Самый первый паровой двигатель герона александрийского. Чудесные изобретения Герона Александрийского

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.

Герон Александрийский (др.-греч.) - греческий математик и механик.

Время жизни отнесено ко второй половине I века н. э. на том основании, что он приводит в качестве примера лунное затмение 13 марта 62 г. н. э. Подробности его жизни неизвестны.

Герона относят к величайшим инженерам за всю историю человечества. Он первым изобрёл автоматические двери, автоматический театр кукол, автомат для продаж, скорострельный самозаряжающийся арбалет, паровую турбину, автоматические декорации, прибор для измерения протяжённости дорог (древний одометр) и др. Первым начал создавать программируемые устройства (вал со штырьками с намотанной на него верёвкой).

Занимался геометрией, механикой, гидростатикой, оптикой. Основные произведения: Метрика, Пневматика, Автоматопоэтика, Механика (произведение сохранилось целиком в арабском переводе), Катоптрика (наука о зеркалах; сохранилась только в латинском переводе) и др. В 1814 году было найдено сочинение Герона «О диоптре», в котором изложены правила земельной съёмки, фактически основанные на использовании прямоугольных координат. Герон использовал достижения своих предшественников: Евклида, Архимеда, Стратона из Лампсака. Многие из его книг безвозвратно утеряны (свитки содержались в Александрийской библиотеке). Одна из копий его книг, сделанная в 16 веке, содержится в Оксфордском Университете.

В средние века многие из его изобретений были отвергнуты, забыты или не представляли практического интереса.

Научная и техническая деятельность

Механика

В трактате «Механика» (), состоящем из трёх книг, Герон описал пять типов простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок. Герон установил «золотое правило механики», согласно которому выигрыш в силе при использовании простых механизмов сопровождается потерей в расстоянии.

В трактате «Пневматика» () Герон описал различные сифоны, хитроумно устроенные сосуды, автоматы, приводимые в движение сжатым воздухом или паром. Это эолипил, представлявший собой первую паровую турбину - шар, вращаемый силой струй водяного пара; автомат для открывания дверей, автомат для продажи «святой» воды, пожарный насос, водяной орган, механический театр марионеток. В книге «Об автоматах» () также описаны различные автоматические устройства.

В трактате «Беллопоэтика» () Герон описал различные военные метательные машины.

Геодезия

В книге «О диоптре» () описан диоптр - простейший прибор, применявшийся для геодезических работ. Этот прибор представляет собой линейку с двумя смотровыми отверстиями, которую можно поворачивать в горизонтальной плоскости и при помощи которой можно визировать углы.

Герон излагает в своём трактате правила земельной съёмки, основанные на использовании прямоугольных координат. В предложении 15 описывается, как строится геодезическое обоснование при прокладке тоннеля сквозь гору, когда работы ведутся одновременно с обоих его концов.

В предложении 34 описан одометр - прибор для измерения расстояния, пройденного повозкой. В предложении 38 описывается сходное устройство, позволяющее определять расстояние, пройденное кораблём.

Оптика

В «Катоптрике» () Герон обосновывает прямолинейность световых лучей бесконечно большой скоростью их распространения. Он приводит доказательство закона отражения, основанное на предположении о том, что путь, проходимый светом, должен быть наименьшим из всех возможных (частный случай принципа Ферма). Исходя из этого принципа, Герон рассматривает различные типы зеркал, особое внимание уделяя цилиндрическим зеркалам.

Математика

«Метрика» () Герона и извлечённые из неё «Геометрика» и «Стереометрика» представляют собой справочники по прикладной математике. Среди содержащихся в «Метрике» сведений:

• Формулы для площадей правильных многоугольников.
• Объёмы правильных многогранников, пирамиды, конуса, усечённого конуса, тора, шарового сегмента.
• Формула Герона для расчёта площади треугольника по длинам его сторон (открытая Архимедом).
• Правила численного решения квадратных уравнений.
• Алгоритмы извлечения квадратных и кубических корней (см. Итерационная формула Герона).

В основном изложение в математических трудах Герона догматично - правила часто не выводятся, а только показываются на примерах.

Книга Герона «Определения» представляет собой обширный свод геометрических определений, по большей части совпадающих с определениями «Начал» Евклида.

Годы жизни Герона

Годы жизни Герона в XX веке стали предметом дискуссии. Согласно античным источникам, он жил после Архимеда, но перед Паппом, то есть где-то между 200 годом до н. э. и 300 годом н. э. Некоторые историки XVIII-XIX веков указывали более конкретные даты в этом интервале, например, Бальди помещает Герона под 120 годом до н. э., а в ЭСБЕ указан год рождения Герона - 155 год до н. э..

В 1938 году Отто Нойгебауэр предположил, что Герон жил в 1-м веке н. э. Это предположение было основано на том, что в его книге «О диоптре» упоминается лунное затмение, которое было замечено за 10 дней до весеннего равноденствия. Его указание, что оно произошло в Александрии в 5 часов ночи, однозначно указывает в интервале между 200 до н. э. и 300 н. э. на лунное затмение от 13 марта 62 года (юлианская дата). В последнее время датировка Нойгебауера была подвергнута критике Натаном Сидоли (Nathan Sidoli).

В кино и на телевидении

• мультфильм «Герон» 1979 год «Экран»

• мультсериал «Жили-были первооткрыватели» 3 серия. «Герон Александрийский».

• документальный фильм «Древние открытия: удивительные машины. Герон Александрийский»
• Технологии древних цивилизаций. Герон Александрийский. Серия 1, эпизод 3] History Channel, 2003.

Память

В 1976 г. Международный астрономический союз присвоил имя Герона кратеру на обратной стороне Луны.

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.

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.

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.