хронограф винаходiв

22 Серпня

  • В цей день в 1865 році американець Уільям Шепперд отримав патент на рідке мило. В патенті була описана речовина, що містила мило і нашатирний спирт.

:

    :

      Публікації

      Забуті винаходи Герона Александрійського

      Автор: Дмитро Романенко

      Опубліковано: 28.04.2009





         Багато хто з нас, вивчаючи фізику або історію техніки, із здивуванням дізнається, що деякі сучасні технології, предмети і знання були відкриті і винайдені в далекі античні часи. Фантасти в своїх творах для опису таких явищ навіть використовують спеціальний термін: "хроноклазми" – загадкові проникнення сучасних знань в минуле. Проте, в реальності все набагато простіше: більшість подібних знань була насправді відкрита стародавніми вченими, але потім з якихось причин про них забули і відкрили знов кількома сторіччями пізніше.
          В цій статті пропоную вам ближче познайомитися з одним з видатних вчених античності. Він зробив свого часу величезний внесок у розвиток науки, але більшість його праць і винаходів канула в Лету і була незаслужено забута. Ім'я йому - Герон.

      Мал. 1. Герон Александрійський


          Герон жив в Єгипті в місті Александрія і тому став відомий як Герон Александрійський. Сучасні історики припускають, що він жив в 1-м столітті н.е. десь між 10-75 роками. Встановлено, що Герон викладав в Александрійському Музеї - науковому центрі античного Єгипту, до складу якого входила і знаменита Александрійська бібліотека. Більшість праць Герона представлена у вигляді коментарів і записок до учбових курсів з різних навчальних дисциплін. Нажаль, оригінали цих праць не збереглися, можливо, вони загинули в полум'ї пожежі, що охопило Александрійську бібліотеку в 273 році н.е., а можливо були знищені в 391 році н.е. християнами в пориві релігійного фанатизму, коли вони знищували все, що нагадувало про язичницьку культуру. До наших часів дійшли лише переписані копії праць Герона виконані його учнями і послідовниками. Частина з них на грецькій мові, а частина на арабській. Є переклади на латину, виконані в XVI столітті.
          Найбільш відома "Метрика" Герона - наукова праця, в якій наведені визначення кульового сегменту, тора, правила і формули для точного і наближеного обчислення площ правильних багатокутників, об'ємів зрізаних конуса і піраміди. В "Метриці" є знаменита формула Герона для визначення площі трикутника за трьома сторонами, наведені правила чисельного розв’язання квадратних рівнянь і наближеного вилучення квадратних і кубічних коренів. В "Метриці" досліджуються найпростіші підйомні пристосування - важіль, блок, клин, похила площина і гвинт, а також деякі їх комбінації. В цій праці Герон вводить в обіг термін "прості машини" і використовує для опису їх роботи поняття моменту сили.
          Багато математиків звинувачують Герона в тому, що в "Метриці" нема математичних доказів. Це справді так. Герон не був теоретиком, він вважав, що всі виведені ним формули і правила ліпше пояснювати наочними практичними прикладами. Саме в області практики Герон перевершує більшість своїх попередників. Кращою ілюстрацією цього є його праця "Про діоптр", знайдена лише в 1814 році. В цій праці описані методи проведення різноманітних геодезичних робіт, причому землемірна зйомка виконується за допомогою винайденого Героном приладу - діоптри.


