Герон считается величайшим инженером за всю историю человечества. Он практически вплотную подобрался к индустриальной революции, которая произошла только через приблизительно 2000 лет. Первым изобрёл автоматические двери, автоматический театр кукол, автомат для продаж, скорострельный самозаряжающийся арбалет, паровую турбину, автоматические декорации, прибор для измерения протяженности дорог (древний «таксометр») и др. Первым начал создавать программируемые устройства (вал со штырьками с намотанной на него веревкой).
Занимался геометрией, механикой, гидростатикой, оптикой. Основные произведения: Метрика, Пневматика, Автоматопоэтика, Механика (фр.; произведение сохранилось целиком по-арабски), Катоптика (наука о зеркалах; сохранилась только в латинском переводе) и др. В 1814 году было найдено сочинение Герона «О диоптре», в котором изложены правила земельной съемки, фактически основанные на использовании прямоугольных координат. Герон использовал достижения своих предшественников: Евклида, Архимеда, Стратона из Лампсака. Многие из его книг безвозвратно утеряны (свитки содержались в Александрийской библиотеке). Одна из копий его книг, сделанная в 16 веке, содержится в Оксфордском Университете.
В средние века многие из его изобретений были отвергнуты, забыты или не представляли практического интереса.
Механика
В трактате «Механика» (????????), состоящем из трёх книг, Герон описал пять типов простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Герон установил «золотое правило механики», согласно которому выигрыш в силе при использовании этих механизмов сопровождается потерей в расстоянии.
В трактате «Пневматика» (??????????) Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром. Это эолипил , представлявший собой первую паровую турбину - шар, вращаемый силой струй водяного пара; автомат для открывания дверей, автомат для продажи «святой» воды, пожарный насос, водяной орган, механический театр марионеток. В книге «Об автоматах» (????????) также описаны различные автоматические устройства.
В трактате «Беллопоэтика» (????????????) Герон описал различные военные метательные машины.
Геодезия
В книге «О диоптре» (???? ????????) описан диоптр - простейший прибор, применявшийся для геодезических работ. Этот прибор представляет собой линейку с двумя смотровыми отверстиями, которую можно поворачивать в горизонтальной плоскости и при помощи которой можно визировать углы.
Герон излагает в своём трактате правила земельной съёмки, основанные на использовании прямоугольных координат. В предложении 15 описывается, как строится геодезическое обоснование при прокладке тоннеля сквозь гору, когда работы ведутся одновременно с обоих его концов.
В предложении 34 описан одометр - прибор для измерения расстояния, пройденного повозкой. В предложении 38 описывается сходное устройство, позволяющее определять расстояние, пройденное кораблём.
Оптика
В «Катоптрике» (??????????) Герон обосновывает прямолинейность световых лучей бесконечно большой скоростью их распространения. Он приводит доказательство закона отражения, основанное на предположении о том, что путь, проходимый светом, должен быть наименьшим из всех возможных (частный случай принципа Ферма). Исходя из этого принципа, Герон рассматривает различные типы зеркал, особое внимание уделяя цилиндрическим зеркалам.
Математика
«Метрика» (???????) Герона и извлечённые из неё «Геометрика» и «Стереометрика» представляют собой справочники по прикладной математике. Здесь даны правила и формулы для точного и приближённого расчёта различных геометрических фигур, например «формула Герона» для определения площади треугольника по трём сторонам (открытая Архимедом), правила приближённого извлечения квадратных и кубических корней (см. Итерационная формула Герона). В основном изложение в математических трудах Герона догматично - правила часто не выводятся, а только показываются на примерах.
«Определения» Герона представляют собой обширный свод геометрических определений, по большей части совпадающих с определениями «Начал» Евклида.
Годы жизни Герона
Годы жизни Герона в XX веке стали предметом дискуссии. Согласно античным источникам он жил после Архимеда, но перед Паппом, т.е. где-то между 200 до н.э. и 300 гг. н.э. Некоторые историки XVIII-XIX веков указывали более конкретные даты в этом интервале, напр., Бальди помещает Георона под 120 годом до н.э., а в ЭСБЕ указан год рождения Герона - 155 год до н.э.. В 1938 году Отто Нойгебауер предположил, что Герон жил в 1-ом веке н.э. Это предположение было основано на том, что в его книге «О диоптре» упоминается лунное затмение, которое было замечено за 10 дней до весеннего равноденствия. Его указание, что оно произошло в Александрии в 5 часов ночи, однозначно указывает в интервале между 200 до н. э. и 300 н.э. на лунное затмение от 13 марта 62 года (юлианская дата). В последнее время датировка Нойгебауера была подвергнута критике Натаном Сидоли (Nathan Sidoli) .
