочей силы и т.п.
При выборе подходящих для пиления плиток мы основывались на двух критериях: твердость материала и удобство захвата рукой при работе. В качестве абразива выступал крупный кварцитовый песок (твердость 7 ед.) [Здесь и далее для обозначения твердости материала используется шкала Мооса]. Пилению подверглись: керамика, тальк, мягкий сланец и серицит-хлоритовый сланец. Эксперимент был проведен в два этапа: первый этап – это пиление во время экспедиции на Шайтанское озеро летом 2005 г., второй этап – пиление в лабораторных условиях.
На первом этапе в качестве пилы была использована плитка диабаза (вулканическая порода, твердость – 5-6 ед.). Однако вследствие неосторожных действий плитка раскололось на две части, каждая из которых в дальнейшем была использована в качестве пилы. Первая пила применялась для пиления плитки серицит-хлоритового сланца, вторая – для пиления талька. Обе плитки были оббиты под удобный захват правой рукой.
Для пиления плитки серицит-хлоритового сланца (толщина от 12 мм до 20 мм, твердость – 3-4 ед.) был выбран более крупный осколок (длина лезвия –114 мм). Чтобы придать лезвию пилы более острую и правильную формы, оно было заточено на шлифовальной плите. Время, затраченное на обработку пилы, составило 60 мин. Заточка лезвия и пиление происходили у самой кромки воды с постоянным смачиванием и подкладыванием мокрого песка в рабочую зону. Для непривычного человека пиление оказалось довольно трудоемким процессом. Пиление – это однообразные возвратно-поступательные движения, которые требовали значительного усилия руки, из-за чего мышцы предплечья очень быстро уставали. Работать приходилось в неудобном положении (на корточках), из-за этого спина и ноги затекали, и приходилось часто делать перерывы в работе, чтобы размять мышцы. Работа выполнялась поэтапно: 15 мин. пиления, 5 мин. отдыха. С течением времени интервалы работы сокращались, и уже к концу третьего часа непрерывно пилить удавалось не более 10 мин. По оценке С.А. Семенова, мышцы предплечья у древнего человека были сильнее мышц предплечья современного человека, поэтому интервалы работы древнего человека могли быть значительно больше.
Для того, чтобы плитка сланца находилась в неподвижном состоянии, она была наполовину закопана в песок. Пила держалась в правой руке, левой рукой поддерживалась заготовка и подкладывался мокрый песок. Песок необходимо было подкладывать каждые 10 сек., так как он постепенно высыпался из желоба распила. Самым трудным оказалась начальная разметка распила. Пила постоянно скользила по плоской поверхности, и её сложно было направлять по одной прямой. На то, чтобы наметить (слегка углубить) желоб для распила, уходило порядка 15-20 мин. Еще одна сложность заключалось в том, что необходимо было начать распил строго поперек плитки. Суммарно на пиление ушло 73 мин, а с учетом отдыха и заточки пилы на работу было затрачено 4,5 часа. Сланец был обработан с двух сторон, причем с одной стороны распил был только слегка намечен. Пропиленный желоб имел длину 101 мм, ширину – 11 мм и глубину – 2,5 мм. Профиль распила был симметричным и выглядел в виде равнобедренного треугольника. Глубина распила в проксимальной его части была больше, чем в дистальной. Произошло это благодаря тому, что при начальном движении руки от тела давление на пилу возрастало, т.к. было задействовано большее количество мышц. Эта характерная черта износа была свойственна всем экспериментальным распилам.
Лезвие пилы после распила приобрело округлый профиль, более сточенный с проксимальной стороны, т.к. пила при работе держалась под наклоном, – это естественное положение для любого орудия, зажатого в руке. Также эта особенность позволяет определить, какой рукой работал мастер. В пропиленом желобе и на лезвии пилы остались параллельные следы сработанности.
Пиление талька (толщина 45 мм, твердость – 2 ед.) производилось второй пилой (длина лезвия – 78 мм). Для работы был взят кусок серого талька с красновато-черными карбонадными включениями. Лезвие пилы было решено не обрабатывать, так как оно было довольно прямым и острым. Процесс пиления существенно не отличался от пиления сланца, за исключением того, что пиление талька оказалось легче на всех этапах работы. Но сделать прямой распил также было сложно и требовало аккуратности.
Всего было сделано 3 распила. На непрерывное пиление ушло 143 мин., всего же с учетом перерывов около 6 часов. Распилы были шириной от 20 до 25 мм, глубина пропила достигала 35 мм. Одна из сторон куска талька была надпилена с двух сторон и отломана. Профили распилов имели треугольную форму, и были более сточены с проксимальной стороны. Лезвие пилы после пиления оказалось более острым, чем у первой пилы. Это позволяет сделать вывод о том, что острота лезвия зависит от твердости обрабатываемого материала. А значит, этот параметр пилы позволяет определить, какой материал распиливали данной (археологической) пилой. Также не исключено, что мягкий материал мог быть использован для заточки лезвия пилы и придания ему правильной формы.
