Многие из нас, изучая физику или историю техники, с удивлением обнаруживают, что некоторые современные технологии, предметы и знания были открыты и изобретены в далекие античные времена. Фантасты в своих произведениях для описания таких явлений даже используют специальный термин: «хроноклазмы» - таинственные проникновения современных знаний в прошлое. Однако, в реальности все проще: большинство подобных знаний были действительно открыты древними учеными, но потом по каким-то причинам о них забыли и открыли вновь спустя столетия.
В этой статье предлагаю вам ближе познакомиться с одним из удивительных ученых античности. Он внес в свое время огромный вклад в развитие науки, но большинство его трудов и изобретений кануло в Лету и было незаслуженно забыто. Имя ему - Герон Александрийский.
Герон жил в Египте в городе Александрия и поэтому стал известен как Герон Александрийский. Современные историки предполагают, что он жил в 1-м веке н.э. До наших времен дошли лишь переписанные копии трудов Герона выполненные его учениками и последователями. Часть из них на греческом, а часть на арабском языке. Существуют и переводы на латынь, выполненные в XVI веке.
Наиболее известна «Метрика» Герона - научный труд, в котором даны определение шарового сегмента, тора, правила и формулы для точного и приближенного вычисления площадей правильных многоугольников, объемов усеченных конуса и пирамиды. В этом труде Герон вводит термин «простые машины» и использует для описания их работы понятие момента силы.
Диоптра была прообразом современного теодолита. Главной ее частью служила линейка с укрепленными на ее концах визирами. Эта линейка вращалась по кругу, который мог занимать и горизонтальное, и вертикальное положение, что давало возможность намечать направления, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Для правильности установки прибора к нему присоединялись отвес и уровень. Пользуясь этим прибором и вводя в употребление прямоугольные координаты, Герон мог решать на местности различные задачи: измерить расстояние между двумя точками, когда одна из них или обе они недоступны наблюдателю, провести прямую, перпендикулярную к недоступной прямой линии, найти разность уровней между двумя пунктами, измерить площадь простейшей фигуры, даже не вступая на измеряемую площадку.
Кроме всего прочего Герон дает описание изобретенного им устройства для измерения расстояний - одометра.
Рис. Одометр (внешний вид
Рис. Одометр (внутренне устройство)
Одометр представлял собой небольшую тележку, установленную на двух колесах специально подобранного диаметра. Колеса поворачивались ровно 400 раз на миллиатрий (древняя мера длины, равная 1598 м). Посредством зубчатой передачи во вращение приводились многочисленные колеса и оси, а индикатором пройденного расстояния были камешки, выпадавшие в специальный лоток. Для того, чтобы узнать, какое расстояние было пройдено, нужно было лишь подсчитать количество камешков в лотке.
Одним из самых интересных трудов Герона является «Пневматика». В книге приведены описания около 80 устройств и механизмов. Наиболее известным является эолипил (в переводе с греческого: «шар бога ветров Эола»).
Рис. Эолипил
Эолипил представлял собой наглухо запаянный котел с двумя трубками на крышке. На трубках устанавливался вращающийся полый шар, на поверхности которого были установлены два Г-образных патрубка-сопла. В котел через отверстие заливалась вода, отверстие закрывалось пробкой, и котел устанавливался над огнем. Вода вскипала, образовывался пар, который по трубкам поступал в шар и в Г-образные патрубки. При достаточном давлении струи пара, вырываясь из сопел, быстро вращали шар. Построенный современными учеными по чертежам Герона эолипил развивал до 3500 оборотов в минуту!
К сожалению эолипил не получил должного признания и не был востребован ни в эпоху античности ни позже, хотя и производил огромное впечатление на всех, кто его видел. Эолипил Герона является прототипом паровых турбин, появившихся лишь спустя два тысячелетия! Более того, эолипил можно считать одним из первых реактивных двигателей. До открытия принципа реактивного движения остался один шаг: имея перед собой экспериментальную установку, требовалось сформулировать сам принцип. На этот шаг человечество затратило почти 2000 лет. Сложно представить, как бы выглядела история человечества, если бы принцип реактивного движения получил распространение 2000 лет назад.
Еще одним выдающимся изобретением Герона, связанным с применением пара является паровой бойлер.
Конструкция представляла собой большую бронзовую емкость, с коаксиально установленным цилиндром, жаровней и трубами для подачи холодной и выведения горячей воды. Бойлер обладал большой экономичностью и обеспечивал быстрый нагрев воды.
Значительную часть «Пневматики» Герона занимает описание различных сифонов и сосудов, из которых самотеком по трубке вытекает вода. Принцип, заложенный в этих конструкциях, с успехом используется современными водителями при необходимости отлить бензин из бака автомобиля. Для создания божественных чудес жрецам пришлось воспользоваться умом и научными знаниями Герона. Одним из наиболее впечатляющих чудес стал разработанный им механизм, который открывал двери в храм при разжигании огня на алтаре.
Нагретый от огня воздух поступал в сосуд с водой и выдавливал определенное количество воды в подвешенную на канате бочку. Бочка, наполняясь водой, опускалась вниз и с помощью каната вращала цилиндры, которые приводили в движение поворотные двери. Двери раскрывались. Когда огонь гас, вода из бочки переливалась обратно в сосуд, а подвешенный на канате противовес, вращая цилиндры, закрывал двери.
Довольно простой механизм, а зато какой психологический эффект на прихожан!
Еще одним изобретением, существенно повысившим рентабельность античных храмов, стал изобретенный Героном автомат по продаже святой воды.
Внутренний механизм устройства был достаточно прост, и состоял из точно сбалансированного рычага, управляющего клапаном, который открывался под действием веса монеты. Монета падала сквозь щель на небольшой лоток и приводила в действие рычаг и клапан. Клапан открывался, вытекало некоторое количество воды. Затем монета соскальзывала с лотка, и рычаг возвращался в исходное положение, закрывая клапан.
Это изобретение Герона стало первым в мире торговым автоматом. В конце XIX века торговые автоматы были изобретены вновь.
Следующее изобретение Герона также активно применялось в храмах.
Изобретение представляет собой два сосуда, соединенных трубкой. Один из сосудов наполнялся водой, а второй вином. Прихожанин доливал небольшое количество воды в сосуд с водой, вода поступала в другой сосуд и вытесняла из него равное по объему количество вина. Человек приносил воду, а она «по воле богов» превращалась в вино! Это ли не чудо?
А вот еще одна придуманная Героном конструкция сосуда по превращению воды в вино и обратно.
Половина амфоры наполняется вином, а вторая половина водой. Затем горлышко амфоры закрывается пробкой. Извлечение жидкости происходит при помощи краника, расположенного внизу амфоры. В верхней части сосуда под выступающими ручками просверлены два отверстия: одно в «винной» части, а второе в «водяной» части. Кубок подносился к кранику, жрец открывал его и наливал в кубок либо вино, либо воду, незаметно затыкая одно из отверстий пальцем.
Уникальным для своего времени изобретением был водяной насос, конструкция которого описана Героном в его труде «Пневматика».
Насос представлял собой два сообщенных поршневых цилиндра, оборудованных клапанами, из которых поочередно вытеснялась вода. Насос приводился в действие мускульной силой двух человек, которые по очереди нажимали на плечи рычага. Известно, что насосы такого типа впоследствии использовались римлянами для тушения пожаров и отличались высоким качеством изготовления и удивительно точной подгонкой всех деталей.
Наиболее распространенным способом освещения в античное время было освещение при помощи масляных ламп. Если при наличии одной лампы следить за ней было легко, то при наличии нескольких ламп уже возникала потребность в слуге, который бы регулярно ходил по комнате и поправлял фитили в лампах. Герон изобрел автоматическую масляную лампу.
