סירה שהיא שעון מעורר

הקדמה

המכשיר שסוגר את הספר הוא גם הפשוט מכולם. בעולם העתיק אחד האמצעים למדידת זמן קצוב (טיימר) היה המצוף השוקע (submersible float). זהו מצוף שנקבו בו חור כך שהמים חודרים למצוף וגורמים לו לשקוע בחלוף זמן נקוב. זה היה נחוץ על מנת לפקח על זרימת מים בתעלות השקיה או לבישול. אל- ג'זארי חשש שהמשתמש ינמנם ויפספס את שקיעת המצוף והוסיף אתרעה קולית. זה  גרם לי לחפש חומרים על שעונים מעוררים קדומים ובכך עוסק הפוסט הזה.

Category VI chapter 5 Fig 173 p 204

סירה למדידת שעה אחת, עותק טופקפי, 1205

איך זה עובד?

מצופים שוקעים לא דורשים הסבר אז ויתרתי על הצביעה המסורתית בכחול של ההסברים ההנדסיים. ברור שאם יש חור במצוף, מים יחדרו לתוכו והמצוף או במקרה זה הסירה תשקע. משך זמן השקיעה הושג ע"י ניסוי וטעייה. אל-ג'זארי עשה שימוש במצופים שוקעים בשעון הפיל ובמקומות נוספים. הטוויסט פה הוא ההתרעה הקולית. הוספתי לשרטוט של אל-ג'זארי קווי מתאר התוחמים את חלל האוויר המשותף ומבליטים את החור בקרקעית:

Category VI chapter 5 mechanism_2

השרטוט של אל-ג'זארי עם הדגשות וכתוביות שלי.

המלח והסירה עשויים נחושת. והם מולחמים יחדיו כך שנוצר חלל אוויר משותף. בהתחלה הסירה שוקעת לאיטה והאוויר הכלוא יוצא לאיטו, בלחץ המים העולים. בשל איטיות עליית המים המשרוקית לא משמיעה קול. יש גם חמישה חורים, ליציאת אויר משנית מן הכובע, שמפחיתים את יציאת האוויר דרך המשרוקית ומסייעים בהשתקתה. בתום השעה הסירה מלאה במים ומתחילה שקיעה מהירה. האוויר שנדחס במהירות דרך המשרוקית ישמיע קול ויגרום לצופה המנומנם להתעורר ולעשות את תפקידו.

שעונים מעוררים מוקדמים

השעון המעורר הקדום ביותר שמצאתי משויך לאפלטון הפילוסוף היווני. אפלטון היה משכים קום וכתב ב"חוקים", חיבורו האחרון, את הטקסט שאולי מסביר את הצורך שלו בשעון מעורר:

"שינה מרובה אינה הולמת את גופינו או נשמתנו..אדם ישן  הוא חסר ערך, כמו המת"  (תרגום חופשי שלי מאנגלית). אפלטון לכאורה(?)תכנן בעצמו שעון מים מעורר. הסיבה שאני מסויג היא שהאינפורמציה מגיעה מאתנאיוס מנאוקרטיס  שכתב כ-200 שנה יותר מאוחר יותר את "משתה החכמים" ואין לשעון זה עדות נוספת/אחרת. זה שעון מים מעניין בפני עצמו (לא מבוסס על מצוף שוקע)  אבל מבחינת השמעת הקול היא לא מאד שונה מאל-ג'זארי. אפשר לראות אנימציה נחמדה:

יש מגוון נאה של שעונים מעוררים עתיקים. שעון מים מדויק במיוחד נבנה ע"י קטסיביוס. כבר פגשנו אותו בפוסט על משאבת גלגל המים. הוא היה ממציא ומתמטיקאי באלכסנדריה שבמצרים התלמית ועיקר פרסומו הוא כ"אבי הפנאומטיקה" (הפעלת מכאנית באמצעות אויר דחוס). מעט מאוד ידוע על חייו. הוא היה כנראה מנהלו הראשון של המוזיאון של אלכסנדריה. כתביו לא שרדו אבל המצאותיו מתועדות אצל אתנאיוס שכבר הוזכר, פילו מביזנטיון, הרון מאלכסנדריה ותיאור מפורט במיוחד של שעון המים מופיע אצל מרקוס ויטרוביוס פוליו אדריכל ומהנדס אזרחי וצבאי רומאי בן המאה ה-1 לפנה"ס. מיד ארחיב על שעון המים אבל ויטרוביוס גם מספר "שביפו שבסוריה יש אגם בגודל עצום המפיק אספלט רב הנאסף על ידי תושבי הסביבה" ככל הנראה מדובר על ים המלח. החיבור המוזר של יפו, סוריה וים המלח נשמע כמו ילד שהתבלבלו לו כל החגים אבל מרומא יתכן שכל הלבנט הזה נראה כמו יחידה גאוגרפית אחת. זוהי אנימציה מוצלחת שלו:

אפשר לראות שקטסביוס היה ער לבעיה הידועה של שעוני מים והיא הקצב המשתנה של הזרימה עם גובה המים בכלי. אפשר לקרא יותר כאן. הפיתרון שלו הוא מיכל מלא תמיד שמימיו העודפים נשפכים החוצה. זה מיצר קצב זרימה קבוע במיכל השני המעלה את המצוף ועליו אינדיקטור המצביע על הדקות החולפות. בתום שעה הסיפון (המצאתו מיוחסת לקטסביוס) מרוקן את מיכל המצוף ומסובב את גלגל השיניים המונה את השעות. ויטרוביוס כותב שהיתה מערכת "שעון מעורר שהפילה אבני חצץ על גונג או תקעה בחצוצרות" אבל לא מפרט כך שאנחנו יכולים רק לדמיין איך זה עבד. סיפור קצת מוזר הוא שהשעון הותקן בבית המשפט באלכסנדריה וקצב את משך הזמן המותר לעורכי הדין לדבר כאשר כמות המים נקבעה ע"פ חומרת הפשע. שעון המים של קטסיביוס נחשב לשעון המדויק ביותר עד שהפיזיקאי הולנדי כריסטיאן הויגנס המציא את שעון מטוטלת.

