Изобретения герона александрийского. Биография герон александрийский

В Европе пришлось переоткрывать многие греческие изобретения спустя 1000-2000 лет. Такова была цена трех побед - Рима, христианства и варваров.

Так, например, строительный кран применялся при возведении храмов Древней Греции около 515 г. до н.э. Первое "современное" упоминание о кране относится к 1740 году, Франция.

Шестеренчатые механизмы использовались в V веке до н.э., а новое развитие получили только после XIII века.

Раскопки в Афинах и Олимпии показали наличие там душевых комнат, ванн и водопровода с горячей водой, который был сооружен в V веке до н.э. Аналогичное изобретение было повторно сделано в XVI веке в Англии.

Городское планирование впервые осуществил архитектор Гипподамус при строительстве города Милета (около 400 г. до н.э.). Только через 1800 лет, во времена раннего Ренессанса, была спланирована Флоренция.

Арбалет (гастропет) появился в Древней Греции около 400 г. до н.э. В средневековой Европе он начал использоваться в XIV-XV веках.

Храм Артемиды Эфесской обогревался циркулирующим теплым воздухом еще в IV веке до н.э. Система центрального отопления была возобновлена в монастырях цистерианцев в XII веке.

Астролябия была известна в Греции около 200 г. до н.э., но повторно попала в Европу через арабский мир и Испанию в XI веке.

Одометр (прибор для измерения расстояний) использовался еще Александром Македонским, повторно изобретен Уильямом Клайтоном в 1847 году.
Характерно, что многие изобретения были сделаны в в самом крупном научном центре греков - Александрии, а самым известным изобретателем Александрии был Герон Александрийский.

Герон Александрийский, греческий математик и механик, живший в 1 веке нашей эры, считается величайшим инженером за всю историю человечества.
Герон Александрийский был одержим страстью к различным приспособлениям и автоматическим механизмам. Кроме первого парового двигателя, Герон сконструировал механические кукольные театры, пожарную машину, одометр, самонаполнявшуюся масляную лампу, новый вид шприца, топографический прибор, похожий на современный теодолит, водяной орган, орган, звучавший при работе ветряной мельницы, и др. Ряд хитроумных приспособлений, описанных им подробно в серии учебников в I в. н. э., поразителен.
Его работающий при опускании денег автомат, как и многое другие из его чудес, предназначался для использования в храмах. Идея механизма заключалась в том, что верующему следовало опустить 5-драхмовую бронзовую монету в щель и взамен получить немного воды для ритуального омовения лица и рук перед входом в храм. В конце дня жрицы могли забрать из автомата пожертвования. Нечто подобное делается в некоторых современных римских католических соборах, где люди опускают мелочь в автоматы, чтобы зажглись электрические свечи.
Древний аппарат работал следующим образом. Монетка падала в небольшую чашечку, которая подвешивалась к одному концу тщательно отбалансированного коромысла. Под её тяжестью поднимался другой конец коромысла, открывал клапан, и святая вода вытекала наружу. Как только чашечка опускалась, монетка соскальзывала вниз, край коромысла с чашечкой поднимался, а другой опускался, перекрывая клапан и отключая воду.
Остроумный механизм Герона, возможно, был отчасти навеян идеей устройства, изобретённого тремя столетиями раньше Филоном Византийским. Это был сосуд со встроенным внутрь довольно загадочным механизмом, позволявшим гостям омыть руки. Над водопроводной трубой была вырезана рука, державшая шар из пемзы. Когда гость брал его, чтобы вымыть руки перед обедом, механическая рука исчезала внутри механизма и из трубы текла вода. Через какое-то время вода переставала течь и появлялась механическая рука с новым куском пемзы, приготовленным для гостя. К сожалению, Филон не оставил детального описания, как работало это исключительное механическое чудо, однако оно, по-видимому, было основано на тех же принципах, что и автомат.
Около 2000 лет назад Герон изобрёл для храмов египетского города Александрии автоматически открывающиеся двери.
Кроме того, Герон был ещё и специалистом по организации публичных зрелищ. Его конструкция автоматических дверей для храма была подарком египетским жрецам, которые столетиями использовали механические или иные чудеса, чтобы укрепить свою власть и престиж.
Применив относительно простые принципы механики, Герон изобрёл устройство, при помощи которого словно невидимыми руками открывались двери небольшого храма, когда жрец зажигал огонь на жертвеннике напротив него.
В скрытом под жертвенником металлическом шаре огонь нагревал воздух. Тот, расширяясь, проталкивал воду через сифон в огромную бадью. Последняя была подвешена на цепях системы весов и шкивов, которые поворачивали двери на их осях, когда бадья становилась тяжелее.
Когда огонь на жертвеннике угасал, происходила ещё одна удивительная вещь. В результате быстрого охлаждения воздуха в шаре вода засасывалась в сифон другим путём. Опустевшая бадья возвращалась вверх, приводя в обратное движение систему шкивов, и двери торжественно закрывались.
Другая конструкция, описанная в трудах Герона, — рожок, звучавший при открытии дверей храма. Он играл роль дверного звонка и сигнала тревоги при взломе.
Несомненно, система автоматических дверей, описанных Героном, действительно использовалась в египетских храмах и, возможно, где-нибудь в греко-римском мире. Сам изобретатель мимоходом ссылался на альтернативную систему, использованную другими инженерами: «Некоторые из них вместо воды применяют ртуть, так как она тяжелее и легко разъединяется огнём». Что означало у Герона слово, переводимое как «разъединяется», пока неизвестно, однако применение ртути вместо воды в механизмах, похожих на конструкцию Герона, конечно же, делало их более эффективными.

