Микрокосмос Древнего мира
Один из вариантов реализации антикитерского механизма. Панель движения планет со шкалой месяцев и зодиакальных созвездий. Разноцветные точки на круговых шкалах – обозначение планет. Луна с индикацией фаз на центральном круге.
«Трёх выгод мы ждём от истории: прежде всего – наслаждения узнавать необычные вещи, затем – полезных, особенно для жизни, наставлений и наконец – рассказа о том, как настоящее произошло из прошлого, когда все превосходно выводится из своих причин», – Готфрид Вильгельм Лейбниц.
Устройства, о которых мы говорили в предыдущем материале, известны по описаниям и рисункам. А как выглядели в реальности древние механические устройства, сведения о которых дошли до нас? Первое, что приходит на ум – приводы водяных мельниц. Их массивные конструкции без серьезных изменений долгое время воспроизводились в Европе. Но очень грубы. Есть ли что-то более сложное, тонкое, представляющее вершину инженерной мысли того времени? К сожалению, археологических находок совсем не много. Наиболее интересным артефактом, связанным с нашей темой, является антикитерский механизм.
История обнаружения и изучения
В 1900 году у греческого острова Антикитера (Антикитира) в Эгейском море, на глубине около 60 метров, ныряльщики за губками обнаружили остатки римского торгового корабля, плывшего, скорее всего, с острова Родос в Рим и потерпевшего крушение около 80–50 гг. до н. э. Со дна моря были подняты многочисленные находки.
Среди поднятых предметов оказалось необычное изделие из бронзы, изъеденное коррозией и покрытое морскими отложениями. В ходе обследования удалось установить, что это механизм, похожий на часовой и состоявший из множества бронзовых шестеренок, приводных валов и измерительных шкал. Часть деталей покрывали надписи на греческом языке. Его фрагменты были переданы на хранение в Национальный археологический музей в Афинах, где начались его исследования, которые ведутся и по сей день.
Фотография одного из фрагментов механизма. Видны 1 – врезка спиц шестерни в обод, 2 – накладка, усиливающая крепление, 3 – стойка.
На основе обследования 20–30-х годов были сформулированы первые предположения. Следующие работы проводились в 50-х годах.
В 1959 году в журнале Scientific American была опубликована статья британского физика Дерека Прайса, посвященная Антикитерскому механизму, в которой были суммированы результаты исследований, проведенных к тому времени, они, к сожалению, не в полной мере раскрывали работу механизма. Однако последние 20 лет принесли новые знания об этом артефакте.
Во-первых, в 2012 году морские археологи снова исследовали место кораблекрушения и с помощью новых технических средств обследовали дно. Кроме скопления амфор и других артефактов, был обнаружено еще несколько дополнительных фрагментов устройства, общее количество найденных частей механизма достигло 82.
Во-вторых, ученые применили все возможные технологии неразрушающего исследования – радиоуглеродный анализ, рентгеновскую компьютерную томографию, гамма-радиографическое исследование. Исследования последних лет с применением послойного рентгеновского сканирования фрагментов механизма с шагом 0,1 миллиметр позволило резко увеличить объем знаний о нем. Открылись новые детали и особенности их конструкции, целый ряд новых надписей, а это гравированные буквы 2–4 мм. Обнаруженные тексты сыграют важнейшую роль в разгадке секретов механизма.
В итоге собрано 7 крупных (A–G) и 75 малых фрагментов устройства. Основная часть сохранившихся элементов внутреннего механизма – остатки 27 шестеренок диаметром 9–130 мм, размещенных на 12 отдельных осях – в составе самого крупного фрагмента (217 мм), получившего индекс «А».
Один из вариантов реализации устройства. Общий вид системы управления показаниями 1 – указатель Луны, 2 – шкалы планет, 3 и 4 – приводы планет, 5 – привод календаря.
Где, кто, когда и откуда?
Где был создан механизм, кем и когда, откуда плыл корабль – эти вопросы сразу начали обсуждаться в научной среде. В документах, дошедших до нас из Античности, есть упоминания о подобных устройствах. Согласно одной из гипотез, Антикитерский механизм представлял собой «плоский» вариант механического небесного глобуса (планетария), созданного Архимедом (ок. 287 — 212 до н. э.), о котором сообщают древние авторы.
