Герон александрийский простые механизмы. Древнегреческий паровой двигатель герона александрийского
Древнегреческая культура уникальна по нескольким причинам. Её носители смогли перенять, и по-своему реализовать величайшие достижения предшествующих цивилизаций - шумеров, египтян, вавилонян. Именно самыми первыми цивилизациями, ещё до греков, были сделаны важнейшие открытия в таких областях человеческого знания как математика, астрономия, природоведение, архитектура.
Этими знаниями, кстати, пользуемся и мы, являясь наследниками Средневековой и Древнегреческой цивилизаций. Только небольшой пример архаичности наших знаний о мире, то есть знаний, носящих отпечаток чего-то очень древнего.
Сегодня весь мир считает 60 секунд,что бы отсчитать минуту, и столько же минут для часа. Но почему именно 60? Эта традиция именно так считать время происходит из Античности. Безусловно что греки переняли эту традицию у математиков Междуречья. Вавилоняне унаследовали шестидесятеричную систему счисления, вместе с точнейшими таблицами наблюдений за небесными телами, от более древних своих предшественников – шумеров. Позднее, её также переняли и греческие астрономы.
До сих пор неясно происхождение шестидесятеричной системы. Вероятно, она связана с другой, двенадцатеричной системой счисления. Все дело в том, что 5×12= 60. 5 это число пальцев на руке. (6х60).Двенадцатеричная система возникла исходя из количества фаланг четырех пальцев руки при подсчёте их большим пальцем той же самой руки. Фаланги пальцев применялись как простейшие счёты (большой палец текущее засекал состояние счёта), вместо принятого в европейцами загибания пальцев.
Реконструкция паровой турбины Герона
Что и говорить, первые цивилизации Междуречья и долины Нила оставили грекам богатое наследство прикладных знаний. Величайшие древнегреческие ученые ещё глубже их развили, добившись невероятных открытий в геометрии, алгебре и физике. Известны имена многих из этих ученных – Архимед великий математик-теоретик, Евклид - отец геометрии и Аристотель, которого по праву можно назвать отцом физики, как теоретической науки.
Но, пожалуй, ни один древнегреческий естествоиспытатель не добивался таких успехов, и не делал такого большого количества всевозможных изобретений, как Герон Александрийский. Его даже относят к величайшим инженерам за всю историю человечества. Этот древнегреческий механик и математик жил в первой половине I века н.э., и о его личной жизни мало что известно. Не смотря на это, в арабском переводе сохранились целиком многие из его произведений: Пневматика, Метрика, Автоматопоэтика (только прислушайтесь, как звучит!), Механика, Катоптрика (то есть наука о зеркалах). Часть работ сегодня безвозвратно утеряна.В их числе многие свитки, которые хранились в Александрийской библиотеке). Герон использовал достижения многих своих предшественников: Стратона из Лампсака, Архимеда, Евклида. У него был широкий круг интересов - геометрия, оптика, механика, гидростатика.
Именно ему принадлежит ряд удивительных для своего времени изобретений - автоматические двери, скорострельный самозаряжающийся арбалет, механический кукольный театр с автоматическими декорациями, прибор для измерения длины дорог, то есть древний таксометр. Ему приписывают создание первого программируемого устройства. Но сделаем скидку на время – на тот момент такое «устройство» представляло собой вал со штырьками, на который была намотана веревка.
Один из чертежей Герона – орган, издающий звук при помощи ветряной мельницы
Но,пожалуй, самое удивительное изобретение Герона, опередившее свое время на 17 веков является паровая турбина. Да-да, именно ему принадлежит создание первого подобного двигателя. В течение долгого времени (практически все время, за исключением последних 300 лет), люди работали вручную, прежде чем был изобретен паровой двигатель. Сначала применялась сила животных. Затем,люди научились использовать в качестве источника энергии силу ветра, надувавшего паруса и крутившего ветряные мельницы. Сами мельница также были своеобразным двигателем, которым качали воду и перемалывая зерно.
Герон смог первымпредположить что механический вал, можно заставить вращать и с помощью тепла. Хорошо известен принцип работы его аппарата, чертежи которого дошли и до наших дней. В нем, энергия нагретого и сжатого водяного пара преобразуется в кинетическую энергию, с помощью которого совершается механическая работа на валу.
