Забуті винаходи Герона Александрійського

Багато з нас, вивчаючи фізику або історію техніки, із здивуванням виявляють, що деякі сучасні технології, предмети і знання були відкриті і винайдені в далекі античні часи. Фантасти в своїх творах для опису таких явищ навіть використовують спеціальний термін: "хроноклазми" - таємничі проникнення сучасних знань в минуле. Однак, в реальності все простіше: більшість подібних знань були дійсно відкриті стародавніми вченими, але потім з якихось причин про них забули і відкрили знову через сторіччя.
У цій статті пропоную вам ближче познайомитися з одним з дивних вчених античності. Він вніс свого часу величезний внесок в розвиток науки, але більшість його праць і винаходів кануло в Лету і було незаслужено забуте. Ім'я йому - Герон Олександрійський.

Мал. 1. Герон Олександрійський

Диоптра була прообразом сучасного теодоліта. Головною її частиною служила лінійка з укріпленими на її кінцях візирями. Ця лінійка оберталася по колу, який міг займати і горизонтальне, і вертикальне положення, що давало можливість намічати напрямки, як в горизонтальній, так і у вертикальній площині. Для правильності установки приладу до нього приєднувалися схил і рівень. Користуючись цим приладом і вводячи в 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 недоступною прямої лінії, знайти різницю рівнів між двома пунктами, виміряти площа найпростішої фігури, навіть не вступаючи на вимірювану площадку.
Ще за часів Герона одним із шедеврів античної інженерії вважався водопровід на острові Самос, створений за проектом Евпаліна і проходив по тунелю. Вода з цього тунелю подавалася в місто з джерела, яке лежало по іншу сторону гори Кастро. Відомо було, що з метою прискорення роботи тунель копали одночасно з обох сторін 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 технологією для побудови такого складного об'єкта. Вивчивши знайдений в 1814 році працю Герона "Про діоптр" вчені отримали другу документальне підтвердження існування тунелю. І лише в кінці XIX століття німецька археологічна експедиція дійсно виявила легендарний тунель Евпаліна.
Ось як в своїй праці Герон наводить приклад використання винайденої їм діоптр для побудови тунелю Евпаліна.

Рис.3. Схема вимірювань для побудови тунелю Евпаліна

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

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

Мал. 4. Одометр (зовнішній вигляд)

Мал. 5. Одометр (внутрішній устрій)

Мал. 7. Паровий бойлер Герона

Конструкція представляло собою велику бронзову ємність, з коаксіально встановленим циліндром, жаровнею і трубами для подачі холодної і виведення гарячої води. Бойлер володів великою економічністю і забезпечував швидке нагрівання води.
Значну частину "Пневматики" Герона займає опис різних сифонів і судин, з яких самопливом по трубці витікає вода. Принцип, закладений в цих конструкціях, з успіхом використовується сучасними водіями при необхідності відлити бензин з бака автомобіля.
Як відомо, в епоху античності величезний вплив на людей мала релігія. Релігій і храмів було багато, і кожен ходив спілкуватися з богами туди, куди йому більше подобалося. Оскільки добробут жерців того чи іншого храму прямо залежало від кількості прихожан, жерці намагалися заманити їх чим завгодно. Тоді-то ними і був відкритий закон, що діє й донині: ніщо не зможе залучити в храм людей краще, ніж це зробить чудо. Однак, Зевс спускався з Олімпу не частіше, ніж з неба сипалася манна небесна. А прихожан треба було залучати в храм щодня. Для створення божественних чудес жерцям довелося скористатися розумом і науковими знаннями Герона. Одним з найбільш вражаючих чудес став розроблений ним механізм, який відкривав двері в храм при розпалюванні вогню на вівтарі. Принцип дії зрозумілий з анімованого малюнка.

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

Нагріте від вогню повітря надходило в посудину з водою і видавлював певну кількість води в підвішену на канаті бочку. Бочка, наповнюючись водою, опускалася вниз і за допомогою каната обертала циліндри, які приводили в рух поворотні двері. Двері відкривалися. Коли вогонь гаснув, вода з бочки переливалася назад в судину, а підвішений на канаті противагу, обертаючи циліндри, закривав двері.
Досить простий механізм, а зате який психологічний ефект на прихожан!
Ще одним винаходом, істотно підвищили рентабельність античних храмів, став винайдений Героном автомат з продажу святої води.

Мал. 9. Автомат для продажу "святий" води

Внутрішній механізм пристрою був досить простий, і складався з точно збалансованого важеля, керуючого клапаном, який відкривався під дією ваги монети. Монета падала крізь щілину на невеликий лоток і приводила в дію важіль і клапан. Клапан відкривався, випливало деяка кількість води. Потім монета зісковзувала з лотка, і важіль повертався у вихідне положення, закриваючи клапан. Згідно з деякими джерелами, порція "священної" води за часів Герона коштувала 5 драхм.
Цей винахід Герона стало першим в світі торговим автоматом і, незважаючи на те, що приносило непоганий прибуток, було забуто на століття. І тільки в кінці XIX століття торгові автомати були винайдені знову.

