Инженер древности Герон Александрийский⁠⁠

Как только заходит разговор о какой-нибудь безделице вроде антикитерского механизма или тем более пирамид, тут же вскричит очередной школьник: это всё инопланетяне! Ну, или на худой конец атланты, рептилоиды, кельты, древние арии или ещё кто-нибудь, только не простые, но образованные люди вроде нас. И токарных станков не было и зубонарезных приспособлений не было, и гребной корабль создать не могли и вообще все по пальмам прыгали. Поспешу жестоко разочаровать - в древности были такого уровня инженеры, что многим современным останется только раскрыв рот смотреть, как они безо всякого интернета и навигаторов строили и разрабатывали такое, что многие недоучившиеся в наших замечательных институтах не могут поверить. И один из таких титанов инженерной мысли 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 времён 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, объёмов усечённых конуса и пирамиды. В "Метрике" приводится знаменитая формула Герона для определения площади треугольника по трём сторонам, даются правила численного решения квадратных уравнений и приближенного извлечения квадратных и кубических корней. В "Метрике" исследуются простейшие подъёмные 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, причём землемерная съёмка производится с помощью изобретённого Героном прибора – диоптры.

Диоптра была прообразом современного теодолита. Главной её частью служила линейка с укреплёнными на её 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.

Ещё 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" учёные получили второе документальное подтверждение существования тоннеля. И лишь в конце XIX века немецкая археологическая экспедиция действительно обнаружила легендарный тоннель Эвпалина.

В 34-й главе труда "О диоптре" Герон даёт описание изобретённого им устройства для измерения расстояний — одометра. Одометр представлял собой небольшую тележку, установленную на двух колёсах 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.

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 котёл с двумя трубками на крышке. На трубках устанавливался вращающийся полый шар, на поверхности которого были установлены два Г-образных патрубка-сопла. В котёл через отверстие заливалась вода, отверстие закрывалось пробкой, и котёл устанавливался над огнём. 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 учёными по чертежам Герона эолипил развивал до 3500 оборотов в минуту!

Интересно, что повторное изобретение эолипила Герона состоялось в 1750 году. Венгерский учёный Я.А. Сегнер построил прообраз гидравлической турбины. Отличие так называемого Сегнерова колеса от эолипила состоит в том, что реактивная сила, вращающая устройство, создаётся не паром, а струёй жидкости. В настоящее время изобретение венгерского учёного служит классической демонстрацией реактивного движения в курсе физики, а на полях и в парках оно используется для полива растений.

Значительную часть "Пневматики" Герона занимает описание различных сифонов и сосудов, из которых самотёком по трубке вытекает вода. Принцип, заложенный в этих конструкциях, с успехом используется современными водителями при необходимости отлить бензин из бака автомобиля.

Как известно, в эпоху античности огромное влияние на людей имела религия. Религий и храмов было много, и каждый ходил общаться с богами туда, куда ему больше нравилось. Поскольку благосостояние жрецов того или иного храма прямо зависело от количества прихожан, жрецы старались завлечь их чем угодно. Тогда-то ими и был открыт закон, действующий и поныне: ничто не сможет привлечь в храм людей лучше, чем это сделает чудо. Однако, Зевс спускался с Олимпа не чаще, чем с неба сыпалась манна небесная. А прихожан надо было завлекать в храм ежедневно. Для создания божественных чудес жрецам пришлось воспользоваться умом и научными знаниями Герона. Одним из наиболее впечатляющих чудес стал разработанный им механизм, который открывал двери в храм при разжигании огня на алтаре. Принцип действия понятен из рисунка.

Нагретый от огня воздух поступал в сосуд с водой и выдавливал определённое количество воды в подвешенную на канате бочку. Бочка, наполняясь водой, опускалась вниз и с помощью каната вращала цилиндры, которые приводили в движение поворотные двери. Двери раскрывались. Когда огонь гас, вода из бочки переливалась обратно в сосуд, а подвешенный на канате противовес, вращая цилиндры, закрывал двери. Довольно простой механизм, а зато какой психологический эффект на прихожан!

Ещё одним изобретением, существенно повысившим рентабельность античных храмов, стал изобретённый Героном автомат по продаже святой воды.

Внутренний механизм устройства был достаточно прост, и состоял из точно сбалансированного рычага, управляющего клапаном, который открывался под действием веса монеты. Монета падала сквозь щель на небольшой лоток и приводила в действие рычаг и клапан. Клапан открывался, вытекало некоторое количество воды. Затем монета соскальзывала с лотка, и рычаг возвращался в исходное положение, закрывая клапан. Согласно некоторым источникам, порция "священной "воды во времена Герона стоила 5 драхм.

Это изобретение Герона стало первым в мире торговым автоматом и, несмотря на то, что приносило неплохую прибыль, было забыто на столетия. И только в конце XIX века торговые автоматы были изобретены вновь.

