Древние изобретатели
На Пасху 1900 г. группа греческих ловцов губок возвращалась из своих традиционных мест промысла в Северной Африке домой на остров Сими, находящийся неподалеку от Родоса, когда налетел шторм. Подхваченные течением, они в конце концов оказались на почти необитаемом скалистом острове Антикитира, расположенном северо–западнее Крита, — рассказывают в книге «Древние изобретения» Н. Торп и П. Джеймс. Занявшись ловлей губок, они обнаружили огромное затонувшее судно и на нем груду бронзы и мраморные статуи. Рыбаки сообщили о своей находке властям. В ноябре вместе с археологами они вернулись на Антикитиру и проработали на потерпевшем крушение судне до сентября 1901 г.
Когда находки были тщательно очищены от наслоений, образовавшихся за долгие годы пребывания под водой, было найдено несколько крошечных бронзовых осколков с надписью на греческом языке. Вскоре были обнаружены другие части, а еще через некоторое время — целый набор зубчатых колес, часть из которых имела надписи.
С самого начала эти находки вызвали споры среди археологов, некоторые из них настаивали на том, что найденный механизм слишком сложен, чтобы принадлежать затонувшему кораблю, относящемуся, судя по гончарным изделиям, к I в. до н. э. Эксперты также разделились на два лагеря при определении назначения предмета. Одни доказывали, что останки принадлежат астролябии, инструменту для измерения долготы и широты в астрономии, другие — что они относятся к планетарию, устройству для проецирования движения и орбит планет. Ни одна из сторон не уступала, спор оказался неразрешимым, и назначение антикитирского механизма осталось загадкой.
В 1951 г. профессор Йельского университета Дерек де Солла Прайс проявил интерес к антикитирской тайне и последующие 20 лет скрупулезно изучал предмет при помощи рентгеновских лучей. В конце концов он собрал сохранившиеся детали и таким образом установил истинное назначение приспособления.
Антикитирский механизм оказался сложным счетным устройством для вычисления календаря Солнца и Луны. Один оборот главного колеса соответствовал солнечному году, а маленькие колеса показывали положение Солнца и Луны и появление самых важных звезд. Колеса находились в деревянном ящике, отверстия в котором открывались с целью наблюдения за находящимся внутри механическим чудом. Прибор наряду со статуями, вероятно, являлся частью груза и не служил навигационным средством для капитана корабля.
Это открытие подтвердило некоторые литературные свидетельства о том, что древнегреческие ученые экспериментировали с такими сложными механизмами для астрономических наблюдений.
Несколько лет спустя после того, как у Антикитиры затонул корабль, римский правовед Цицерон (106—43 до н. э.) писал, что его друг и наставник философ Посидоний «недавно сделал глобус, который при вращении показывает движение Солнца, звезд и планет днем и ночью точно так, как они появляются на небе». Он также заметил, что великий Архимед еще раньше изобрел модель, имитировавшую движения небесных светил. Высказывалась даже мысль, что именно механизм Архимеда был найден среди обломков затонувшего корабля.
Похоже, календари, с зубчатыми колесами, правда, менее сложные, были известны примерно с 1050 г. н. э. и в исламском мире. Один из таких календарей, сконструированный астрономом Абу Саидом аль–Сиджи, показывал фазы Луны и движение Солнца по отношению к знакам зодиака. Такие приборы были предшественниками астрономических часов в средневековой Европе. Профессор де Солла Прайс считает, что антикитирское открытие изменит наше представление о древнегреческой технологии. Люди, которые сделали этот прибор, могли бы построить почти все, что желали. У них была техника, но она не сохранилась в отличие от огромных мраморных зданий, скульптур и постоянно переписывавшихся литературных трудов о высокой культуре.
Только благодаря случайно найденным мелким предметам, таким как удивительный прибор с корабля, затонувшего у Антикитиры, и поразительным образом уцелевшим трудам Герона и других эллинских ученых, мы можем составить представление об инженерном искусстве золотого века.
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 многие 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 ее 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, изобретенного 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 изобрел для храмов египетского города Александрии автоматически открывающиеся двери.
Кроме того, Герон был еще 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 изобрел 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 еще одна удивительная вещь. В результате быстрого охлаждения воздуха в шаре вода засасывалась в сифон другим путем. 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 огнем». 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.
Металлические части автоматических дверей Герона (цепи, шкивы, емкости и приспособления для прекрасно вращавшихся дверей), очевидно, были украдены сотни лет назад.
Герон Александрийский изобрел первый работающий паровой двигатель и назвал его «ветряной шар». Его конструкция предельно проста. Широкий свинцовый котел с водой помещали над источником тепла, например горящим древесным углем. 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 пошел 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, все дело в экономике. Потенциал многих изобретений никогда полностью не был реализован в Древнем мире из‑за рабовладельческого хозяйства. Если даже какому‑нибудь блестящему ученому 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…
«Величайшие загадки истории», Николай Николаевич Непомнящий, 2006г.