Забытые изобретения Герона Александрийского

Автор: Дмитрий Романенко

Опубликовано: 28.04.2009

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.

Рис. 1. 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. где-то между 10-75 годами. Установлено, что Герон преподавал в Александрийском Музее — научном центре античного Египта, в состав которого входила и знаменитая Александрийская библиотека. Большинство трудов Герона представлено в виде комментариев и записок к учебным курсам по различным учебным дисциплинам. К сожалению, подлинники этих трудов не сохранились, возможно, они погибли в пламени пожара, охватившем Александрийскую библиотеку в 273 году н.э., а возможно были уничтожены в 391 году н.э. христианами, в порыве религиозного фанатизма крушившими все, что напоминало о языческой культуре. 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 "Метрике" приводится знаменитая формула Герона для определения площади треугольника по трем сторонам, даются правила численного решения квадратных уравнений и приближенного извлечения квадратных и кубических корней. В "Метрике" исследуются простейшие подъемные приспособления - рычаг, блок, клин, наклонная плоскость и винт, а также некоторые их комбинации. В этом труде Герон вводит термин "простые машины" и использует для описания их работы понятие момента силы.
Многие математики обвиняют Герона в том, что в "Метрике" не содержится математических доказательств, сделанных им выводов. Это действительно так. Герон не был теоретиком, все выведенные им формулы и правила, он предпочитал объяснять наглядными практическими примерами. Именно в области практики Герон превосходит многих своих предшественников. Лучшей иллюстрацией этого является его работа "О диоптре", найденная лишь в 1814 году. В этом труде излагаются методы проведения различных геодезических работ, причем землемерная съемка производится с помощью изобретенного Героном прибора – диоптры.

Рис. 2. Диоптра

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.

Рис.3. Схема измерений для постройки тоннеля Эвпалина

Точки B и D — входы в тоннель. Рядом с точкой B выбирается точка E, от нее вдоль горы строится отрезок EF, перпендикулярный отрезку BE. Далее в обход горы строится система взаимно перпендикулярных отрезков до тех пор, пока не получают линию КL, на которой выбирают точку M и строят от нее перпендикуляр MD ко входу в тоннель D. Используя линии DN и NB, получают треугольник BND и измеряют угол α.

Кроме всего прочего в 34-й главе труда "О диоптре" Герон дает описание изобретенного им устройства для измерения расстояний — одометра.

Рис. 4. Одометр (внешний вид)

Рис. 5. 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.
Работу одометра наглядно демонстрирует этот видеофрагмент.
Одним из самых интересных трудов Герона является "Пневматика". В книге приведены описания около 80 устройств и механизмов, действующих с использованием принципов пневматики и гидравлики. Наиболее известным устройством является эолипил (в переводе с греческого: "шар бога ветров Эола").

Рис. 6. 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!
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 распространение 2000 лет назад. Возможно, человечество уже давно бы изучило всю Солнечную систему и добралось до звезд. Сознаюсь, иногда возникает мысль, что развитие человечества кем-то или чем-то намеренно задерживалось на протяжении столетий. Впрочем, эту тему оставим для развития писателям-фантастам...
Интересно, что повторное изобретение эолипила Герона состоялось в 1750 году. Венгерский ученый Я.А. Сегнер построил прообраз гидравлической турбины. Отличие так называемого Сегнерова колеса от эолипила состоит в том, что реактивная сила, вращающая устройство, создается не паром, а струей жидкости. В настоящее время изобретение венгерского ученого служит классической демонстрацией реактивного движения в курсе физики, а на полях и в парках оно используется для полива растений.
Еще одним выдающимся изобретением Герона, связанным с применением пара является паровой бойлер.

Рис. 7. Паровой бойлер Герона

Конструкция представляло 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.
Как известно, в эпоху античности огромное влияние на людей имела религия. Религий и храмов было много, и каждый ходил общаться с богами туда, куда ему больше нравилось. Поскольку благосостояние жрецов того или иного храма прямо зависело от количества прихожан, жрецы старались завлечь их чем угодно. Тогда-то ими и был открыт закон, действующий и поныне: ничто не сможет привлечь в храм людей лучше, чем это сделает чудо. Однако, Зевс спускался с Олимпа не чаще, чем с неба сыпалась манна небесная. А прихожан надо было завлекать в храм ежедневно. 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. Принцип действия понятен из анимированного рисунка.

Рис. 8. Схема "магического" открывания дверей в храме

(C) P. Hausladen, RS Vöhringen

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.

Рис. 9. Автомат для продажи "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. Согласно некоторым источникам, порция "священной "воды во времена Герона стоила 5 драхм.
Это изобретение Герона стало первым в мире торговым автоматом и, несмотря на то, что приносило неплохую прибыль, было забыто на столетия. И только в конце XIX века торговые автоматы были изобретены вновь.