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.
Оригинал взят у mgsupgs в Герон Александрийский.
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.
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.
Живя в современном высокотехнологическом обществе, мы очень гордимся изобретениями современности, развитием технологий, этих главных характеристик, «визитных карточек», как мы считаем, нашей цивилизации.
Однако стоит оглянуться хотя бы на две тысячи лет назад, и мы с удивлением обнаружим, что наши изобретения не такие уж и наши. Нечто подобное, оказывается, было уже изобретено и даже вполне успешно применялось. И речь здесь не идет о палеоконтактах или «дарах богов», скорее всего, это обычные, хотя и далеко не рядовые плоды человеческой инженерной мысли
Многие их подобных перлов инженерной мысли просто намного опередили свое время , и только этим я лично могу объяснить как они, несмотря на свою пользу, могли быть забыты человечеством, да еще и настолько, что впоследствии получали вторую жизнь. Именно так произошло с самым первым паровым двигателем.
Heron Alexandrinus, или Герон Александрийский, родился в 10 году нашей эры в Александрии (сейчас это территория Египта и второй по величине город после Каира). О жизни Герона мало сведений, однако, известно, что его родители были греками, которые переехали в Александрию после завоевания ее Александром Македонским. Герон был математиком и изобретателем, одним из величайших изобретателей древности.
В эпоху Герона великая Александрийская библиотека находилась в расцвете и, как считают ученые, Герон имел возможность пользоваться этим хранилищем человеческой мудрости, знаний и опыта.
Эолипил — сфера Герона
На самом деле, немногие знают, что Герон был еще и изобретателем первой паровой машины, устройства, которое получило название эолипил или «двигатель Герона», или «шар Герона».
Хотя некоторые исследователи считают, что существовали устройства, похожие на эолипил еще до Герона, все же он был первым, кто подробно описал его конструкцию и способ изготовления в своей книге «Пневматика», где помимо того были описаны еще 78 устройств. Многие из идей Герона были усовершенствованиями другого греческого изобретателя, который жил в Александрии за 300 до него, некого Ктесибия Александрийского, впервые упоминавшего о науке сжатого воздуха.
Так что же представлял из себя этот самый эолипил, самый древний паровой двигатель? Это сфера, способная вращаться вокруг своей оси. Двигалась сфера благодаря пару, выбрасываемому под давлением из пары сопел. Сопла были направлены в противоположные стороны, в результате чего образовывался крутящий момент. Именно этот крутящий момент и заставлял сферу крутиться вокруг своей оси. Принцип действия показан в видео в конце этой статьи.
Пар генерировался кипячением воды либо внутри сферы или под ней, как на рисунке. Если котел находится под сферой, то он подключается к ней с помощью пары труб, которые одновременно служат для нее осями. Воспроизведенная современная копия парового двигателя Герона способна разгоняться до 1500 оборотов в минуту при относительно низком давлением 0,7 кг на квадратный дюйм.
Это изобретение было незаслуженно забыто вплоть до 1577 года, когда паровой двигатель был заново изобретен философом, астрономом и изобретателем Таки Аль-Дином. Принцип действия описываемого им устройства в основном повторял принцип паровой машины Герона Александрийского, за исключением того, что потоки пара приводили в движение колесо.
Другим изобретением, приписываемым Герону, а по сути, являвшимся его усовершенствованием уже изобретенного Ктесибием гидравлоса, было «ветряное колесо». Это была ветряная установка, которая применялась для работы некоего устройства, похожего на современный орган.
Герон изобрел также самый первый торговый автомат по продаже святой воды, автоматическое открывание дверей, пожарную машину, автономный фонтан и многие механизмы для греческого театра.
Одним из таких его театральных механических изобретений была полностью механизированная театральная пьеса. Работала она, не вдаваясь в технические подробности, с помощью системы узлов и веревок и простых механизмов и способна была даже создавать искусственно звуки грома и управлять светом в ходе представления.
