Герон вважається видатним інженером за всю історію людства. Він практично впритул підібрався до індустріальної революції, яка відбулася лише приблизно через 2000 років. Першим винайшов автоматичні двері, автоматичний театр ляльок, автомат для продажу, скорострільний арбалет, що самозаряджається, парову турбіну, автоматичні декорації, прилад для вимірювання протяжності доріг (давній «таксометр») та ін. Першим почав створювати програмовані пристрої (вал зі штирьками з намотаною на нього) мотузкою).
Займався геометрією, механікою, гідростатикою, оптикою. Основні твори: Метрика, Пневматика, Автоматопоетика, Механіка (фр.; твір зберігся цілком арабською), Катоптика (наука про дзеркала; збереглася тільки в латинському перекладі) та ін. У 1814 році було знайдено твір Герона «Про діоптр», якому викладено правила земельної зйомки, що фактично засновані на використанні прямокутних координат. Герон використав досягнення своїх попередників: Евкліда, Архімеда, Стратона з Лампсака. Багато його книг безповоротно втрачені (свитки містилися в Олександрійській бібліотеці). Одна з копій його книг, зроблена в 16 столітті, міститься в Оксфордському університеті.
У середні віки багато хто з його винаходів був відкинутий, забутий або не представляв практичного інтересу.
Механіка
У трактаті "Механіка" (????????), що складається з трьох книг, Герон описав п'ять типів найпростіших машин: важіль, воріт, клин, гвинт і блок. Герон встановив "золоте правило механіки", згідно з яким виграш у силі при використанні цих механізмів супроводжується втратою на відстані.
У трактаті «Пневматика» (??????????) Герон описав різні сифони, хитромудро влаштовані судини, автомати, які рухаються стисненим повітрям чи парою. Це еоліпіл, Що представляє собою першу парову турбіну - куля, що обертається силою струменів водяної пари; автомат для відкриття дверей, автомат для продажу «святої» води, пожежний насос, водяний орган, механічний театр маріонеток. У книзі «Про автомати» (????????) також описано різні автоматичні пристрої.
У трактаті «Беллопоетика» (????????????) Герон описав різні військові метальні машини.
Геодезія
У книзі «Про діоптр» (???? ????????) описаний діоптр - найпростіший прилад, що застосовувався для геодезичних робіт. Цей прилад є лінійкою з двома оглядовими отворами, яку можна повертати в горизонтальній площині і за допомогою якої можна візувати кути.
Герон викладає у трактаті правила земельної зйомки, засновані на використанні прямокутних координат. У пропозиції 15 описується, як будується геодезичне обгрунтування при прокладанні тунелю крізь гору, коли роботи ведуться одночасно з обох кінців.
У пропозиції 34 описаний одометр - прилад вимірювання відстані, пройденого візком. У реченні 38 описується подібний пристрій, що дозволяє визначати відстань, пройдений кораблем.
Оптика
У «Катоптриці» (??????????) Герон доводить прямолінійність світлових променів нескінченно великою швидкістю їхнього поширення. Він наводить доказ закону відображення, заснований на припущенні про те, що шлях, що проходить світлом, повинен бути найменшим з усіх можливих (приватний випадок принципу Ферма). Виходячи з цього принципу, Герон розглядає різні типи дзеркал, приділяючи особливу увагу циліндричним дзеркалам.
Математика
«Метрика» (???????) Герона та витягнуті з неї «Геометрика» і «Стереометрика» є довідниками з прикладної математики. Тут дано правила та формули для точного та наближеного розрахунку різних геометричних фігур, наприклад «формула Герона» для визначення площі трикутника по трьох сторонах (відкрита Архімедом), правила наближеного вилучення квадратних і кубічних коренів (див. Ітераційна формула Герона). Здебільшого виклад у математичних працях Герона догматично - правила часто не виводяться, лише показуються на прикладах.
«Визначення» Герона є великим зведенням геометричних визначень, здебільшого збігаються з визначеннями «Початок» Евкліда.
Роки життя Герона
Роки життя Герона у XX столітті стали предметом дискусії. Відповідно до античним джерелам він жив після Архімеда, але перед Паппом, тобто. десь між 200 е. та 300 гг. н.е. Деякі історики XVIII-XIX століть вказували більш конкретні дати в цьому інтервалі, напр., Бальді поміщає Георона під 120 роком до н.е., а в ЕСБЕ вказаний рік народження Герона - 155 до н.е. припустив, що Герон жив у 1-му столітті н.е. Це припущення було засноване на тому, що в його книзі «Про діоптр» згадується місячне затемнення, яке було відмічено за 10 днів до весняного рівнодення. Його вказівка, що вона сталася в Олександрії о 5 годині ночі, однозначно вказує в інтервалі між 200 до н. е. та 300 н.е. на місячне затемнення від 13 березня 62 року (юліанська дата). Останнім часом датування Нойгебауера було піддано критиці Натаном Сідолі (Nathan Sidoli).
Герон Олександрійський (10 - 75 н.е.) - давньогрецький математик та механік. Займався геометрією, механікою, гідростатикою, оптикою. Автор робіт, у яких систематично виклав основні здобутки античного світу в галузі прикладної механіки. У «Механіці» Герон описав 5 найпростіших машин: важіль, комір, клин, гвинт та блок. Герон був відомий і паралелограмом сил. Використовуючи зубчасту передачу, Герон побудував прилад для вимірювання довжини доріг, що базується на тому ж принципі, що й сучасні таксометри. Автомат Герона для продажу «священної» води став прообразом наших автоматів для відпуску рідин. Механізми та автомати Герона не знайшли скільки-небудь широкого практичного застосування. Вони використовувалися переважно у конструкціях механічних іграшок, Виняток становлять лише гідравлічні машини Герона, з яких були вдосконалені античні водочерпалки. Виклад основ античної артилерії Герон дав трактаті «Про виготовлення метальних машин», Математичні роботи Герона є енциклопедією античної прикладної математики. У «Метриці» дано правила та формули для точного та наближеного розрахунку різних геометричних фігур, наприклад формула Герона для визначення площі трикутника по трьох сторонах, правила чисельного розв'язання квадратних рівнянь та наближеного вилучення квадратних та кубічних коренів. В основному виклад у математичних працях Герона догматичний - правила часто не виводяться, а лише з'ясовуються на прикладах.
