Ktesibios – Pierwszy układ regulacji

Post powstał przy współpracy z firmą Stevia Automation Sp. z o. o.

Pierwszy układ regulacji, który udało mi się potwierdzić w kilku źródłach był ten skonstruowany przez Ktesibiosa (gr. Κτησίβιος ὁ Ἀλεξανδρεύς, ur. 285 p.n.e., zm. 228 p.n.e.) wielkiego greckiego uczonego i konstruktora. Przez wielu nazywany ojcem pneumatyki, a przez innych nawet ojcem inżynierii, który początkowo prawdopodobnie zarabiał jako fryzjer, bo taki zawód wykonywał jego ojciec.

Nim omówimy sobie pierwszy układ regulacji ciśnienia wykorzystany w górnym zbiorniku klepsydry wodnej (znamy dziś ten system jako zegar Ktesibiosa), dzięki któremu to zapisał się na kartach historii – pechowym zrządzeniem losu żadne jego karty z notatkami nie przetrwały do dnia dzisiejszego – poznajmy bliżej, szerzej nie znanego genialnego wynalazcę.

To on wymyślił pierwsze organy – zasilane wodą, dzięki czemu uzyskał stałe ciśnienie powietrza w piszczałkach -, oraz karabin i katapultę pneumatyczną* – stąd przydomek ojca pneumatyki – w swoich wynalazkach wykorzystał pierwszy raz coś, co my dzisiaj nazywamy sprężynami. Wiele wskazuje na to, że smykałkę do wynalazków rozwijał od najmłodszych lat, ponieważ pierwszy skonstruowany przez niego mechanizm miał postać regulowanego lustra – umożliwiającego zmianę jego wysokości – w zakładzie fryzjerskim ojca.

Czy wiemy coś więcej na temat jego dalszego życia? Co robił na starość? Wiemy, i jak można było domyślać się, jego młodzieńcze wynalazki doprowadziły go na sam szczyt naukowego prestiżu. Był on zarządcą całej ówczesnej wiedzy. Został prawdopodobnie pierwszym – nie zachowały się zmiany o nikim przed nim – zarządcą biblioteki Aleksandryjskiej.

Co powinieneś wiedzieć o bibliotece Aleksandryjski??

Alexandria to supermodne miasto założone przez Aleksandra Macedońskiego, w którym znajdowały się największe na świecie zbiory wiedzy. Podejrzewa się, że cała ówczesna wiedza z całego świata była kopiowana na język egipski, a być może także na język grecki i przechowywana w murach miasta. Biblioteka Aleksandryjska była częścią ogromnego instytutu naukowego, zwanego Wielkim Muzeum lub po prostu Muzeum Aleksandryjskim, którym prawdopodobnie kierował nasz bohater. W skład Muzeum wchodziło obserwatorium astronomiczne oraz ogród botaniczny, do którego zjeżdżali się wszyscy uczeni z obszaru Morza Śródziemnego. Ponadto osoba kierująca tym wszystkim była głównym nauczycielem władcy całego regionu.

Mechanizm Ktesibiosa

My jednak chcielibyśmy skupić się tutaj na pierwszym mechanizmie regulacji, który składał się z trzech naczyń wodnych. Aby nie musieć na siłę wymyślać przysłowiowego koła na nowo, skorzystam z notatki z Wikipedii na ten temat:

„Woda z pierwszego naczynia spływała szybciej niż z drugiego. Nadmiar wody z drugiego naczynia przelewał się, dzięki czemu drugie naczynie było cały czas pełne. To tworzyło samoczynny regulator przepływu wody, co pozwalało uzyskać stałą prędkość przepływu wody do trzeciego naczynia. W innych konstrukcjach na wodzie w drugim zbiorniku unosił się pływak zamykający dopływ, gdy osiągnął on odpowiedni poziom. Woda spływała do trzeciego naczynia, w którym znajdował się pływak, który wznosił się wraz z podnoszącym się poziomem wody. Na pływaku umieszczona była figurka, która wskazywała na obracającym się bębnie czasu. Gdy na koniec dnia zbiornik się napełnił, opróżniał się poprzez syfon lub pływający zawór w dnie naczynia (identycznie jak w spłuczkach w toalecie). Starożytni Grecy i Rzymianie dzielili dzień na dwanaście godzin, od wschodu do zachodu słońca. Ponieważ dni letnie są dłuższe niż zimowe, godziny letnie były dłuższe niż zimowe. Do wskazywania czasu zgodnie z przyjętym systemem służył obracający się bęben z odpowiednio zaznaczonymi liniami do wskazywania godzin. Woda wypływająca z zegara na koniec dnia spadała na koło wodne, które poprzez przekładnie obracało bęben o niewielki kąt, tak że wykonywał on jeden obrót na rok. Zegar Ktesibiosa był wyposażony również w system dźwiękowy i wizualny do sygnalizacji upływu godzin, bazujący m.in. na układzie kół zębatych.” – link do źródła (na podstawie [4])