      Мал. 2. Діоптра

         Діоптра була прототипом сучасного теодоліта. Головною її частиною була лінійка з закріпленими на її кінцях візирами. Ця лінійка оберталася по колу, що могло бути розташовано горизонтально чи вертикально. Для правильного встановлення приладу використовували висок і рівень. За допомогою приладу і прямокутних координат, Герон міг вирішувати на місцевості різні задачі: вимірювати відстань між двома точками, коли одна з них або обидві вони недоступні спостерігачеві; провести пряму, перпендикулярну до недоступної прямої лінії; знайти різницю рівнів між двома пунктами; виміряти площу найпростішої фігури.
          Ще за часів Герона одним з шедеврів античної інженерії вважався водопровід на острові Самос, що був створений за проектом Евпаліна і проходив крізь тунель. Вода через цей тунель подавалася в місто з джерела, що знаходилося на іншому боці сторони гори Кастро. Відомо було, що з метою прискорення роботи, тунель будували одночасно з обох сторін гори, а це вимагало високої кваліфікації від інженера, що керував будівництвом. Водопровід працював багато століть і дивував сучасників Герона, також про нього згадував в своїх творах і Геродот. Саме від Геродота сучасний мир дізнався про існування тунелю Евпаліна. Дізнався, але не повірив, тому що вважалося, що стародавні греки не мали необхідної технології для спорудження такого складного об'єкту. Вивчивши знайдену в 1814 році працю Герона "Про діоптр" учені одержали друге документальне підтвердження існування тунелю. І лише в кінці XIX століття німецька археологічна експедиція насправді знайшла легендарний тунель Евпаліна.
          От як в своїй праці Герон наводить приклад використовування винайденої їм діоптри для спорудження тунелю Евпаліна.


      Мал. 3. Схема вимірювань для спорудження тунелю Евпаліна

         Точки B і D - входи в тунель. Поряд з точкою B обирається точка E, від неї вздовж гори будується відрізок EF, перпендикулярний відрізку BE. Далі в обхід гори будується система взаємно перпендикулярних відрізків до тих пір, поки не отримають лінію КL, на якій обирають точку M і будують від неї перпендикуляр MD до входу в тунель D. Використовуючи лінії DN і NB отримують трикутник BND і вимірюють кут α.

         Крім всього іншого в 34-му розділі праці "Про діоптр" Герон наводить опис винайденого ним пристрою для вимірювання відстаней - одометра.

       

      Мал. 4. Одометр (зовнішній вигляд)

       


      Мал. 5. Одометр (внутрішній устрій)


          Одометр був невеличким візком, встановленим на двох колесах спеціально підібраного діаметра. Колеса поверталися рівно 400 разів на мілліатрій (стародавня міра довжини, що дорівнює 1598 м). За допомогою зубчастої передачі в обертання приводилися численні колеса і осі, а індикатором пройденої відстані були камінчики, що випадали в спеціальний лоток. Для того, щоб дізнатися, яка відстань була пройдена, потрібно було лише підрахувати кількість камінчиків в лотку. Роботу одометра наочно демонструє цей відеофрагмент.
          Однією з найцікавіших праць Герона є "Пневматика". В книзі наведені описи близько 80 пристроїв і механізмів, діючих з використанням принципів пневматики і гідравліки. Найвідомішим пристроєм є еоліпіл (в перекладі з грецького: "куля бога вітрів Еола").


      Мал. 6. Еоліпіл

         Еоліпіл був виконаний у вигляді наглухо запаяного котла з двома трубками на кришці. На трубках з можливістю обертання була встановлена порожниста куля, на поверхні якої були виконані два Г-подібних патрубки. В котел через отвір заливалася вода, отвір закривався пробкою і котел встановлювався над вогнем. Вода скипала, утворювалася пара, яка трубками надходила в кулю і в Г-подібні патрубки. При достатньому тиску струмені пари, вириваючись з сопел, швидко обертали кулю. Побудований сучасними інженерами за кресленнями Герона еоліпіл розвивав до 3500 обертів на хвилину!
          При виготовленні еоліпіла інженери зіткнулися з проблемою ущільнення в шарнірних з'єднаннях кулі і трубок, якими надходить пара. При великому зазорі між трубками і кулею, куля оберталася легко, але пара виходила через щілини і її тиск швидко зменшувався. Якщо цей зазор зменшували, втрата пари зникала, але і куля оберталася важче через збільшення тертя. Нам невідомо, як Герон вирішував цю проблему. Можливо, його еоліпіл обертався не з такою великою швидкістю, як сучасна модель.
          Нажаль еоліпіл не одержав належного визнання і не був потрібний ні в епоху античності, ні пізніше, хоча і справляв величезне враження на всіх, хто його бачив. До цього винаходу ставилися лише, як до забавної іграшки. Фактично еоліпіл Герона є прототипом парових турбін, що з'явилися лише двома тисячоліттями пізніше! Більш того, еоліпіл можна вважати одним з перших реактивних двигунів. До відкриття принципу реактивного руху залишився один крок: маючи перед собою експериментальну установку, необхідно було б сформулювати сам принцип. На цей крок людство витратило майже 2000 років. Складно уявити, як би виглядала історія людства, якби принцип реактивного руху став би відомим 2000 років тому. Можливо, людство вже давно б вивчило всю Сонячну систему і дісталося б до зірок. Зізнаюся, іноді виникає думка, що розвиток людства кимось або чимось навмисно затримувалося протягом сторіч. Втім, цю тему залишимо для розвитку письменникам-фантастам...
          Цікаво, що повторний винахід еоліпіла Герона відбувся в 1750 році. Угорський вчений Я.А. Сегнер побудував прообраз гідравлічної турбіни. Відмінність так званого Сегнерова колеса від еоліпіла полягає в тому, що реактивна сила, яка обертає пристрій, створюється не парою, а струменем рідини. В наш час винахід угорського вченого служить класичною демонстрацією реактивного руху в курсі фізики, а на полях і в парках він використовується для поливу рослин.
          Ще одним цікавим винаходом Герона, пов’язаним із застосуванням пари, є паровий бойлер.