У 1814 року було знайдено твір Герона «Про діоптрі, у якому викладено правила земельної зйомки, фактично засновані використання прямокутних координат. Тут же дається опис діоптру – приладу для вимірювання кутів – прототипу сучасного теодоліту.
Насос Герона
Мал. 1. Насос Герона
Насос являв собою два повідомлені поршневі циліндри, обладнані клапанами, з яких по черзі витіснялася вода. Насос приводився в дію м'язовою силою двох людей, які по черзі натискали на плечі важеля. Відомо, що насоси такого типу згодом використовувалися римлянами для гасіння пожеж і відрізнялися високою якістю виготовлення та напрочуд точним підганянням всіх деталей. Подібні насоси аж до відкриття електрики часто використовувалися, як і для гасіння пожеж, так і у флоті для відкачування води з трюмів при аварії.
Парова куля Герона - еоліпіл
Так само, в трактаті «Пневматика» Герон описав різні сифони, хитромудро влаштовані судини, автомати, що рухаються стисненим повітрям або парою. Еоліпіл (у перекладі з грецької "куля бога вітрів Еола") був наглухо запаяний котел з двома трубками на кришці. На трубках встановлювалася порожня куля, що обертається, на поверхні якої були встановлені два Г-подібних патрубка-сопла. У котел через отвір заливалася вода, отвір закривався пробкою, і казан встановлювався над вогнем. Вода скипала, утворювалася пара, яка по трубках надходила в кулю і в Г-подібні патрубки. При достатньому тиску струменя пари, вириваючись із сопел, швидко обертали кулю. Побудований сучасними вченими за кресленнями Герона еоліпіл розвивав до 3500 обертів за хвилину!
При складанні еоліпілу вчені зіткнулися з проблемою ущільнення в шарнірних з'єднаннях кулі і трубок, що падають. При великому зазорі куля отримувала більшу ступінь свободи обертання, зате пар легко виходив через щілини, і її тиск швидко падало. Якщо зазор зменшували, втрата пари зникала, але й куля оберталася важче через зростання тертя. Нам невідомо, як Герон вирішував цю проблему. Можливо, його еоліпіл обертався не такою великою швидкістю, як сучасна модель.
На жаль еоліпіл не отримав належного визнання і не був затребуваний ні в епоху античності ні пізніше, хоч і справляв величезне враження на всіх, хто його бачив. До цього винаходу відносилися лише як до забавної іграшки. Фактично еоліпіл Герона є прототипом парових турбін, що з'явилися лише через два тисячоліття! Більше того, еоліпіл можна вважати одним із перших реактивних двигунів. До відкриття принципу реактивного руху залишився один крок: маючи собі експериментальну установку, потрібно сформулювати сам принцип. На цей крок людство витратило майже 2000 років. Важко уявити, як би виглядала історія людства, якби принцип реактивного руху набув би поширення 2000 років тому. Можливо, людство вже давно б вивчило всю Сонячну систему і дісталося зірок.
Мал. 2. 1 - підведення пари, 2 - паропровідні трубки, 3 - куля, 4 - вихлопні трубки
Паровий бойлер
Мал. 3. Паровий бойлер
Конструкція являла собою велику бронзову ємність, з коаксіально встановленим циліндром, жаровнями та трубами для подачі холодної та виведення гарячої води. Бойлер мав велику економічність і забезпечував швидке нагрівання води.
Як ми бачимо, Героном було розроблено три дуже цікаві винаходи: еоліпіл, поршневий насос і бойлер. Скомпонувавши їх можна було отримати парову машину. Таке завдання, напевно, було під силу якщо не самому Герону, то його послідовникам.
Також він описав автомат для відчинення дверей, пожежний насос, різні сифони, водяний орган, механічний театр маріонеток тощо.
Оригінал взято у mgsupgs в Герон Олександрійський.
Багато хто з нас, вивчаючи фізику або історію техніки, з подивом виявляє, що деякі сучасні технології, предмети та знання були відкриті та винайдені в далекі античні часи. Фантасти у своїх творах для опису таких явищ навіть використовують спеціальний термін: хроноклазми - таємничі проникнення сучасних знань у минуле. Однак, насправді все простіше: більшість подібних знань були дійсно відкриті давніми вченими, але потім з якихось причин про них забули і відкрили знову через століття.
У цій статті пропоную вам ближче познайомитися з одним із дивовижних учених античності. Він зробив свого часу величезний внесок у розвиток науки, але більшість його праць і винаходів канули в Лету і були незаслужено забуті. Ім'я йому – Герон Олександрійський.
Герон жив у Єгипті у місті Олександрія і тому став відомий як Герон Олександрійський. Сучасні історики припускають, що він жив у 1-му столітті н. До нашого часу дійшли лише переписані копії праць Герона виконані його учнями та послідовниками. Частина з них грецькою, а частина арабською мовою. Існують і переклади латиною, виконані в XVI столітті.
Найбільш відома «Метрика» Герона – наукова праця, в якій дано визначення кульового сегменту, тора, правила та формули для точного та наближеного обчислення площ правильних багатокутників, обсягів усічених конусу та піраміди. У цій праці Герон вводить термін "прості машини" і використовує для опису їхньої роботи поняття моменту сили.
