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.
Герон жив в Єгипті в місті Олександрія і тому став відомий як Герон Олександрійський. Сучасні історики припускають, що він жив в 1-му столітті н.е. До наших часів дійшли лише переписані копії праць Герона виконані його учнями і послідовниками. Частина з них на грецькому, а частина на арабській мові. Існують і переклади на латину, виконані в XVI столітті.
Найбільш відома «Метрика» Герона - наукова праця, в якому дано визначення кульового сегмента, тора, правила і формули для точного і наближеного обчислення площ правильних багатокутників, об'ємів зрізаних конуса і піраміди. У цій праці Герон вводить термін «прості машини» і використовує для опису їх роботи поняття моменту сили.
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.
Крім усього іншого Герон дає опис винайденого ним пристрою для вимірювання відстаней - одометра.
Мал. Одометр (зовнішній вигляд
Мал. Одометр (внутрішній устрій)
Одометр був невелику візок, встановлену на двох колесах спеціально підібраного діаметра. Колеса поверталися рівно 400 разів на мілліатрій (стародавня міра довжини, рівна 1598 м). За допомогою зубчастої передачі в обертання приводилися численні колеса і осі, а індикатором пройденої відстані були камінчики, які випадали в спеціальний лоток. Для того, щоб дізнатися, яку відстань було пройдено, потрібно було лише підрахувати кількість камінчиків в лотку.
Одним з найцікавіших праць Герона є «Пневматика». У книзі наведені описи близько 80 пристроїв і механізмів. Найбільш відомим є еоліпіл (в перекладі з грецького: «куля бога вітрів Еола»).
Мал. еоліпіл
Еоліпіл був наглухо запаяний котел з двома трубками на кришці. На трубках встановлювався обертається порожниста куля, на поверхні якого були встановлені два Г-образних патрубка-сопла. В котел через отвір заливалася вода, отвір закривався пробкою, і котел встановлювався над вогнем. Вода скипала, утворювалася пара, який по трубках надходив в кулю і в Г-образні патрубки. При достатньому тиску струменя пара, вириваючись з сопел, швидко обертали куля. Побудований сучасними вченими за кресленнями Герона еоліпіл розвивав до 3500 оборотів в хвилину!
Конструкція представляла 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. 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.
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.
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.
Цей винахід Герона стало першим в світі торговим автоматом. В кінці XIX століття торгові автомати були винайдені знову.
Наступне винахід Герона також активно застосовувалося в храмах.
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 «з волі богів» перетворювалася в вино! Чи це не чудо?
А ось ще одна вигадана Героном конструкція посудин по перетворенню води в вино і назад.
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».
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.
Найбільш поширеним способом освітлення в античні часи було освітлення за допомогою масляних ламп. 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.
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.
У «Пневматиці» Герона також наведено опис конструкції шпріца.К 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.
Фонтан Герона складається з трьох судин, поміщених один над іншим і сполучених між собою. Два нижні судини - закриті, а верхній має форму відкритої чаші, в яку наливається вода. Також вода наливається і в середній посудину, пізніше закривається. За трубці, що йде від дна чаші майже до дна нижнього судини, вода тече з чаші вниз і, стискаючи знаходиться там повітря, збільшує його пружність. Нижній посудину повідомлений із середнім за допомогою трубки, по якій тиск повітря передається в середній посудину. Виробляючи тиск на воду, повітря змушує її підніматися з середнього судини по трубці у верхню чашу, де з кінця цієї трубки, що підноситься над поверхнею води, і б'є фонтан. Вода фонтану, падаюча в чашу, тече з неї по трубці в нижній посудину, де рівень води поступово підвищується, а рівень води в середньому посудині знижується. Незабаром фонтан перестає працювати. Щоб запустити його заново, треба просто поміняти місцями нижній і середній судини.
Унікальним для свого часу науковою працею є «Механіка» Герона. Ця книга дійшла до нас в перекладі арабського вченого IX століття н.е. Кости аль-Балбакі. До XIX століття ця книга ніде не публікувалася і була, мабуть, невідома науці ні за часів Середньовіччя, ні в період Відродження. Це підтверджується і відсутністю списків тексту його в грецькому оригіналі і в латинському перекладі. У «Механіці» крім опису найпростіших механізмів: клина, важеля, ворота, блоку, гвинта, ми знаходимо створений Героном механізм для підйому вантажів.
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.
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.
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.
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:
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.
Протягом свого життя Герон створив багато різноманітних винаходів, цікавих не тільки його сучасникам, але і нам - живуть два тисячоліття тому.