Впрочем, двигатель Герона был слишком мал, чтобы им можно было совершать какую-либо работу. Изобретатель не получил должного признания. В средние века, в Европе, многие из его изобретений были забыты, отвергнуты или же попросту не представляли практического интереса.А зря! Кто знает, когда могла бы начаться индустриальная эпоха, будь вновь изобретен паровой двигатель лет на 400 раньше. Но история не терпит сослагательного наклонения «а если…».
Только в 1705 году, англичанин Томас Ньюкомен, изобретает паровой двигатель, который начали использовать для откачки воды из угольных шахт. В XVIII веке, другой англичанин, Джеймс Ватт, создал усовершенствованный двигатель. Он придумал клапаны, которые автоматически заставляли поршни опускаться и подниматься. То есть теперь не требовалось специального человека, который бы делал это. Так началась эпоха парового двигателя. Уже через сто лет по миру начали плавать первые пароходы на паровых двигателях и первые паровозы, название которых, говорит само за себя.
Один из последних паровозов на паровом двигателе, сделанный в 1944 в Монреале. Он весил 320 тон и в длину составлял 30 метров
Но паровой двигатель был довольно тяжелым, так как сгорание топлива происходило в топке, которая располагалась отдельно от парового котла. Более совершенный бензиновый двигатель,был разработан чуть позже в 1878 году немцем Николасом Отто. Такой двигатель не нуждался в отдельной топке, требовал меньше топлива, и был намного легче, чем паровой двигатель аналогичной мощности.
Так европейская инженерная мысль, без оглядки на опыт прошлых эпох, прокладывала свой путь к прогрессу. Сам Герон, дальше теоретических изысканий не пошел. О нем надолго забыли, и здание современной науки было построено практически без его помощи. Однако трудно недооценить смелый гений этого античного ученного, невероятные проекты которого смогли опередить свое время на целые тысячелетия.
(I в. н.э.), выдающийся математик, геодезист, механик и инженер эпохи эллинизма. Никаких биографических сведений не сохранилось. Известно, что жил и работал в Александрии, как предполагает большинство ученых, в I в. н.э. Оставил после себя работы по механике, математике и геодезии (в это время, по классификации Гелиноса Родосского (I в. до н.э.) к математике относились арифметика, геометрия, астрономия, оптика, геодезия, механика, музыкальная гармония и практические вычисления); изобрел прототип паровой машины и точные нивелировочные инструменты. Из работ Герона Александрийского известны «Механика» (в арабском переводе), «О подъемных механизмах», а также упомянутые выше «Метрика» и «Диоптра». На греческом языке известны три трактата Герона: «Пневматика», «Книга о военных машинах», «Театр автоматов», «Катоптика» (наука о зеркалах; сохранилась только в латинском переводе) и др.
Наибольшей популярностью пользовались такие автоматы Герона, как автоматизированный театр, фонтаны и др. Герон описал «диоптр» — прибор для измерения углов — прототипа современного теодолита, опираясь на законы статики и кинетики, привел описание рычага, блока, винта, военных машин. В оптике сформулировал законы отражения света, в математике — способы измерения важнейших геометрических фигур. Герон использовал достижения своих предшественников: Евклида, Архимеда, Стратона из Лампсака. Его стиль простой и ясный, хотя порой бывает чересчур лаконичен или нестроен. Интерес к сочинениям Герона возник в III в. н. э. Греческие, а затем византийские и арабские ученики комментировали и переводили его произведения.