Крім усього іншого, Герон дає опис винайденого ним пристрою для вимірювання відстаней - одометра.
Мал. Одометр (зовнішній вигляд
Мал. Одометр (внутрішній пристрій)
Одометр був невеликий візок, встановлений на двох колесах спеціально підібраного діаметра. Колеса поверталися рівно 400 разів на міліатрій (давня міра довжини, що дорівнює 1598 м). З допомогою зубчастої передачі у обертання наводилися численні колеса та осі, а індикатором пройденої відстані були камінці, що випадали у спеціальний лоток. Щоб дізнатися, яку відстань було пройдено, потрібно було лише підрахувати кількість каменів у лотку.
Однією з найцікавіших праць Герона є «Пневматика». У книзі наведено описи близько 80 пристроїв та механізмів. Найбільш відомим є еоліпіл (у перекладі з грецької: «куля бога вітрів Еола»).
Мал. Еоліпіл
Еоліпіл був наглухо запаяний котел з двома трубками на кришці. На трубках встановлювалася порожня куля, що обертається, на поверхні якої були встановлені два Г-подібних патрубка-сопла. У котел через отвір заливалася вода, отвір закривався пробкою, і казан встановлювався над вогнем. Вода скипала, утворювалася пара, яка по трубках надходила в кулю і в Г-подібні патрубки. При достатньому тиску струменя пари, вириваючись із сопел, швидко обертали кулю. Побудований сучасними вченими за кресленнями Герона еоліпіл розвивав до 3500 обертів за хвилину!
На жаль еоліпіл не отримав належного визнання і не був затребуваний ні в епоху античності ні пізніше, хоч і справляв величезне враження на всіх, хто його бачив. Еоліпіл Герона є прототипом парових турбін, що з'явилися лише через два тисячоліття! Більше того, еоліпіл можна вважати одним із перших реактивних двигунів. До відкриття принципу реактивного руху залишився один крок: маючи собі експериментальну установку, потрібно сформулювати сам принцип. На цей крок людство витратило майже 2000 років. Важко уявити, як би виглядала історія людства, якби принцип реактивного руху набув поширення 2000 років тому.
Ще одним видатним винаходом Герона, пов'язаним із застосуванням пари є паровий бойлер.
Конструкція являла собою велику бронзову ємність, з коаксіально встановленим циліндром, жаровнями та трубами для подачі холодної та виведення гарячої води. Бойлер мав велику економічність і забезпечував швидке нагрівання води.
Значну частину «Пневматики» Герона займає опис різних сифонів і судин, у тому числі самопливом трубкою витікає вода. Принцип, закладений у цих конструкціях, успішно використовується сучасними водіями при необхідності відлити бензин з бака автомобіля. Для створення божественних чудес жерцям довелося скористатися розумом та науковими знаннями Герона. Одним із найбільш вражаючих чудес став розроблений ним механізм, який відчиняв двері до храму під час розпалювання вогню на вівтарі.
Нагріте від вогню повітря надходило до посудини з водою і видавлювало певну кількість води в підвішену на канаті бочку. Бочка, наповнюючись водою, опускалася вниз і за допомогою каната обертала циліндри, які рухали поворотні двері. Двері відчинялися. Коли вогонь гас, вода з бочки переливалася назад у посудину, а підвішений на канаті противагу, обертаючи циліндри, зачиняв двері.
Досить простий механізм, зате який психологічний ефект на парафіян!
Ще одним винаходом, що істотно підвищило рентабельність античних храмів, став винайдений Героном автомат із продажу святої води.
Внутрішній механізм пристрою був досить простий і складався з точно збалансованого важеля, що управляє клапаном, який відкривався під дією ваги монети. Монета падала крізь щілину на невеликий лоток і приводила в дію важіль та клапан. Клапан відкривався, витікало кілька води. Потім монета зісковзувала з лотка, і важіль повертався у вихідне положення, закриваючи клапан.
Цей винахід Герона став першим у світі торговим автоматом. Наприкінці ХІХ століття торгові автомати винайшли знову.
Наступний винахід Герона також активно застосовувався у храмах.
Винахід являє собою дві судини, з'єднаних трубкою. Один із судин наповнювався водою, а другий вином. Парафіянин долив невелику кількість води в посудину з водою, вода надходила в іншу посудину і витісняла з неї кількість вина. Людина приносила воду, а вона «з волі богів» перетворювалася на вино! Чи це не диво?
А ось ще одна придумана Героном конструкція судини з перетворення води на вино та назад.
Половина амфори наповнюється вином, а друга половина – водою. Потім шийка амфори закривається пробкою. Вилучення рідини відбувається за допомогою краніка, розташованого внизу амфори. У верхній частині судини під ручками, що виступають, просвердлені два отвори: один у «винній» частині, а другий у «водяній» частині. Кубок підносився до краника, жрець відкривав його і наливав у кубок або вино, або воду, непомітно затикаючи один з отворів пальцем.
Унікальним для свого часу винаходом був водяний насос, конструкція якого описана Героном у його праці «Пневматика».
Насос являв собою два повідомлені поршневі циліндри, обладнані клапанами, з яких по черзі витіснялася вода. Насос приводився в дію м'язовою силою двох людей, які по черзі натискали на плечі важеля. Відомо, що насоси такого типу згодом використовувалися римлянами для гасіння пожеж і відрізнялися високою якістю виготовлення та напрочуд точним підганянням всіх деталей.
Найбільш поширеним способом освітлення в античний час було освітлення за допомогою олійних ламп. Якщо за наявності однієї лампи стежити за нею було легко, то за наявності кількох ламп уже виникала потреба в слузі, який регулярно ходив по кімнаті і поправляв ґноти в лампах. Герон винайшов автоматичну олійну лампу.