Jako ciekawostkę można w tym miejscu dodać, że pisząc te słowa mija właśnie miesiąc od oficjalnego otwarcia Biblioteki Aleksandryjskiej – tej nowej otwartej 16 października 2002 roku – jednej z największych i na pewno najnowocześniejszych obiektów tego typu na świecie, bo ta pierwsza ktoś zniszczył i nie wiadomo dokładnie, kto i kiedy (może byli to Muzułmanie, Arabowie albo Chrześcijanie, lub wyznawcy innych religii). Wstęp do biblioteki jest darmowy po wcześniejszej rezerwacji – tej nowej, a nie tej zniszczonej, której nie znamy nawet ówczesnej lokalizacji.

Informacje z tego rozdziału pochodzą z [1][2][3][5]

Heron – Pierwszy napęd parowy

Zdecydowana większość osób, którym zadaje pytanie „w którym wieku powstał pierwszy silnik parowy” odpowiada, że był to wiek XVIII ewentualnie XIX. Trzeba przyznać im rację, ale tylko do pewnego stopnia i pod pewnymi warunkami. Z tego okresu pochodzą pierwsze „współczesne” silniki parowe, o których sporo dowiemy się w dalszej części tego tekstu, w tym jednak miejscu poznamy historię ich „dziadka” sięgającą I w.n.e.

Niejednokrotnie w dziejach naszej cywilizacji dochodziło do skonstruowania przełomowych wynalazków, które mogły zmienić oblicze naszej planety, jednak nastąpiło to zbyt wcześnie. Nim świat był na nie gotowy, przez co ich konstruktorzy odchodzili w zapomnienie. Część z tych wynalazków nawet rozpowszechniła się na sporych obszarach, ale z powodu dziwnych kolei losu zapominaliśmy o nich na wiele wieków. Najlepszym tego przykładem jest kanalizacją, z której powszechnie korzystali w czasach minojskich na Krecie (jakieś 5 tysięcy lat temu), a także niewiele później w Atenach czy Rzymie, niestety jednak w średniowieczu jakimś cudem o niej zapomnieliśmy.  Dokładnie tak samo było z doskonale opisanym w wielu źródłach pierwszym napędzie parowym stworzonym przez Herona z Aleksandrii. Tak tej samej Aleksandrii, o której pisałem wcześniej, co tylko potwierdza tezę, że przez pewien okres, za czasów świetlności słynnej biblioteki, to właśnie w tym mieście najtężsi naukowcy i wynalazcy odpowiadali za postęp intelektualny tej części świata.

Co wiem o Heronie?

Wiemy o nim między innymi to, że urodził się około 10 r.n.e. i zmarł jakiś 60 lat później. Był uczniem Ktesibiosa, którego omówiłem wcześniej i który żył około II wieku przed Chrystusem. Heron uczył się z pism, które pozostawił po sobie Ktesibios w swojej bibliotece. Wiemy to z trzech ksiąg, które przetrwały do naszych czasów i które sam Heron napisał. Gdy już sobie wyjaśniliśmy te zawiłości i skąd wiemy, co o nich wiemy, możemy przejść do rzeczy nieporównywalnie bardziej związanych z tematem tego tekstu, czyli starożytnej automatyki. [2]

Dwa najsłynniejsze projekty Herona to automatycznie otwierane drzwi do świątyni oraz – co brzmi jeszcze bardziej nieprawdopodobnie – pierwsza turbina parowa. Stworzył także automat na monety odmierzający porcje wody do obmycia się podczas ceremonii religijnych, ale o tym napiszę innym razem. Tak, dobrze przeczytałeś! W starożytności, czyli w tym wypadku jakieś 2 tysiąclecia temu, ludzkość znała już drzwi otwierane „samoczynnie” oraz napęd parowy. Co prawda jedno i drugie służyło głównie do rozrywki i wysławiania bóstw, a nie do przemysłu, ale dokładnie tak samo było z prochem.

