Senovės mechanika: amžinojo variklio Herono automatai

Pirmasis amžinojo variklio paminėjimas tik 1150 m. Bet jau senovėje domėtasi amžinojo judėjimo problemomis. Jam graikų filosofija skyrė daug dėmesio. Pvz., pitagoriečiai buvo tiesiog užburti apskritimo – ir laikė, kad ratu juda ne tik dangaus kūnai, bet ir žmogaus siela. Tačiau žmogus geba „atsekti savo kelio pradžią ir pabaigą“ ir tuo pačiu likimo pasmerktas mirčiai. Ir graikai padarė išvadą, kad negalimas amžinas dirbtinai sukurtas judėjimas, taigi ir amžinasis variklis. Jų požiūriu, kūnų judėjimas Žemėje greitėja kryptimi link centro. Juos galim priversti judėti ratu, tačiau tas judėjimas nebus „tobulas“. Apie tikrai ratu judančius kūnus Aristotelis sakė, kad jie negali būti nei sunkūs, nei lengvi, nes tie kūnai „negali priartėti prie centro arba nuo jo nutolti natūraliu ar priverstiniu būdu“. Tokią sąlygą, vienok, tenkina tik dangaus kūnai. Iš to daroma išvada, kad kosmoso judėjimas yra visų kitų matas, nes tik jis yra pastovus, nekintamas ir amžinas.

Žodžio „mašina“ supratimą tiksliai perteikia Romos architektas Vitruvijus: „Mašina yra tarpusavyje susijusių medinių dalių junginys, užtikrinantis didžiausią naudą keliant sunkumus. Jis judėti priverčiamas dirbtinai ir būtent judėjimu ratu“.

Mašinos samprata plačiau aptariama ankstyvesniame Aristoteliui priskiriamame kūrinyje „Mechaninės problemos“, kuriame taipogi ir išvardijami ir aprašomi paprasti bei sudėtingi to meto mechanizmai: svertas, šulinio gervė su svoriu, lygių ir nelygių pečių svarstyklės – bezmėnas, replės, pleištas, kirvis, skriedulys, volas, ratas, blokas, skrysčiai, puodžiaus ratas, virvintas, vairas, metaliniai ar akmeniniai priešinga kryptimi besisukantys ratai (matyt, kalbama apie krumpliaračius). Iš čia matom, kad pagrindiniais antikos mašinų elementais buvo paprasti mechanizmai. Senovės Egipte jų buvo dar mažiau: tik svertas, pleištas, skrysčiai ir, galbūt, nuožulnuma.

Svarbiausiu jų buvo svertas, kurio išradimas priskiriamas Kinirasui iš Kipro. Sverto teoriniu pagrindu užsiėmė Aristotelis, jo sverto pečių formulę (kartu su daugybe praktinių panaudojimų) pasiūlė Archimedas. Pirmas sverto panaudojimas priskiriamas Heronui iš Aleksandrijos, o taip pat Perikliui, - pirmam panaudojusiam kovinėje mašinoje, kurią, anot Diodoro, sukūrė mechanikas Artemonas 439 m. pr.m.e. Samoso apgulties metu. Vis dar neišsiaiškintas nuožulnumos panaudojimas statant piramides metu. Vis dar neišsiaiškintas nuožulnumos panaudojimas statant Egipto piramides 3-me tūkstantm. pr.m.e. Jos panaudojimas akivaizdus Archimedo sraigte, pradžioje naudotame vandens pakėlimui, o paskui presuose alyvuogių aliejui spausti. Heronas jungė kelis skirtingo dydžio blokus taip keisdamas figūrų judėjimo greitį savo automatuose. Iš bloko išsivystė ir skrysčiai, imtas plačiai naudoti romėnų.