Лампа складається з чаші, в яку наливалася олія та пристрої для подачі гноту. Цей пристрій містив поплавець та з'єднане з ним зубчасте колесо. При зниженні рівня масла поплавець опускався, обертав зубчасте колесо, а воно, у свою чергу, подавало в зону горіння тонку рейку, обмотану гнотом. Цей винахід став одним з перших застосувань зубчастої рейки разом із зубчастим колесом.
У «Пневматиці» Герона також наведено опис конструкції шприца.На жаль, достеменно невідомо чи використовувався в епоху античності цей прилад для медичних цілей. Також невідомо, чи знали про його існування француз Чарльз Праваз та шотландець Олександр Вуд, які вважаються винахідниками сучасного медичного шприца.
Фонтан Герона складається з трьох судин, поміщених одна над одною і сполучених між собою. Дві нижні судини - закриті, а верхня має форму відкритої чаші, в яку наливається вода. Також вода наливається і в середню посудину, що пізніше закривається. По трубці, що йде від дна чаші майже до дна нижньої судини, вода тече з чаші вниз і, стискаючи повітря, що знаходиться там, збільшує його пружність. Нижня посудина повідомлена із середнім за допомогою трубки, по якій тиск повітря передається в середню посудину. Виробляючи тиск на воду, повітря змушує її підніматися із середньої судини по трубці у верхню чашу, де з кінця цієї трубки, що піднімається над поверхнею води, і б'є фонтан. Вода фонтану, що падає в чашу, тече з неї трубкою в нижню посудину, де рівень води поступово підвищується, а рівень води в середній посудині знижується. Незабаром фонтан перестає працювати. Щоб запустити його заново, треба просто поміняти місцями нижню та середню судини.
Унікальною для свого часу науковою працею є «Механіка» Герона. Ця книга дійшла до нас у перекладі арабського вченого ІХ століття н.е. Кістки аль-Балбакі. До XIX століття ця книга ніде не публікувалася і була, мабуть, невідома науці ні за часів Середньовіччя, ні під час Відродження. Це підтверджується і відсутністю списків тексту його у грецькому оригіналі та в латинському перекладі. У «Механіці» крім опису найпростіших механізмів: клину, важеля, воріт, блоку, гвинта, ми знаходимо створений Героном механізм для підйому вантажів.
У книзі цей механізм фігурує за назвою барулк. Видно, що цей пристрій є нічим іншим, як редуктором, який використовується як лебідка.
Праці «Про військові машини», «Про виготовлення метальних машин» Герон присвятив основам артилерії та описав у них кілька конструкцій арбалетів, катапульт, баліст.
Праця Герона «Про автомати» користувалася популярністю в епоху Відродження і була переведена на латину, а також цитувалася багатьма вченими того часу. Зокрема, в 1501 Джорджіо Валла (Giorgio Valla) переклав деякі фрагменти цієї праці. Пізніше були переклади й іншими авторами.
Створений Героном орган не був оригінальним, а лише був удосконаленою конструкцією гідравлоса - музичного інструменту, придуманого Ктесібієм. Гідравлос - являв собою набір труб із клапанами, що створювали звук. Повітря в труби подавалося за допомогою резервуара з водою та насоса, що створював необхідний тиск у цьому резервуарі. Управління клапанами труб, як і сучасному органі, здійснювалося з допомогою клавіатури-маніпули. Герон запропонував автоматизувати гідравлос за допомогою вітряного колеса, яке служило приводом для насоса, що нагнітав повітря в резервуар.
Відомо, що Герон створив своєрідний ляльковий театр, який пересувався на прихованих від глядачів колесах і був невеликою архітектурною спорудою – чотири колони із загальним цоколем та архітравом. Ляльки на його сцені, що рухаються складною системою шнурів і зубчастих передач, теж прихованих від очей публіки, відтворювали церемонію святкування на честь Діоніса. Як тільки такий театр виїжджав на міську площу, на його сцені над фігурою Діоніса спалахував вогонь, на пантеру, що лежала біля ніг божества, лилося вино з чаші, а почет починав танцювати під музику. Потім музика і танці припинялися, Діоніс вивертався в інший бік, полум'я спалахнуло в другому жертовнику - і вся дія повторювалася спочатку. Після такої вистави ляльки зупинялися, і вистава закінчувалася. Це дійство незмінно викликало інтерес у всіх жителів, без різниці у віці. Але не менший успіх здобули вуличні вистави іншого лялькового театру Герона.
Цей театр був дуже малий за своїми розмірами, його легко переносили з місця на місце. Він був невеликою колоною, нагорі якої знаходився макет театральної сцени, прихованої за дверцятами. Вони відкривалися та закривалися п'ять разів, поділяючи на акти драму про сумне повернення переможців Трої. На крихітній сцені з винятковою майстерністю показувалося, як воїни споруджували і спускали на воду вітрильні кораблі, пливли на них бурхливим морем і гинули в безодні під блискавку блискавок і гуркіт грому. Для імітації грому Герон створив спеціальний пристрій, у якому з шухляди висипалися кульки, що ударялися об дошку.
У своїх автоматичних театрах Герон, по суті, використовував елементи програмування: дії автоматами виконувались у суворій послідовності, декорації змінювали одне одного у потрібні моменти. Примітно, що основною рушійною силою, що рухала механізми театру, була гравітація (використовувалася енергія падаючих тіл), також використовувалися елементи пневматики та гідравліки.