      Мал. 7. Паровий бойлер

         Бойлер містив велику бронзову ємність, з коаксіально встановленим циліндром, жаровнею і трубами для подачі холодної і виведення гарячої води. Бойлер був достатньо економічним і забезпечував швидкий нагрів води.
         Значну частину "Пневматики" Герона займає опис різних сифонів і судин, з яких самопливом по трубці витікає вода. Принцип закладений в цих конструкціях з успіхом використовується сучасними водіями при необхідності відлити бензин з бака автомобіля.
         Як відомо, в епоху античності величезний вплив на людей мала релігія. Релігій і храмів було дуже багато, і кожний ходив спілкуватися з богами туди, куди йому більше подобалося. Оскільки добробут жерців того чи іншого храму прямо залежав від кількості прочан, жерці прагнули залучити їх чим завгодно. Саме тоді ними і був відкритий закон діючий і понині: ніщо не в змозі привернути в храм людей краще, ніж це зробить диво. Проте, Зевс спускався з Олімпу не частіше, ніж з неба сипалася манна небесна. А парафіян треба було залучати в храм щодня. Для створення божественних див жерцям довелося скористатися розумом і науковими знаннями Герона. Одним з найбільш вражаючих див став розроблений ним механізм, який відкривав двері в храм при розпалюванні вогню на вівтарі. Принцип дії зрозумілий з анімованого малюнка.

      Мал. 8. Схема "магічного" відкривання дверей в храмі

      (C) P. Hausladen, RS Vöhringen

         Нагріте вогнем повітря поступало в судину з водою і видавлювало певну кількість води в підвішену на канаті бочку. Бочка, наповнюючись водою, опускалася вниз і за допомогою каната обертала циліндри, які приводили в рух поворотні двері. Двері розкривалися. Коли вогонь згасав, вода з бочки переливалася назад в судину, а підвішена на канаті противага, обертаючи циліндри, закривала двері. Досить простий механізм, а зате який психологічний ефект на прочан!
          Ще одним винаходом, який суттєво збільшив рентабельність античних храмів, став винайдений Героном автомат з продажу "святої" води.


      Мал. 9. Автомат для продажу "святої" води


          Внутрішній механізм пристрою був достатньо простий, і складався з точно збалансованого важеля, що управляв клапаном, який відкривався під дією ваги монети. Монета падала крізь щілину на невеликий лоток і приводила в дію важіль і клапан. Клапан відкривався, витікала певна кількість води. Потім монета зісковзувала з лотка і важіль повертався в початкове положення, закриваючи клапан. З літописів відомо, що порція "святої" води за часів Герона коштувала 5 драхм.
      Цей винахід Герона став першим в світі торговельним автоматом і, незважаючи на те, що приносив непоганий прибуток, він був забутий на сторіччя. І лише в кінці XIX століття торговельні автомати були винайдені знов.

         Можливо, наступний винахід Герона також активно застосовувався в храмах.