Паровой двигатель Герона.

Герон Александрийский изобрёл первый работающий паровой двигатель и назвал его «ветряной шар». Его конструкция предельно проста. Широкий свинцовый котёл с водой помещали над источником тепла, например, горящим древесным углём. По мере закипания воды в двух трубах, в центре которых вращался шар, поднимался пар. Струи пара били через два отверстия в шаре, заставляя его вращаться с большой скоростью. Такой же принцип лежит в основе современного реактивного движения.
Мог ли паровой двигатель использоваться в практических целях? Чтобы найти ответ на этот вопрос, специалист по античности доктор Дж. Г. Лэнделс из университета в Рединге с помощью специалистов инженерного факультета сделал точную рабочую модель устройства Герона. Он обнаружил, что она развивала большую скорость вращения — не менее 1500 оборотов в минуту: «Шар устройства Герона, возможно, был самым быстровращающимся предметом его времени».
Тем не менее у Лэнделса возникли трудности при подгонке соединений между вращающимся шаром и паровой трубой, что не позволяло сделать приспособление эффективным. Свободный шарнир позволял шару быстрее вращаться, но тогда быстро улетучивался пар; тугой шарнир означал, что энергия расходовалась на преодоление трения. Пойдя на компромисс, Лэнделс посчитал, что эффективность механизма Герона, возможно, была ниже одного процента. Поэтому, чтобы произвести одну десятую долю лошадиной силы (силу одного человека), понадобился бы довольно большой агрегат, потреблявший огромное количество горючего. Энергии бы тратилось на это больше, чем мог произвести сам механизм.
Герону под силу было изобрести более эффективный способ использования энергии пара. Как отмечал Лэнделс, все необходимые элементы для эффективного парового двигателя найдены в устройствах, описанных этим древним инженером. Его современники сделали цилиндры и поршни с чрезвычайно высоким коэффициентом полезного действия, которые Герон использовал в конструкции водяного насоса для тушения пожара. Подходящий механизм с клапанами для парового двигателя найден в его конструкции водяного фонтана, работавшего на сжатом воздухе. Его механизм похож на современный опрыскиватель от насекомых. Он состоял из круглой бронзовой камеры, которая была совершеннее свинцового котла в его паровом двигателе, так как могла выдерживать высокие давления.
Герону или любому его современнику не составило бы труда скомбинировать все эти элементы (бойлер, клапаны, поршень и цилиндр), чтобы сделать работоспособный паровой двигатель. Утверждали даже, что Герон пошёл в своих опытах дальше, собрав необходимые элементы в эффективный паровой двигатель, но то ли погиб при испытании, то ли оставил эту затею. Ни одно из этих предположений не обосновано. Вероятнее всего, из-за занятости он не смог реализовать эту идею. Однако в Александрии и греко-римском мире было множество других знающих и изобретательных инженеров. Так почему же никто из них не развил эту идею в дальнейшем? По-видимому, всё дело в экономике. Потенциал многих изобретений никогда полностью не был реализован в Древнем мире из-за рабовладельческого хозяйства. Если даже какому-нибудь блестящему учёному удалось бы создать паровой двигатель, способный выполнять работу сотен человек, то новейший механизм не вызвал бы интереса у промышленников, ибо на рынке рабов под рукой у них всегда была рабочая сила. А ведь ход истории мог бы оказаться иным…

Фонтан Герона.