Діоптра була прообразом сучасного теодоліту. Головною її частиною служила лінійка із укріпленими її кінцях візирами. Ця лінійка оберталася по колу, яке могло займати і горизонтальне, і вертикальне положення, що давало можливість намічати напрямки, як у горизонтальній, так і вертикальній площині. Для правильності встановлення приладу до нього приєднувалися виска та рівень. Користуючись цим приладом і вводячи у вживання прямокутні координати, Герон міг вирішувати на місцевості різні завдання: виміряти відстань між двома точками, коли одна з них або обидві вони недоступні спостерігачеві, провести пряму, перпендикулярну до недоступної прямої лінії, знайти різницю рівнів між двома пунктами. виміряти площу найпростішої фігури, навіть не вступаючи на площадку, що вимірюється.
Ще за часів Герона одним із шедеврів античної інженерії вважався водопровід на острові Самос, створений за проектом Евпаліна і що проходив тунелем. Вода цим тунелем подавалася в місто з джерела, що знаходився з іншого боку гори Кастро. Відомо було, що з метою прискорення роботи тунель рили одночасно по обидва боки гори, що вимагало високої кваліфікації від інженера, який керував будівництвом. Водопровід працював багато століть і дивував сучасників Герона, також про нього згадував у своїх творах і Геродот. Саме від Геродота сучасний світ дізнався про існування тунелю Евпаліна. Дізнався, але не повірив, тому що вважалося, що стародавні греки не мали необхідної технології для будівництва такого складного об'єкта. Вивчивши знайдену 1814 року працю Герона " Про діоптрі " вчені отримали друге документальне підтвердження існування тунелю. І лише наприкінці ХІХ століття німецька археологічна експедиція справді виявила легендарний тунель Евпаліна.
Ось як у своїй праці Герон наводить приклад використання винайденої ним діоптри для будівництва тунелю Евпаліна.
Живучи в сучасному високотехнологічному суспільстві, ми дуже пишаємося винаходами сучасності, розвитком технологій, цих головних характеристик, візитних карток, як ми вважаємо, нашої цивілізації.
Однак варто озирнутися хоча б на дві тисячі років тому, і ми з подивом виявимо, що наші винаходи не такі вже й наші. Щось подібне, виявляється, вже було винайдено і навіть цілком успішно застосовувалося. І мова тут не йде про палеоконтакти або «дари богів», швидше за все, це звичайні, хоч і далеко не рядові плоди людської інженерної думки
Багато їх подібних перлів інженерної думки просто набагато випередили свій час, і тільки цим я особисто можу пояснити, як вони, незважаючи на свою користь, могли бути забуті людством, та ще й настільки, що згодом отримували друге життя. Саме так сталося з першим паровим двигуном.
Heron Alexandrinus, або Герон Олександрійський, народився в 10 році нашої ери в Олександрії (зараз це територія Єгипту і друге за величиною місто після Каїру). Про життя Герона мало відомостей, проте відомо, що його батьки були греками, які переїхали до Олександрії після завоювання її Олександром Македонським. Герон був математиком і винахідником, одним із найбільших винахідників давнини.
В епоху Герона велика Олександрійська бібліотека перебувала у розквіті і, як вважають науковці, Герон мав можливість користуватися цим сховищем людської мудрості, знань та досвіду.
Еоліпіл - сфера Герона
Насправді, мало хто знає, що Герон був ще й винахідником першої парової машини, пристрою, який отримав назву еоліпіл або «двигун Герона», або «куля Герона».
Хоча деякі дослідники вважають, що існували пристрої, схожі на еоліпіл ще до Герона, все ж таки він був першим, хто докладно описав його конструкцію та спосіб виготовлення у своїй книзі «Пневматика», де були описані ще 78 пристроїв. Багато з ідей Герона були вдосконаленнями іншого грецького винахідника, який жив в Олександрії за 300 до нього, Ктесибія Олександрійського, який вперше згадував про науку стисненого повітря.
Так що ж уявляв собою цей самий еоліпіл, найдавніший паровий двигун? Це сфера, здатна обертатися довкола своєї осі. Рухалася сфера завдяки парі, що викидається під тиском із пари сопел. Сопла були спрямовані в протилежні сторони, внаслідок чого утворювався момент, що крутив. Саме цей момент, що крутить, і змушував сферу крутитися навколо своєї осі. Принцип дії показано у відео наприкінці цієї статті.
Пара генерувався кип'ятінням води або всередині сфери чи під нею, як у малюнку. Якщо котел знаходиться під сферою, він підключається до неї за допомогою пари труб, які одночасно служать для неї осями. Відтворена сучасна копія парового двигуна Герона здатна розганятися до 1500 оборотів за хвилину за відносно низького тиску 0,7 кг на квадратний дюйм.
Цей винахід був незаслужено забутий аж до 1577 року, коли паровий двигун був заново винайдений філософом, астрономом та винахідником Такі Аль-Діном. Принцип дії описуваного ним пристрою в основному повторював принцип парової машини Герона Олександрійського, за винятком того, що потоки пари рухали колесо.
Іншим винаходом, що приписується Герону, а по суті, яке було його удосконаленням вже винайденого Ктесібієм гідравлоса, було «вітряне колесо». Це була вітряна установка, яка застосовувалась для роботи якогось пристрою, схожого на сучасний орган.
Герон винайшов також перший торговий автомат з продажу святої води, автоматичне відчинення дверей, пожежну машину, автономний фонтан і багато механізмів для грецького театру.
Одним із таких його театральних механічних винаходів була повністю механізована театральна п'єса. Працювала вона, не вдаючись у технічні подробиці, за допомогою системи вузлів і мотузок та простих механізмів і здатна була навіть створювати штучно звуки грому та керувати світлом у ході уявлення.