Лампа состоит из чаши, в которую наливалось масло и устройства для подачи фитиля. Это устройство содержало поплавок и соединенное с ним зубчатое колесо. При понижении уровня масла, поплавок опускался, вращал зубчатое колесо, а оно, в свою очередь, подавало в зону горения тонкую рейку, обмотанную фитилем. Это изобретение стало одним из первых применений зубчатой рейки совместно с зубчатым колесом.
В «Пневматике» Герона также приведено описание конструкции шприца.К сожалению, точно неизвестно использовался ли в эпоху античности этот прибор для медицинских целей. Также неизвестно, знали ли о его существовании француз Чарльз Праваз и шотландец Александр Вуд, которые считаются изобретателями современного медицинского шприца.
Фонтан Герона состоит из трех сосудов, помещенных один над другим и сообщающихся между собой. Два нижние сосуда - закрыты, а верхний имеет форму открытой чаши, в которую наливается вода. Также вода наливается и в средний сосуд, позже закрываемый. По трубке, идущей от дна чаши почти до дна нижнего сосуда, вода течет из чаши вниз и, сжимая находящийся там воздух, увеличивает его упругость. Нижний сосуд сообщен со средним посредством трубки, по которой давление воздуха передается в средний сосуд. Производя давление на воду, воздух заставляет ее подниматься из среднего сосуда по трубке в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бьет фонтан. Вода фонтана, падающая в чашу, течет из нее по трубке в нижний сосуд, где уровень воды постепенно повышается, а уровень воды в среднем сосуде понижается. Вскоре фонтан перестает работать. Чтобы запустить его заново, надо просто поменять местами нижний и средний сосуды.
Уникальным для своего времени научным трудом является «Механика» Герона. Эта книга дошла до нас в переводе арабского ученого IX века н.э. Косты аль-Балбаки. До XIX века эта книга нигде не публиковалась и была, по-видимому, неизвестна науке ни во времена Средневековья, ни в период Возрождения. Это подтверждается и отсутствием списков текста его в греческом оригинале и в латинском переводе. В «Механике» помимо описания простейших механизмов: клина, рычага, ворота, блока, винта, мы находим созданный Героном механизм для подъема грузов.
В книге этот механизм фигурирует под названием барулк. Видно, что это устройство представляет собой ни что иное, как редуктор, который используется в качестве лебедки.
Труды «О военных машинах», «Об изготовлении метательных машин» Герон посвятил основам артиллерии и описал в них несколько конструкций арбалетов, катапульт, баллист.
Труд Герона «Об автоматах» пользовался популярностью в эпоху Возрождения и был переведен на латынь, а также цитировался многими учеными того времени. В частности, в 1501 году Джорджио Валла (Giorgio Valla) перевел некоторые фрагменты этого труда. Позже последовали переводы и другими авторами.
Созданный Героном орган не был оригинальным, а лишь представлял собой усовершенствованную конструкцию гидравлоса - музыкального инструмента, придуманного Ктесибием. Гидравлос - представлял собой набор труб с клапанами, создававшими звук. Воздух в трубы подавался при помощи резервуара с водой и насоса, создававшего необходимое давление в этом резервуаре. Управление клапанами труб, как и в современном органе, осуществлялось при помощи клавиатуры-манипулы. Герон предложил автоматизировать гидравлос, при помощи ветряного колеса, которое служило приводом для насоса, нагнетавшего воздух в резервуар.
Известно, что Герон создал своеобразный кукольный театр, который передвигался на скрытых от зрителей колёсах и представлял собой небольшое архитектурное сооружение – четыре колонны с общим цоколем и архитравом. Куклы на его сцене, приводимые в движение сложной системой шнуров и зубчатых передач, тоже скрытых от глаз публики, воспроизводили церемонию празднества в честь Диониса. Как только такой театр выезжал на городскую площадь, на его сцене над фигурой Диониса вспыхивал огонь, на пантеру, лежащую у ног божества, лилось вино из чаши, а свита начинала танцевать под музыку. Затем музыка и танцы прекращались, Дионис выворачивался в другую сторону, пламя вспыхивало во втором жертвеннике – и всё действие повторялось сначала. После такого представления куклы останавливались, и представление заканчивалось. Это действо неизменно вызывало интерес у всех жителей, без различия в возрасте. Но не меньший успех снискали уличные спектакли другого кукольного театра Герона.
Этот театр (пинака) был очень мал по своим размерам, его легко переносили с места на место, Он представлял собой небольшую колонну, наверху которой находился макет театральной сцены, скрытой за дверцами. Они открывались и закрывались пять раз, разделяя на акты драму о печальном возвращении победителей Трои. На крошечной сцене с исключительным мастерством показывалось, как воины сооружали и спускали на воду парусные корабли, плыли на них по бурному морю и погибали в пучине под сверкание молний и раскаты грома. Для имитации грома Герон создал специальное устройство, в котором из ящика высыпались шарики, ударявшиеся о доску.
В своих автоматических театрах Герон, по-сути, использовал элементы программирования: действия автоматами выполнялись в строгой последовательности, декорации сменяли друг друга в нужные моменты. Примечательно, что основной движущей силой, приводившей в движение механизмы театра, была гравитация (использовалась энергия падающих тел), также использовались элементы пневматики и гидравлики.
Диоптра была прообразом современного теодолита. Главной ее частью служила линейка с укрепленными на ее концах визирами. Эта линейка вращалась по кругу, который мог занимать и горизонтальное, и вертикальное положение, что давало возможность намечать направления, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Для правильности установки прибора к нему присоединялись отвес и уровень. Пользуясь этим прибором и вводя в употребление прямоугольные координаты, Герон мог решать на местности различные задачи: измерить расстояние между двумя точками, когда одна из них или обе они недоступны наблюдателю, провести прямую, перпендикулярную к недоступной прямой линии, найти разность уровней между двумя пунктами, измерить площадь простейшей фигуры, даже не вступая на измеряемую площадку.
Еще во времена Герона одним из шедевров античной инженерии считался водопровод на острове Самос, созданный по проекту Эвпалина и проходивший по тоннелю. Вода по этому тоннелю подавалась в город из источника, находившемся по другую сторону горы Кастро. Известно было, что в целях ускорения работы тоннель рыли одновременно с обеих сторон горы, что требовало высокой квалификации от инженера, руководившего стройкой. Водопровод работал многие века и удивлял современников Герона, также о нем упоминал в своих сочинениях и Геродот. Именно от Геродота современный мир узнал о существовании тоннеля Эвпалина. Узнал, но не поверил, потому что считалось, что древние греки не обладали необходимой технологией для постройки такого сложного объекта. Изучив найденный в 1814 году труд Герона “О диоптре” ученые получили второе документальное подтверждение существования тоннеля. И лишь в конце XIX века немецкая археологическая экспедиция действительно обнаружила легендарный тоннель Эвпалина.
Вот как в своем труде Герон приводит пример использования изобретенной им диоптры для постройки тоннеля Эвпалина:
Точки B и D - входы в тоннель. Рядом с точкой B выбирается точка E, от нее вдоль горы строится отрезок EF, перпендикулярный отрезку BE. Далее в обход горы строится система взаимно перпендикулярных отрезков до тех пор, пока не получают линию КL, на которой выбирают точку M и строят от нее перпендикуляр MD ко входу в тоннель D. Используя линии DN и NB, получают треугольник BND и измеряют угол α.
На протяжении своей жизни Герон создал много разнообразных изобретений, интересных не только его современникам, но и нам - живущим два тысячелетия спустя.