Возможно, следующее изобретение Герона также активно применялось в храмах.

Рис. 10. Сосуды для "превращения" воды в вино

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.

Рис. 11. Амфора для разлива вина и воды

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".

Рис. 12. 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.
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. Люди уже тогда умели создавать герметичные емкости, и, как видно из примера с поршневым насосом, достигли значительных успехов при изготовлении механизмов, требующих высокой точности изготовления. Паровая машина, конечно, не реактивный двигатель, для создания которого знаний античных ученых явно недоставало, но и она бы существенно ускорила развитие человечества. Почему этого не произошло?

Наиболее распространенным способом освещения в античное время было освещение при помощи масляных ламп, в которых горел пропитанный маслом фитиль. Фитиль представлял собой кусок тряпки и выгорал довольно быстро, выгорало и масло. Одним из основных недостатков таких ламп была необходимость следить за тем, чтобы над поверхностью масла, уровень которого постоянно снижался, постоянно находилось достаточно фитиля для горения. 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.

Рис. 13. Масляная лампа Герона

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.
Еще одним изобретением Герона, предназначенным для храмов, стал орган, приводимый в действие при помощи ветра.

Рис. 14. Гидравлос, модернизированный Героном

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.
Тем, кому повезло со школьным учителем физики, наверняка знают о знаменитом фонтане Герона.

Рис. 15. Фонтан Герона

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. Наглядно работа фонтана продемонстирована в этом видеофайле.
В "Пневматике" Герона также приведено описание конструкции шприца.

Рис. 16. Шприц Герона

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.
Впервые в истории Героном были разработан самоходный механизм.

Рис. 17. Самоходный шкаф

Механизм представлял собой деревянный шкаф установленный на четырех колесах. Внутреннее устройство шкафа скрывалось за дверцами. Секрет передвижения был прост: внутри шкафа медленно опускалась подвешенная плита, приводившая при помощи канатов и валов в движение всю конструкцию. В качестве регулятора скорости использовался запас песка, который постепенно пересыпался из верхней части шкафа в нижнюю. Скорость опускания плиты регулировалась скоростью пересыпания песка, которая зависела от того насколько широко раскрыты створки, отделявшие верхнюю часть шкафа от нижней.
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, и отсутствием упоминания о нем у схоластических авторов. В "Механике" помимо описания простейших механизмов: клина, рычага, ворота, блока, винта, мы находим созданный Героном механизм для подъема грузов.

Рис. 18. Барулк

В книге этот механизм фигурирует под названием барулк (baroulkos). Из рисунка видно, что это устройство представляет собой ни что иное, как редуктор, который используется в качестве лебедки. Барулк Герона состоит из нескольких зубчатых колес, приводимых в движение ручной силой, причем Герон принимает отношение диаметра колеса к диаметру оси равным 5:1, предварительно допустив, что подлежащий поднятию груз весит 1000 талантов (25 т), а движущая сила равна 5 талантам (125 кг).
Труды "О военных машинах", "Об изготовлении метательных машин" Герон посвятил основам артиллерии и описал в них несколько конструкций арбалетов, катапульт, баллист.

Рис. 19. Баллиста (современная реконструкция)

Если труды Герона в области математики и инженерии прославляли его среди узкого круга ученых того времени, то среди широкой публики он был известен благодаря своим автоматическим театрам. Работы Герона вызывали в людях чувство удивления и восхищения возможностями технической мысли. Многие из его творений служили просветительским целям и демонстрировали не только возможности науки, но и знакомили современников с фактами истории и мифами Эллады.
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.
Известно изображение одного из автоматов Герона, которое привел в своей книге в 1589 году Джованни Батиста Алеоти (Giovanni Battista Aleoti ). В этом видеофайле представлена реконструкция одного из подвижных автоматов Герона.

Рис. 20. Один из автоматов Герона

Большинство чертежей механических кукол Герона не сохранились, но в различных источниках есть их описания. 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.

Рис. 21. Имитатор грома

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. Не использовались пружины, которые стали так широко применимыми в автоматах эпохи Возрождения. Причина этого проста: для производства пружин необходимы обладающие упругостью высококачественные стальные сплавы, которые не были известны металлургам античности.

На протяжении своей жизни Герон создал много разнообразных изобретений, интересных не только его современникам, но и нам — живущим два тысячелетия спустя. В данной статье автор представил лишь наиболее известные из них, а описания других не менее интересных изобретений (например, бойлер, пневматическая сигнализация открывания двери) вы можете найти, воспользовавшись указанными ниже источниками.

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?