Одним из устройств, описанное ученым древней Греции Героном Александрийским, был волшебный фонтан. Главное чудо этого фонтана заключалось в том, что вода из фонтана била сама, без использования, какого либо внешнего источника воды. Принцип работы фонтана хорошо виден на рисунке. Возможно, кто то, посмотрев на схему фонтана, решит, что он не работает. Либо наоборот, примет подобное устройство за вечный двигатель. Но из закона физики о сохранении энергии, нам известно невозможность создания вечного двигателя. Давайте же разберем подробнее как работал фонтан Герона.
Геронов фонтан состоит из открытой чаши и двух герметичных сосудов расположенных под чашей. Из верхней чаши в нижнюю емкость, идет полностью герметичная трубка. Если налить в верхнюю чашу воды, то вода по трубке начинает стекать в нижнюю емкость, вытесняя оттуда воздух. Поскольку сама нижняя емкость полностью герметична, то воздух выталкиваемый водой, по герметичной трубке, передает воздушное давление в среднюю чашу. Давление воздуха в средней емкости начинает выталкивать воду, и фонтан начинает работать. Если для начала работы, в верхнюю чашу требовалось налить воды, то для дальнейшей работы фонтана, уже использовалась вода попадавшая в чашу из средней емкости. Как видите устройство фонтана очень простое, но это только на первый взгляд.
Подъем воды в верхнюю чашу осуществляется за счет напора воды высотой H1, при этом воду фонтан поднимает на гораздо большую высоту H2, что на первый взгляд кажется невозможным. Ведь на это должно потребоваться гораздо большее давление. Фонтан не должен работать. Но знание древних Греков оказалось столь высоко, что они догадались передавать давление воды из нижнего сосуда, в средний сосуд, не водой, а воздухом. Поскольку вес воздуха значительно ниже веса воды, потери давления на этом участке получаются очень незначительными, и фонтан бьет из чаши на высоту H3. Высота струи фонтана H3, без учета потерь давления в трубках, будет равна высоте напора воды H1.
Таким образом, что бы вода фонтана била максимально высоко, необходимо как можно выше сделать конструкцию фонтана, тем самым увеличив расстояние H1. Кроме того, нужно как можно выше поднять средний сосуд. Что касается закона физики о сохранении энергии, то он полностью соблюдается. Вода из среднего сосуда, под действием гравитации стекает в нижний сосуд. То, что она проделывает этот путь через верхнюю чашу, и при этом бьет там фонтаном, ни сколько не противоречит закону о сохранении энергии. Как вы понимаете, время работы подобных фонтанов не бесконечно, в конечном итоге вся вода из среднего сосуда, перетечет в нижний, и фонтан перестанет работать.
На примере устройства фонтана Герона мы видим насколько высокими были знания ученых древней Греции в пневматике.

Огонь Герона Александрийского.

Каждое утро, священники храма, зажигали жертвенный огонь на алтаре. И стоило огню, как следует разгореться, то тут же, по воле богов древней Греции, двери раскрывались от неведомой силы. При наступлении вечера, священники тушили огонь и все так же, по воле богов древней Греции, двери закрывались. Ничто, кроме огня на алтаре не могло открыть двери в храм. Древние греки, воспринимали это как великое чудо, и от этого вера в богов становилась лишь сильнее. Даже ранние христиане считали это чудом. Правда, чудо это, по их мнению, творил не бог, а дьявол.
Принцип действия этого чуда, описывает в своей книге великий ученый древней Греции Герон Александрийский.
Двери храма, крепились не на обычных петлях, а на круглых опорах, уходивших под пол храма. Вокруг опор была намотана веревка, потянув за которую можно было открыть двери. Для автоматического закрывания дверей, в конструкции использовался противовес. Но это еще не настоящее чудо. Прятать человека под полом, не лучшая идея. Слишком легко обнаружить подобный обман.
Для настоящего чуда, было использовано свойство воздуха расширяться при нагревании. Алтарь выполнялся герметичным, и при нагревании, теплый воздух выходил из алтаря по специальной трубе. По этой трубе, воздух поступал в сосуд наполненный водой. Давление горячего воздуха, начинало вытеснять воду из сосуда. Вода, через изогнутую трубку наполняла ведро, привязанное к системе открывания дверей. Ведро, наполненное водой тянуло веревку, и двери, по велению великих богов древней Греции, открывались.