יש שעונים מעוררים עתיקים נוספים אבל משעשע לדעת, וגם אומר לא מעט על חשיבותם של פטנטים, שממציא צרפתי בשם אנטואן רדיר (Antoine Redier) רשם פטנט על שעון מעורר ב1847, יותר מ2000 שנה אחרי אפלטון המשתאה בקברו ואולי מצפה לחלק מן התמלוגים…

לבנות את "שעון הפיל" מלגו

הקדמה

שעון הפיל הוא ללא ספק הפופולרי מכל עבודותיו אל- ג'זארי. נעשו מספר שחזורים מודרניים שונים, כמה אנימציות דו ותלת ממדיות, ויש לו ערך משלו בויקיפדיה ועוד. בפוסט הקודם ניסיתי להסביר למה מיליוני הצופים בקניון בדובאי או בתערוכת "1001 המצאות – תור הזהב של האסלאם לעתיד טוב יותר" נשבו בקסם השעון. הפוסט הנוכחי שונה מכל מה שכתבתי עד כה ומתעד את המסע שלי להכין את שעון הפיל מלגו, את הקשיים בדרך ואת הלמידה. הפיל רק בשלבים ההתחלתיים שלו ואני מקווה לכתוב עדכון מידי שבוע. אשמח לשאלות, לעצות ולכל רעיון.

שעון הפיל, עותק טופקפי, 1206

למה לבנות?

כאשר יצאתי למסע הזה עבדתי עדיין במכון דוידסון לחינוך מדעי, הצעתי לפרופ' חיים הררי, יו"ר ומייסד מכון דוידסון ונשיא מכון ויצמן למדע לשעבר, לבנות את חמישים המכונות של אל-ג'זארי ב"גן המדע", מוזיאון תחת כיפת השמיים. חיים סירב ואמר לי שגן המדע נטוע במאה ה-17, בפיזיקה ניוטונית והוא שואף להביא אותו למאה ה-21 ואני במקום זה מחזיר אותו למאה ה-12… הבלוג הזה הוא התחליף שלי לתערוכה (שעדיין?) לא התקיימה.

מעבר לקסם של המכונות של אל-ג'זארי ולערכן בהיסטוריה של הטכנולוגיה יש חשיבות בערעור הסטראוטיפים אודות האסלאם הקיימים הן באוכלוסיה היהודית והן באוכלוסיה הערבית. עֲבוֹדָה עֲרָבִית הוא ביטוי גזעני המצוי בשימוש רחב הרבה לפני הסדרה המשעשעת שכתב סייד קשוע ומציין עבודה באיכות ירודה. מצד שני החברה הערבית תופסת את עצמה כמוחלשת ובעלת תרומה מצומצמת לעולם המדע. תלמידי הערבים באו במשך שנים שנים למכון ויצמן בהרגשה שהם מגיעים ל"מקדש של מדע" שבו אין להם נחלה. המכונות הנפלאות של אל- ג'זארי מדגישות את ההישגים המדעיים של תור הזהב, שאינו נלמד כלל בבתי הספר ומציעות  מבט אחר לאלו ולאלו.

אף שפוסטים קודמים כללו סימולציות של המכונות אין בעיני תחליף לבנייה בפועל, הלמידה וההתמודדות עם הקשיים שבדרך.

למה בלגו?

נעשו מספר שחזורים של מכונות של אל ג'זארי ולא מעט מהם של שעון הפיל. אלו הן תמונות של שלושה מן השחזורים:

שלושה שחזורים של שעון הפיל, משמאל בקניון אבן בטוטה בדובאי, באמצע מוזיאון שרזה לציביליזציה האסלאמית באיחוד האמיריות , מימין במוזיאון המדע והטכנולוגיה באסלם באיסטנבול.

יש לי הרבה כבוד והערכה למשחזרים ויכול להיות ששעון הפיל שלהם דומה למקור יותר משאני משער אבל בעיני הם לא מצליחים לשחזר את היופי שבאיורי הספר ובמעבר מדו ממד לתלת ממד חלק מן הקסם הולך לאיבוד. אני חושב שהם ראליסטיים מידי הפיל הוא פיל "אמיתי" והאפריון מכובד להפליא ולא נותר מרווח  לדמיון ול"רוח הפיל". בנוסף השעון באיסטנבול דומם, כך גם בתערוכת 1001 המצאות באסלאם. השעון בדובאי, אני חושב, מופעל ע"י מנועים חשמליים. זה מצמצם מאד את החוויה בעיני שנשענת על טכנולוגיה של המאה ה-12 ועל היכולת של אל-ג'זארי להפעיל בקרה משוכללת ללא אלקטרוניקה ובקרים. הקסם של אל ג'זארי הוא עכשווי (מוזר אבל נכון!)

אין לי שום סיבה להניח שאני יודע מה שהוא שהם לא יודעים. המעבר ללגו גם מפשט את הבחירות האסטטיות וגם מציע משחקיות ועכשוויות. שום עבודת לגו איננה חלק מאמנות המיניאטורות הטורקיות אבל היא חופשית להתכתב אתן. ללגו יש שפה עיצובית משלו וכל עבודת לגו, גם למבוגרים וגם היפר טכנולוגית , מעבירה אותנו לעולם של משחק וזה גם תרוץ מעולה לבניה בלגו…

מה כבר עשו?