В процессе работы с тальком был проведен эксперимент по сухому пилению. Пила по сухому желобу начинает прыгать и пилить становится невозможно. Это происходит вследствие действия силы трения, которая возникает при взаимодействии пилы и обрабатываемого материала. Похожий эффект можно наблюдать, если с силой потереть друг об друга две гладкие выпуклые стеклянные линзы. Для того, чтобы понизить силу трения, необходима вода, которая образует тонкую пленку и тем самым снижает силу трения. Пиление с водой, но без песка также не дало результатов. Пила начинает просто скользить по желобу, нисколько не углубляясь в обрабатываемый материал.
Кроме талька вторая пила использовалась для пиления кости и керамики. Пиление этих мягких материалов не вызывало трудности и происходило довольно быстро. Здесь стоит отметить один факт. Пиление керамики с песком оказалось эффективнее в 4 раза, чем без песка.
Вторым этапом эксперимента была работа в лабораторных условиях. Отличительной его чертой было то, что во время работы в лаборатории мастер мог создать себе более удобное рабочее положение: пиление производилось на столе, а сам он сидел на стуле. Это привело к повышению эффективности работы, так как увеличились интервалы непрерывного пиления. Удавалось без какой-либо усталости пилить непрерывно до 20 мин. На суммарное пиление серицит-хлоритового сланца ушло 60 мин., а с учетом отдыха около 2 час. Возрастание эффективности произошло и при пилении талька. В обоих случаях время полной работы уменьшалось почти вдвое.
В процессе эксперимента была отмечена еще одна особенность. Так как в лабораторных условиях пилить приходилось ограниченным количеством песка, он постепенно измельчался. И пиление мелким песком оказалось заметней эффективнее, чем крупным. Это происходит вследствие того, что мелкий песок дольше сохраняется в желобе распила, и его необходимо подкладывать значительно реже (каждые 30-35 сек.). Кроме этого при работе мелким песком в рабочей зоне находится больше острых зерен, которые и обеспечивают лучшую стачиваемость обрабатываемого материала.
Во время поездки в Капову пещеру (республика Башкортостан), на берегу р. Белая была найдена плитка сланца с ярко выраженной слоистостью (твердость – 2-3 ед.). Эта плитка (длина лезвия 150 мм) была использована в качестве двуручной пилы для распила мягкого сланца (твердость – 2 ед.) и плитки серицит-хлоритового сланца. Данный эксперимент был проведен для оценки эффективности работы двуручной пилой, а также для сравнения скорости пиления пилами различной твердости. Для удобного захвата двумя руками плитка была оббита с двух сторон, и при этом была отмечена мягкость и хрупкость этого материала (плитка легко ломалась). Лезвие плитки было острым и не требовало заточки. При работе двуручной пилой необходимо иметь механизм закрепления заготовки.
Двуручная пила при распиле куска мягкого сланца оказалась в 2 раза эффективнее, чем одноручная пила из диабаза. Эксперимент показал, что при пилении мягкого материала большую роль играет длина лезвия, нежели твердость материала пилы. Но эта пила оказалась практически бесполезной при распиле плитки серицит-хлоритового сланца. Расход материала пилы оказался в 2 раза больше, чем расход материала обрабатываемого сланца. После работы лезвие пилы стало плоским.

Рис 1. Скорость пиления различных материалов диабазовой пилой (1, 2, 3) и пилой из сланца (4, 5): 1, 5 – по мягкому сланцу, 2, 4 – по серицит-хлоритовому сланцу, 3 – по тальку.	Рис 2. Скорость износа пил из диабаза (1, 2, 3) и слоистого сланца (4, 5): 1, 4 – по серицит-хлоритовому сланцу, 2 – по тальку, 3, 5 – по мягкому сланцу.

Как и следовало ожидать, скорость пиления зависит от уровня твердости материала пилы и материала обрабатываемого изделия. К информации, представленной на гистограммах, следует добавить, что, хотя из соображений точности скорость измерялась в кубических сантиметрах в час, гораздо более важным является глубина пропила. На плитке сланца за час работы удавалось достичь глубины в 4 мм, суммарная глубина для двух сторон достигла 8 мм за 2 часа непрерывной работы или 5,5 часов полной работы. Для талька за час работы удавалось достичь пропила глубиной 12 мм, для мягкого сланца – 10 мм за полчаса работы. Двуручной пилой за час работы по твердому материалу делался пропил глубиной всего около 1 мм, т.е. для того, чтобы сделать требуемый для разлома распил суммарной глубиной в 8 мм, требовалось 8 час. непрерывной работы или 12 час. суммарной.
Эксперимент показал, что пиление оказалось трудоемким процессом, требующим больших затрат энергии и времени. Выяснилось, что при работе по мягкому материалу пиление можно считать вполне эффективным способом обработки камня. Когда же обрабатываемый материал превышает твердость материалы пилы, работа становится малопроизводительной.