Герон Александрийский (10 - 75 н. э) - древнегреческий математик и механик. Занимался геометрией, механикой, гидростатикой, оптикой. Автор работ, в которых систематически изложил основные достижения античного мира в области прикладной механики. В «Механике» Герон описал 5 простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Герон был известен и параллелограмм сил. Используя зубчатую передачу, Герон построил прибор для измерения протяжённости дорог, основанный на том же принципе, что и современные таксометры. Автомат Герона для продажи «священной» воды явился прообразом наших автоматов для отпуска жидкостей. Механизмы и автоматы Герона не нашли сколько-нибудь широкого практического применения. Они употреблялись в основном в конструкциях механических игрушек, Исключение составляют только гидравлические машины Герона, при помощи которых были усовершенствованы античные водочерпалки. Изложение основ античной артиллерии Герон дал в трактате «Об изготовлении метательных машин», Математические работы Герона являются энциклопедией античной прикладной математики. В «Метрике» даны правила и формулы для точного и приближённого расчёта различных геометрических фигур, например формула Герона для определения площади треугольника по трём сторонам, правила численного решения квадратных уравнений и приближённого извлечения квадратных и кубических корней. В основном изложение в математических трудах Герона догматично - правила часто не выводятся, а только выясняются на примерах.
В 1814 году было найдено сочинение Герона «О диоптре, в котором изложены правила земельной съемки, фактически основанные на использовании прямоугольных координат. Здесь же даётся описание диоптра - прибора для измерения углов - прототипа современного теодолита.
Насос Герона
Рис. 1. Насос Герона
Насос представлял собой два сообщенных поршневых цилиндра, оборудованных клапанами, из которых поочередно вытеснялась вода. Насос приводился в действие мускульной силой двух человек, которые по очереди нажимали на плечи рычага. Известно, что насосы такого типа впоследствии использовались римлянами для тушения пожаров и отличались высоким качеством изготовления и удивительно точной подгонкой всех деталей. Подобные им насосы вплоть до открытия электричества часто использовались, как и для тушения пожаров, так и во флоте для откачки воды из трюмов при аварии.
Паровой шар Герона - эолипил
Так же, в трактате «Пневматика» Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром. Эолипил (в переводе с греческого "шар бога ветров Эола") представлял собой наглухо запаянный котел с двумя трубками на крышке. На трубках устанавливался вращающийся полый шар, на поверхности которого были установлены два Г-образных патрубка-сопла. В котел через отверстие заливалась вода, отверстие закрывалось пробкой, и котел устанавливался над огнем. Вода вскипала, образовывался пар, который по трубкам поступал в шар и в Г-образные патрубки. При достаточном давлении струи пара, вырываясь из сопел, быстро вращали шар. Построенный современными учеными по чертежам Герона эолипил развивал до 3500 оборотов в минуту!
При сборке эолипила ученые столкнулись с проблемой уплотнения в шарнирных соединениях шара и пароподающих трубок. При большом зазоре шар получал большую степень свободы вращения, но зато пар легко выходил через щели, и его давление быстро падало. Если зазор уменьшали, потеря пара исчезала, но и шар вращался труднее из-за возросшего трения. Нам неизвестно, как Герон решал эту проблему. Возможно, его эолипил вращался не с такой большой скоростью, как современная модель.
К сожалению эолипил не получил должного признания и не был востребован ни в эпоху античности ни позже, хотя и производил огромное впечатление на всех, кто его видел. К этому изобретению относились лишь, как к забавной игрушке. Фактически эолипил Герона является прототипом паровых турбин, появившихся лишь спустя два тысячелетия! Более того, эолипил можно считать одним из первых реактивных двигателей. До открытия принципа реактивного движения остался один шаг: имея перед собой экспериментальную установку, требовалось сформулировать сам принцип. На этот шаг человечество затратило почти 2000 лет. Сложно представить, как бы выглядела история человечества, если бы принцип реактивного движения получил бы распространение 2000 лет назад. Возможно, человечество уже давно бы изучило всю Солнечную систему и добралось до звезд.
Рис. 2. 1 - подвод пара, 2 - паропроводящие трубки, 3 - шар, 4 - выхлопные трубки
Паровой бойлер
Рис. 3. Паровой бойлер
Конструкция представляла собой большую бронзовую емкость, с коаксиально установленным цилиндром, жаровней и трубами для подачи холодной и выведения горячей воды. Бойлер обладал большой экономичностью и обеспечивал быстрый нагрев воды.
Как мы видим, Героном было разработано три очень интересных изобретения: эолипил, поршневой насос и бойлер. Скомпоновав их можно было получить паровую машину. Такая задача, наверняка, была под силу если не самому Герону, то его последователям.
Также он описал автомат для открывания дверей, пожарный насос, различные сифоны, водяной орган, механический театр марионеток и т.д.
Древнегреческое культурное наследие так велико, что мы до сих пор можем не знать чего-то об их великих достижениях. Это государство подарило нам философию, а также прямую демократию, математику и основы эмпирической физики, но даже сейчас классический этап истории развития этого государства продолжает нас удивлять. Читающий эту статью думает, что мы живём в эру механики и роботизации, но эта статья полностью перевернёт его представление о Древнем мире, ведь 2000 лет назад жил один грек, который не просто мечтал о машинах, он их создавал. Именно греки начали первую эпоху машин …
Список изобретений:
Мы веками восхищались миром Древней Греции, где разум мог подняться над повседневностью в поисках великого. Время расцвета науки, искусства и философии, ярких идей, которые затем охватят весь мир. В центре этого века чудес лежала не Италия или Греция, а город на севере Древнего Египта — Александрия. В то время, пока римляне были поглощены войнами, а греки грезили философией, в Александрии думали о самой мысли. Здесь можно было обнаружить не очень известного грека, какими были , Платон или Аристотель, он был изобретателем. Он почти положил начало промышленной революции 2 тысячи лет тому назад. Современники называли его «меканикос», а нам он известен как , а мы вам расскажем всё про Герона в этой статье.
Сейчас мы живём в индустриальный век, мы окружены различными машинами и механизмами. Возможно будущие поколения скажут, что именно мы положили начало эпохи машин, ведь появились автомобили, самолёты, компьютеры и роботы. Но мы не первые, кто мечтал о том, чтобы повседневные заботы решались с помощью машин. Об этом думал ещё Аристотель, он представлял себе мир, где ткацкие станки были бы автоматические, арфы сами бы играли мелодию, мастерам не требовались бы помощники и не было бы необходимости держать рабов, чем это не копия современного мира? Но Герон шагнул ещё дальше. Он не просто мечтал о машинах, он их строил!
Герон Александрийский. Современная зарисовка.
Две тысячи лет назад Герон открыл эру механизации, создавая машины, которые до сих пор потрясают наше с вами воображение. Герон жил в Александрии в те времена, когда этот город был самым многонациональным в мире. Это прекрасное место, где когда-то жила неотразимая царица Клеопатра, сосредоточило в своих недрах все знания классического мира. Великие умы приезжали сюда ради торговли самым ценным из богатств — ни золотом, ни рабами, ни серебром, а знаниями. Два тысячелетия назад это был центр мировой науки. Банком этих знаний была великая библиотека. Здесь были собраны труды греков, египтян и других народов. Свитки были заполнены баснями, стихами, трудами математиков и философов. Именно там хранились все изобретения Герона. Ни одна из его машин не сохранилась до наших дней, и мы почти ничего не знаем о самом изобретателе, но имеем представления об его чудесных творениях, ведь описания этих машин дошли до нас в виде копий тех свитков, что писал Герон. Они открывают окно в его волшебный механизированный мир. Так в Оксфордском университете сохранилась одна из копий книг, которая описывает труды великого изобретателя. Среди его изобретений есть такие, которые предназначаются для дома, а другие использовались как развлечение на званных обедах, некоторые производили спецэффекты в театре (звенели, жужжали, свистели, создавали звуки животных и так далее), но чаще всего машины Герона можно было встретить не в этих местах, а в храмах.