У його спадщині описані машини, що працюють на повітрі, парі або воді під тиском, архітектурні пристрої для підйому важких об'єктів, методи обчислення поверхонь і величин (у тому числі спосіб обчислення квадратного кореня), військові механізми, а також способи керування світлом за допомогою відбивачів та дзеркал.
«Чудове» відчинення дверей. Винахід Герона Анімовані зображення P. Hausladen, RS. Vöhringen
Безперечно, Герон був генієм для свого часу, неймовірно прогресивною людиною. На жаль, більшість його оригінальних творів були втрачені, за винятком кількох арабських рукописів, що збереглися. Хто знає, скільки ще неймовірних забутих нині винаходів стародавнього світу було описано Героном більш ніж 2000 років тому.
У Європі довелося перевідкривати багато грецьких винаходів через 1000-2000 років. Такою була ціна трьох перемог - Риму, християнства та варварів.
Так, наприклад, будівельний кран застосовувався при зведенні храмів Стародавньої Греції близько 515 р. до н. Перша "сучасна" згадка про кран відноситься до 1740 року, Франція.
Шестерні механізми використовувалися в V столітті до н.е., а новий розвиток отримали тільки після XIII століття.
Розкопки в Афінах та Олімпії показали наявність там душових кімнат, ванн та водопроводу з гарячою водою, який був споруджений у V столітті до н.е. Аналогічний винахід було зроблено в XVI столітті в Англії.
Міське планування вперше здійснив архітектор Гіпподамус під час будівництва міста Мілета (близько 400 р. до н.е.). Лише через 1800 років, за часів раннього Ренесансу, було сплановано Флоренцію.
Арбалет (гастропет) з'явився у Стародавній Греції близько 400 р. до н.е. У середньовічній Європі він почав використовуватись у XIV-XV століттях.
Храм Артеміди Ефеської обігрівався теплим повітрям, що циркулює, ще в IV столітті до н.е. Система центрального опалення була відновлена у монастирях цистеріанців у XII столітті.
Астролябія була відома в Греції близько 200 р. е., але повторно потрапила до Європи через арабський світ та Іспанію в XI столітті.
Одометр (прилад для виміру відстаней) використовувався ще Олександром Македонським, повторно винайдений Вільямом Клайтоном у 1847 році.
Характерно, що багато винаходів були зроблені в найбільшому науковому центрі греків - Олександрії, а найвідомішим винахідником Олександрії був Герон Олександрійський.
Герон Олександрійський, грецький математик і механік, який жив у 1 столітті нашої ери, вважається найбільшим інженером за історію людства.
Герон Олександрійський був одержимий пристрастю до різних пристроїв та автоматичних механізмів. Крім першого парового двигуна, Герон сконструював механічні лялькові театри, пожежну машину, одометр, масляну лампу, що самонаповнювалася, новий вид шприца, топографічний прилад, схожий на сучасний теодоліт, водяний орган, орган, що звучав при роботі вітряного млина, і ін. описаних ним докладно у серії підручників у І ст. н. е., вражаючий.
Його автомат, що працює при опусканні грошей, як і багато інших з його чудес, призначався для використання в храмах. Ідея механізму полягала в тому, що віруючому слід опустити 5-драхмову бронзову монету в щілину і натомість отримати трохи води для ритуального обмивання обличчя та рук перед входом до храму. Наприкінці дня жриці могли забрати з автомата пожертвування. Щось подібне робиться в деяких сучасних римських католицьких соборах, де люди опускають дрібницю в автомати, щоби запалилися електричні свічки.
Стародавній апарат працював так. Монетка падала в невелику філіжанку, яка підвішувалась до одного кінця ретельно відбалансованого коромисла. Під її вагою піднімався інший кінець коромисла, відкривав клапан, і свята вода витікала назовні. Як тільки філіжанка опускалася, монетка зісковзувала вниз, край коромисла з філіжанкою піднімався, а інший опускався, перекриваючи клапан і відключаючи воду.
Дотепний механізм Герона, можливо, був частково навіяний ідеєю устрою, винайденого трьома століттями раніше Філоном Візантійським. Це був посуд з вбудованим усередину досить загадковим механізмом, що дозволяв гостям обмити руки. Над водопровідною трубою була вирізана рука, що тримала кулю з пемзи. Коли гість брав його, щоб вимити руки перед обідом, механічна рука зникала всередині механізму і з труби текла вода. Через деякий час вода переставала текти і з'являлася механічна рука з новим шматком пемзи, приготованим для гостя. На жаль, Філон не залишив детального опису, як працювало це виняткове механічне диво, проте воно, мабуть, було засноване на тих же принципах, що автомат.
Близько 2000 років тому Герон винайшов для храмів єгипетського міста Олександрії двері, що автоматично відкриваються.
Крім того, Герон був ще й фахівцем із організації публічних видовищ. Його конструкція автоматичних дверей для храму була подарунком єгипетським жерцям, котрі століттями використовували механічні чи інші дива, щоб зміцнити свою владу та престиж.
Застосувавши відносно прості принципи механіки, Герон винайшов пристрій, за допомогою якого невидимими руками відчинялися двері невеликого храму, коли жрець запалював вогонь на жертовнику навпроти нього.
У прихованій під жертовником металевій кулі вогонь нагрівав повітря. Той, розширюючись, проштовхував воду через сифон у величезну баддю. Остання була підвішена на ланцюгах системи ваг і шківів, які повертали двері на їхніх осях, коли бадья ставала важчою.
Коли вогонь на жертовнику згасав, відбувалася ще одна дивовижна річ. Внаслідок швидкого охолодження повітря у кулі вода засмоктувалась у сифон іншим шляхом. Спустілі баддя поверталася вгору, приводячи в зворотний рух систему шківів, і двері урочисто зачинялися.