אני מכיר רק עבודה אחת של אל-ג'זארי בלגו. ניתן לראות אותה כאן:

העיצוב מקסים בעיני והשימוש בלגו חכם ולא פשטני. יש משהו מאד אוורירי בפיל ומוצאות חן בעיני הדמויות האנושיות שהן ניצול משעשע של מרכיבי הלגו. אבל אף שמכונה זו שאלה מאל ג'זארי את העיצוב ואת התפקוד, פעולתה מבוססת על "לבנה החכמה" (בקר אלקטרוני של חברת לגו) ומנועים חשמליים. במונחים קצת ילדותיים "זה לא חוכמה", או לפחות האתגר שמעסיק אותי הוא אחר: לשמר, ותוך כדי כך לבדוק וללמוד, את ההנדסה של אל-ג'זארי מן המאה ה-12.

לאן הגעתי?

הכנתי תכנית לבניית פיל מלגו בגובה של 60 לבנים (כ60 ס"מ) זה קנה מידה של 2:1 ביחס לשעון של אל ג'זארי. הפילים העצומים שאתם רואים בשחזורים הם בגודל של פיל אמיתי (3.5 מטר ) ולא בגודל השעון המקורי.  נעזרתי בתוכנת Tinker Cad. אני לפחות מצאתי אותה מאד ידידותית. הכנסתי מודל של פיל אסיאתי תלת מימדי ומלאתי אותו בלבני לגו:

פיל הלגו בtinkercad

בשלב זה לא הכנסתי למודל את שאר המרכיבים של השעון (אפריון, מהוט, כתבן, דרקונים וכולי) נראה בהמשך אם אעזר בתוכנה או אעדיף להתנסות בבניה.

הזמנתי 5420 קוביות לגו אפורות בגדלים שונים מ-8 ספקים מארה"ב ועד קרואטיה מדנמרק ועד  צרפת. תודה ל bricklink (שוק אינטרנטי ללגו) לא הייתי מסתדר בלעדיהם. הסיבה לכל הרבה ספקים היא פשוטה – אף ספק של לגו לא מחזיק כל כך הרבה חתיכות אפורות של לגו. בשבוע שעבר התחלתי לבנות. ככה זה נראה:

פיל לגו מעודכן ל- 11.10.18

בערך שליש פיל מלגו, החדק נח בקערת הדגנים שלנו כי אחרת הוא ייפול.

התחלתי כבר ניסויים על המצוף והכתבן אבל לכך יוקדש הפוסט הבא.

 

שעון המתופפים ורובוטים מוזיקליים

הקדמה

שעון המתופפים הוא שעון מים וככל הנראה גם אחת ממכונות התופים הראשונות ואב קדמון של הרובוטים המוזיקליים. הוא כולל חמישה מתופפים מכאניים: שני נגני מצילתיים, שני מתופפים הנושאים תופי מצעד ומתופף היושב לפני שני תופי דוד (טימפני). למרות ההתקדמות הגדולה ברובוטיקה ובבינה מלכותית (AI-Artificial Intelligence) רובוטים מוזיקלים  נופלים ממוסיקאים אנושיים, הנגינה שלהם חסרה גוונים ודקויות ו"מכאנית" בהשוואה. דווקא הפשטות של מכונת התופים בהשוואה נניח לרובוט המנגן בכינור מסייעת להתמקד בקושי האמיתי. הפוסט הזה נע בין הסברים על שעון המתופפים לבין הרהורים על הקשיים ביצירת רובוט מוזיקלי "מוזיקלי".

Category I chapter 2 fig 34 p43_1315_2

שעון המתופפים, עותק שהתפזר, 1315

איך זה עובד?

השעון הזה הוא גרסה פשוטה של שעון הטירה עם פחות מנגנונים להצגת הזמן וגם אלה שנותרו פשוטים יותר. הרכיבים הגדולים -מיכל המים, המצוף ובקר הזרימה – זהים באופן מלא לשעון הטירה וגם "קרונית הזמן" דומה מאד, קצת כמו גרסה זולה לטלפון סלולרי. אל ג'זארי לא חוזר ומסביר אותם אלא מפנה את הקורא לפרק הראשון (שעון הטירה). גם אני אעבור ישירות למוסיקאים. אל- ג'זארי כותב :

"כחלוף שעה יופיעו הנגנים (نوبة – נובה הוא ז'אנר מוסיקלי מארצות צפון אפריקה שמקורו במוזיקה האנדלוסית)  בצליל קולני הנשמע למרחקים"

ההסבר ההנדסי, ייצבע בכחול כמו תמיד, כך שמי שלא מתעניין במיכלי הטיה, גלגלי כפות וגלי זיזים יוכל לדלג. השרטוט למטה הוא השרטוט המקורי של אל ג'זארי עם כתוביות שהוספתי.

Category I chapter 2 fig 39 p48_Topkapi_he

מנגנון הפעלת הנגנים עם כתוביות שלי, עותק טופקאפי, 1206.