В его наследии описаны машины, работающие на воздухе, паре или воде под давлением, архитектурные устройства для подъема тяжелых объектов, методы вычисления поверхностей и величин (в том числе способ вычисления квадратного корня), военные механизмы, а также способы управления светом при помощи отражателей и зеркал.
«Чудесное» открывание дверей. Изобретение Герона. Анимированные изображения P. Hausladen, RS. Vöhringen
Определенно, Герон был гением для своего времени, невероятно прогрессивным человеком. К сожалению, большинство его оригинальных сочинений были утеряны, за исключением нескольких сохранившихся арабских рукописей. Кто знает, сколько еще невероятных забытых ныне изобретений древнего мира были описаны Героном более чем 2000 лет назад.
В Европе пришлось переоткрывать многие греческие изобретения спустя 1000-2000 лет. Такова была цена трех побед - Рима, христианства и варваров.
Так, например, строительный кран применялся при возведении храмов Древней Греции около 515 г. до н.э. Первое "современное" упоминание о кране относится к 1740 году, Франция.
Шестеренчатые механизмы использовались в V веке до н.э., а новое развитие получили только после XIII века.
Раскопки в Афинах и Олимпии показали наличие там душевых комнат, ванн и водопровода с горячей водой, который был сооружен в V веке до н.э. Аналогичное изобретение было повторно сделано в XVI веке в Англии.
Городское планирование впервые осуществил архитектор Гипподамус при строительстве города Милета (около 400 г. до н.э.). Только через 1800 лет, во времена раннего Ренессанса, была спланирована Флоренция.
Арбалет (гастропет) появился в Древней Греции около 400 г. до н.э. В средневековой Европе он начал использоваться в XIV-XV веках.
Храм Артемиды Эфесской обогревался циркулирующим теплым воздухом еще в IV веке до н.э. Система центрального отопления была возобновлена в монастырях цистерианцев в XII веке.
Астролябия была известна в Греции около 200 г. до н.э., но повторно попала в Европу через арабский мир и Испанию в XI веке.
Одометр (прибор для измерения расстояний) использовался еще Александром Македонским, повторно изобретен Уильямом Клайтоном в 1847 году.
Характерно, что многие изобретения были сделаны в в самом крупном научном центре греков - Александрии, а самым известным изобретателем Александрии был Герон Александрийский.
Герон Александрийский, греческий математик и механик, живший в 1 веке нашей эры, считается величайшим инженером за всю историю человечества.
Герон Александрийский был одержим страстью к различным приспособлениям и автоматическим механизмам. Кроме первого парового двигателя, Герон сконструировал механические кукольные театры, пожарную машину, одометр, самонаполнявшуюся масляную лампу, новый вид шприца, топографический прибор, похожий на современный теодолит, водяной орган, орган, звучавший при работе ветряной мельницы, и др. Ряд хитроумных приспособлений, описанных им подробно в серии учебников в I в. н. э., поразителен.
Его работающий при опускании денег автомат, как и многое другие из его чудес, предназначался для использования в храмах. Идея механизма заключалась в том, что верующему следовало опустить 5-драхмовую бронзовую монету в щель и взамен получить немного воды для ритуального омовения лица и рук перед входом в храм. В конце дня жрицы могли забрать из автомата пожертвования. Нечто подобное делается в некоторых современных римских католических соборах, где люди опускают мелочь в автоматы, чтобы зажглись электрические свечи.
Древний аппарат работал следующим образом. Монетка падала в небольшую чашечку, которая подвешивалась к одному концу тщательно отбалансированного коромысла. Под её тяжестью поднимался другой конец коромысла, открывал клапан, и святая вода вытекала наружу. Как только чашечка опускалась, монетка соскальзывала вниз, край коромысла с чашечкой поднимался, а другой опускался, перекрывая клапан и отключая воду.