      Мал. 10. Судини для перетворення води у вино

         Цей пристрій містить дві судини, сполучені трубкою. Одна з судин наповнювалася водою, а інша вином. Парафіянин доливав невелику кількість води в судину з водою, вода надходила в іншу судину і витісняла з нього рівну за обсягом кількість вина. Людина приносила воду, а вона "волею богів" перетворювалася на вино! Чи це не диво?
          А ось ще одна винайдена Героном конструкція судини для перетворенню води у вино і навпаки.

      Мал. 11. Амфора для розливу вина і води


          Половина амфори наповнюється вином, а друга половина водою. Потім шийка амфори закривається пробкою. Розлив рідини відбувається за допомогою крана, розташованого внизу амфори. У верхній частині судини під виступаючими ручками просвердлені два отвори: один у "винній" частині, а другий в "водяній" частині. Кубок підносився до крана, жрець відкривав його і наливав в кубок або вино, або воду, непомітно затикаючи один з отворів пальцем.
         Унікальним для свого часу винаходом був водяний насос, конструкція якого описана Героном в його книзі "Пневматика".

      Мал. 12. Насос Герона

         Насос складався з двох сполучених поршневих циліндрів, обладнаних клапанами, з яких по черзі витіснялася вода. Насос приводився в дію мускульною силою двох людей, які по черзі натискували на плечі важеля. Відомо, що насоси такого типу згодом використовувалися римлянами для гасіння пожеж і відрізнялися високою якістю виготовлення і напрочуд точною підгонкою всіх деталей. Подібні їм насоси аж до відкриття електрики часто використовувалися як і для гасіння пожеж, так і у флоті для відкачування води з трюмів при аварії.
          Як ми бачимо, Героном було розроблене три дуже цікавих винаходи: еоліпіл, поршневий насос і бойлер. Скомпонувавши їх можна було одержати парову машину. Така задача, напевно, була під силу якщо не самому Герону, то його послідовникам. Люди вже тоді були здатні створювати герметичні ємності, і, як видно з прикладу з поршневим насосом, досягли значних успіхів при виготовленні механізмів, що вимагають високої точності виготовлення. Парова машина, звичайно, не реактивний двигун, для створення якого знань античних вчених явно бракувало, але і вона б істотно прискорила розвиток людства. Чому цього не відбулося?

         Найпоширенішим способом освітлення в античні часи було освітлення за допомогою масляних ламп, в яких горів просочений маслом гніт. Гніт був шматком ганчірки і вигоряв досить швидко, вигоряло і масло. Одним з основних недоліків таких ламп була необхідність стежити за тим, щоб над поверхнею масла, рівень якого постійно знижувався, постійно знаходилося достатньо гніту для горіння. Якщо за наявності однієї лампи стежити за нею було легко, то за наявності декількох ламп вже виникала потреба в слузі, який б регулярно ходив приміщенням і поправляв гніт в лампах.
          Герон винайшов автоматичну масляну лампу.

      Мал. 13. Масляна лампа


          Лампа складається з чаші, в яку наливалося масло і пристрою для подачі гніту. Цей пристрій містив поплавець і сполучене з ним зубчате колесо. При пониженні рівня масла, поплавець опускався, обертав зубчате колесо, а воно, у свою чергу, подавало в зону горіння тонку рейку, обмотану гнітом. Цей винахід став одним з перших прикладів використання зубчатої рейки разом із зубчатим колесом.
          Ще одним винаходом Герона, призначеним для храмів, став орган, що приводиться в дію за допомогою вітру.

      Мал. 14. Гідравлос, модернізований Героном

         Створений Героном орган не був оригінальним, а був лише вдосконаленою конструкцією гідравлоса - музичного інструменту, придуманого Ктесибієм. Гідравлос - містив набір труб з клапанами, що створювали звук. Повітря в труби подавалося за допомогою резервуару з водою і насоса, що створював необхідний тиск в цьому резервуарі. Управління клапанами труб, як і в сучасному органі, здійснювалося за допомогою клавіатури. Герон запропонував автоматизувати гідравлос, за допомогою вітряного колеса, яке служило приводом для насоса, що нагнітав повітря в резервуар.
          Тим кому повезло з шкільним вчителем фізики, напевно знають про фонтан Герона.