Вечером же, когда жрецы переставали поддерживать огонь, воздух внутри алтаря начинал остывать. В алтаре и верхней части сосуда с водой, создавался слабый вакуум, и вода из ведра, под действием атмосферного давления направлялась обратно в сосуд. Ведро становилось легче, и противовес закрывал двери.
Как видите, боги древней Греции тут совсем не причем. Но вот только мальчики древней Греции, в 14 лет не учили основы термодинамики в школе, а девочки вообще не ходили в школу. Поэтому, даже если кто- то узнает о механизмах под храмом, он все равно будет считать что двери в храм, открываются богами древней Греции. И уж никак не жрецами храма.
Механизм, описанный Героном, является одной из первых в истории техники тепловых машин. Фактически это водяной насос. Но крайне необычный водяной насос. В этой конструкции рабочим телом служит не вода или пар, а воздух.

Пожарный насос Герона Александрийского.

Одним из устройств, описанных в книге древнегреческого ученого Герона Александрийского, был пожарный водяной насос. Создателем этого пожарного насоса принято считать другого великого ученого древней Греции, Ктесибия, учителя Герона Александрийского.
Насос, описанный Героном Александрийским, имел все черты современного ручного насоса. Он состоял из двух рабочих цилиндров. У каждого цилиндра было два клапана. Один всасывающий, другой нагнетательный. Насос был оборудован воздушным уравнительным колпаком. Для привода цилиндров насоса использовался рычаг-балансир. Насос был рассчитан для работы двух человек.
Принцип работы насоса достаточно прост. При движении поршня насоса вверх, в цилиндре создается пониженное давление, и вода из водоема, под действием атмосферного давления попадает внутрь цилиндра.
При движении поршня вниз, вода под действием давления поршня выходит из цилиндра в воздушный уравнительный колпак. Движению воды в другом направлении препятствуют клапаны насоса.
Главное назначение уравнительного колпака, сглаживать колебания давления воды на выходе из насоса.
Перед началом работы насоса, уравнительный колпак пуст и полностью наполнен воздухом. При работе насоса уравнительный колпак заполняется водой идущей из цилиндров. Поскольку все выходы для воздуха быстро перекрываются водой, воздуху ничего не остается, как только сжиматься под действием напора поступающей в колпак воды. На определенном этапе, давление в системе уравновешивается и вода начинает выходить из уравнительного колпака по трубе вверх, а в верхней части колпака остается сжатый воздух.
При достижении поршнями верхней, или нижней, мертвых точек, происходит небольшая пауза в работе насоса. Но вода из насоса все так же продолжает выходить. Это сжатый воздух, находящийся в уравнительном колпаке, продолжает выдавливать воду. В результате чего, вода из насоса поступает постоянно, без каких либо пульсаций.
Наличие уравнительного колпака в насосе, показывает, насколько высоки были знания в пневматике древних Греков.

Герoн Александрийский,
гг. рождения и смерти неизвестны, вероятно, 1 в.

Древнегреческий учёный, работавший в Александрии.
Автор работ, в которых систематически изложил основы достижения античного мира в области прикладной механики.

В "Пневматике" Герон описал различные механизмы, приводимые в движение нагретым или сжатым воздухом или паром: т. н. эолипил, т. е. шар, вращающийся под действием пара, автомат для открывания дверей, пожарный насос, различные сифоны, водяной орган, механический театр марионеток и т. д.

В "Механике" Герон описал 5 простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок.
Герону был известен и параллелограмм сил.
Используя зубчатую передачу, Герон построил прибор для измерения протяжённости дорог, основанный на том же принципе, что и современные таксометры.