Остроумный механизм Герона, возможно, был отчасти навеян идеей устройства, изобретённого тремя столетиями раньше Филоном Византийским. Это был сосуд со встроенным внутрь довольно загадочным механизмом, позволявшим гостям омыть руки. Над водопроводной трубой была вырезана рука, державшая шар из пемзы. Когда гость брал его, чтобы вымыть руки перед обедом, механическая рука исчезала внутри механизма и из трубы текла вода. Через какое-то время вода переставала течь и появлялась механическая рука с новым куском пемзы, приготовленным для гостя. К сожалению, Филон не оставил детального описания, как работало это исключительное механическое чудо, однако оно, по-видимому, было основано на тех же принципах, что и автомат.
Около 2000 лет назад Герон изобрёл для храмов египетского города Александрии автоматически открывающиеся двери.
Кроме того, Герон был ещё и специалистом по организации публичных зрелищ. Его конструкция автоматических дверей для храма была подарком египетским жрецам, которые столетиями использовали механические или иные чудеса, чтобы укрепить свою власть и престиж.
Применив относительно простые принципы механики, Герон изобрёл устройство, при помощи которого словно невидимыми руками открывались двери небольшого храма, когда жрец зажигал огонь на жертвеннике напротив него.
В скрытом под жертвенником металлическом шаре огонь нагревал воздух. Тот, расширяясь, проталкивал воду через сифон в огромную бадью. Последняя была подвешена на цепях системы весов и шкивов, которые поворачивали двери на их осях, когда бадья становилась тяжелее.
Когда огонь на жертвеннике угасал, происходила ещё одна удивительная вещь. В результате быстрого охлаждения воздуха в шаре вода засасывалась в сифон другим путём. Опустевшая бадья возвращалась вверх, приводя в обратное движение систему шкивов, и двери торжественно закрывались.
Другая конструкция, описанная в трудах Герона, — рожок, звучавший при открытии дверей храма. Он играл роль дверного звонка и сигнала тревоги при взломе.
Несомненно, система автоматических дверей, описанных Героном, действительно использовалась в египетских храмах и, возможно, где-нибудь в греко-римском мире. Сам изобретатель мимоходом ссылался на альтернативную систему, использованную другими инженерами: «Некоторые из них вместо воды применяют ртуть, так как она тяжелее и легко разъединяется огнём». Что означало у Герона слово, переводимое как «разъединяется», пока неизвестно, однако применение ртути вместо воды в механизмах, похожих на конструкцию Герона, конечно же, делало их более эффективными.
Паровой двигатель Герона.
Герон Александрийский изобрёл первый работающий паровой двигатель и назвал его «ветряной шар». Его конструкция предельно проста. Широкий свинцовый котёл с водой помещали над источником тепла, например, горящим древесным углём. По мере закипания воды в двух трубах, в центре которых вращался шар, поднимался пар. Струи пара били через два отверстия в шаре, заставляя его вращаться с большой скоростью. Такой же принцип лежит в основе современного реактивного движения.
Мог ли паровой двигатель использоваться в практических целях? Чтобы найти ответ на этот вопрос, специалист по античности доктор Дж. Г. Лэнделс из университета в Рединге с помощью специалистов инженерного факультета сделал точную рабочую модель устройства Герона. Он обнаружил, что она развивала большую скорость вращения — не менее 1500 оборотов в минуту: «Шар устройства Герона, возможно, был самым быстровращающимся предметом его времени».
Тем не менее у Лэнделса возникли трудности при подгонке соединений между вращающимся шаром и паровой трубой, что не позволяло сделать приспособление эффективным. Свободный шарнир позволял шару быстрее вращаться, но тогда быстро улетучивался пар; тугой шарнир означал, что энергия расходовалась на преодоление трения. Пойдя на компромисс, Лэнделс посчитал, что эффективность механизма Герона, возможно, была ниже одного процента. Поэтому, чтобы произвести одну десятую долю лошадиной силы (силу одного человека), понадобился бы довольно большой агрегат, потреблявший огромное количество горючего. Энергии бы тратилось на это больше, чем мог произвести сам механизм.
Герону под силу было изобрести более эффективный способ использования энергии пара. Как отмечал Лэнделс, все необходимые элементы для эффективного парового двигателя найдены в устройствах, описанных этим древним инженером. Его современники сделали цилиндры и поршни с чрезвычайно высоким коэффициентом полезного действия, которые Герон использовал в конструкции водяного насоса для тушения пожара. Подходящий механизм с клапанами для парового двигателя найден в его конструкции водяного фонтана, работавшего на сжатом воздухе. Его механизм похож на современный опрыскиватель от насекомых. Он состоял из круглой бронзовой камеры, которая была совершеннее свинцового котла в его паровом двигателе, так как могла выдерживать высокие давления.