Цицерон в трактате «О государстве» упоминает глобус Архимеда и описывает его возможности. В ответ один из персонажей оценивает его создателя глобуса так: «он обладал дарованием большим, чем то, каким может обладать человек» – намек на Бога. Однако современные исследователи считают Антикитерский механизм более сложным устройством, нежели глобус Архимеда. Существует несколько претендентов на его авторство, несколько возможных мест, где его изготовили и примерный интервал лет его производства. Анализировали особенности текстов, известные факты о работах ученых того времени.
Научная основа механизма была заложена во второй половине II века до н. э. во время расцвета эллинистической астрономии, связанной с именами таких ученых, как Посидоний и Гиппарх.
Гиппархом Никейским (ок. 190 г. до н. э. – ок. 120 г. до н. э.; др.-греч. Ἳππαρχος) был составлен каталог звездного неба, впоследствии использованный Птолемеем, открыта прецессия равноденствий, описаны видимые движения Луны, Солнца и пяти известных тогда планет, определено расстояние от Земли до Луны. Вычисленное Гиппархом значение синодического (лунного) месяца всего на доли секунды отличается от принимаемого сегодня. Гиппарх изобрел способ предсказывать лунные затмения с ошибкой плюс-минус час и солнечные затмения.
Посидоний (Ποσειδώνιος, 139/135 год до н. э., Апамея – 51/50 год до н. э., Рим) произвел вычисление расстояния от Земли до Солнца и Луны, а также размера Земли. Посидоний являлся активным приверженцем астрологии; он считал, что судьбы всего сущего на Земле определяются расположением звезд и планет. Как мы увидим дальше, Антикитерский механизм мог быть использован и в астрологии.
Откуда и куда шел корабль? Вот несколько версий с разными доводами.
Римское судно, на котором был найден механизм, возможно, направлялось в Рим с Крита. Другая версия говорит о том, что римское судно перевозило награбленные в 87–86 до н. э. римским генералом Суллой ценности из Афин в Рим. Позднее предположили, что судно шло в Рим из древнегреческих городов-государств Малой Азии (на территории современной Турции).
Где изготовлен? Анализ надписей на деталях показывает, что графика и особенности текста более характерны для островов Средиземного моря или греческих колоний, нежели для Греции. Наиболее вероятным местом изготовления является остров Родос.
Когда был создан? Разброс велик, поэтому определим период создания от 120 до 90 года до нашей эры.
Что умеет механизм?
Материалы, полученные в последнее время, позволили с высокой степенью достоверности воссоздать устройство. Несколько групп исследователей спроектировали, изготовили и собрали свои варианты механизма. Эти модели, отличаясь в мелочах, представляют собой сложнейшие и удивительно продуманные конструкции многофункционального астрономического прибора.
Схема привода частей механизма. Сверху планетарий, снизу календари. Цветом выделены части механической системы, отвечающие за движение отдельных планет
По уровню миниатюризации и сложности Антикитерский механизм сопоставим с астрономическими часами XVIII века.
Антикитерский механизм являлся и аналоговой вычислительной машиной, и планетарием, и календарем. С его помощью можно было:
• следить за последовательностью месяцев и их длительностью в соответствии с лунным календарем;
• вносить корректировки в длительность календарных месяцев и дополнительные дни для синхронизации лунного и солнечного календаря;
• определять даты и время солнечных и лунных затмений;
• рассчитывать и прогнозировать положения небесных светил на небе в определенные даты;
• определять года для проведения важных спортивных состязаний 4 панэллинских игр Истмийских, Олимпийских, Немейских и Пифийских.
Один из вариантов реализации механизма. Слева в сборе, видна панель планетария и приводная рукоятка. Справа – внутренняя структура, видны две шкалы календарей.
Механизм имел две рабочих плоскости. Передняя панель – условно планетарий, а задняя – условно календарь. Планетарий представлял собой циферблат с двумя шкалами. Неподвижная шкала со знаками зодиака (большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца) разделена на 360 градусов и на 12 секторов по 30 градусов со знаками Зодиака. Подвижная с 356 делениями по числу дней в солнечном годовом календаре. Ошибка, вызванная большей реальной продолжительностью солнечного года (365,2422 дней), корректировалась поворотом шкалы на 1 день назад за каждые 4 года.
Кроме того на этом циферблате находились стрелочные указатели, соответствующие Луне, Солнцу, Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру, Сатурну. Прибор приводился в движение рукояткой на боковой стороне, её вращение приводило в синхронное движение все шестеренчатые передачи механизма. После начальной настройки прибора планетарная система начинала представлять положение планет относительно зодиакальных созвездий с течением времени. При этом показывались фазы Луны и соблюдались особенности движения планет, видимых с Земли. В движении планет учитывался эффект попятного движения*, который математически древние астрономы описывали, применяя эпициклы.