פעם בשעה נשפכים המים על גלגל הכפות. זהו שעון גדול מימדים ובכל פעם כזו זורמים כשמונה ליטרים מים. הגלגל מסתובב ואיתו הציר המחובר אליו. יחד עם הציר מסתובבות גם היתדות הניצבות לציר ובתנועתן הן פוגעות במוט אליו מחוברת רצועת הנחושת. היתדות הן גרסה מוקדמת של גל זיזים (camshaft) ומעבירות תנועה מעגלית לתנועה קוית. מספר היתדות והמרווחים ביניהם יוצרים תבניות שונות של תיפוף. המוט מחובר עם רצועת נחושת, המושחלת דרך גוף העץ החלול של הנגן, לחלק הניד של הזרוע. כאשר מושכים ברצועה הזרוע עולה ולאחר השחרור היא יורדת ומכה בתוף או במצילתים. היתדות (גל הזיזים) מאורגנות באופן שאופייני לעבודתו של אל- ג'זארי, שתי יתדות סמוכות זו לזו ויתד שלישית מרוחקת וכך מתקבלות שתי הכאות יחסית מהירות, המתנה והכאה שלישית. יש גם שני חצוצרנים אבל הם רק "אביזרי תפאורה". הצליל של החצוצרות מופק בנפרד ע"י המים מגלגל הכפות שנשפכים אל מיכל האויר ודוחסים את האויר שבו דרך הצינור עם המשרוקית והיא משמיעה קול. אל- ג'זארי השתמש במנגנון זה רבות, במגוון אוטומטות ו"חלילי מים".

רובוטיקה ואכזבת התלמידים

רובוטיקה היא דרך מהנה ולפעמים מרגשת ללמד וללמוד מדע וטכנולוגיה. זה נכון גם לתלמידים מצטיינים וגם לתלמידים שמתקשים בשיעורי המתמטיקה והמדעים. אלו כאלו  לוקחים על עצמם ברצון בעיות רובוטיקה, חוקרים נושא ובונים רובוט עצמאי תוך שימוש בחשיבה מקורית וברעיונות שלהם. לימדתי רובוטיקה במסגרות שונות: בבית הספר היסודי גבריאלי, במסגרת תיכון ברנקו וייס ע"ש הרצוג בבית חשמונאי וגם במסגרת מכון דוידסון לחינוך מדעי. בכל השנים שלימדתי מצאתי שזו חוויה לימודית ויצירתית. מעבר לכלי התכנות, להנדסה המכנית, לאלקטרוניקה ולגלאים זה מלמד ילדים להתמודד ולהתגבר על מכשולים, בונה בטחון והערכה עצמית ומעניק השראה למדע וטכנולוגיה. במסגרת שיעור הפתיחה הייתי מציג מגוון רחב של רובוטים כולל הרובוט שמנגן בכינור:

//

וכמעט בכל כתה שלימדתי של תלמידים (נלהבים ושמחים) היה תלמיד שהתלונן שהנגינה של הרובוט, "מכאנית" או "רובוטית" כהסתייגות או חולשה. בנגינה בכינור יש שפע של דקויות באופן שבו הכנר מפיק את הגוון (Timbre) של צליל הכינור והן תוצאה של הרבה בחירות, ראשית באיזה מיתר להשתמש, כמה לחץ תפעיל הקשת ובאיזה מהירות היא תנוע, האם להשתמש בקשת כולה או רק בחלקה ובאיזו הטייה. כל הבחירות האלו משקפות את ההבנה המוסיקלית של הכנר ותיצרנה הדהוד רגשי אצל השומע. הרובוט המוסיקלי בסרט מתוכנת כך שהוא "יודע" לנגן את התווים נכון. אבל ההבנה המוסיקלית שלו לא קיימת וכל הרעיון של אינטרפטרציה זר לו. מכונת התופים הרבה יותר פשוטה מן הכינור ותקל על הדיון.

הבחירה של המתופף כוללת "בסך הכל" את השאלה באיזה מן התופים להכות ובאיזה תבנית? במונחים של מכונת התופים של אל- ג'זארי זהו סידור היתדות עבור כל תוף ואולי גם שינוי אורכם על מנת להשפיע על עוצמת המכה. אצל אל ג'זארי התיפוף הוא קבוע לגמרי ו"התכנות" נעשה מראש בעת בניית המכונה אבל ניתן לחשוב בקלות על רובוט מתופף מודרני בו כל הפרמטרים ניתנים לשינוי. זה יאפשר החלטות כמו טכניקות ידיים משתנות ותבניות קצב מתחלפות אבל לא יקדם אותנו כלל אל פרשנות מוזיקלית.

זהו אתגר לא טריוויאלי לבוני רובוטים. רובוטים בספרות המדע הבידיוני ובשלהי המאה העשרים הן מכונות שיכולות לשכפל את את הפעולה האנושית בעיקר כשהיא חוזרת על עצמה. כאשר קארל צָ'אפֶּק טבע את המילה "רובוט" במחזהו "R.U.R" ("רובוטים אוניברסליים של רוסום"). הרעיון היה להחליף את האדם כאשר העבודה היא משעממת ובנסיבות קשות או אפילו מסוכנות. דוגמאות מובהקות הן הרובוטים המרתכים בתעשיית הרכב או הרובוט המשטרתי לפרוק פצצות. בשנים האחרונות יש שינוי כיוון ומחקר רב בבינה מלאכותית (AI- Artificial Intelligence) ותוצאות יוצאות דופן בתחומים מגוונים כולל רובוטים הסוחרים במניות, רובוטים רפואיים לאבחון וגם לניתוחים מדויקים, או תוכנות המשחקות בשחמט או בגו (משחק לוח יפני). תוכנות שחמט כמו קומודו המביסות כיום כל רב אומן שחמט אנושי. התרומה של AI בתחום המוסיקה (Artificial Intelligence Music- AIM) צנועה הרבה יותר ומוגבלת לכנסים ולאקדמיה ובדאי שאין רובוט מבצע שישווה למוזיקאי אנושי ואנשים לא צובאים על פתחי אולמות בהם מתקיימים קונצרטים של רובוטים. השדה של AIM  רחב מאד וכולל נושאים רבים, חלקם יחסית פשוטים להבנה כמו :

  1. שיטות להפקת מוזיקה בעזרת רובוטים מוזיקלים
  2. שימור ואחסון מוסיקה דיגיטלית

חלקם מסובכים יותר אבל עדיין נגישים :

  1. שיטות סמליות (Symbolic representations) ליצוג ותתי יצוג של מוסיקה – איך מייצגים מוזיקה, מעבר לתווים, כולל ה"מגע האנושי" ואינטראקציה בין נגנים.
  2. אינטראקציה אדם-מחשב- מוזיקה – כיצד המחשב מגיב למוזיקה אנושית כולל למשל ניסיונות להשתתפות רובוטים מוזיקלים באלתורי ג'אז.