Математические работы Герона являются энциклопедией античной прикладной математики. Работы его дошли до нас не полностью. В лучшей из его книг — «Метрике» даны определение шарового сегмента, правила и формулы для точного и приближенного вычисления площадей правильных многоугольников, объемов усеченных конуса и пирамиды, приводится так называемая формула Герона для определения площади треугольника по трем сторонам, встречающаяся у Архимеда; 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. При исследовании «Простых машин» (термин введен им) пользуется понятием момента. Учитывал силу трения и рекомендовал при работе со сложными механизмами несколько увеличивать силы, прилагаемые к ним. В «Пневматике» им рассмотрен ряд остроумных гидропневматических приборов. В «Театре автоматов» описал храмовые и театральные автоматы своего времени. У Герона встречается соотношение Ц2 » 17/12 , где 17/12 как известно, является четвертой подходящей дробью к Ц2. Содержание математических трудов Герона догматично, правила чаще всего не выводятся, а поясняются на примерах. Это сближает труды Герона с работами математиков Древнего Египта и Вавилона. В 1814 году было найдено сочинение Герона «О диоптре», в котором изложены правила земельной съемки, фактически основанные на использовании прямоугольных координат. Герон описал основные достижения античного мира в области прикладной механики. Он изобрел ряд приборов и автоматов, в частности прибор для измерения протяженности дорог, действовавший по тому же принципу, что и современные таксометры, автомат для продажи «священной воды», различные водяные часы и другое. Влияние работ Герона можно проследить в Европе вплоть до эпохи Возрождения.
Герон из Александрии - довольно известная личность, которая вызывала множество споров. Он изобрел такие приспособления, которыми человечество пользуется по сей день, немного их усовершенствовав - например, автоматические ворота. Но, к сожалению, некоторые труды его были напрасными.
Годы жизни знаменитого греческого математика и механика стали предметом множества споров, но все-таки их относят ко второй половине первого века нашей эры. Поскольку точная дата неизвестна, квалифицированные историки и биографы высказывали предположения, строили различные версии. Все сошлись во мнении, что он жил после Архимеда, поскольку в своих трудах Герон опирается на знания, изложенные в его сочинениях. Кроме того, в своих работах Александрийский деятель упоминает лунное затмение 13 марта 62 года таким образом, что можно сделать вывод - вышеназванное явление он наблюдал лично.
Подробности жизни этого учёного неизвестны, точных данных, относящихся к его биографии, не сохранилось. Возможно, историки того времени не слишком интересовались этой персоной, но так или иначе, все даты являются приблизительными. Родиной великого изобретателя являлся город Александрия.
Герон считается великим и талантливым инженером истории человечества. Ему приписывают изобретение автоматических дверей, арбалета, который заряжается самостоятельно, паровой турбины, а также автоматический кукольный театр. Отсюда можно сделать вывод, что особенно много времени он уделял автоматике.
Всей душой Герон любил точные науки, его мысли полностью занимали геометрия, механика, оптика. Учителем этого знаменитого изобретателя считают не менее известного учёного древней Греции - Ктесибия, потому что именно его имя Герон неоднократно упоминал в своих записях. Хотя он использовал также изобретения своих предшественников - Евклида и Архимеда.
Важнейшим достоянием Герона Александрийского являются книги, которые остались после него. В этих произведениях описаны не только нововведения самого автора, но и знания и открытия его современников, других древнегреческих первооткрывателей. Самые знаменитые произведения Герона - работы под названием «Метрика», «Пневматика», «Автоматопоэтика», «Механика». Последние заметки потомки увидели только на арабском языке, к тому же не все из вышеперечисленных трудов автора сохранились в первоначальном, авторском варианте. К примеру, рукопись, в которой Герон описывает зеркала, существует лишь на латыни.
В своих трудах по геодезии автор рассказывает о первом одометре. Так называется прибор, который измеряет расстояние. В 1814 году было опубликовано произведение Герона «О диоптре», где он излагает параметры земельной съёмки, которые основываются на применении прямоугольных координат. Диоптр - это элементарное приспособление для замера углов, и его открытие приписывают именно Герону. Светлую голову этого знаменитого учёного посещали поистине гениальные мысли, но большая часть его новшеств в средние века была отвергнута современниками. Объяснялось это тем, что подобные явления не представляли практического интереса.
В своей работе под названием «Механика», которая состоит из 3 частей, Герон описал 5 видов элементарных механизмов - ворота, рычаг, клин, блок и винт. Вышеперечисленные приспособления составляли базу для более сложных конструкций, и с ними связано «золотое правило механики» - увеличение силы при применении данных механизмов, достигается путём увеличения потраченного времени.