Возможно, следующее изобретение Герона также активно применялось в храмах. Изобретение представляет собой два сосуда, соединённых трубкой. Один из сосудов наполнялся водой, а второй вином. Прихожанин доливал небольшое количество воды в сосуд с водой, вода поступала в другой сосуд и вытесняла из него равное по объёму количество вина. Человек приносил воду, а она "по воле богов" превращалась в вино! Это ли не чудо?

А вот ещё одна придуманная Героном конструкция сосуда по превращению воды в вино и обратно. Половина амфоры наполняется вином, а вторая половина водой. Затем горлышко амфоры закрывается пробкой. Извлечение жидкости происходит при помощи краника, расположенного внизу амфоры. В верхней части сосуда под выступающими ручками просверлены два отверстия: одно в "винной" части, а второе в "водяной" части. Кубок подносился к кранику, жрец открывал его и наливал в кубок либо вино, либо воду, незаметно затыкая одно из отверстий пальцем.

Уникальным для своего времени изобретением был водяной насос, конструкция которого описана Героном в его труде "Пневматика". Насос представлял собой два сообщённых поршневых цилиндра, оборудованных клапанами, из которых поочерёдно вытеснялась вода. Насос приводился в действие мускульной силой двух человек, которые по очереди нажимали на плечи рычага. Известно, что насосы такого типа впоследствии использовались римлянами для тушения пожаров и отличались высоким качеством изготовления и удивительно точной подгонкой всех деталей. Подобные им насосы используются и сейчас, как и для тушения пожаров, так и во флоте для откачки воды из трюмов при аварии.

Наиболее распространённым способом освещения в античное время было освещение при помощи масляных ламп, в которых горел пропитанный маслом фитиль. Фитиль представлял собой кусок тряпки и выгорал довольно быстро, выгорало и масло. Одним из основных недостатков таких ламп была необходимость следить за тем, чтобы над поверхностью масла, уровень которого постоянно снижался, постоянно находилось достаточно фитиля для горения. Если при наличии одной лампы следить за ней было легко, то при наличии нескольких ламп уже возникала потребность в слуге, который бы регулярно ходил по комнате и поправлял фитили в лампах. Герон изобрёл автоматическую масляную лампу.

Лампа состоит из чаши, в которую наливалось масло и устройства для подачи фитиля. Это устройство содержало поплавок и соединённое с ним зубчатое колесо. При понижении уровня масла, поплавок опускался, вращал зубчатое колесо, а оно, в свою очередь, подавало в зону горения тонкую рейку, обмотанную фитилем. Это изобретение стало одним из первых применений зубчатой рейки совместно с зубчатым колесом.

Ещё одним изобретением Герона, предназначенным для храмов, стал орган, приводимый в действие при помощи ветра. Созданный Героном орган не был оригинальным, а лишь представлял собой усовершенствованную конструкцию гидравлоса — музыкального инструмента, придуманного Ктесибием. Гидравлос — представлял собой набор труб с клапанами, создававшими звук. Воздух в трубы подавался при помощи резервуара с водой и насоса, создававшего необходимое давление в этом резервуаре. Управление клапанами труб, как и в современном органе, осуществлялось при помощи клавиатуры-манипулы. Герон предложил автоматизировать гидравлос, при помощи ветряного колеса, которое служило приводом для насоса, нагнетавшего воздух в резервуар.

Фонтан Герона состоит из трёх сосудов, помещённых один над другим и сообщающихся между собой. Два нижние сосуда - закрыты, а верхний имеет форму открытой чаши, в которую наливается вода. Также вода наливается и в средний сосуд, позже закрываемый. По трубке, идущей от дна чаши почти до дна нижнего сосуда, вода течёт из чаши вниз и, сжимая находящийся там воздух, увеличивает его упругость. Нижний сосуд сообщён со средним посредством трубки, по которой давление воздуха передаётся в средний сосуд. Производя давление на воду, воздух заставляет ее подниматься из среднего сосуда по трубке в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бьёт фонтан. Вода фонтана, падающая в чашу, течёт из неё по трубке в нижний сосуд, где уровень воды постепенно повышается, а уровень воды в среднем сосуде понижается. Вскоре фонтан перестаёт работать. Чтобы запустить его заново, надо просто поменять местами нижний и средний сосуды.

В "Пневматике" Герона также приведено описание конструкции шприца. К сожалению, точно неизвестно использовался ли в эпоху античности этот прибор для медицинских целей. Также неизвестно, знали ли о его существовании француз Чарльз Праваз и шотландец Александр Вуд, которые считаются изобретателями современного медицинского шприца.