      Мал. 15. Фонтан Герона


          Фонтан Герона складається з трьох сполучених ємностей, розміщених один над одним. Дві нижні ємності - закриті, а верхня виконана у формі відкритої чаші, в яку наливається вода. Також вода наливається і в середню ємність, яку потім закривають. По трубці, що йде від дна чаші майже до дна нижньої ємності, вода тече з чаші вниз і, стискаючи повітря, що знаходиться там, збільшує його пружність. Нижня судина сполучена з середньою за допомогою трубки, якою тиск повітря передається в середню ємність. Тиснучи на воду, повітря примушує її підійматися з середньої ємності по трубці у верхню чашу, де з кінця цієї трубки, що розташована над поверхнею води, б'є фонтан. Вода фонтану, падає в чашу, тече з неї по трубці в нижню ємність, де рівень води поступово підвищується, а рівень води в середній ємності знижується. Незабаром фонтан перестає працювати. Щоб запустити його знову, треба просто поміняти місцями нижню і середню ємності. Роботу фонтану Герона можна побачити в цьому відофрагменті.
          В "Пневматиці" Герона також наведений опис конструкції шприца.

      Мал. 16. Шприц

         Нажаль, точно невідомо чи використовувався в епоху античності цей прилад для медичних цілей. Також невідомо, чи знали про його існування француз Чарльз Праваз і шотландець Олександр Вуд, які вважаються винахідниками сучасного медичного шприца.
          Вперше в історії Героном були розроблений самохідний механізм.

      Мал. 17. Самохідна шафа

         Механізм мав вигляд дерев'яної шафи встановленої на чотирьох колесах. Внутрішній устрій шафи був схований за дверцями. Проте, секрет пересування був простий: усередині шафи поволі опускалася підвішена плита, яка за допомогою канатів і валів приводила в рух всю конструкцію. Як регулятор швидкості використовувався запас піску, який поступово пересипався з верхньої частини шафи в нижню. Швидкість опускання плити регулювалася швидкістю пересипання піску, яка залежала від того наскільки широко розкриті стулки, що відділяли верхню частину шафи від нижньої.
          Унікальною для свого часу науковою працею є "Механіка" Герона. Ця книга дійшла до нас в перекладі арабського вченого IX століття н.е. Кості аль-Балбакі. До XIX століття ця книга ніде не публікувалася і була, мабуть, невідома науці ні за часів Середньовіччя, ні в період Відродження. Це підтверджується і відсутністю списків тексту його в грецькому оригіналі і в латинському перекладі, і відсутністю згадки про нього у схоластичних авторів. В "Механіці" крім опису найпростіших механізмів: клина, важеля, ворота, блоку, гвинта, ми знаходимо створений Героном механізм для підйому вантажів.


      Мал. 18. Барулк

         В книзі цей механізм фігурує під назвою барулк (baroulkos). З малюнка видно, що цей пристрій є ні що інше, як редуктор, який використовується як лебідка. Барулк Герона складається з декількох зубчатих коліс, що приводяться в рух ручною силою, причому Герон приймає відношення діаметра колеса до діаметра осі рівним 5:1, заздалегідь припустивши, що вантаж важить 1000 талантів (25 т), а рушійна сила рівна 5 талантам (125 кг).
          Праці "Про військові машини", "Про виготовлення метальних машин" Герон присвятив основам артилерії і описав в них декілька конструкцій арбалетів, катапульт, баліст.

      Мал. 19. Баліста (сучасна реконструкція)

         Якщо праці Герона в області математики і інженерії прославляли його серед вузького кола вчених того часу, то серед широкої публіки він був відомий завдяки своїм автоматичним театрам. Роботи Герона викликали в людях відчуття здивування і захоплення можливостями технічної думки. Багато з його творінь служили просвітницьким цілям і демонстрували не тільки можливості науки, але і знайомили сучасників з фактами історії і міфами Еллади.
          Праця Герона "Про автомати" була популярною в епоху Відродження. Її переклали латиною, і цитували багато вчених того часу. Зокрема, в 1501 році Джорджіо Валла (Giorgio Valla) переклав деякі фрагменти цієї праці. Пізніше з'явилися переклади і інших авторів.
          Відоме зображення одного з автоматів Герона, яке навів в своїй книзі в 1589 році Джованні Батисту Алеоті (Giovanni Battista Aleoti ). В цьому відеофайлі наведена реконструкція одного з рухомих автоматів Герона.