Упоминаются в его трудах также шар Эола - прародитель современных паровых турбин. Его можно считать также первым тепловым двигателем. Вышеназванное приспособление по сути являлось бронзовым котлом, который держался на опорах. К крышке его крепилась пара трубок, и они держали сферу. По трубкам из котла в сферу шёл пар, и при выходе из трубок он вращал сферу.
Пожарный водяной насос, о котором тоже шла речь в рукописях первооткрывателя из Александрии, непрерывно качал воду, а чудо-фонтан (его еще называют Героновым фонтаном) действовал, не используя энергию.
Немало работ учёного касались оптики. Он ставил опыты и разбирал задачи на преломление световых лучей, строил предположения. К примеру, в трактате «Катоптрика», знаменитый исследователь объяснил прямолинейность световых лучей невероятно большой скоростью их распространения, а также типом и формой зеркала, которое участвовало в опыте.
Трактаты по математике содержали большое количество формул. Были у учёного и описания геометрических фигур. Со школы всем известна формула Герона - с её помощью определяется площадь треугольника по полупериметру и трём сторонам. И, хотя вывел её всё же Архимед, носит данная теорема имя учёного из Александрии.
Создал талантливый изобретатель ещё одно невероятно полезное приспособление - автоматическую масляную лампу. В античности для освещения использовалась масляная лампа, а именно - чаша, которая содержала горящий фитиль, предварительно пропитанный маслом. В роли фитиля выступал небольшой кусок ткани, который очень быстро сгорал. Главным минусом такого осветительного прибора было то, что надо было постоянно регулировать уровень масла в чаше. И если одну такую лампу ещё можно было контролировать, то к нескольким подобным приспособлениям приходилось приставлять слугу, который постоянно добавлял масло в лампу и менял сгоревший кусок ткани на новый. Герон усовершенствовал данную конструкцию, присоединив к чаше поплавок и зубчатое колесо. Когда масло в чаше заканчивалось, поплавок опускался на дно, а зубчатое колесо поворачивалось и подавало новый фитиль.
Герон много внимания уделял теоремам и формулам, но в своих работах он лишь приводил примеры этих формул, а не описывал их доказательство или применение. Поэтому не все из них были востребованы в древней Греции. Точно так же и механизмы, созданные Героном, не сразу нашли себе применение, ведь в древнем мире всю тяжелую работу выполняли рабы. И труд механиков того времени не был оценён по достоинству, он приравнивался к труду рабов.
Именно поэтому большинство изобретений Герона на несколько столетий отошли в сторону. Некоторые изобретения учёного впоследствии были открыты заново, но другими учёными, которые не приписывали себе чужие открытия, а просто ничего не слышали об изобретателе из Александрии и его достижениях.
Имя Герона по сей день у всех на слуху, и связано это не только с его теоремой.
Есть еще одна причина. В 1976 году Международный астрономический союз назвал именем великого физика и математика кратер на обратной стороне Луны, увековечив его на все времена. Итак, Герон Александрийский совершил много открытий, но лишь малая их часть была оценена по достоинству.
Архимедово учение о равновесии жидкостей было использовано в блестящих изобретениях Герона Александрийского, к рассмотрению которых мы и обращаемся.
Герон Александрийский, ученик Ктезибия, сына брадобрея и также искусного изобретателя, жил во второй половине II в. до н. э. (около 120 г.). В лице Герона мы имеем дело с практиком античной науки. В области математики Герон искал таких соотношений, которые более всего соответствовали бы целям землемерия, разрабатывал методы вычислений, в частности методы приближённых вычислений. Он дал правило, позволяющее определить площадь треугольника по его сторонам; в современном виде это правило записывается в виде так называемой формулы Герона:
Изобретения Герона не носили характера технических приложений, они скорее могут быть названы техническими игрушками и их история - поучительный пример того, как остроумные изобретения, не соответствующие запросам эпохи, остаются бесплодными.