Герону или любому его современнику не составило бы труда скомбинировать все эти элементы (бойлер, клапаны, поршень и цилиндр), чтобы сделать работоспособный паровой двигатель. Утверждали даже, что Герон пошёл в своих опытах дальше, собрав необходимые элементы в эффективный паровой двигатель, но то ли погиб при испытании, то ли оставил эту затею. Ни одно из этих предположений не обосновано. Вероятнее всего, из-за занятости он не смог реализовать эту идею. Однако в Александрии и греко-римском мире было множество других знающих и изобретательных инженеров. Так почему же никто из них не развил эту идею в дальнейшем? По-видимому, всё дело в экономике. Потенциал многих изобретений никогда полностью не был реализован в Древнем мире из-за рабовладельческого хозяйства. Если даже какому-нибудь блестящему учёному удалось бы создать паровой двигатель, способный выполнять работу сотен человек, то новейший механизм не вызвал бы интереса у промышленников, ибо на рынке рабов под рукой у них всегда была рабочая сила. А ведь ход истории мог бы оказаться иным…
Фонтан Герона.
Одним из устройств, описанное ученым древней Греции Героном Александрийским, был волшебный фонтан. Главное чудо этого фонтана заключалось в том, что вода из фонтана била сама, без использования, какого либо внешнего источника воды. Принцип работы фонтана хорошо виден на рисунке. Возможно, кто то, посмотрев на схему фонтана, решит, что он не работает. Либо наоборот, примет подобное устройство за вечный двигатель. Но из закона физики о сохранении энергии, нам известно невозможность создания вечного двигателя. Давайте же разберем подробнее как работал фонтан Герона.
Геронов фонтан состоит из открытой чаши и двух герметичных сосудов расположенных под чашей. Из верхней чаши в нижнюю емкость, идет полностью герметичная трубка. Если налить в верхнюю чашу воды, то вода по трубке начинает стекать в нижнюю емкость, вытесняя оттуда воздух. Поскольку сама нижняя емкость полностью герметична, то воздух выталкиваемый водой, по герметичной трубке, передает воздушное давление в среднюю чашу. Давление воздуха в средней емкости начинает выталкивать воду, и фонтан начинает работать. Если для начала работы, в верхнюю чашу требовалось налить воды, то для дальнейшей работы фонтана, уже использовалась вода попадавшая в чашу из средней емкости. Как видите устройство фонтана очень простое, но это только на первый взгляд.
Подъем воды в верхнюю чашу осуществляется за счет напора воды высотой H1, при этом воду фонтан поднимает на гораздо большую высоту H2, что на первый взгляд кажется невозможным. Ведь на это должно потребоваться гораздо большее давление. Фонтан не должен работать. Но знание древних Греков оказалось столь высоко, что они догадались передавать давление воды из нижнего сосуда, в средний сосуд, не водой, а воздухом. Поскольку вес воздуха значительно ниже веса воды, потери давления на этом участке получаются очень незначительными, и фонтан бьет из чаши на высоту H3. Высота струи фонтана H3, без учета потерь давления в трубках, будет равна высоте напора воды H1.
Таким образом, что бы вода фонтана била максимально высоко, необходимо как можно выше сделать конструкцию фонтана, тем самым увеличив расстояние H1. Кроме того, нужно как можно выше поднять средний сосуд. Что касается закона физики о сохранении энергии, то он полностью соблюдается. Вода из среднего сосуда, под действием гравитации стекает в нижний сосуд. То, что она проделывает этот путь через верхнюю чашу, и при этом бьет там фонтаном, ни сколько не противоречит закону о сохранении энергии. Как вы понимаете, время работы подобных фонтанов не бесконечно, в конечном итоге вся вода из среднего сосуда, перетечет в нижний, и фонтан перестанет работать.
На примере устройства фонтана Герона мы видим насколько высокими были знания ученых древней Греции в пневматике.
Огонь Герона Александрийского.