Уникальным для своего времени научным трудом является "Механика" Герона. Эта книга дошла до нас в переводе арабского учёного IX века н.э. Косты аль-Балбаки. До XIX века эта книга нигде не публиковалась и была, по-видимому, неизвестна науке ни во времена Средневековья, ни в период Возрождения. Это подтверждается и отсутствием списков текста его в греческом оригинале и в латинском переводе, и отсутствием упоминания о нем у схоластических авторов. В "Механике" помимо описания простейших механизмов: клина, рычага, ворота, блока, винта, мы находим созданный Героном механизм для подъема грузов.

В книге этот механизм фигурирует под названием барулк (baroulkos). Это устройство представляет собой ни что иное, как редуктор, который используется в качестве лебёдки. Барулк Герона состоит из нескольких зубчатых колес, приводимых в движение ручной силой, причём Герон принимает отношение диаметра колеса к диаметру оси равным 5:1, предварительно допустив, что подлежащий поднятию груз весит 1000 талантов (25 т), а движущая сила равна 5 талантам (125 кг).

Труды "О военных машинах", "Об изготовлении метательных машин" Герон посвятил основам артиллерии и описал в них несколько конструкций арбалетов, катапульт, баллист.

Если труды Герона в области математики и инженерии прославляли его среди узкого круга ученых того времени, то среди широкой публики он был известен благодаря своим автоматическим театрам. Работы Герона вызывали в людях чувство удивления и восхищения возможностями технической мысли. Многие из его творений служили просветительским целям и демонстрировали не только возможности науки, но и знакомили современников с фактами истории и мифами Эллады.

Труд Герона "Об автоматах" пользовался популярностью в эпоху Возрождения и был переведен на латынь, а также цитировался многими учёными того времени. В частности, в 1501 году Джорджио Валла (Giorgio Valla) перевёл некоторые фрагменты этого труда. Позже последовали переводы и другими авторами. Известно изображение одного из автоматов Герона, которое привёл в своей книге в 1589 году Джованни Батиста Алеоти (Giovanni Battista Aleoti ).

Большинство чертежей механических кукол Герона не сохранились, но в различных источниках есть их описания. Известно, что Герон создал своеобразный кукольный театр, который передвигался на скрытых от зрителей колёсах и представлял собой небольшое архитектурное сооружение – четыре колонны с общим цоколем и архитравом. Куклы на его сцене, приводимые в движение сложной системой шнуров и зубчатых передач, тоже скрытых от глаз публики, воспроизводили церемонию празднества в честь Диониса. Как только такой театр выезжал на городскую площадь, на его сцене над фигурой Диониса вспыхивал огонь, на пантеру, лежащую у ног божества, лилось вино из чаши, а свита начинала танцевать под музыку. Затем музыка и танцы прекращались, Дионис выворачивался в другую сторону, пламя вспыхивало во втором жертвеннике – и всё действие повторялось сначала. После такого представления куклы останавливались, и представление заканчивалось. Это действо неизменно вызывало интерес у всех жителей, без различия в возрасте. Но не меньший успех снискали уличные спектакли другого кукольного театра Герона. Этот театр (пинака) был очень мал по своим размерам, его легко переносили с места на место, Он представлял собой небольшую колонну, наверху которой находился макет театральной сцены, скрытой за дверцами. Они открывались и закрывались пять раз, разделяя на акты драму о печальном возвращении победителей Трои. На крошечной сцене с исключительным мастерством показывалось, как воины сооружали и спускали на воду парусные корабли, плыли на них по бурному морю и погибали в пучине под сверкание молний и раскаты грома. Для имитации грома Герон создал специальное устройство, в котором из ящика высыпались шарики, ударявшиеся о доску.

В своих автоматических театрах Герон, по сути, использовал элементы программирования: действия автоматами выполнялись в строгой последовательности, декорации сменяли друг друга в нужные моменты. Примечательно, что основной движущей силой, приводившей в движение механизмы театра, была гравитация (использовалась энергия падающих тел), также использовались элементы пневматики и гидравлики. Не использовались пружины, которые стали так широко применимыми в автоматах эпохи Возрождения. Причина этого проста: для производства пружин необходимы обладающие упругостью высококачественные стальные сплавы, которые не были известны металлургам античности.

Таким вкратце является "древний и дикий мир", как видно предки не сидели на пальмах и не били мамонтов по голове палкой-копалкой - даже Герон был инженером, часто лишь совершенствовавшим старые конструкции. И для Герона было бы странно услышать, что ему невозможно что-то создать, что без помощи инопланетян и атлантов он ничего не может. Он как Архимед и любой знающий инженер был уверен - дайте точку опоры и он перевернёт весь мир, а не дадите - возьмём сами. Инженерное искусство древнейшее, оно было, есть и будет востребовано в мирной и военной жизни, помогая людям возводить гигантские сооружения и создавать сложнейшие механизмы. А для этого нужно хорошо учиться в школе, блестяще в институте, далее десятки лет практического применения своих знаний и кто знает, возможно про вас через 2000 лет будут писать и ставить в пример школьникам, как великого, без сомнения Герона Александрийского.