      Мал. 20. Один з автоматів Герона

         Більшість креслень механічних ляльок Герона не збереглися, але в різних джерелах є їх описи. Відомо, що Герон створив своєрідний ляльковий театр, який пересувався на прихованих від глядачів колесах і був виконаний у вигляді невеликої архітектурної споруди - чотири колони із загальним цоколем і архітравом. Ляльки на сцені, які приводилися в рух складною системою шнурів і зубчатих передач, розігрували церемонію святкування на честь Діоніса. Як тільки такий театр виїжджав на міську площу, на його сцені над фігурою Діоніса спалахував вогонь, на пантеру, що лежить у ніг божества, лилося вино з чаші, а свита починала танцювати під музику. Потім музика і танці припинялися, Діоніс повертався в іншу сторону, полум'я спалахувало в другому жертовнику - і вся вистава повторювалася спочатку. Це дійство незмінно викликало зацікавленість у всіх жителів. Але не менший успіх здобули вуличні спектаклі іншого лялькового театру Герона. Цей театр (пінака) був дуже малий за своїми розмірами, його легко переносили з місця на місце, Він мав вигляд невеликої колони, нагорі якої знаходився макет театральної сцени, прихованої за дверцятами. Вони відкривалися і закривалися п'ять разів, розділяючи на акти драму про сумне повернення переможців Трої. На крихітній сцені з винятковою майстерністю показувалося, як воїни споруджували і спускали на воду парусні кораблі, пливли на них по бурхливому морю і гинули в пучині під блискання блискавок і гуркіт грому. Для імітації грому Герон створив спеціальний пристрій, в якому з ящика висипалися кульки, що ударялися об дошку.

      Мал. 21. Імітатор грому


          В своїх автоматичних театрах Герон, використовував елементи програмування: дії автоматами виконувалися в певній послідовності, а декорації змінювали одна одну в потрібні моменти. Цікаво, що основною рушійною силою, що приводила в рух механізми театру, була гравітація (використовувалася енергія падаючих тіл). Також використовувалися елементи пневматики і гідравліки. Не використовувалися пружини, які стали широко застосовуватися тільки в автоматах епохи Відродження. Причина цього проста: для виробництва пружин необхідні пружні високоякісні сталеві сплави, які не були відомі металургам античності.

         Протягом свого життя Герон створив багато різноманітних винаходів, цікавих не тільки його сучасникам, але і нам. В даній статті я навів лише найвідоміші з них, а описи інших не менш цікавих винаходів ви можете знайти скориставшись вказаними нижче джерелами.

       

       

      Література

      1. Michael Lahanas "Heron of Alexandria"
      http://www.mlahanas.de/Greeks/HeronAlexandria.htm

      2. The Pneumatics of Hero of Alexandria (from the original greek translated for and edited by Bennet Woodcroft)
      http://www.history.rochester.edu/steam/hero/index.html

      3.  An Aeoli- What?!? by Katie Crisalli
      http://www.pr.afrl.af.mil/aeolipile.html

      4. Ancient Inventions
      http://www.smith.edu/hsc/museum/ancient_inventions/hsclist.htm

      5. Technical Works by Heron of Alexandria, Aristides Quintilianus and Johannes Pediasimos, with diagrams, later 16th century.
      http://image.ox.ac.uk/show?collection=magdalen&manuscript=msgr12

       



      Радимо ознайомитись з іншими статтями про великих винахідників та їх винаходи:

      1. Професор М.Д. Пільчиков - харківський Тесла

      2. Таємниці винаходів Ніколи Тесли

      3. Іван Пулюй - український винахідник Х-променів

      4. Історія винайдення ліфта

      5. Хто винайшов телефон?
       

      Перелік інших публікацій

       
      Регистрация авторских прав Патентування Бюро патентов
      .