Можливо, наступний винахід Герона також активно застосовувалося в храмах.

Мал. 10. Судини для "перетворення" води в вино

Винахід являє собою дві посудини, з'єднаних трубкою. Один з судин наповнювався водою, а другий вином. Парафіянин доливав невелику кількість води в посудину з водою, вода надходила в іншу посудину і витісняла з нього рівну за обсягом кількість вина. Людина приносив воду, а вона "по волі богів" перетворювалася в вино! Чи це не чудо?
А ось ще одна вигадана Героном конструкція посудин по перетворенню води в вино і назад.

Мал. 11. Амфора для розливу вина і води

Половина амфори наповнюється вином, а друга половина водою. Потім шийку амфори закривається пробкою. Витяг рідини відбувається за допомогою краника, розташованого внизу амфори. У верхній частині судини під виступаючими ручками просвердлені два отвори: одне в "винної" частини, а друге в "водяний" частини. 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 в його праці "Пневматика".

Мал. 12. Насос Герона

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

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

Мал. 13. Масляна лампа Герона

Лампа складається з чаші, в яку наливалося масло і пристрої для подачі гніту. Це пристрій містив поплавець і поєднане 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 гнітом. Цей винахід став одним з перших застосувань зубчастої рейки спільно з зубчастим колесом.
Ще одним винаходом Герона, призначеним для храмів, став орган, що приводиться в дію за допомогою вітру.

Мал. 14. Гідравлос, модернізований Героном

Створений Героном орган не був оригінальним, а лише був вдосконалену конструкцію гідравлоса - музичного інструменту, придуманого Ктесибієм. Гідравлос - представляв собою набір труб з клапанами, що створювали звук. Повітря в труби подавався за допомогою резервуара з водою і насоса, який створював необхідний тиск в цьому резервуарі. Управління клапанами труб, як і в сучасному органі, здійснювалося за допомогою клавіатури-маніпули. Герон запропонував автоматизувати гідравлос, за допомогою вітряного колеса, яке служило приводом для насоса, що нагнітав повітря в резервуар.
Тим, кому пощастило зі шкільним учителем фізики, напевно знають про знаменитого фонтані Герона.

Мал. 15. Фонтан Герона

Мал. 16. Шприц Герона

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

Мал. 17. Автомобільний шафа

У книзі цей механізм фігурує під назвою барулк (baroulkos). З малюнка видно, що цей пристрій є ні що інше, як редуктор, який використовується в якості лебідки. Барулк Герона складається з декількох зубчастих коліс, що приводяться в рух ручною силою, причому Герон приймає відношення діаметра колеса до діаметра осі рівним 5: 1, попередньо припустивши, що підлягає підняття вантаж важить тисячу талантів (25 т), а рушійна сила дорівнює 5 талантам ( 125 кг).
Праці "Про військових машинах", "Про виготовлення метальних машин" Герон присвятив основам артилерії і описав в них кілька конструкцій арбалетів, катапульт, баллист.

Мал. 19. Баллиста (сучасна реконструкція)

Мал. 20. Один з автоматів Герона

Більшість креслень механічних ляльок Герона не збереглися, але в різних джерелах є інформація про них. Відомо, що Герон створив своєрідний ляльковий театр, який пересувався на прихованих від глядачів колесах і являв собою невелике архітектурна споруда - чотири колони із загальним цоколем і архитравом. Ляльки на його сцені, що приводяться в рух складною системою шнурів і зубчатих 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 лежить у ніг божества, лилося вино з чаші, а свита починала танцювати під музику. Потім музика і танці припинялися, Діоніс вивертався в іншу сторону, полум'я спалахувало в другому жертовнику - і вся дія повторювалася спочатку. Після такого уявлення 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 (пінака) був дуже малий за своїми розмірами, його легко переносили з місця на місце, Він представляв собою невелику колону, нагорі якої знаходився макет театральної сцени, прихованої за дверцятами. Вони відкривалися і закривалися п'ять разів, розділяючи на акти драму про сумне повернення переможців Трої. На крихітній сцені з винятковою майстерністю показувалося, як воїни споруджували і спускали на воду парусні кораблі, пливли на них по бурхливому морю і гинули в пучині під миготіння блискавок і гуркіт грому. Для імітації грому Герон створив спеціальний пристрій, в якому з ящика висипалися кульки, вдаряються об дошку.

Мал. 21. Імітатор грому

У своїх автоматичних театрах Герон, по-суті, використовував елементи програмування: дії автоматами виконувалися в суворій послідовності, декорації змінювали один одного в потрібні моменти. Примітно, що основною рушійною силою, приводила в рух механізми театру, була гравітація (використовувалася енергія падаючих тіл), також використовувалися елементи пневматики і гідравліки. Чи не використовувалися пружини, які стали так широко застосовними в автоматах епохи Відродження. Причина цього проста: для виробництва пружин необхідні володіють пружністю високоякісні сталеві сплави, які не були відомі металургам античності.