Александрия собрала под своим крылом так много религий и культов, как ни один город древнего мира и среди них росла конкуренция. Сегодня главная религия города — ислам, но в древности здесь был гораздо более широкий выбор. Храмы древней Александрии предлагали в покровительство и в поддержку массу странных и архаичных богов. Древнеегипетские божества, которым поклонялись уже более трёх тысяч лет, всё ещё почитались многими египтянами и некоторыми приезжими. Даже греки опасались прогневить таких богов, как Исида и Осирис, охранявших храм со времён фараонов. Рядом с египетскими религиями сосуществовали религии римлян и греков, а также многочисленные культы с окраин Римской империи. Каждый нуждался в последователях и деньгах, поэтому нужно было нечто особенное, чтобы привлечь внимание к тому или иному храму. Обладание чем-то необычным становилось преимуществом в конкуренции религий и культов. Другими словами, всем жрецам нужна была магия, и Герон мог её предоставить.
Автоматические двери
Герон называл свой «волшебный» механизм «машина №37», а мы бы его назвали «автоматические двери». Идея была блестящая, хоть и простая. Когда жрец и прихожане приближались к храму, то двери магическим образом открывались, чтобы впустить их. Как же это происходило? Сначала жрец зажигал огонь на специальном жертвенном алтаре перед огромными закрытыми воротами храма. Под алтарём, под землёй, располагалось множество труб и контейнеров, а также весов. Невидимые для глаз паствы, они начинали свою работу. Вёдра, служившие противовесом, наполнялись водой. Тем временем священник мог провести различные ритуальные подношения, а жар огня приводил в действие спрятанные механизмы. Затем, когда чаши весов наполняются, двери медленно открываются, создавая впечатление, что боги довольны подношениями. Если же ворота из-за какой-то неисправности не открывались, то всегда можно сказать, что боги разочарованы подарками прихожан. Фантастический финал в виде открывания дверей, сопровождался звуком фанфар. Это особый механизм, который под давлением выводил через трубу воздух. Для Герона это была механика, а для обычного человека — чудо.
Физический смысл достаточно прост. Зажжённый костёр повышал давление в большом сосуде (воздух нагревался), из-за чего вода из него под давление начинала перемещаться в ведро. Ведро увеличивалось в весе и по принципу противовеса поднимало на противоположной стороне гирю посредством системы верёвок. Верёвки были просто обвиты вокруг двух вращающихся столбов. Когда костёр тух, давление приходило в норму, и вода из ведра возвращалась обратно в общий бак, а ворота закрывались.
Есть точка зрения, что данный храм мог быть оборудован такими дверями.
Торговый автомат
Конечно, одно дело убедить людей приходить в твой храм, а совсем другое дело расстаться со своими деньгами, а ведь именно деньги были основой успешной религии. Как сделать так, чтобы прихожане их тратили и как их собрать? Именно такие вопросы Герон задавал себе. И он сумел на них ответить. Первое решение — это раздаточный автомат для святой воды. Это был первый в мире торговый автомат.
Входящие в храм должны были вымыть руки водой освящённой жрецами. Однако освещение воды и её продажа занимали много времени, поэтому Герон оптимизировал эти процессы. Прихожанин бросал в специальную ёмкость через разрез для монет одну драхму и получал свою чашу с водой. Для верующих это было ещё одно чудо, но на деле монетка просто падала на специальную платформу, которая открывала на некоторое время заслонку с водой.
Для тех, кто мог увидеть всё изнутри, это казалось ещё одним шедевром механики. Получается, что Герон изобрёл торговый автомат за 1800 лет до того, как его современный эквивалент был запатентован.
Переносной насос для тушения пожаров
Эксперименты Герона с водой и давление могли подтолкнуть его к созданию первого переносного насоса для тушения пожаров.
Насос состоял из двух сообщающихся поршневых цилиндра, внутри которых были клапаны. Вода по очереди выталкивалась сначала из одного цилиндра, затем из другого. Для работы насоса требовалось два человека, которые используя принцип рычага, запускали насос. Позже римляне повсеместно использовали такие насосы, чтобы тушить пожары в городах. Правда они улучшили саму технологию, изготавливая детали очень точно, стараясь всё идеально подгонять. Такие вот ручные насосы использовались ещё очень долго в Европе, пока не было изобретено электричество. При помощи него можно было не только тушить огонь, но и откачивать воду из трюмов кораблей.
Принцип работы насоса можно посмотреть в этом видео:
Превращение воды в вино
Вполне вероятно, что следующие два изобретения также использовались в храмах. Оба они представляют из себя сосуды с вином и водой.
Первое изобретение состоит из двух сосудов, где в один налита вода, а во второй вино. Между собой они соединены трубкой. Верующие наливали небольшое количество воды в первый сосуд, а из второго лилось вино. Всё это представляли, как магию превращения воды в вино. На деле мы видим принцип, который проходят в 7-м классе на уроке физики — сообщающиеся сосуды.
Следующее изобретение также превращала воду в вино, но делало это другим способом. Это была специальная амфора, одна половина которой наполнялась вином, а другая водой. Естественно, что между ними была специальная перегородка, которая делила амфору на две части. В верхней части амфоры были два отверстия прямо под ручками. По одной дырки для каждого отсека. Жрец подносил кубок к амфоре и, незаметно затыкая одну из дырок, наливал либо воду, либо вино. Всё это потом подавалось, как воля богов! Правда, всё было проще, когда были боги? 🙂
Фонтан Герона схема
Что такое фонтан Герона? Вечный фонтан Герона — это три сосуда, которые помещены друг над другом и сообщающиеся между собой при помощи трубок. Два нижних сосуда закрыты, а верхний имеет форму чаши, где и происходит видимая часть процессов со стороны наблюдателя. Здесь всё также основано на принципах потенциальной энергии, гравитации, давлении и сообщающихся сосудах.
Также достаточно подробно объяснено как работает фонтан Герона в этом видео:
Музыкальная шкатулка предсказаний
Герон придумал для священников ещё одну машину, собирающую деньги. Она заставляла прихожан в то, что они разговаривают с богами, но это была ещё одна уловка. Это механизм предсказаний. Одна из причин, по которой люди ходили в храм — это узнать своё будущее, а древние люди (хотя и сейчас также) были готовы платить за это удовольствие. Прихожане, конечно, не видели механизма, так как сама машина стояла в полумраке. На виду было лишь колесо, домик и поющая птица. Как только оплата произведена, то Богу можно задать вопрос, на который можно ответить «да» или «нет». Поворачивая колесо, птица либо пела, либо молчала. Священники всё объясняли так, что люди верили, что это им отвечает Бог. Конечно, птица пела не по божьей воле, а по воле Герона. Внутри находилось множество шестерней и верёвок, которые заставляли птицу петь при повороте колеса. Также там был специальный выступ, прикреплённый изнутри, можно было отпустить. Скорее всего это было нужно для того, чтобы жрецы могли контролировать ответы на вопросы, то есть чтобы птица молчала. Пение птицы — да, молчание — нет, а жрицы могли выбирать нужный ответ. Это один из самых старых религиозных трюков в мире. Прекрасное пение птицы было всего лишь свистком, который опускали в ёмкость с водой.