Каждое утро, священники храма, зажигали жертвенный огонь на алтаре. И стоило огню, как следует разгореться, то тут же, по воле богов древней Греции, двери раскрывались от неведомой силы. При наступлении вечера, священники тушили огонь и все так же, по воле богов древней Греции, двери закрывались. Ничто, кроме огня на алтаре не могло открыть двери в храм. Древние греки, воспринимали это как великое чудо, и от этого вера в богов становилась лишь сильнее. Даже ранние христиане считали это чудом. Правда, чудо это, по их мнению, творил не бог, а дьявол.
Принцип действия этого чуда, описывает в своей книге великий ученый древней Греции Герон Александрийский.
Двери храма, крепились не на обычных петлях, а на круглых опорах, уходивших под пол храма. Вокруг опор была намотана веревка, потянув за которую можно было открыть двери. Для автоматического закрывания дверей, в конструкции использовался противовес. Но это еще не настоящее чудо. Прятать человека под полом, не лучшая идея. Слишком легко обнаружить подобный обман.
Для настоящего чуда, было использовано свойство воздуха расширяться при нагревании. Алтарь выполнялся герметичным, и при нагревании, теплый воздух выходил из алтаря по специальной трубе. По этой трубе, воздух поступал в сосуд наполненный водой. Давление горячего воздуха, начинало вытеснять воду из сосуда. Вода, через изогнутую трубку наполняла ведро, привязанное к системе открывания дверей. Ведро, наполненное водой тянуло веревку, и двери, по велению великих богов древней Греции, открывались.
Вечером же, когда жрецы переставали поддерживать огонь, воздух внутри алтаря начинал остывать. В алтаре и верхней части сосуда с водой, создавался слабый вакуум, и вода из ведра, под действием атмосферного давления направлялась обратно в сосуд. Ведро становилось легче, и противовес закрывал двери.
Как видите, боги древней Греции тут совсем не причем. Но вот только мальчики древней Греции, в 14 лет не учили основы термодинамики в школе, а девочки вообще не ходили в школу. Поэтому, даже если кто- то узнает о механизмах под храмом, он все равно будет считать что двери в храм, открываются богами древней Греции. И уж никак не жрецами храма.
Механизм, описанный Героном, является одной из первых в истории техники тепловых машин. Фактически это водяной насос. Но крайне необычный водяной насос. В этой конструкции рабочим телом служит не вода или пар, а воздух.
Пожарный насос Герона Александрийского.
Одним из устройств, описанных в книге древнегреческого ученого Герона Александрийского, был пожарный водяной насос. Создателем этого пожарного насоса принято считать другого великого ученого древней Греции, Ктесибия, учителя Герона Александрийского.
Насос, описанный Героном Александрийским, имел все черты современного ручного насоса. Он состоял из двух рабочих цилиндров. У каждого цилиндра было два клапана. Один всасывающий, другой нагнетательный. Насос был оборудован воздушным уравнительным колпаком. Для привода цилиндров насоса использовался рычаг-балансир. Насос был рассчитан для работы двух человек.
Принцип работы насоса достаточно прост. При движении поршня насоса вверх, в цилиндре создается пониженное давление, и вода из водоема, под действием атмосферного давления попадает внутрь цилиндра.
При движении поршня вниз, вода под действием давления поршня выходит из цилиндра в воздушный уравнительный колпак. Движению воды в другом направлении препятствуют клапаны насоса.
Главное назначение уравнительного колпака, сглаживать колебания давления воды на выходе из насоса.
Перед началом работы насоса, уравнительный колпак пуст и полностью наполнен воздухом. При работе насоса уравнительный колпак заполняется водой идущей из цилиндров. Поскольку все выходы для воздуха быстро перекрываются водой, воздуху ничего не остается, как только сжиматься под действием напора поступающей в колпак воды. На определенном этапе, давление в системе уравновешивается и вода начинает выходить из уравнительного колпака по трубе вверх, а в верхней части колпака остается сжатый воздух.
При достижении поршнями верхней, или нижней, мертвых точек, происходит небольшая пауза в работе насоса. Но вода из насоса все так же продолжает выходить. Это сжатый воздух, находящийся в уравнительном колпаке, продолжает выдавливать воду. В результате чего, вода из насоса поступает постоянно, без каких либо пульсаций.
Наличие уравнительного колпака в насосе, показывает, насколько высоки были знания в пневматике древних Греков.