Інша конструкція, описана у працях Герона, - ріжок, що звучав під час відкриття дверей храму. Він грав роль дверного дзвінка та сигналу тривоги під час злому.
Безперечно, система автоматичних дверей, описаних Героном, дійсно використовувалася в єгипетських храмах і, можливо, десь у греко-римському світі. Сам винахідник мимохідь посилався на альтернативну систему, використану іншими інженерами: «Деякі з них замість води застосовують ртуть, оскільки вона важча і легко роз'єднується вогнем». Що означало у Герона слово, що перекладається як «роз'єднується», поки невідомо, проте застосування ртуті замість води в механізмах, схожих на конструкцію Герона, звичайно, робило їх ефективнішими.
Паровий двигун Герона.
Герон Олександрійський винайшов перший працюючий паровий двигун і назвав його «вітряну кулю». Його конструкція дуже проста. Широкий свинцевий котел з водою поміщали над джерелом тепла, наприклад, деревним вугіллям, що горить. У міру закипання води у двох трубах, у центрі яких оберталася куля, піднімалася пара. Струмені пара били через два отвори в кулі, змушуючи його обертатися з великою швидкістю. Такий принцип лежить в основі сучасного реактивного руху.
Чи міг паровий двигун використовуватись у практичних цілях? Щоб знайти відповідь на це питання, фахівець з античності доктор Дж. Г. Ленделс з університету в Редінга за допомогою фахівців інженерного факультету зробив точну робочу модель Герона. Він виявив, що вона розвивала велику швидкість обертання — не менше 1500 оборотів за хвилину: «Куля пристрою Герона, можливо, була предметом його часу, що швидко обертається».
Тим не менш у Ленделса виникли труднощі при припасуванні з'єднань між кулею, що обертається, і паровою трубою, що не дозволяло зробити пристосування ефективним. Вільний шарнір дозволяв кулі швидше обертатися, але тоді швидко зникала пара; тугий шарнір означав, що енергія витрачалася на подолання тертя. Підійшовши на компроміс, Ленделс вважав, що ефективність механізму Герона, можливо, була нижчою за один відсоток. Тому, щоб зробити одну десяту частку кінської сили (силу однієї людини), знадобився досить великий агрегат, що споживав величезну кількість пального. Енергії витрачалося б на це більше, ніж міг зробити сам механізм.
Герону під силу було винайти ефективніший спосіб використання енергії пари. Як зазначав Ленделс, всі необхідні елементи для ефективного парового двигуна знайдено у пристроях, описаних цим древнім інженером. Його сучасники зробили циліндри та поршні з надзвичайно високим коефіцієнтом корисної дії, які Герон використовував у конструкції водяного насоса для гасіння пожежі. Підходящий механізм із клапанами для парового двигуна знайдено у його конструкції водяного фонтану, який працював на стислому повітрі. Його механізм схожий на сучасний обприскувач від комах. Він складався з круглої бронзової камери, яка була досконалішою за свинцевий казан у його паровому двигуні, оскільки могла витримувати високий тиск.
Герону або будь-якому його сучасникові не було б складно скомбінувати всі ці елементи (бойлер, клапани, поршень і циліндр), щоб зробити працездатний паровий двигун. Стверджували навіть, що Герон пішов у своїх дослідах далі, зібравши необхідні елементи в ефективний паровий двигун, але чи загинув під час випробування, чи залишив цю витівку. Жодне з цих припущень не обґрунтоване. Найімовірніше через зайнятість він не зміг реалізувати цю ідею. Однак в Олександрії та греко-римському світі було безліч інших знаючих та винахідливих інженерів. То чому ж ніхто з них не розвинув цієї ідеї надалі? Очевидно, вся справа в економіці. Потенціал багатьох винаходів ніколи не був реалізований у Стародавньому світі через рабовласницького господарства. Якщо навіть якомусь блискучому вченому вдалося б створити паровий двигун, здатний виконувати роботу сотень людей, то новий механізм не викликав інтересу у промисловців, бо на ринку рабів під рукою у них завжди була робоча сила. Адже хід історії міг би виявитися іншим…
Фонтан Герона.
Одним із пристроїв, описаний вченим стародавньої Греції Героном Олександрійським, був чарівний фонтан. Головне диво цього фонтану полягало в тому, що вода з фонтану била сама, без використання будь-якого зовнішнього джерела води. Принцип роботи фонтану добре видно малюнку. Можливо, хтось, подивившись на схему фонтану, вирішить, що він не працює. Або навпаки, прийме такий пристрій за вічний двигун. Але із закону фізики про збереження енергії нам відомо неможливість створення вічного двигуна. Давайте розберемо докладніше як працював фонтан Герона.
Героновий фонтан складається з відкритої чаші та двох герметичних судин, розташованих під чашею. З верхньої чаші в нижню ємність йде повністю герметична трубка. Якщо налити у верхню чашу води, вода по трубці починає стікати в нижню ємність, витісняючи звідти повітря. Оскільки сама нижня ємність повністю герметична, то повітря, що виштовхується водою, по герметичній трубці, передає повітряний тиск у середню чашу. Тиск повітря у середній ємності починає виштовхувати воду, і фонтан починає працювати. Якщо для початку роботи, у верхню чашу потрібно налити води, то для подальшої роботи фонтану вже використовувалася вода, що потрапляла в чашу із середньої ємності. Як бачите пристрій фонтана дуже простий, але це лише на перший погляд.
Підйом води у верхню чашу здійснюється за рахунок напору води заввишки H1, при цьому воду фонтан піднімає на більшу висоту H2, що на перший погляд здається неможливим. Адже на це має знадобитися значно більший тиск. Фонтан не має працювати. Але знання древніх Греків виявилося настільки високо, що вони здогадалися передавати тиск води з нижньої посудини, в середній посуд, не водою, а повітрям. Оскільки вага повітря значно нижча за вагу води, втрати тиску на цій ділянці виходять дуже незначними, і фонтан б'є з чаші на висоту H3. Висота струменя фонтану H3, без урахування втрат тиску в трубках, дорівнюватиме висоті напору води H1.