Звуки были неотъемлемым атрибутом всех изобретений Герона, начиная от машины предсказаний и заканчивая сложными ветровыми органами. Однако заставить их работать вместе куда сложнее, чем может показаться. В механизме с пением птицы используется принцип сифона, да, того же самого, что используется в туалетах и прочих водопроводных системах. Вода наливается сверху, а когда достигает определённой отметки, то с большой скоростью выливается. Этот поток выталкивает из труб воздух, из-за чего свисток начинает воспроизводить заданный звук, а отверстие с клювом птицы то открывается, то закрывается.
Герон строил и достаточно сложные машины. В данном развлекательном устройстве, когда вы поднимаете яблоко, то фигура Геркулеса стреляла из лука в дракона. Это один из его подвигов — Яблоки Гесперид. Геракулесу было необходимо убить дракона, который охранял сад с яблоками, дарующими бессмертие.
Вся конструкция представляет из себя верхнюю видимую часть и внутреннюю часть с двумя полостями, соединяемыми через отверстие, заткнутое изначально затычкой. Пробка соединена с яблоком, также посредством этой верёвки производится запуск стрелы. Как только яблоко подняли, вода из верхней ёмкости переливается в нижнюю, при этом выталкивая воздух через специальную трубку, создавая шипение дракона, погибающего от смерти.
Полиболос
Машины предсказаний пользовались особенным успехом во время войн, ведь каждый хотел знать исход войны, узнать — выживет ли он и его близкие. Однако Герон мог дать больше, чем простое предсказание. Он придумал не только то, что могло предсказать исход войны, но и помочь победить в войне. Речь о военных машинах Герона. Он обратил свой взор на искусство ведения войны, он решил автоматизировать войну. Смертоносные военные машины были куда бесстрашнее солдат тех времён и куда более воинственнее. Эта технология на века опередила своё время — полиболос, первое автоматическое оружие. Этот арбалет обладает многими уникальными способностями: в нём впервые использовался цепной механизм; оно могло стрелять дальше и точнее любого человека; главное, что оно было автоматическим и пускало одну стрелу за другой, не требуя отдыха.
Римская армия была заинтересована в таком оружии, так как их использование давало большие преимущества. С учётом протяжённости границы империи, это оружие позволяло успешно защищать границы, оборудовать форты.
Автоматический ручной арбалет Герона
Эта машина родом из Александрии. Есть основания полагать, что её тоже придумал Герон Александрийский. Устройство копирует действия традиционного лучника, но выпускает стрелу с большей мощностью. Это по сути военный робот. Длинная часть машины копирует вытянутую руку лучника. Двойная система рычагов позволяет натягивать тетиву, зажатую между двумя металлическими крюками, до сильного натяжения, которое невозможно произвести руками.
Автоматические передвижные декорации Герона
Но Герон мог предложить Александрии больше, чем военные и волшебные машины. Он хотел развлекать и выбрал для этого место, где возможно всё — театр!
В древние времена театр был центром жизни многих людей. Здесь люди общались и обменивались новостями, а также обогащались культурно и религиозно. Это по сути древний эквивалент кино — мир мечты. Здесь была потрясающая акустика, что делало происходящее на сцене ближе и реальнее.
Герон знал, что много может дать театру. Знания, приобретённые во время создания военных машин и игрушек для храмов, могли найти своё применение в театре. Его декорации могли появляться на сцене и исчезать, когда это необходимо.
Отделение в верхней части механизма было наполнено песком, когда он высыпался через серию отверстий, то опускал чашу весов. Чаша была прикреплена к верёвке, которая была намотана вокруг вала. Когда верёвка разматывалась, устройство двигалось вперёд. Затем при помощи переключения рычага, груз поднимался, а конструкция откатывалась.
Герон написал целый трактат об автоматических театрах. Смысл такого театра в том, что в нём движется само по себе. С греческого «автоматика» переводится, как движение само по себе. При этом Герон старался делать механизмы маленькими, чтобы люди не думали, что внутри сидит человек, который всем управляет.
Простая ось с деревянными гвоздями, которая производила все эти движения, возможно была величайшим изобретением Герона. Современный учёный назвал бы это программированием. Неудивительно, что посетители театра восхищались этими декорациями.
Автоматический театр Герона
Герон автоматизировал декорации, а как насчёт актёров? Он создал полностью автоматический театр с передвижными декорациями, с автоматическими актёрами и спецэффектами. 20 минут удовольствия! Герон начал с классической греческой истории о кровавой мести. Она рассказывает о том, как царь Наплий жаждет отмщения своего сына, убитого Аяксом во время Троянской войны. Пьеса начинается с того, что 12 персонажей строят военный корабль, при это всё происходит без участия человека. Внизу, скрытый от глаз зрителя, располагается сам механизм. Зрителей потрясало то, что все 12 фигур двигались синхронно. Чтобы дополнить картину, Герон добавил звуки и спецэффекты. Менялись декорации и персонажи, автоматически поднимался и опускался занавес. Чтобы предотвратить столкновения между действующими лицами, они располагались в разных плоскостях, которые появлялись и исчезали во время спектакля.
сё это действо приводилось в движение при помощи грузов и верёвок, а также контейнеров с песком и зерном. Необходимая энергия производилась при помощи силы тяжести. Такое количество автоматизированных элементов стало настоящим подвигом гения!
Когда нужно было создать звук грома, при попадании корабля в шторм, Герон запускал свою громовую установку, чтобы немного напугать и взбодрить зрителей. Это были тяжёлые металлические шары, которые перекатывались и падали на специальных платформах, а в конце приземляясь на большой барабан.
В разгар событий появляется богиня Афина, которая управляет погодой. В Аякса попадает молния, а герой Наплий возвращается домой.
Остаётся только догадываться, как восхищались этому древние греки. Ведь выглядело это просто потрясающе. На деле это просто гениальные математические вычисления для того времени, ведь необходимо было рассчитать время каждой сцены, баланс верёвок и грузов, скорость шестерёнок и песка, последовательность появления действующих лиц. Это бы озадачило даже современных инженеров. Можно смело назвать театр Герона — деревянным программируемым робототехническим контроллером.
Если кто-то из вас учился на строительном или лесотехническом факультете, то вас обязаны были научить пользоваться теодолитом, столь необходимом при геодезии. Но этот инструмент изобрёл также Герон! Он назвал своё устройство дипотра.
Главная составляющая диоптры — это линейка, которая вращается по кругу и позволяет намечать горизонтальное и вертикальное положение. Также к прибору присоединяли отвес и уровень. Используя эти инструмент, а также математические приёмы и прямоугольные координаты, Герон был способен решить многие строительные задачи:
- измерял расстояние между двумя точками, когда одна или даже обе, не находятся в пределах видимости;
- проводил прямую, перпендикулярно к другой линии, которая была недоступна для глаз;
- находил разности уровней между двумя пунктами;
- измерял площади, даже не заходя на то место, которое измерял.
Одним из чудес инженерного искусства во времена Герона считался водопровод на острове Самос. Проект этого водопровода придумал Эвпалин. Благодаря этому проекту в город поступала вода из источника горы Кастро. Для ускорения работы было решено рыть тоннель сразу с двух сторон, но вот проблема, как рабочим точно не промахнуться и соединиться в одной точке? Этот проект требовал огромной компетенции инженера. Тем не менее, водопровод был построен и ещё долго удивлял современников Герона. Об этом чудо-водопроводе упоминал также Геродот, благодаря которому мир вообще узнал о существовании туннеля Эвпалина. Правда никто долго не верил, что это правда. Считалось, что древние греки не обладали достаточными технологиями, чтобы возводить такие сложные объекты, но в 1814 году, изучив труды Герона о диоптре и прокладке туннеля Эвпалина при помощи неё, сомнения сошли на нет, а в конец XIX был найден и сам туннель.