חלקם על גבול מדע בדיוני:

  1. הכרה מוזיקלית חישובית (Computational music cognition) – הרעיון הוא לנסות ללמוד לא רק את הדרוש עבור מחשב בעל יכולת של הלחנה/נגינה מוזיקלית, אבל גם להתייחס לזה כאל תהליך ולהעביר את המחשב את אותם תהליכים שעובר המלחין/המבצע.
  2. ביצועים עשירי הבעה של מוסיקה ממוחשבת – כיצד ניתן לתכנת את "המגע האנושי"  לתוך המוזיקה שמבוצעת/מולחנת ע"י רובוטים

בתור משהו שממש אוהב רובוטים ואוטומטות, אולי קצת כמו אל-ג'זארי בשעתו, אני מופתע מן הנחת שנגרמת לי מן הקריאה על הקשיים של קהילת הAIM  ועל היכולות האנושיות שקשה כל כך לחקות. למרות כל מה שכתבתי אני רוצה שתראו את הסרט הבא: אינני יודע כמה מזה הוא אכן AIM  וכמה זה עריכה וקולנוע "אנושיים" אבל זה בודאי כיף לראות ולשמוע!

https://www.youtube.com/watch?v=bAdqazixuRY

שעון הטווסים והיופי בהנדסה

הקדמה

[הפוסט הזה פורסם לפני כמעט חמש שנים ב"עיר האושר" והוא ההתחלה של מסעי בעקבות אל ג'זארי. זוהי גרסה מעודכנת]

מכונות מודרנית נועדו להיות פונקציונאליות, אמינות וזולות. מעולם לא דיברו איתי בטכניון על היופי שבהנדסה אבל לעיתים כשאני מסתכל על מכונה או על חלקיה יש בה משהו עוצר נשימה, יפה כאמנות; האם ניתן ל"תפוס" את היופי הזה? באיזה מונחים? ב-2013 השאלות האלו עלו אצלי מחדש כאשר  ידידי, ד"ר עובד קדם, יצא לגמלאות וחיפשתי מתנת פרידה הולמת לאיש שאוהב מדע והיסטוריה של מדע, ורואה את המדע בהקשרים תרבותיים רחבים.

שעון מים או clepsydra (מיוונית "לגנוב מים") הוא כל שעון שבו הזמן נמדד על ידי זרימת המים לתוך או מתוך כלי. שעוני מים, יחד עם שעוני שמש, הם הכלים העתיקים ביותר למדידת זמן. לא ידוע מתי ואיפה הומצאו לראשונה, וככל הנראה גם לעולם לא נדע. יש עדויות על שימוש בשעוני מים במזרח התיכון, בבבל, ובמצרים סביב המאה ה-16 לפנה"ס ויש ראיות לשעוני מים מוקדמים גם באזורים אחרים של העולם, כולל הודו וסין. חיפשתי שעוני מים מעניינים וכך יצאתי למסע שהתחיל במכון ויצמן רחובות, עבר בכפר קרע, באיסטנבול ובוושינגטון ועדיין לא הסתיים. בחרתי לבנות את שעון המים של הטווסים.

CategoryI chapter 6 p75 fig 63 Topkapi

שעון המים של הטווסים,עותק טופקאפי, 1206

איך זה עובד?

ההסבר ההנדסי, ייצבע, כמו תמיד, בכחול, כך שמי שלא מתעניין בגלגלי כפות ובמיכלי הטיה יוכל לדלג.

peacock_clock_mechanism_he

שרטוט של המנגנון מן הספר עם כתוביות שלי

השעון נבנה בקיר של בריכה מעוטרת שבמרכזה מזרקה. המיכל הראשי מקבל כניסת מים, ככל הנראה מן הבריכה, בקצב שווה בקירוב ליציאת המים מן המיכל. המים זורמים מן המיכל הראשי למיכל ההטיה. כתבתי על מיכלי הטיה כאן ואולי בהמשך אעשה אנליזה מתמטית מלאה. האחרון הוא ליבו של השעון וכאשר הוא מתמלא, פעם בחצי שעה, משתנה מרכז הכובד והכלי נוטה על צירו ושופך את המים שאגר על גלגל הכפות אשר מניע את מרכיבי השעון.  על כדור הנחושת  (ראו בשרטוט למעלה) ניצב טווס פרוש זנב המסתובב פעם בחצי שעה, כשהמים במיכל ההטיה נשפכים על גלגל הכפות. שני הטווסים הצעירים בגומחה שמעליו נעים זה אל זה במין עימות, והטווסה בגומחה העליונה עושה חצי סיבוב וחוזרת למקומה. המולת הטווסים מתרחשת כאמור פעם בחצי שעה אבל כדורי הזכוכית הנצבעים אדום ביום, ומוארים בלילה בזה אחר זה שומרים את מניין השעות החולפות.

 יופי מדע וטכנולוגיה

השרטוטים המכאניים של אל ג'זארי נראים כמיניאטורות תורכיות ולהם קסם מיוחד. לאהובתי יש תיבת אוצרות שבה היא שומרת גלויות ממסעותינו בעולם, למרות ששנים רבות לא שלחנו גלויה לאיש. כשהראיתי לה את שעון הטווסים היא פשפשה בין גלויותיה ומצאה גלויה בת 20 שנה או יותר, ממסע נושן שלנו לאיסטנבול שנבחרה כתמונה בלי לדעת דבר על הספר או על כותבו.