Автомат Герона для продажи "священной" воды явился прообразом наших автоматов для отпуска жидкостей.
Механизмы и автоматы Герона не нашли сколько-нибудь широкого практического применения.
Они употреблялись в основном в конструкциях механических игрушек.
Исключение составляют только гидравлические машины Герона, при помощи которых были усовершенствованы античные водочерпалки.

В сочинении "О диоптре" изложены правила земельной съёмки, фактически основанные на использовании прямоугольных координат.
Здесь же даётся описание диоптра - прибора для измерения углов - прототипа современного теодолита.
Изложение основ античной артиллерии Герон дал в трактате "Об изготовлении метательных машин".

Математические работы Герона являются энциклопедией античной прикладной математики.

В "Метрике" даны правила и формулы для точного и приближённого расчёта различных геометрических фигур, например:
формула Герона для определения площади треугольника по трём сторонам, правила численного решения квадратных уравнений и приближённого извлечения квадратных и кубических корней.
В основном изложение в математических трудах Герона догматично - правила часто не выводятся, а только выясняются на примерах.

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.

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 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.

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 б.

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

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 демонстрируетэтот 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").

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.

Античность знала элементы автоматики, движущую силу пара. Изобретательский гений человека, проявивший свою силу с первобытных времён, не иссякал. Ярким примером этого служит техническое творчество Герона Александрийского, жившего приблизительно за 120 лет до н. э. Учитель Герона, Ктезибий Александрийский, которого историк античной науки и техники Дильс называет главой античных инженеров, изобрёл воздушный орган, пожарную машину, автоматические водяные часы (клепсидра). В клепсидре Ктезибия вода из водопровода А поступает в регулировочный резервуар BCDE и по узкой трубочке Е падает в бак KLMN. При сильном напоре вода не успевает стекать через Е, накапливается в регулировочном резервуаре и поднимает поплавок G, который запирает доступ воды. Таким образом поддерживается в регулировочном резервуаре некоторый нормальный уровень всё время, пока открыт кран F. Втекая в бак, вода поднимает поплавок Р, на котором стоит фигурка, показывающая палочкой часы, нанесенные в виде горизонтальных линий на вращающемся барабане STUV (см. рис. 14).

Пожарную машину Ктезибия Герои описывает следующим образом:
«Пожарные насосы, употребляемые для тушения пожаров, делаются следующим образом (рис. 15): 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 T, 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 Z а), которая посередине вращается вокруг болта δ; поршневые же штоки S вращаются вокруг болтов b и v. Над отверстием, находящимся в трубке XODE, устанавливается другая вертикальная вилообразная трубка ξ, 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. 16), был, повидимому, также изобретён Ктезибием. Герон описывает этот прибор следующим образом: «Изготовляют две четырёхугольные пластинки соответственной толщины, длиной 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.

Погрузим коленчатую трубку АHDBCKL (рис. 17) в сосуд, заполненный водой до уровня FG. Вода в колене достигнет уровня Н, 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 разрежения 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, в) 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.

Герон, однако, видит недостаточность своего объяснения действия сифона. 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. 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 отверстие 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. 18) 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. 19), 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. 20). Птичка свистит, когда сова на неё не смотрит, и умолкает, когда сова к ней повернётся. Действие этого прибора основано на соответствующем подборе двойных сифонов. Koгда 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. Помере 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. 21). 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. 22).

В храме находится полый жертвенник DE, который соединён при помощи трубки FG 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 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.

Но и эта наука, сохранив описание эолипила в учебниках физики, не начала строить паровую машину по принципу Герона, а осуществила менее совершенную идею пароатмосферного насоса. Изобретения Герона были ярким свидетельством того, что античная наука от рассмотрения общих проблем перешла к конкретным. Из единой науки стали выделяться астрономия, математика, механика, география, медицина. Центром новой науки стал основанный Александром Македонским город в дельте Нила - Александрия. Здесь возникло своеобразное научное учреждение - Александрийский музей с богатой библиотекой, с астрономической обсерваторией. Все крупные учёные и философы древнего мира в той или иной степени связаны с Александрией. Поэтому период выделения наук часто называется александрийским периодом.

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.