Одометр Герона
В своём труде «О диоптре» изобретатель также изложил принципы устройства, которое позволяет измерять расстояние — одометра.
Внешне это была маленькая тележка, с двумя колёсами определённого диаметра. Если провернуть колёса 400 раз, то это будет равно 1598 метрам (древнегреческая мера длины равна одному миллиатрию). Схема одометра изображена на рисунке, где мы видим, что при помощи зубчатое передачи происходило вращение различных колёс и оси. Камешки, которые падали на специальную платформу, говорили о пройденном расстоянии. Когда тележка проезжала, измерявшему расстоянию необходимо было лишь подсчитать камни.
А вот и ещё одно замечательное изобретение Герона Александрийского — паровой бойлер. Греки тоже любили мыться 🙂
Паровой бойлер представлял из себя ёмкость из бронзы, помещённый в специальный цилиндр так, что бойлер и цилиндр имели общую ось. Наверху была жаровня. Также были трубы, посредством которых поступала холодная вода, а также труба для вывода горячей воды. Такая простая конструкция обладала достаточной экономичностью и позволяла быстро разогревать воду.
Паровая реактивная турбина Герона
Это изобретение Герона Александрийского способно было заложить фундамент для научно-технической революции, но, к сожалению, оно не нашло себе должного применения. Речь идёт о предке парового двигателя — эолипил . Герон был близок к тому, чтобы изобрести паровую машину.
Эолипил был сконструирован следующим образом. В нижнюю ёмкость заливалась вода. Затем разводился костёр. Вода поднималась по трубкам (паропроводам) и выходила в виде пара, а заодно приводила в движение сам шар, который вращался с бешеной для того времени скоростью.
К этому шару необходимо было добавить знания о поршнях и паровой двигатель был бы готов. А так эолипил не приводил ничего в движение, кроме самого себя, поэтому он так и остался всего лишь забавным артефактом, которым можно было развлечь гостей.
Теоретические достижения Герона
Конечно, видя всё это многообразие машин, можно сразу догадаться, что Герон оставил и много теоретических выкладок. Так, его самыми известными трудами являются «Пневматика» и «Механика», где он систематически изложил многие достижения античной науки в области математики и прикладной механики. Также он, как уже упоминалось выше, написал целую книгу про автоматизированные театры «Театр автоматов». Герон также открыл формулы для определения площадей и объёмов некоторых геометрических фигур., что отразилось в его труде «Метрика». Одна из самых его известных формул позволяет найти площадь треугольника по трём его сторонам и получила название в честь него формула Герона .
Отрывок из «О диоптре»
Отдельный интерес представляет его труд «О диоптре», которое было открыто только в 1814 году. В этой книге он изложил принципы современного геодезического инструмента — теодолита, а также правила земельной съёмки.
Герон написал трактат «Об изготовлении метательных машин», где рассказал о фундаментальных моментах артиллерии античности.
Этот гений изучил даже свойства зеркал. В своём научном труде «Катопртрика» он привёл обоснование для закона отражения, а также исследовал прямолинейность световых лучей.
В основном его работы носят описательных характер с изложением некоторых принципов. Вряд ли все работы претендуют на некую целостность, а в работах по математике вы даже можете не встретить доказательств. Здесь проявляется эмпиризм Герона и практик в нём переигрывает теоретика.
Герон — это как Тони Старк, только реальный и прямиком из Древней Греции.
Древнегреческая культура уникальна по нескольким причинам. Её носители смогли перенять, и по-своему реализовать величайшие достижения предшествующих цивилизаций - шумеров, египтян, вавилонян. Именно самыми первыми цивилизациями, ещё до греков, были сделаны важнейшие открытия в таких областях человеческого знания как математика, астрономия, природоведение, архитектура.
Этими знаниями, кстати, пользуемся и мы, являясь наследниками Средневековой и Древнегреческой цивилизаций. Только небольшой пример архаичности наших знаний о мире, то есть знаний, носящих отпечаток чего-то очень древнего.
Сегодня весь мир считает 60 секунд,что бы отсчитать минуту, и столько же минут для часа. Но почему именно 60? Эта традиция именно так считать время происходит из Античности. Безусловно что греки переняли эту традицию у математиков Междуречья. Вавилоняне унаследовали шестидесятеричную систему счисления, вместе с точнейшими таблицами наблюдений за небесными телами, от более древних своих предшественников – шумеров. Позднее, её также переняли и греческие астрономы.
До сих пор неясно происхождение шестидесятеричной системы. Вероятно, она связана с другой, двенадцатеричной системой счисления. Все дело в том, что 5×12= 60. 5 это число пальцев на руке. (6х60).Двенадцатеричная система возникла исходя из количества фаланг четырех пальцев руки при подсчёте их большим пальцем той же самой руки. Фаланги пальцев применялись как простейшие счёты (большой палец текущее засекал состояние счёта), вместо принятого в европейцами загибания пальцев.
Реконструкция паровой турбины Герона
Что и говорить, первые цивилизации Междуречья и долины Нила оставили грекам богатое наследство прикладных знаний. Величайшие древнегреческие ученые ещё глубже их развили, добившись невероятных открытий в геометрии, алгебре и физике. Известны имена многих из этих ученных – Архимед великий математик-теоретик, Евклид - отец геометрии и Аристотель, которого по праву можно назвать отцом физики, как теоретической науки.
Но, пожалуй, ни один древнегреческий естествоиспытатель не добивался таких успехов, и не делал такого большого количества всевозможных изобретений, как Герон Александрийский. Его даже относят к величайшим инженерам за всю историю человечества. Этот древнегреческий механик и математик жил в первой половине I века н.э., и о его личной жизни мало что известно. Не смотря на это, в арабском переводе сохранились целиком многие из его произведений: Пневматика, Метрика, Автоматопоэтика (только прислушайтесь, как звучит!), Механика, Катоптрика (то есть наука о зеркалах). Часть работ сегодня безвозвратно утеряна.В их числе многие свитки, которые хранились в Александрийской библиотеке). Герон использовал достижения многих своих предшественников: Стратона из Лампсака, Архимеда, Евклида. У него был широкий круг интересов - геометрия, оптика, механика, гидростатика.
Именно ему принадлежит ряд удивительных для своего времени изобретений - автоматические двери, скорострельный самозаряжающийся арбалет, механический кукольный театр с автоматическими декорациями, прибор для измерения длины дорог, то есть древний таксометр. Ему приписывают создание первого программируемого устройства. Но сделаем скидку на время – на тот момент такое «устройство» представляло собой вал со штырьками, на который была намотана веревка.
Один из чертежей Герона – орган, издающий звук при помощи ветряной мельницы
Но,пожалуй, самое удивительное изобретение Герона, опередившее свое время на 17 веков является паровая турбина. Да-да, именно ему принадлежит создание первого подобного двигателя. В течение долгого времени (практически все время, за исключением последних 300 лет), люди работали вручную, прежде чем был изобретен паровой двигатель. Сначала применялась сила животных. Затем,люди научились использовать в качестве источника энергии силу ветра, надувавшего паруса и крутившего ветряные мельницы. Сами мельница также были своеобразным двигателем, которым качали воду и перемалывая зерно.
Герон смог первымпредположить что механический вал, можно заставить вращать и с помощью тепла. Хорошо известен принцип работы его аппарата, чертежи которого дошли и до наших дней. В нем, энергия нагретого и сжатого водяного пара преобразуется в кинетическую энергию, с помощью которого совершается механическая работа на валу.