Учитель Герона - Ктезибий, как было уже сказано, являлся крупным изобретателем. Он изобрёл водяные часы с указателем (рис. 28), водяной орган, пожарную машину. Последнее изобретение имело почти что современный вид. Герон так описывает эту машину:
"Пожарные насосы, употребляемые для тушения пожаров, делаются следующим образом (рис. 29): два металлических цилиндра высверливаются изнутри токарным резцом по величине поршня, подобно тому, как высверливают "насосы" колодезных дел мастера. KL и MN - точно пригнанные поршни. Цилиндры соединены между собой трубой XODE и снабжены снаружи (внутри трубы XODE ,) - открывающимися наружу клапанами Р и R. В дне цилиндров имеются отверстия S и Т, которые закрываются гладкими шарнирными пластинками (заслонки клапанов); сквозь них пропущены болты, которые крепко припаиваются или прочно соединяются с дном цилиндра при помощи надетых на их наружных концах заклепок. Поршни снабжены закреплёнными в середине их штоками S, с ними соединяется штанга (балансир Za), которая посередине вращается вокруг болта поршневые же штоки S вращаются вокруг болтов b и v. Над отверстием, находящимся в трубке XODEy устанавливается другая вертикальная вилообразная трубка S, снабжённая краноподобной насадкой, через которую выбрасывается вода таким же образом, как нами уже говорилось выше при описании сосуда, выбрасывавшего воду при помощи сжатого в нём воздуха".
Клапан, о котором упоминается в этом описании (рис. 30), был, по-видимому, также изобретён Ктезибием. Герон описывает этот прибор следующим образом: "Изготовляют две четырёхугольные пластинки соответственной толщины, длиною в палец с каждой стороны. Своими поверхностями они пригоняются друг к другу и пришлифовываются так, что между ними не может пройти ни воздух, ни вода. Пусть эти пластинки будут ABCD и EFGH. В одной из них, именно ABCD, просверлено круглое отверстие в одну треть пальца шириной. Край CD соединён при помощи шарнира с краем FE, так что отшлифованные стороны металлических пластинок ложатся одна на другую. Когда хотят воспользоваться этими клапанами, то пластинку ABCD наглухо припаивают к отверстию, сквозь которое должен входить воздух или вода. В таком случае при давлении изнутри пластинка EFGH открывается и пропускает воздух или воду. Но затем давление воздуха или воды будет прижимать пластинку EFGH к отверстию, сквозь которое входит воздух или вода".
Как видим, техника, в частности техника обработки металлов, достигала в это время довольно высокого уровня. Ниже мы увидим, что Герон даже осуществил тепловой двигатель. Но эта техника, как уже неоднократно указывалось, не могла произвести промышленного переворота, не могла играть той революционной роли, какую она сыграла в период первоначального накопления, в период буржуазных революций.
Знаменитые изобретения Герона описаны в дошедшем до нас трактате "Пневматика". По своим теоретическим позициям Герон примыкает к Аристотелю, однако с существенными поправками. Он так же, как и Аристотель, считает, что пустоты в природе нет, но "хотя в природе и нет большого пустого пространства, тем не менее совсем маленькие пустые пространства существуют в жидкостях, огне и других телах".
Доказательством существования пустых промежутков между частицами Герон считает упругость, смешивание различных жидкостей, расширяемость тел от нагревания и т. д. Воздух Герон считает телом, состоящим из весьма лёгких и подвижных частиц. Доказательством того, что воздух тело, Герон считает, например, факт, что опрокинутый вверх дном сосуд при погружении его в другой сосуд с водой не заполняется водой. Если же в дне сосуда проделать отверстие, через которое воздух может выходить, то вода заполнит внутренность погружаемого сосуда, вытесняя воздух через это отверстие. Аномально больших промежутков между частицами тела природа не допускает и, в этом смысле, "боится пустоты". Так, например, если из сосуда отсосать некоторое количество воздуха, благодаря чему расстояние между частицами оставшегося воздуха увеличивается, то сосуд будет обладать всасывающими свойствами (кровесосные банки): кожа пальца, закрывающего отверстие сосуда, будет втягиваться внутрь. Если палец отнять, то в сосуд входит наружный воздух, заполняя объём его до тех пор, пока расстояния между частицами не достигнут нормальной величины. В этом следует искать причины прочности тел. Жидкая струя, по Герону, также обладает прочностью на разрыв * . Раз возникнувший столб жидкости не может разорваться, ибо это привело бы к образованию значительной пустоты. На этом строится объяснение Героном действия сифона.