*Попятное (ретроградное) движение планет – наблюдаемое с Земли движение планет на фоне звезд по небесной сфере с востока на запад, то есть в направлении, противоположном движению Солнца (годичному) и Луны.
Рисунок показывает, как в Средние века представляли эллиптическую орбиту Луны – в виде круговой и наложенных эпициклов.
Изменение скорости движения Луны по орбите из-за ее эллиптичности (что соответствует закону Кеплера) также учитывалось.
Большое количество буквенных, надписей и обозначений для правильного пользования устройством. На передний панели находился астрономический календарь с указанием восходов и заходов отдельных звезд и созвездий.
На задней панели располагались две больших спиральных шкалы. Одна шкала, имеющая форму спирали с пятью витками и 47 делениями в каждом витке (47 х 5 = 235), отображала т. н. «Метонов цикл»*, состоящий из 235 лунных месяцев. На каждом делении (месяце указана его длительность в днях).
*Если период из 6 940 дней распределить на 235 месяцев, из которых 125 месяцев 30-дневных, а 110 месяцев 29-дневных, то средняя длина месяца будет фактически равна промежутку между двумя одинаковыми фазами Луны или Лунному (синодическому) месяцу, который в среднем равен 29,5 суток. Вместе с тем, если те же 6 940 дней распределить по 19 годам, то средняя длина года будет также практически равна тропическому году (с ошибкой около получаса). Метонов цикл основан на приближенном (с точностью около двух часов) равенстве: 19 тропических лет = 235 синодических месяцев.
В нижней части задней панели находится шкала в виде спирали с 223 делениями, показывающими цикл Сарос. Это период, по истечении которого повторяется взаимное расположении Солнца, Луны на небесной сфере, и вследствие этого повторяются солнечные и лунные затмения. Сарос состоит из 223 лунных месяцев, что составляет примерно 18 лет 11 дней 8 часов.
На шкале циферблата, показывающего цикл Сарос, имеются символы Σ для лунных затмений (ΣΕΛΗΝΗ, Луна) и Η для солнечных затмений (ΗΛΙΟΣ, Солнце) и цифровые обозначения, выполненные греческими буквами, предположительно указывающие на дату и час затмений.
Как это работало?
Работа всего устройства осуществлялась приводной рукояткой. От главной шестерни осуществлялось синхронизированное движение всех элементов – механики, как планетария, так и календаря. Коэффициенты передачи приводных шестерен планетарных указателей рассчитывались с учетом отношений скоростей движения планет по небосклону. Со скоростью вращения пары Земля-Луна синхронизировалась работа указателей календаря. Расчет кинематики этого механизма слишком сложен и объемен для статьи. Желающие могут найти его в Интернете.
Особенностью планетария было моделирование попятного движения планет. В некоторых источниках эту комбинацию зубчатых колес называют «планетарной передачей», но это вовсе не общеизвестная планетарная передача наподобие используемых, например, в шуруповертах.
Схема моделирования попятного движения: G1 – приводная шестерня узла, G2, G3 – несоосные шестерни, G4 – привод указателя Луны.
Чтобы учесть особенности видимого движения, использовалась система зубчатых колес, включавшая две несоосных шестерни G2, G3 с центрами «а» и «с», зацепление между которыми осуществлялось с помощью вертикального шплинта (pin) в нижнем зубчатом колесе G2 и радиального паза в верхнем колесе G3. В итоге при равномерном вращении нижнего колеса G1 верхнее G4 имеет разную угловую скорость.
Фото рабочего образца узла попятного движения планет, где 1–4 – шестерни, 5 – pin и паз.
Один из сценариев работы механизма видится следующим образом. Поворотом рукоятки привода на шкале «Метонова» календаря выбирается интересующий месяц, который будет указывать стрелка, по циклу Сароса ему будет соответствовать некое деление, указанное другой стрелкой. В случае если в этом месяце возможны затмения, их параметры будут отмечены в этой ячейке. По планетарию можно рассмотреть взаимное расположение планет на небосклоне в интересующий период.
Назначение механизма вызывает множество споров. Использование от сугубо научного – астрономического и навигационного – до астрологического. Судя по исследованиям специалистов, механизм не был опытным образцом, не были обнаружены следы доработок, доделок и исправлений, свойственных опытному образцу. Их было несколько, если не сказать много. Кому и зачем они предназначались? В этом обсуждении много доводов pro et contra, вопрос открыт.