למרות הקטיעה ברצף הסיפור כדאי לעצור כאן לרגע להרהור. יש כאן טענה סמויה שאומרת שיופי הוא יופי הוא יופי, והיופי כאן אינו של המכונה ושל דרך פעולתה, הגלויה היא פשוט ציור יפה. זה קשור לקומפוזיציה לצבעוניות ושאר שאלות שמעסיקות אוהבי אמנות. מכון ויצמן "מסכים" וכאשר הוא עוסק ב"יופי במדע" הוא מציג תערוכה של תוצאות ניסויים שנראות אסתטיות, יפות ושובות עין, במנותק מן המעשה המדעי. בחרתי כדוגמא תמונה ממחקר של עינת ויטנר. ברור שהחיבור למאטיס משך את לב החוקרת, אבל אינני יודע כלום על משמעותה המדעית, או על הקשר שלה למושג החמקני של יופי במדע או בהנדסה.

Beauty of science

"היופי במדע" 20111 : “Dance of Astrocytes“ , עינת ויטנר

האם שעון הטווסים יפה במנותק מהיותו מכונה?

במהלך עבודתי נסעתי לכפר קרע להיפגש עם  ד"ר אברהים יחיא מנהלו של מרכז מו"פ (מחקר ופיתוח) במשולש, השייך לעמותת אל זהראווי לקידום מדע וטכנולוגיה במגזר הערבי. רציתי לדבר איתו על עבודתו בכפר עם קבוצות מדע פעיל  אבל במהלך השיחה התברר לי להפתעתי שהוא מחזיק את הספר של אל ג'אזרי בערבית, ויש לו עניין רב וידע בנושא, כתלמידו של פרופ' פואט סזג'ין (Fuat Sezgin), מזרחן המתמחה בהיסטוריה של המדע בתור הזהב המוסלמי, הקים שני מוזיאונים, בפרנקפורט, ובאיסטנבול עם העתקים של מכשירים מדעיים מן התקופה כולל ארבע עבודות של אל ג'אזרי. למרות שאני אדם רציונאלי ואין בי אפילו  פרור מיסטי יחיד חשבתי שהאופן שבו עבודתו של אל ג'אזרי צפה וחודרת אל חיי היא מפתיעה, מוזרה ומושכת לב. באותה שנה נסענו לאיסטנבול לראות את המוזיאון. המוזיאון ממוקם בפארק גולהאן שהיה פעם חלק מהגינה של ארמון טופקפי, והוא יפהפה. יש בו סקסטנטים (מכשירי ניווט) מקסימים ומפות מרתקות וכלי רפואה מן התקופות שבהן היה האיסלם בחזית המדע והטכנולוגיה, אבל דווקא החפצים שתוכננו ע"י אל ג'אזרי נראו לי כהעתק חיוור, כמעט פולקלוריסטי של הספר שאהבתי:

elephant clock comparison

שעון הפיל, מימין תמונה מן הספר, משמאל הדגם מן המוזיאון.

אפשר לטעון כי אומני המוזיאון נכשלו בהעברת היופי הדו מימדי לדגם התלת מימדי אבל נדמה לי שיש כאן הרבה יותר מזה. הסוגיה קשורה למהות היופי של מכונות ועוד אגיע לזה בהמשך.

בינתיים גיליתי שיש תערוכה גדולה על ההיסטוריה המדעית של האיסלם בשם  "1001 המצאות" במוזיאון הNational Geography  בוושינגטון, עם סיר בן קינגסלי בתפקיד אל ג'אזרי (קצת ארוך ~ 13 דקות):

התערוכה הושקה בשנת 2006 במוזיאון למדע ותעשייה של מנצ'סטר ומהר מאד נדדה והפכה לשם דבר בינלאומי. היא הוצגה בפרלמנט הבריטי בלונדון, בפרלמנט האירופי בבריסל, ובבניין האו"ם בניו יורק. בינואר 2010 היא חודשה והושקה מחדש במוזיאון המדע בלונדון, ומשם המשיכה לאיסטנבול, ניו יורק, דובאי, סן פרנסיסקו וּוושינגטון, שם ראיתי אותה גם אני עם בני נח, רגע לפני שנסעה למלזיה.

התערוכה משתמשת באל ג'אזרי כפרזנטור של הטכנולוגיה המוסלמית בתור הזהב, ויש בה שני שעוני מים, "שעון הכתבן" ו"שעון הפיל". למרות העיסוק במדע וטכנולוגיה ה"סיפור" של התערוכה הוא היסטורי: בסיפור הזה ימי הביניים אינם תקופה חשוכה המפרידה בין העת העתיקה לרנסאנס המואר, אלא תור הזהב של האיסלם.  ובהמשך לכך, הפריטים עצמם ("שעון הפיל", "מתקן השאיבה" וכן הלאה) הם עיצובים מושקעים בלבד ללא מים זורמים, גלגלי שיניים או שמץ מנגנון מכני. מדובר בקליפה מאד מעוצבת אך ריקה. למרות היופי וההשקעה הרבה אינני סבור שגם "הכתבן" וגם "שעון הפיל" משתווים או אפילו מתקרבים ליופי המקורי.

אני חושב שיש בתוכנו משהו שמזהה ונענה ליופי. באופן שאינו בהיר לי, היופי הזה, כאשר מדובר במדע והנדסה מתחבר לנכונות ולדיוק. בשבע השנים האחרונות לימדתי תלמידי תיכון מדע חישובי, וקל להגיד מתי פיתרון בתוכנה הוא "יפה" ומתי הוא מסורבל ומאולץ. היופי במקרה זה אינו אסתטי טהור אלא הוא חיבור של פשטות ועוצמה.