Od fajerwerków do rakiet

Wynaleziony przez Chińczyków w okolicach IX wieku proch, przez wiele wieków był wykorzystywany tylko w celach rozrywkowych, jako sztuczne ognie. Dopiero w roku 1232 po raz pierwszy wykorzystano go do celów militarnych. Ponoć dowódca obrony jednego z chińskich miast, szukając pomysłu na odparcie ataków o wiele większej mongolskiej armii, przemierzając miasto, dostrzegł ludzi świętujących i odpalających fajerwerki. Wtedy w jego głowie pojawił się kreatywny pomysł, aby strzały łuczników połączyć w fajerwerki. I to właśnie w ten sposób powstały pierwsze rakiety, które rozproszyły przeciwników, wybuchając w ich szeregach lub nad ich głowami. [6]

Pierwsze automatycznie otwierane drzwi

Zaprezentowany na powyższej ilustracji mechanizm ma wręcz śmiesznie proste, ale jakże genialne działanie. Wyobraź sobie sytuację, że przed ogromną świątynią, której mury sięgają aż do nieba (lub innego konkretnego punktu na niebie), stoi tłum wiernych, którzy chcą przez równie ogromne zamknięte wrota wejść do środka. Wtedy z pewnym opóźnieniem, niczym wielka rockowa gwiazda (choć tak naprawdę nie odmierzano wtedy powszechnie czasu), staje przed tłumem z pochodnią i na tamtejszym ołtarzu (1 na ilustracji) rozpala niezbyt duże palenisko. Po chwili wszystkim wiernym przed oczami „ukazuje” się jakaś niewidzialna boska siła, będąca w stanie wprawić w ruch te ogromne wrota. Łatwo sobie wyobrazić, jakie ogromne wrażenie musiało to wywierać na biednych ludziach przybyłych z okolicznych wiosek, aby wziąć udział w uroczystościach. [7]

W jaki sposób działał ten mechanizm? Rozpalenie ognia na pustym w środku ołtarzu spowodowało, że powietrze w jego wnętrzu się rozgrzało, co bezpośrednio przełożyła się na wzrost w nim ciśnienia. Ciepłe powietrze miało tylko jedną drogę ucieczki, do pojemnika z wodą (2), ale aby się w nim zmieścić musiało tą wodę z niego wypchać. Ta z kolei mają także tylko jedną drogę ucieczki. Woda była wpychana do wiadra (3 – pewnie sporych rozmiarów), które czym bardziej się wypełniało to z większą siłą wprawiało w ruch wał (4) do którego przymontowano wrota.  [7]

Starożytna turbina parowa

Jeżeli drzwi robiły na ludziach wrażenie, to samoczynnie obracająca się z dużymi prędkościami błyszcząca kula buchająca parą musiała być czymś totalnie magicznym, za co byli w stanie zapłacić. W ten sposób docieramy do teatrzyku kukiełkowego mistrza Herona.

Jak podają pewne źródło [konkretnie to o numerze 7 na liście pod tekstem] ), teatrzyk Herona cieszył się największą popularnością wśród dzieci w całej Aleksandrii, które zawsze tłumnie zbiegały się przed jego występami. Walczące figurki w pierwszej części show były dość standardową rozrywką, ale gdy tylko po przerwie wyciągał za kurtyny „magiczną kulę”, wszystkim zapierało dech w oczekiwaniu, aż zacznie się sama obracać.

Ten mechanizm działał na jeszcze prostszej zasadzie niż wcześniej omówiony, ale bazował na tych samych prawach – jeśli podnosisz komuś ciśnienie, to może on albo wybuchnąć, albo uciec. Poprzez podgrzewanie od spodu szczelnego zbiornika wypełnionego wodą, para odnajduje jedyną drogę ucieczki poprzez dwie rurki prowadzące do kuli, do której zamontowano kolejne dwie rurki, ale tym razem wykrzywione pod kątem prostym (tak jak na ilustracji). Gdy ciśnienie wystarczająco wzrośnie, para uciekająca z kuli nabierze wystarczającego impetu, aby wprawiać ją w ruch obrotowy ku uciesze zebranego tłumu.