Впрочем, двигатель Герона был слишком мал, чтобы им можно было совершать какую-либо работу. Изобретатель не получил должного признания. В средние века, в Европе, многие из его изобретений были забыты, отвергнуты или же попросту не представляли практического интереса.А зря! Кто знает, когда могла бы начаться индустриальная эпоха, будь вновь изобретен паровой двигатель лет на 400 раньше. Но история не терпит сослагательного наклонения «а если…».
Только в 1705 году, англичанин Томас Ньюкомен, изобретает паровой двигатель, который начали использовать для откачки воды из угольных шахт. В XVIII веке, другой англичанин, Джеймс Ватт, создал усовершенствованный двигатель. Он придумал клапаны, которые автоматически заставляли поршни опускаться и подниматься. То есть теперь не требовалось специального человека, который бы делал это. Так началась эпоха парового двигателя. Уже через сто лет по миру начали плавать первые пароходы на паровых двигателях и первые паровозы, название которых, говорит само за себя.
Один из последних паровозов на паровом двигателе, сделанный в 1944 в Монреале. Он весил 320 тон и в длину составлял 30 метров
Но паровой двигатель был довольно тяжелым, так как сгорание топлива происходило в топке, которая располагалась отдельно от парового котла. Более совершенный бензиновый двигатель,был разработан чуть позже в 1878 году немцем Николасом Отто. Такой двигатель не нуждался в отдельной топке, требовал меньше топлива, и был намного легче, чем паровой двигатель аналогичной мощности.
Так европейская инженерная мысль, без оглядки на опыт прошлых эпох, прокладывала свой путь к прогрессу. Сам Герон, дальше теоретических изысканий не пошел. О нем надолго забыли, и здание современной науки было построено практически без его помощи. Однако трудно недооценить смелый гений этого античного ученного, невероятные проекты которого смогли опередить свое время на целые тысячелетия.
Архимедово учение о равновесии жидкостей было использовано в блестящих изобретениях Герона Александрийского, к рассмотрению которых мы и обращаемся.
Герон Александрийский, ученик Ктезибия, сына брадобрея и также искусного изобретателя, жил во второй половине II в. до н. э. (около 120 г.). В лице Герона мы имеем дело с практиком античной науки. В области математики Герон искал таких соотношений, которые более всего соответствовали бы целям землемерия, разрабатывал методы вычислений, в частности методы приближённых вычислений. Он дал правило, позволяющее определить площадь треугольника по его сторонам; в современном виде это правило записывается в виде так называемой формулы Герона:
Изобретения Герона не носили характера технических приложений, они скорее могут быть названы техническими игрушками и их история - поучительный пример того, как остроумные изобретения, не соответствующие запросам эпохи, остаются бесплодными.
Учитель Герона - Ктезибий, как было уже сказано, являлся крупным изобретателем. Он изобрёл водяные часы с указателем (рис. 28), водяной орган, пожарную машину. Последнее изобретение имело почти что современный вид. Герон так описывает эту машину:
"Пожарные насосы, употребляемые для тушения пожаров, делаются следующим образом (рис. 29): два металлических цилиндра высверливаются изнутри токарным резцом по величине поршня, подобно тому, как высверливают "насосы" колодезных дел мастера. KL и MN - точно пригнанные поршни. Цилиндры соединены между собой трубой XODE и снабжены снаружи (внутри трубы XODE ,) - открывающимися наружу клапанами Р и R. В дне цилиндров имеются отверстия S и Т, которые закрываются гладкими шарнирными пластинками (заслонки клапанов); сквозь них пропущены болты, которые крепко припаиваются или прочно соединяются с дном цилиндра при помощи надетых на их наружных концах заклепок. Поршни снабжены закреплёнными в середине их штоками S, с ними соединяется штанга (балансир Za), которая посередине вращается вокруг болта поршневые же штоки S вращаются вокруг болтов b и v. Над отверстием, находящимся в трубке XODEy устанавливается другая вертикальная вилообразная трубка S, снабжённая краноподобной насадкой, через которую выбрасывается вода таким же образом, как нами уже говорилось выше при описании сосуда, выбрасывавшего воду при помощи сжатого в нём воздуха".
Клапан, о котором упоминается в этом описании (рис. 30), был, по-видимому, также изобретён Ктезибием. Герон описывает этот прибор следующим образом: "Изготовляют две четырёхугольные пластинки соответственной толщины, длиною в палец с каждой стороны. Своими поверхностями они пригоняются друг к другу и пришлифовываются так, что между ними не может пройти ни воздух, ни вода. Пусть эти пластинки будут ABCD и EFGH. В одной из них, именно ABCD, просверлено круглое отверстие в одну треть пальца шириной. Край CD соединён при помощи шарнира с краем FE, так что отшлифованные стороны металлических пластинок ложатся одна на другую. Когда хотят воспользоваться этими клапанами, то пластинку ABCD наглухо припаивают к отверстию, сквозь которое должен входить воздух или вода. В таком случае при давлении изнутри пластинка EFGH открывается и пропускает воздух или воду. Но затем давление воздуха или воды будет прижимать пластинку EFGH к отверстию, сквозь которое входит воздух или вода".
Как видим, техника, в частности техника обработки металлов, достигала в это время довольно высокого уровня. Ниже мы увидим, что Герон даже осуществил тепловой двигатель. Но эта техника, как уже неоднократно указывалось, не могла произвести промышленного переворота, не могла играть той революционной роли, какую она сыграла в период первоначального накопления, в период буржуазных революций.
Знаменитые изобретения Герона описаны в дошедшем до нас трактате "Пневматика". По своим теоретическим позициям Герон примыкает к Аристотелю, однако с существенными поправками. Он так же, как и Аристотель, считает, что пустоты в природе нет, но "хотя в природе и нет большого пустого пространства, тем не менее совсем маленькие пустые пространства существуют в жидкостях, огне и других телах".
Доказательством существования пустых промежутков между частицами Герон считает упругость, смешивание различных жидкостей, расширяемость тел от нагревания и т. д. Воздух Герон считает телом, состоящим из весьма лёгких и подвижных частиц. Доказательством того, что воздух тело, Герон считает, например, факт, что опрокинутый вверх дном сосуд при погружении его в другой сосуд с водой не заполняется водой. Если же в дне сосуда проделать отверстие, через которое воздух может выходить, то вода заполнит внутренность погружаемого сосуда, вытесняя воздух через это отверстие. Аномально больших промежутков между частицами тела природа не допускает и, в этом смысле, "боится пустоты". Так, например, если из сосуда отсосать некоторое количество воздуха, благодаря чему расстояние между частицами оставшегося воздуха увеличивается, то сосуд будет обладать всасывающими свойствами (кровесосные банки): кожа пальца, закрывающего отверстие сосуда, будет втягиваться внутрь. Если палец отнять, то в сосуд входит наружный воздух, заполняя объём его до тех пор, пока расстояния между частицами не достигнут нормальной величины. В этом следует искать причины прочности тел. Жидкая струя, по Герону, также обладает прочностью на разрыв * . Раз возникнувший столб жидкости не может разорваться, ибо это привело бы к образованию значительной пустоты. На этом строится объяснение Героном действия сифона.
* (Галилей в своем учении о сопротивлении материалов реставрировал воззрения Герона. )
Погрузим коленчатую трубку AHDBCKL (рис. 31) в сосуд, заполненный водой до уровня FG. Вода в колене достигнет уровня Я, совпадающего с уровнем FG. Если же отсосать у L воздух ртом, то, в силу указанного свойства не допускать значительных пустот, воздух будет всасывать из сосуда воду по колену AHD. При достаточном разрежении вода заполнит верхнюю часть трубки В и начнёт стекать вниз по колену CKL. Стремясь упасть, как груз в обоих коленах, она не может упасть, ибо это привело бы к разрыву струи. Если уровень жидкости в левом колене ниже, чем в правом, то левый груз воды перетянет правый и вода будет перетекать от более высокого уровня к более низкому до тех пор, пока уровни жидкости слева и справа не сравняются, или до тех пор, пока не опорожнится сосуд (если уровень дна его достаточно высок).