פשטות

על מנת להסביר את רעיון החיבור בין פשטות ליופי אני רוצה להיתלות באילנות מדעיים גבוהים מאד.

אריסטו קבע בשעתו, שהארץ היא מרכז היקום וסביבה סובבים כדורים מחומר שקוף דמוי-בדולח. בכדור החיצוני קבועים כל כוכבי השֶׁבת, בכדור הפנימי סובב הירח, באחד הכדורים האמצעיים קבועה השמש, ובכל אחד משאר הכדורים קבוע אחד מכוכבי הלכת. ככל שהתרבו התצפיות האסטרונומיות היה קשה יותר לכלול אותן במודל. מערכת הכדורים הסתבכה ונוספו לה מעגלי משנה ("אֵפִּיצִיקְלים" ביוונית) שגרמו לכוכב-לכת לעשות לולאות מורכבות סביב כדור הארץ. המודל הסופי היה כה מסובך, שאלפונסו העשירי מלך קסטיליה שכונה "המלומד" לא התאפק ואמר כי אילו נועץ בו אלוהים לפני הבריאה היה ממליץ לו על מבנה פשוט יותר.

Geocentric world

תמונת העולם על פי תלמי, התיאור השלם והמפורט ביותר של המודל הגיאוצנטרי בעקבות אריסטו

בסיפור הזה של המודל המדעי המסביר את תנועת גרמי השמיים יש גיבורים נוספים, קופרניקוס הוא אולי הידוע מכולם, אבל אני קופץ ישר ליוהנס קפלר (1571-1630) שהחליף את המערכת המורכבת בשלושה חוקים פשוטים:

  1. מסלול אליפטי: כל כוכב לכת סובב את השמש במסלול בצורת אליפסה שהשמש נמצאת באחד ממוקדיה.
  2. חוק המהירות הגדלה: ככל שכוכב הלכת נע קרוב יותר לשמש מהירותו גדלה. קפלר כתב את החוק הזה באופן מתמטי המאפשר חישובים ותחזיות.
  3. זמן המחזור: כוכבי הלכת הרחוקים יותר מהשמש הם בעלי זמן מחזור (הזמן שלוקח לכוכב הלכת להקיף את השמש ואנו קוראים לו "שנה") גדול יותר ומהירותם קטנה יותר. גם כאן היתה לקפלר נוסחה מתמטית פשוטה.

מי שלמד את חוקי קפלר יודע שהתמצות שלמעלה הוא קצת קיצוני, אבל נדמה לי שכל אחד יכול לראות את היופי, ביכולת להסביר את התנועה המורכבת של שמי הלילה בעזרת שלושה חוקים פשוטים שדורשים מתמטיקה של חטיבת הביניים.

הפשטות והאלגנטיות של המודל של קפלר מסייעות לנו להשתכנע אבל לא הופכות אותו לנכון. כמו כל מודל מדעי או הנדסי יש לאשש אותו בתצפיות. התצפיות האסטרונומיות הן רבות מספור ומכילות סטיות וטעויות. החוקיות אינה פשוטה למתבונן. קפלר השקיע שנים רבות בניתוח הנתונים. ככל שהמודל המדעי או ההנדסי מורכב מחוקים פשוטים יותר, ככל שהחוקים מסבירים יותר תופעות, לפעמים כאלו שנראו לכאורה לא קשורות, יש תחושה של עולם הגיוני, הרמוני יותר, שמהדהד בנו גם, נדמה לי, כיפה יותר.

עוצמה

מדי פעם יש הישג הנדסי, כמו הטלפון, או נורת החשמל, שגורם לנו באמת להאמין בכוח ההמצאה האנושי, משפר את חייהם של אנשים ולעתים תכופות מביא לשינויים חברתיים גדולים. מה הופך פתרון הנדסי או מדעי לרב עוצמה מעבר להצלחתו? גם את זה ניסיתי לבדוק דרך דוגמא:

הגלגל הוא המצאה כה עתיקה עד כי אין לנו שום דרך לדעת מי המציא אותו או איפה הומצא. התיעוד המוקדם ביותר של רכב עם גלגלים, הוא ציור של קרון בעל ארבעה גלגלים שנמצא על גבי כד מחרס באזור פולין, ותוארך למחצית האלף הרביעי לפנה"ס. הגלגל סייע לגשר על מרחקים וייעל את ההובלה של חפצים וסחורות. אבל בניגוד אולי למצופה, התועלת התחבורתית הייתה מוגבלת למדי במשך אלפי שנים בשל חוסר בתשתיות כבישים.

לעומת זאת היו לגלגל שימושים רבים נוספים. טחנות קמח מבוססות גלגל מים, כישור או גלגל הטוויה, גלגלות להרמת משאות, גלגלי שיניים לשינוי כיוון התנועה ויחסי הכוח שאפשרו לתרבויות עתיקות ליצר מכונות מורכבות ושאל ג'אזרי עושה בהם שימוש כה חינני ועוד ועוד.