Prie seniausių priskirtinas ir pleištas, pirmiausiai žinomas kirvio ir kalto forma, o vėliau kaip pagalbinė sunkumų kėlimo priemonė. Ratas pirmiausiai buvo skirtas slydimo trinties pakeitimui riedėjimo trintimi perkeliant sunkius daiktus. Pradinės pirmųjų vežimų apvalios medinės trinkos buvo pakeistos ratais su apvadu, kuriuos egiptiečiai, graikai, romėnai ir persai įstatydavo į savo vienašius ar dviašius vežimus. Labai svarbų pritaikymą šis elementas rado pedalinio rato ir rato su arklio prievadu panaudojime. Šis tapo svarbiausia įvairių malūnų (tame tarpe ir vandens) dalimi, o pedalinis ratas daugiausia naudotas, anot Filoną iš Bizantijos, vandens siurbliuose ir sunkumų pakėlime.
Svarbiu rato išsivystymu tapo dantratis, kurį plačiau sutinkame pas Heroną garsiajame žingsniamatyje – prietaise nueito atstumo matavimui.

Atskira tema yra hidraulinių ir pneumatinių mašinų evoliucija. Panaudodami Archimedo dėsnį apie į skystį panardinto kūno išstumiančiąją jėgą, senovės mechanikai Ktezibijus ir Heronas sukūrė eilė originalių įtaisų. Tarp jų ir Ktezibijaus dvicilindris vienkartinio panaudojimo purškiklis nei Herono pasiūlytas mechanizmas šventyklų durų atidarymui. Hidraulika įgavo svarbų vaidmenį matuojant laiką, ypač, kai (nuo 422 m. pr.m.e.) pagausėjo vandens laikrodžių-klepsidrų, kurių sudėtingiausius sukūrė būtent Ktezibijus. Romėnams tebuvo žinomas tik vandens ratas, sukamas krentančio vandens.

Svarbūs buvo ir atradimai aeromechanikos srityje. Be Herono eolipilo (garinio rutulio, dabartinių garo turbinų ir reaktyvinių variklių pirmtako) būtina paminėti Ktezibijaus sukurtus vargonus ir ypač jo pneumatinę šaudyklę (taigi, taikymą karinėje srityje). Kadangi antikos laikas nežinota apie paraką, žudančioji ginklo jėga priklausė nuo medžio, kaulo ar kitos medžiagos tamprumo ir lankstumo. Pneumatikos panaudojimas tam rodo itin aukštą techninį jo išradimų lygį.

Vienoje Klaudiano poemoje (apie 400 m. pr.m.e) minint Archimedo stiklinį gaublį taip pat kalbama apie „viduje uždarytą dvasią“, užtikrinančią nuolatinį gaublio sukimąsi. Čia žodžio „dvasia“ prasmė aiškinta įvairiai. Štai lenkų jėzuitas Kochanskis, Jano Amoso Komenskio amžininkas, ji laikė „Paracelso astralinėmis dujomis“. Įtikinamesnius aiškinimus pateikia Ciceronas traktate „Apie valstybę“. Šiuolaikiniai tyrinėtojai mano, kad sukimuisi naudota krintančio vandens jėga.

Herono automatai

Heronas kūrė mechaninius lėlių teatrus, gaisrinę mašiną, odometrą, savaime užsipildančią aliejaus lempą, naują švirkšto tipą, topografinį prietaisą, panašų į šiuolaikinį teodolitą, vandens vargonus bei vargonus, grojančius varabt vėjo malūnui ir kt.

Jo suveikiantis nusileidžiant pinigui automatas buvo skirtas panaudojimui šventyklose. Jo idėja ta, kad tikinčiajam reikėjo įmesti 5 drahmų monetą į plyšį ir mainais gauti truputį vandens ritualiniam veido ir rankų apsiprausimui. Dienos pabaigoje žyniai galėjo susirinkti paaukojimus iš automato.