Итак, в теории Герона мы имеем дело с двумя основными допущениями: а) невозможность разрыва струи, b) перевешивание струи более длинной частью, что приводит к перетеканию жидкости от более высокого уровня к более низкому. Раз образовавшаяся жидкая струя ведёт себя наподобие верёвки, перекинутой через блок. Верёвка будет "сбегать" в сторону более длинной части. Давление наружного воздуха в этом объяснении роли не играет.
Любопытно, что это объяснение Герона было сравнительно недавно реставрировано как вновь открытый "принцип действия жидкого сифона". В книге профессора Поля "Введение в механику и акустику" мы встречаем подчёркнутое автором утверждение, что "принцип сифона ничего общего не имеет с давлением воздуха", в пояснение которого (т. е. утверждения) приводится образ сбегающей с блока цепочки. Оставляя в стороне умалчивания проф. Поля о том обстоятельстве, что выдвинутый им против обычной "элементарной" трактовки действия сифона принцип насчитывает двухтысячелетнюю давность, отметим, что проф. Поль обходит молчанием также и некоторые трудности, связанные с героновским объяснением, трудности, которые были известны уже самому Герону. А именно, если представить себе, что левый конец цепочки короче, однако состоит из нескольких цепочек, то можно не только добиться равновесия, но и сбегания цепочки в сторону короткой части. Другими словами, если изготовить сифонную трубку из колен неодинаковой толщины, сделав короткое колено более толстым, можно добиться переливания жидкости от более низкого уровня к более высокому. Герон указывает, что это невозможно. Заполним U-образную трубку жидкостью до самого верха. Закроем концы трубки и опрокинем её в два сосуда с неодинаковыми уровнями жидкостей так, чтобы толстое колено трубки было бы погружено в сосуд с высшим уровнем жидкости. Отняв пальцы от концов трубки, установим сообщение между массами жидкости в обоих сосудах (столб жидкости в сифонной трубке разорваться не может). Но, по Архимеду, сообщающиеся массы жидкости будут находиться в равновесии тогда и только тогда, когда свободная поверхность будет сферической поверхностью с центром в центре Земли. Следовательно, жидкость будет перетекать с высшего уровня на низший, пока уровни не сравняются. Мы видим, что Герон, отправляясь от Архимеда, по существу, формулирует уже принцип сообщающихся сосудов. Что же касается принципа сифона, то объяснение Герона, реставрированное Полем, отражает одну сторону работы сифона, но не всю. Исследования Паскаля представляют собой крупный шаг вперёд в уяснении действия сифона, а не шаг назад, как это хочет сказать проф. Поль. Своеобразное Героново понимание "боязни пустоты" даёт ему возможность объяснить действие пипетки, которая у него имеет форму "магического шара". Если, оставив верхнее отверстие открытым, погрузить шар в жидкость, то жидкость войдёт через отверстия в дне шара внутрь его. Если теперь закрыть отверстие пальцем и вынуть шар, то вода не выльется через решётчатое дно шара, ибо это привело бы к образованию пустот во внутреннем воздушном пространстве. Отнятием пальца можно вылить жидкость в любом месте.
Герон придумал сифоны разнообразной формы. Упомянем здесь о двойном сифоне и о сифоне с постоянной скоростью вытекания (сифон с поплавком). Двойной сифон (рис. 32) представляет собой трубку, закрытую сверху, но открытую внизу. Внутри этой трубки помещается вторая, открытая с обоих концов,- верхний конец несколько не доходит до дна наружной трубки. Если в сосуде имеется отверстие в дне такого размера, что в него входит, плотно прилегая к краям, внутренняя трубка сифона, то в сосуд можно наливать жидкость до тех пор, пока её уровень не будет таков, что наружная трубка сифона не заполнится до самого дна. Тогда, по принципу сифона, жидкость будет вытекать по внутренней трубке до тех пор, пока сосуд не опорожнится. Двойной сифон объясняет действие "волшебного кубка" Герона. В сифоне с постоянной скоростью истечения (рис. 33). внутреннее колено закреплено в чаше, плавающей на поверхности жидкости в сосуде. По мере понижения уровня жидкости опускается и сифон, так что выходное отверстие остаётся ниже уровня жидкости всегда на одну и ту же величину. В качестве примера, иллюстрирующего изобретательность Герона, опишем его автомат "поющая птичка" (рис. 34). Птичка свистит, когда сова на неё не смотрит, и умолкает, когда сова к ней повернётся. Действие этого прибора основано на соответствующем подборе двойных сифонов. Когда жидкость по воронке втекает в верхний сосуд, то она вытесняет воздух, который, проходя по трубочке, вызывает свист. По мере повышения уровня жидкости в резервуаре начинается её вытекание через сифон в нижний ковш. Это вызовет в конце концов перегрузку ковша, который перетянет противовес, и сова повернётся. Сифон подбирается так, что в этот момент вытекание из резервуара превышает скорость поступления жидкости - птичка не поёт. Затем вступает в действие нижний сифон. По мере опорожнения резервуара опорожнится и ковш - сова отвернётся. Работа автомата начинается снова.
Особенно замечательно, что Герон впервые использовал движущую силу тепла. Ознакомимся прежде всего с действием его "Эолипила". Эолипил Герона представляет собой железный шар, могущий вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 35). В верхней части шара имеется выводная трубка, согнутая под прямым углом; такая же трубка, но изогнутая в противоположную сторону, имеется внизу шара. Пар, поступающий из резервуара по боковым трубкам, выбрасывается выпускными трубками. Реакция паровой струи (принцип турбины) приводит шар во вращение.
Так почти за две тысячи лет до изобретения паровой машины был впервые сконструирован тепловой двигатель. Но это было преждевременное изобретение, и с XVII века начинаются новые поиски тепловой машины.
Приведём в качестве примера применения движущей силы тепла - алтарь с автоматически открывающимися дверями при возжигании жертвенного огня (рис. 36).
"В храме находится полый жертвенник DE, который соединён при помощи трубки FG с шарообразным сосудом РН, наполовину наполненным водой. В шар впаивается U-образная трубка KLM. Оси вращения обеих створок дверей продолжены до пола подвала, где они вставлены в соответствующие гнёзда. На осях навиты две цепочки. На конце одной цепочки помещается груз, который своей тяжестью стремится закрыть дверь, а на другой, навитой в обратном направлении на дверных осях, висит сосуд другой, навитой в обратном направлении XN, который, будучи пустым, легче груза. В этот сосуд проходит одно из колен U-образной трубки, которая так установлена, что, когда двери закрыты, это колено доходит почти до дна сосуда.
Когда на алтаре зажигают огонь, алтарь нагревается, заключённый в нём воздух расширяется, давит на воду, находящуюся в шаре, и поднимает её по U-образной трубке в подвешенный сосуд, который благодаря этому опускается и таким образом открывает дверь.
Рассмотренными примерами мы и ограничимся. Из сказанного ясно, насколько остроумны были изобретения Герона. Практическое значение получили только его гидравлические машины, усовершенствовавшие технику водочерпальных машин. Остальные изобретения выполняли роль забавных игрушек, не больше. Только возрождающаяся новая наука обратилась к изобретениям Герона, развив их дальше на новой основе.