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.

Фонтан Герона

Одним из устройств, описанное ученым древней Греции Героном Александрийским, был волшебный фонтан Герона. 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.

Схема устройства фонтана 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.

Эолипил Герона Александрийского

Еще в первом веке до нашей эры, одним из великих ученых древней Греции, Героном Александрийским был написан трактат «Пневматика». В нем описывались машины использовавшие энергию тепла.
Под номером 50 описывается устройство под названием Эолипил - шар «Эола».
Данное устройство представляло собой бронзовый котел, установленный на опоры. От крышки котла вверх поднимались две трубки, на которых крепилась сфера. Трубки соединялись со сферой таким образом, что она могла свободно вращаться в месте соединения. При этом по этим трубка в сферу мог поступать пар из котла. Из сферы выходили две трубки изогнутые так, что пар, выходивший из них, вращал сферу.

Принцип работы устройства был прост. Под котлом разводили огонь, и когда вода начинала кипеть, пар через трубки поступал в сферу, откуда под давлением вырывался наружу, раскручивая сферу.
Принято считать, что Эолипил в древней Греции использовался только с целью развлечения. Фактически, Эолипил являлся первой известной нам паровой турбиной.

Дополнительная информация:
Эол- полубог в мифологии древней Греции, являлся, властителем ветров. Это он подарил Одиссею мех из шкуры быка, где были зашиты все ветра, кроме попутного. Но из-за алчности спутников, решивших, что там находится золото, Одиссей не смог достичь родной Итаки с попутным ветром.

Возможно, следующее изобретение Герона также активно применялось в храмах.

       Изобретение представляет собой два сосуда, соединенных 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 объему количество вина. Человек приносил воду, а она "по воле богов" превращалась в вино! Это ли не чудо?
    А вот еще 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.

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 учеными того времени. В частности, в 1501 году Джорджио Валла (Giorgio Valla) перевел некоторые фрагменты этого труда. Позже последовали переводы и другими авторами.
    Известно изображение одного из автоматов Герона, которое привел 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.

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.

   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.

   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.

   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.

И анекдот по теме:

Совместная Англо-Французская компания решила сделать туннель под Ламаншем.
Стали искать, кто это может выполнить. Кинули клич.
Ответили американцы - Можем сделать за 3 года, начнём копать с двух сторон. Не совпадение в точке встречи не более 5 метров. Стоить будет 300 мил.дол.
Ответили немцы – Можем сделать за 2 года, начнем копать с двух сторон. Не совпадение в точке встречи не более 10 метров Стоить будет 250 мил.дол.
Ответили русские – Можем сделать за пол года, начнём копать с двух сторон. Стоить будет 50 мил.дол.
А.-Ф. компания, конечно, пригласила русских и говорят – Ваше предложение самое заманчивое. Только вопрос, какая максимальная ошибка в точке встречи туннелей? Русские задумались … и говорят – Да и хрен с ним, пусть будет два туннеля!

Барулк
Уникальным для своего времени научным трудом является "Механика" Герона. Эта книга дошла до нас в переводе арабского ученого 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). Из рисунка видно, что это устройство представляет собой ни что иное, как редуктор, который используется в качестве лебедки. Барулк Герона состоит из нескольких зубчатых колес, приводимых в движение ручной силой, причем 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).

Еще одним выдающимся изобретением Герона, связанным с применением пара является паровой бойлер.

    Конструкция представляло собой большую бронзовую емкость, с коаксиально установленным цилиндром, жаровней и трубами для подачи холодной и выведения горячей воды. Бойлер обладал большой экономичностью и обеспечивал быстрый нагрев воды

Какая пробивная сила была у баллисты

На военном аэродроме Фёрен, что неподалеку от города Трира, немецкие ученые занимаются раскрытием тайн древнеримской артиллерии. Для этого они до мельчайших деталей воссоздали знаменитые баллисты. При помощи самой новой измерительной техники историки пытаются узнать, какой же пробивной силой на самом деле обладало грозное оружие Древнего Рима.

"Огромные камни из скорпионов раздавили множество врагов, пробив им головы. Одни усеяли своими телами землю, пробитые стрелами или пронзенные копьями; другие раненые быстрым бегством спешили назад к своим", — свидетельствует древнеримский историк Аммиан Марцеллин. К середине Первой Пунической войны (264-241 годы до нашей эры) римляне полностью осознали значение метательной артиллерии, которую, вероятно, позаимствовали, как и многое другое, у греков.