Podobną konstrukcję jesteś w stanie odtworzyć w garażu bazując na przedziurawionej puszcze po napoju podgrzewanej od spodu świeczką, co udokumentowano na licznych filmikach dostępnych na YouTube (przykład poniżej).

Ismail al-Jazari – pierwszy konstruktor robotów

Po pożegnaniu się z panem Heronem musimy przeskoczyć do XII wieku, gdzie spotykamy genialnego wynalazcę, o którym my Europejczycy właściwie niewiele wiemy, a był nim Ismail al-Jazari. Zasłynął on publikacją „Księgi wiedzy o pomysłowych urządzeniach mechanicznych” w 1206 roku, czyli w roku swojej śmierci, w której to pisał o wielu zaawansowanych mechanizmach oraz instrukcjach, jak je skonstruować.

Niektóre źródła podają, że opisał on 50 mechanizmów, inne 160, a jeszcze inne nawet 260. Najsłynniejszymi z nich są mechaniczny zegar w kształcie słonia i, co dla nas jest jeszcze ciekawsze, pierwszy programowalny robot. Podkreślę w tym miejscu, że większość historyków to właśnie al-Jazariego uważa za twórcę pierwszych robotów, a to było w XII wieku, kiedy my, Europejczycy, wylewaliśmy nieczystości na chodniki przed domami i wymyślaliśmy metody walki z czarami. Wiele z tych mechanizmów jest szczegółowo opisanych na stronie dedykowanej tej książce – AljazariBook.com – a poniżej dostępny film promocyjny z wizyt w muzeum dedykowanemu temu genialnemu wynalazcy.

Pierwsze programowalne roboty

Może brzmi to absurdalnie ale już na przełomie XII i XIII wieku nasz wynalazca stworzył pierwsze programowalne roboty (pewnie nie do końca takie jak sobie wyobrażamy mówić roboty), który schematy zachowały się do dnia dzisiejszego. Jeżeli nie do końca rozumiesz w jaki sposób ten mechanizm miał być „programowany” to już służę pomocą. Z lewej strony na poniższej ilustracji widać dość solidnie zmazane krzywki (lub koła zębate) zamontowane na wale napędzanym opadającą z zbiornika wodą. Poprzez zmianę układu kół zębatych (lub kształtu krzywek) figurki grajków mogły zmieniać wygrywaną melodię. WOW, niczym pływający odpowiednik Spotify 😉

Jeżeli powyższy schemat nie jest dla Ciebie zbyt czytelny do w gratisie zamieszczam poniżej animację, która w niezwykle precyzyjny i atrakcyjny sposób tłumaczy zasadę działania tej grającej łodzi (niestety bez dźwięku).

Wiek węgla i stali – współczesne maszyny parowe

Mówiąc o historii automatyzacji, po poznaniu kilku ciekawostek z starożytności powinniśmy całą naszą uwagę skoncentrować na potężnych maszynach parowych. Kolosalnych, bardzo głośnych mechanizmach z piekła rodem, w których to ogień miesza się z wodą wprawiając za pomocą „magicznych mocy” ogromne elementy w ruch. To właśnie rewolucja mechanizmów parowych wprawiła świat w ruch (po torach, morzach i nawet na drogach), ubrała go (mechaniczne krosna), wykarmiła (młyny napędzane parą) i co najważniejsze pozwoliły go zbudować (powstały ogromne huty i kopalnie).

W skrócie: „Maszyna parowa to współczesność, maszyna parowa to przemysł, maszyna parowa to skok rozwojowy naszej całej globalnej cywilizacji”, ale o tym wszystkim w kolejnym artykule, który znajdziesz w poniższym linku.

czytaj dalej: Maszyny parowe – historia, ewolucja i zasada działania

Bibliografia

[1] Wikipedia

[2] Brytanica

[3] Encyklopedia.pwn.pl

[4] Encyklopedia odkryć i wynalazków. Warszawa: Wiedza Powszechna – Bolesław Orłowski – gdy książka do mnie dojdzie to zmienię to źródło.

[5] 1001 wynalazków, które zmieniły świat – Challoner Jack | Książka

[6] Postęp – historia ludzkości, odc. 1– Serial National Geographic

[7] Niezwykłe perypetie odkryć i wynalazków – Juliusz Jerzy Herlinger