Как делали? Вопрос, как в древности смогли сделать такое технически совершенное устройство, волнует как профессиональную научную общественность, так и заинтересованных любителей. Механизм создавали различными методами: методами ремесленников XVIII–XIX века, современными технологиями, моделировали на 3D-принтерах, но полного понимания процесса не было. Однако нашелся один любитель, знаток и умелый мастер, который решил повторить реконструкцию с учетом древних технологий.
Все металлические части антикитерского механизма сделаны из листовой бронзы, толщиной 1–2 миллиметра, поэтому использовалась бронза, это понятно. Натуральные наждачные камни и полирующие составы, а также средства для разметки (краски). Циркули и линейки у греческих геометров были. Инструментарий пришлось изготавливать из железа. Но железа потребовалось не много. Зубила, напильники, сверла, резцы изготавливали, потом закаливали. Тоже известные в древности технологии. Поверхность напильников после формирования насечек науглероживались в бескислородной среде. Для этого проводился нагрев инструмента в керамическом закрытом сосуде со специальной добавкой. После этого закалка. Такие инструменты доказали эффективность при обработке бронзы. Приемы разметки и обработки деталей использовались аналогичные работам в часовых мануфактурах XVI–XVII веков. Никаких делительных головок при нарезании зубцов шестерен.
Интересно отметить несколько особенностей конструкции. Механизм разборный, но никаких винтов. Крепления деталей в составе устройства на конических штифтах. Пайка применена лишь в одной детали – это установка ребра жесткости панели календаря со спиральной шкалой. Рентгеновское сканирование помогло подробно рассмотреть конструкцию деталей. Например, большая шестерня сборная. Спицы соединены с ободом в «ласточкин хвост», а сверху усилены накладками на заклепках. Этот элемент был воссоздан именно в такой технике.
Зубчатые колеса имеют треугольную форму зубьев, в отличие от современных эвольвентных (эвольвентное зацепление – зубчатое зацепление, в котором профили зубьев очерчены по специальной кривой, что дает плавность хода и минимум износа). Треугольные делаются простыми инструментами вручную и позволяют проще осуществить подгонку шестерен в составе механизма в процессе сборки.
Фото конструкции. 1 – держатель указателя календаря, 2 – стрелка календаря олимпиад, крепление на конический штифт, 3 – одно из зубчатых колес, установка на квадрат, крепление коническим штифтом.
Работа по воссозданию механизма долгая и кропотливая. Материалы о работе публикуются уже пять лет, а механизм еще не полностью изготовлен. Судя по всему, много времени у автора ушло на отработку технологии, консультации со специалистами, наконец на гравировку текста, так сказать, «Руководства пользователя античных времен».
В заключение, говоря о Антикитерском механизме, надо отметить, что самые интересные публикации появились только в 10-х годах нашего века в материалах статей и конференций. Исследования продолжаются, и впереди много интересного.
Описывая данное устройство, пришлось «срезать острые углы», поскольку подробное обсуждение потребует существенно большего объема статьи и описания базовых знаний о летоисчислении и календарях Вавилона, Древнего Египта, Античности, астрономии Древнего мира, истории механики.
Заключение
Основной целью настоящего материала была попытка оценить инженерный базис, на котором разрабатывались часовые механизмы, появившиеся в Средние века. Историки часового дела считают механизм, приведенный в альбоме французского архитектора XIII в. Вилларда де Коннекура, первыми механическими часами, и от него ведут счет появления в Западной Европе первого спускового устройства для регулирования хода часов.
Если мы посмотрим на разобранные примеры, то увидим, что многое уже было в Древней Греции и Риме. Гири как источник энергии, сложнейшие механические передачи, редукторы, преобразователи вращательного движения в возвратно-поступательное, регулировочные системы уже были придуманы, сложнейшие сервисы типа планетария, фигурок, движущихся по сложным сценариям, звуковые сигналы тоже разработаны. Остался маятник, анкерное колесо вилка.
С падением Римской империи наука, ремесло, экономика в Европе не были способны продолжать поступательное научное развитие. Накопленные знания были восприняты арабами, которые перевели многие античные трактаты, включили в свой научный арсенал открытия как греческих, римских, египетских ученых, так и знания, полученные в контактах с восточными культурами. Во времена крестовых походов европейцы вновь были готовы накапливать, осмысливать и развивать новые знания и технологии. И с конца XIII века механические башенные часы все чаще стали появляться в городах Европы.
Информация