Читайте также: Бронзовый век: загадки истории мечей

Произошло это знакомство во время их войны с Пирром (319-273 годы до нашей эры) и последующими контактами с южноиталийскими греческими колониями. Римляне широко использовали метательную артиллерию, осаждая укрепленные пункты, практически во всех последующих войнах республиканского периода, начиная со Второй Пунической (218-201 годы до нашей эры) и заканчивая тремя Митридатовыми (89-84, 83-81, 74-63 годы до нашей эры).

Основным тяжелым камнеметом римской армии, скорее всего, была одноталантовая (вес ядра 26,2 килограмма) баллиста. Тяжелые камнеметные баллисты (до 360 римских фунтов, примерно 118 килограммов) предназначались в основном для разрушения каменных стен и других защитных сооружений. Тяжелые баллисты меньших калибров (треть- и полуталантовые), кроме осад, применялись также для действий против палубных боевых кораблей и в полевой войне. Баллисты мелких калибров, по мнению специалистов, были многоцелевыми орудиями, которые применялись как против укреплений, так и против живой силы противника.

"Мы — не милитаристы", — шутит профессор античной истории доктор Кристоф Шэфер (Christoph Schäfer) из Университета Трира на сайте немецкого издания archaeologie-online.de. Необходимость реконструировать образцы древнеримской артиллерии возникла по причине изучения мощности орудий и того, как их использовали. Исходным пунктом для осуществления амбициозного научного проекта стало место битвы между римскими легионами, их вспомогательными войсками и германцами на западной окраине горы Гарц, у Харцхорна (Harzhorn), произошедшей в 235 году нашей эры.

Найденные на поле этой битвы катапультные болты пробудили интерес исследователей, которые затем реконструировали артиллерийские орудия на основе других оставшихся фрагментов, раскопанных в Испании, Италии и Румынии, а также опираясь на описания в исторических источниках. Например, в римском форте на британских островах Виндоланда (Vindolanda) найден череп быка, который весь испещрен квадратными дырками, что говорит о его использовании в качестве мишени.

Протестированные в Ферене орудийные экземпляры документально подтверждают, что технический прогресс в этой области существовал более 500 лет. Древнейшее из артиллерийских орудий, обнаруженное в испанском Каминреале (Caminreal), провинция Теруэль, реконструировали в Университете Трира. Два других орудия восстановили в баварской гимназии Изинг (Ising), а четвертое — в Университете бундесвера в Гамбурге. Кроме того, в исследовании принимает участие Университет Оснабрюка, нашедший поддержку в лице членов Общества Варуса (Varus-Gesellschaft), которое занимается археологическими раскопками, связанными с римско-германскими контактами в эпоху античности, и даже названо в честь римского военачальника Публия Квинтилия Вара, погубившего легионы во время битвы в Тевтобургском лесу.

"Мы испытываем устройства на пределе их мощности, что может совершенно вывести их из строя", — разъясняет Кристоф Шэфер, который работает над экспериментом в паре с двумя научными сотрудниками Марселем Симонисом (Marcel Simonis) и Арне Дёпке (Arne Döpke). Выяснилось, что нашпигованные железными наконечниками круглые катапультные болты и выпущенные из орудий стрелы могли преодолеть расстояние более чем 300 метров.

Историки Александр Махлаюк и Андрей Негин, специалисты по античной военной технике, утверждают: "Когда римляне начинали массированную артподготовку перед атакой, осыпая вражеские укрепления или приготовившихся к бою воинов противника тучами стрел и ядер, начиналось ужасное действие. При виде крови, исковерканных тел и разрушений врага зачастую охватывала паника. Урон, наносимый действиями римской артиллерии по укреплениям и живой силе противника, бывал иногда не менее действенен, чем непосредственно римский меч. И римляне прекрасно осознавали свое техническое превосходство, выражавшееся, в том числе, и в наличии мощной артиллерии".

В настоящее время исследователи изучают разные параметры метательных орудий Древнего Рима, такие как точность стрельбы, дальность полета, результат произведенного выстрела или его пробивную способность. Историки надеются, что эксперименты позволят с большей точностью определить, как пользовались римляне своей артиллерией, оценить мощность используемых баллист и скорпионов, а также выносить верные суждения о ходе сражений.