* (Галилей в своем учении о сопротивлении материалов реставрировал воззрения Герона. )
Погрузим коленчатую трубку AHDBCKL (рис. 31) в сосуд, заполненный водой до уровня FG. Вода в колене достигнет уровня Я, совпадающего с уровнем FG. Если же отсосать у L воздух ртом, то, в силу указанного свойства не допускать значительных пустот, воздух будет всасывать из сосуда воду по колену AHD. При достаточном разрежении вода заполнит верхнюю часть трубки В и начнёт стекать вниз по колену CKL. Стремясь упасть, как груз в обоих коленах, она не может упасть, ибо это привело бы к разрыву струи. Если уровень жидкости в левом колене ниже, чем в правом, то левый груз воды перетянет правый и вода будет перетекать от более высокого уровня к более низкому до тех пор, пока уровни жидкости слева и справа не сравняются, или до тех пор, пока не опорожнится сосуд (если уровень дна его достаточно высок).
Итак, в теории Герона мы имеем дело с двумя основными допущениями: а) невозможность разрыва струи, b) перевешивание струи более длинной частью, что приводит к перетеканию жидкости от более высокого уровня к более низкому. Раз образовавшаяся жидкая струя ведёт себя наподобие верёвки, перекинутой через блок. Верёвка будет "сбегать" в сторону более длинной части. Давление наружного воздуха в этом объяснении роли не играет.
Любопытно, что это объяснение Герона было сравнительно недавно реставрировано как вновь открытый "принцип действия жидкого сифона". В книге профессора Поля "Введение в механику и акустику" мы встречаем подчёркнутое автором утверждение, что "принцип сифона ничего общего не имеет с давлением воздуха", в пояснение которого (т. е. утверждения) приводится образ сбегающей с блока цепочки. Оставляя в стороне умалчивания проф. Поля о том обстоятельстве, что выдвинутый им против обычной "элементарной" трактовки действия сифона принцип насчитывает двухтысячелетнюю давность, отметим, что проф. Поль обходит молчанием также и некоторые трудности, связанные с героновским объяснением, трудности, которые были известны уже самому Герону. А именно, если представить себе, что левый конец цепочки короче, однако состоит из нескольких цепочек, то можно не только добиться равновесия, но и сбегания цепочки в сторону короткой части. Другими словами, если изготовить сифонную трубку из колен неодинаковой толщины, сделав короткое колено более толстым, можно добиться переливания жидкости от более низкого уровня к более высокому. Герон указывает, что это невозможно. Заполним U-образную трубку жидкостью до самого верха. Закроем концы трубки и опрокинем её в два сосуда с неодинаковыми уровнями жидкостей так, чтобы толстое колено трубки было бы погружено в сосуд с высшим уровнем жидкости. Отняв пальцы от концов трубки, установим сообщение между массами жидкости в обоих сосудах (столб жидкости в сифонной трубке разорваться не может). Но, по Архимеду, сообщающиеся массы жидкости будут находиться в равновесии тогда и только тогда, когда свободная поверхность будет сферической поверхностью с центром в центре Земли. Следовательно, жидкость будет перетекать с высшего уровня на низший, пока уровни не сравняются. Мы видим, что Герон, отправляясь от Архимеда, по существу, формулирует уже принцип сообщающихся сосудов. Что же касается принципа сифона, то объяснение Герона, реставрированное Полем, отражает одну сторону работы сифона, но не всю. Исследования Паскаля представляют собой крупный шаг вперёд в уяснении действия сифона, а не шаг назад, как это хочет сказать проф. Поль. Своеобразное Героново понимание "боязни пустоты" даёт ему возможность объяснить действие пипетки, которая у него имеет форму "магического шара". Если, оставив верхнее отверстие открытым, погрузить шар в жидкость, то жидкость войдёт через отверстия в дне шара внутрь его. Если теперь закрыть отверстие пальцем и вынуть шар, то вода не выльется через решётчатое дно шара, ибо это привело бы к образованию пустот во внутреннем воздушном пространстве. Отнятием пальца можно вылить жидкость в любом месте.