Tasai aparatas dirbo taip: moneta nukrisdavo į nedidelę gerai subalansuotų svarstyklių lėkštutę. Nuo monetos svorio kita svarstyklių lėkštutė pakildavo atidarydama vožtuvą ir ištekėdavo „šventas“ vanduo. Lėkštutei nusileidus, moneta nuslysdavo nuo lėkštutės, svarstyklės išsilygindavo ir vožtuvas užsidarydavo. Gali būti, kad iš dalies šį prietaisą sukurti paskatino Filono iš Bizantijos prietaisas, sukurtas prieš tris šimtmečius. Tai buvo indas su viduje įtaisytu gana paslaptingu įrenginiu, leidžiančiu svečiams nusiprausti rankas. Virš vandentiekio vamzdžio buvo ranka, laikanti rutulį iš pemzos. Svečiui paėmus jį, kad nusipraustų rankas prieš valgį. Mechaninė ranka pasislėpdavo vamzdyje ir tekėdavo vanduo. Po kurio laiko tekėjimas liaudavosi ir pasirodydavo ranka su nauju gabalėliu pemzos. Gaila, Filonas nepaliko prietaiso aprašymo, tačiau gali būti, kad jis naudojo panašius principus kaip ir Herono automatas.

Taip pat Heronas Aleksandrijos šventyklos sukūrė automatiškai atsidarančias duris. Tai buvo jo dovana Egipto žyniams, jau kelis amžius naudojusiems mechaninius ir kitokius stebuklus savo valdžios ir prestižo stiprinimui. Durys automatiškai atsidarydavo žyniui uždegus ugnį aukų aukure esančiame prieš šventyklą. Po aukuru paslėptame metaliniame rutulyje įkaisdavo oras, kuris besiplėsdamas per sifoną stūmė vandenį į didelį kibirą, kuris buvo pakabintas ant grandinių svarmenų sistemoje, pasukančioje duris aplink ašį. Ugniai užgesus įvykdavo dar vienas nuostabus dalykas. Orui vėstant rutulyje vanduo buvo įsiurbiamas į sifoną kitu keliu. Ištuštėjęs kibiras pakildavo, pasukdamas duris į kitą pusę – ir jos užsidarydavo. Kitas Herono prietaisas – tai ragas, suskambantis atidarant šventyklų duris. Jis tarnavo kaip įspėjimo (ir pavojaus) signalas.

Pats išradėjas nurodė ir alternatyvią sistemą: „Kai kurie jų [kiti išradėjai] vietoje vandens naudoja gyvsidabrį, nes jis sunkesnis ir lengvai atskiriamas ugnimi“. Ką reiškė „atskiriama“ nežinoma\, tačiau neabejotinai gyvsidabrio naudojimas mechanizmus darė efektyvesnius.

Heronas sukūrė ir pirmą veikiantį garo variklį, jį pavadindamas „vėjo rutuliu“. Jo konstrukcija buvo nepaprastai paprasta. Platų švininį katilą pastatydavo virš šilumos šaltinio, pvz., degančios medžio anglies. Užvirus vandeniui dviem vamzdžiais, kurių centre sukosi rutulys, kilo garas. Jo srovės veržėsi per dvi angas rutulyje, priversdamos jį suktis dideliu greičiu (toks pat principas yra šiuolaikiniame reaktyviame variklyje). Tiesa, tokio variklio efektyvumas buvo mažiau nei 1%. Tačiau efektyvesnio variklio elementai randami Herono aprašytuose įrenginiuose. Jo amžininkai kūrė gana aukšto naudingumo koeficiento cilindrus ir stūmoklius, kuriuos Heronas panaudojo vandens siurblyje gaisrui gesinti. Tinkamą mechanizmą su vožtuvą rado vandens fontano konstrukcijoje, dirbančioje suspaustu oru. Jis panašus į šiuolaikinį purškiklį nuo vabzdžių. Jį sudarė apvali bronzinė kamera, tobulesnė už švininį katilą, nes atlaikė didesnį spaudimą. Heronui nebūtų buvę sunku sukomponuoti visus elementus į veikiantį garo variklį. Netgi yra pasakojimas, kad jis jį sukūrė, tačiau ar tai žuvo jį bandydamas, ar tai užmetė užmačią...