Таким чином, щоб вода фонтана била максимально високо, необхідно якомога вище зробити конструкцію фонтану, тим самим збільшивши відстань H1. Крім того, потрібно якомога вище підняти середню судину. Щодо закону фізики про збереження енергії, то він повністю дотримується. Вода із середньої судини під дією гравітації стікає в нижню судину. Те, що вона робить цей шлях через верхню чашу, і при цьому б'є там фонтаном, ні скільки не суперечить закону про збереження енергії. Як ви розумієте, час роботи подібних фонтанів не нескінченно, зрештою вся вода із середньої судини перетіче в нижню, і фонтан перестане працювати.
На прикладі устрою фонтану Герона ми бачимо, наскільки високими були знання вчених древньої Греції в пневматиці.
Вогонь Герона Олександрійського.
Щоранку, священики храму, запалювали жертовний вогонь на вівтарі. І варто було вогню, як слід розгорітися, то тут же, з волі богів стародавньої Греції, двері відчинялися від невідомої сили. При настанні вечора, священики гасили вогонь і так само, з волі богів стародавньої Греції, двері зачинялися. Ніщо, крім вогню на вівтарі, не могло відчинити двері до храму. Стародавні греки сприймали це як велике диво, і від цього віра в богів ставала лише сильнішою. Навіть ранні християни вважали це дивом. Щоправда, диво це, на думку, творив не бог, а диявол.
Принцип дії цього дива описує у своїй книзі великий вчений древньої Греції Герон Олександрійський.
Двері храму кріпилися не на звичайних петлях, а на круглих опорах, що йшли під підлогу храму. Навколо опор була намотана мотузка, потягнувши за яку можна було відчинити двері. Для автоматичного закривання дверей у конструкції використовувався противаг. Але це ще не справжнє диво. Хувати людину під підлогою, не найкраща ідея. Занадто легко виявити подібний обман.
Для справжнього дива було використано властивість повітря розширюватися при нагріванні. Вівтар виконувався герметичним, і при нагріванні тепле повітря виходило з вівтаря спеціальною трубою. По цій трубі повітря надходило в посудину наповнену водою. Тиск гарячого повітря починав витісняти воду з судини. Вода через вигнуту трубку наповнювала відро, прив'язане до системи відчинення дверей. Відро, наповнене водою, тягло мотузку, і двері, за велінням великих богів стародавньої Греції, відчинялися.
Увечері ж, коли жерці переставали підтримувати вогонь, повітря всередині вівтаря починало остигати. У вівтарі та верхній частині посудини з водою створювався слабкий вакуум, і вода з відра під дією атмосферного тиску прямувала назад у посудину. Відро ставало легшим, і противага закривав двері.
Як бачите, боги стародавньої Греції тут зовсім не до чого. Але тільки хлопчики стародавньої Греції, в 14 років не вчили основи термодинаміки в школі, а дівчатка взагалі не ходили до школи. Тому, навіть якщо хтось дізнається про механізми під храмом, він все одно вважатиме, що двері до храму відкриваються богами стародавньої Греції. І аж ніяк не жерцями храму.
Механізм, описаний Героном, є одним із перших історія техніки теплових машин. Фактично це водяний насос. Але вкрай незвичайний водяний насос. У цій конструкції робочим тілом служить не вода чи пара, а повітря.
Пожежний насос Герона Олександрійського.
Одним із пристроїв, описаних у книзі давньогрецького вченого Герона Олександрійського, був пожежний водяний насос. Творцем цього пожежного насоса прийнято вважати іншого великого вченого стародавньої Греції, Ктесібія, вчителя Герона Олександрійського.
Насос, описаний Героном Олександрійським, мав усі риси сучасного ручного насосу. Він складався із двох робочих циліндрів. Кожен циліндр мав два клапани. Один всмоктуючий, інший нагнітальний. Насос обладнаний повітряним зрівняльним ковпаком. Для приводу циліндрів насоса використовувався важіль-балансир. Насос був розрахований для роботи двох людей.
Принцип роботи насоса є досить простим. При русі поршня насоса вгору, в циліндрі створюється знижений тиск, і вода з водоймища, під дією атмосферного тиску потрапляє всередину циліндра.
При русі поршня вниз, вода під впливом тиску поршня виходить із циліндра в повітряний зрівняльний ковпак. Руху води в іншому напрямку перешкоджають клапани насоса.
Головне призначення зрівняльного ковпака, що згладжує коливання тиску води на виході з насоса.
Перед початком роботи насоса зрівняльний ковпак порожній і повністю наповнений повітрям. При роботі насоса зрівняльний ковпак заповнюється водою, що йде з циліндрів. Оскільки всі виходи для повітря швидко перекриваються водою, повітрю нічого не залишається, як тільки стискатися під дією напору води, що надходить у ковпак. На певному етапі тиск в системі врівноважується і вода починає виходити з зрівняльного ковпака по трубі вгору, а у верхній частині ковпака залишається стиснене повітря.
При досягненні поршнями верхньої або нижньої мертвих точок відбувається невелика пауза в роботі насоса. Але вода з насоса так само продовжує виходити. Це стиснене повітря, що знаходиться в зрівняльному ковпаку, продовжує вичавлювати воду. В результаті чого вода з насоса надходить постійно, без будь-яких пульсацій.
Наявність зрівняльного ковпака в насосі показує, наскільки високі були знання у пневматиці древніх Греків.