Герон придумал сифоны разнообразной формы. Упомянем здесь о двойном сифоне и о сифоне с постоянной скоростью вытекания (сифон с поплавком). Двойной сифон (рис. 32) представляет собой трубку, закрытую сверху, но открытую внизу. Внутри этой трубки помещается вторая, открытая с обоих концов,- верхний конец несколько не доходит до дна наружной трубки. Если в сосуде имеется отверстие в дне такого размера, что в него входит, плотно прилегая к краям, внутренняя трубка сифона, то в сосуд можно наливать жидкость до тех пор, пока её уровень не будет таков, что наружная трубка сифона не заполнится до самого дна. Тогда, по принципу сифона, жидкость будет вытекать по внутренней трубке до тех пор, пока сосуд не опорожнится. Двойной сифон объясняет действие "волшебного кубка" Герона. В сифоне с постоянной скоростью истечения (рис. 33). внутреннее колено закреплено в чаше, плавающей на поверхности жидкости в сосуде. По мере понижения уровня жидкости опускается и сифон, так что выходное отверстие остаётся ниже уровня жидкости всегда на одну и ту же величину. В качестве примера, иллюстрирующего изобретательность Герона, опишем его автомат "поющая птичка" (рис. 34). Птичка свистит, когда сова на неё не смотрит, и умолкает, когда сова к ней повернётся. Действие этого прибора основано на соответствующем подборе двойных сифонов. Когда жидкость по воронке втекает в верхний сосуд, то она вытесняет воздух, который, проходя по трубочке, вызывает свист. По мере повышения уровня жидкости в резервуаре начинается её вытекание через сифон в нижний ковш. Это вызовет в конце концов перегрузку ковша, который перетянет противовес, и сова повернётся. Сифон подбирается так, что в этот момент вытекание из резервуара превышает скорость поступления жидкости - птичка не поёт. Затем вступает в действие нижний сифон. По мере опорожнения резервуара опорожнится и ковш - сова отвернётся. Работа автомата начинается снова.
Особенно замечательно, что Герон впервые использовал движущую силу тепла. Ознакомимся прежде всего с действием его "Эолипила". Эолипил Герона представляет собой железный шар, могущий вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 35). В верхней части шара имеется выводная трубка, согнутая под прямым углом; такая же трубка, но изогнутая в противоположную сторону, имеется внизу шара. Пар, поступающий из резервуара по боковым трубкам, выбрасывается выпускными трубками. Реакция паровой струи (принцип турбины) приводит шар во вращение.
Так почти за две тысячи лет до изобретения паровой машины был впервые сконструирован тепловой двигатель. Но это было преждевременное изобретение, и с XVII века начинаются новые поиски тепловой машины.
Приведём в качестве примера применения движущей силы тепла - алтарь с автоматически открывающимися дверями при возжигании жертвенного огня (рис. 36).
"В храме находится полый жертвенник DE, который соединён при помощи трубки FG с шарообразным сосудом РН, наполовину наполненным водой. В шар впаивается U-образная трубка KLM. Оси вращения обеих створок дверей продолжены до пола подвала, где они вставлены в соответствующие гнёзда. На осях навиты две цепочки. На конце одной цепочки помещается груз, который своей тяжестью стремится закрыть дверь, а на другой, навитой в обратном направлении на дверных осях, висит сосуд другой, навитой в обратном направлении XN, который, будучи пустым, легче груза. В этот сосуд проходит одно из колен U-образной трубки, которая так установлена, что, когда двери закрыты, это колено доходит почти до дна сосуда.
Когда на алтаре зажигают огонь, алтарь нагревается, заключённый в нём воздух расширяется, давит на воду, находящуюся в шаре, и поднимает её по U-образной трубке в подвешенный сосуд, который благодаря этому опускается и таким образом открывает дверь.
Рассмотренными примерами мы и ограничимся. Из сказанного ясно, насколько остроумны были изобретения Герона. Практическое значение получили только его гидравлические машины, усовершенствовавшие технику водочерпальных машин. Остальные изобретения выполняли роль забавных игрушек, не больше. Только возрождающаяся новая наука обратилась к изобретениям Герона, развив их дальше на новой основе.
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.