מדד העוצמה שואל כמה הפיתרון ההנדסי מורכב וכמה שכבות יש לו. נדמה לי שזה דומה, אך אחר, מן היופי שבגילוי של סבטקסט, כאשר תוכן של ספר או סרט שלא הועבר לנו כקוראים/צופים בצורה מפורשת הופך נהיר או מובא לפני השטח. זאת לא רק המורכבות כי אם גם ההשתלבות והאיחוד, היופי המתקבל מן האופן שבו המרכיבים השונים מתחברים זה אל זה, המים ממלאים את מיכל ההטיה שתוכנן בקפדנות כך שייטה על צירו מידי חצי שעה מסובבים את גלגל הכפות, קצת כמו ההנאה שלנו ממכונה של רוב גולדברג:

רוב גולדברג, מתקן מפית לניגוב הפה, 1913

מבחינה זו כאשר מרוקנים את המכונה, מן הפונקציה שלה והופכים אותה לאובייקט עיצובי בלבד היא מאבדת את עוצמתה ואת פשטותה ולפיכך את יופייה, גם אם לכאורה לא נגרע דבר מצורתה.

בעזרת הצוות של בית המלאכה של גן המדע ע"ש צ'רלס כלור נבנה אבטיפוס של שעון הטווסים. ואתם יכולים לראות אותו כאן בפעולה:

 

 

שעון המים של הכתבן

הקדמה

אל ג'זארי עצמו כתב הקדמה לפרק זה, ואין לי אלא להביא את דבריו:

"המלך סלח אבו אל-פת' מחמוד שאלוהים ישמור על האיסלם ויאריך את ימיו, הציע שאכין מכשיר ללא שרשראות, מאזניים או כדורים, שלא יהיה חשוף לשינויים מהירים או שחיקה ואפשר יהיה לקרוא ממנו את השעות החולפות ואת חלקי השעות בנוחות. המכשיר יהיה נחמד למראה ומתאים למסעות או למגורי קבע. חשבתי על הצעתו ובניתי את זה."

"זה" הוא שעון הכתבן (באנגלית  scribe, בערבית ورّاق ) תכנון השעון דרש שני מרכיבים חישובים:

  • פני השעון מאפשרים את מדידת השעות הסולאריות.
  • השיפוע של רדיוס הכד דורש הבנה במכניקה של זורמים.

הפרק הזה עמוס במתמטיקה והחלקים ה"כחולים" (קטעים הנדסיים או מתמטיים צבועים בכחול) בו רבים מן הרגיל. מקווה שתצלחו אותם בשלום.

Category 1 chapter 5 Fig 62 p 73

שעון המים של הכתבן, כנראה כתב יד מקהיר שהתפזר, 1354

איך זה עובד?

ההסבר ההנדסי, ייצבע, כמו תמיד, בכחול, כך שמי שלא מתעניין בגלגלות או במשקולת איזון יוכל לדלג. זהו שרטוט של המנגנון  עם כתוביות שלי:

mechanism_2

מנגנון הכד של הכתבן

זהו כד מנחושת המחולק לשניים, מיכל תחתון וחלק עליון בינהם יש צינור צר. ממלאים בתחילת היום את הכד(החלק העליון) במים, המצוף יהיה בשיא גובהו והעט של הכתבן מצביעה על שעת הזריחה. במהלך היום המים ירדו אט אט למיכל התחתון דרך הצינור הצר כתוצאה המצוף ירד. המצוף מחובר דרך הגלגלת המשנית לגלגלת המרכזית והוא מאוזן בעזרת המשקולת.  כאשר המצוף ירד, המשקל המאזן יעלה והגלגלת ההמרכזית תסתובב באופן מתאים ואיתה הכתבן ועטו. כמות המים מספיקה לארבע עשרה וחצי שעות עבור היום הארוך בשנה. בשקיעה מחזירים את המים מן המיכל התחתון אל הכד והתהליך חוזר על עצמו. אפשר לראות כאן סרט קצר על השעון:

שתי סוגיות הנדסיות ראויות להרחבה:

  • פני השעון והאורך המשתנה של היום.
  • איך אל ג'זארי מצא פתרון מעשי למשוואת ברנולי שלא הכיר או הבין?

פני השעון והאורך המשתנה של היום

בקיץ הימים ארוכים והלילות קצרים, ובחורף להפך. אנחנו מזיזים את השעון שעה אחת קדימה בתחילת הקיץ ("שעון קיץ"), ובסיומה מכוונים בחזרה שעה אחת אחורה. רעיון הקדמת היום והתאמתו לשעות התאורה מיוחס לבנג'מין פרנקלין והנימוק הוא לרוב חיסכון באנרגיה אבל יש טענה כי שעון הקיץ משפר את איכות השינה, כיוון שהוא מאפשר שינה ממושכת יותר בשעות החשכה שבהן השינה עמוקה יותר ויש גם קשר בין אור לבין מצב הרוח. גם אל- גזארי התלבט בקשר בין אורך היום לבין השעון. זהו צילום מסך מסרטון youtube שלמעלה. הוספתי מעט כתוביות.

clock face he

פני השעון, צילום מסך עם כתוביות מן הסרט של Technology and Science in Islam

פני השעון מחולקים לשמונה עשרה רצועות וכל רצועה מתחלקת לשתים עשרה שעות סולאריות. הרצועה הראשונה מכסה 3600, היא מיועדת לעשרה הימים החל מן ה-21 ביוני (היום הארוך בשנה). השעה הסולרית תהיה 300 אבל בדיארבקיר יש כ-14.5 שעות אור ולכן השעה הסולארית תהיה ארוכה ב-12 דקות מן השעה הקבועה שאנחנו מכירים.

הרצועה השמונה עשרה (הפנימית ביותר) מיועדת לעשרת הימים האחרונים של דצמבר. יש בדיארבקיר רק 9.5 שעות אור ולכן הרצועה קוצרה ל :

9.5/14.5*360=2360

כל שעה תהיה מעט פחות מ200 וכל שעה תהיה בקרוב 46 דקות!

הרעיון של שעות סולאריות נראה במאה ה-21 מאד מוזר ומסבך הכל. רק חסר למתכנתים שהיו נאלצים לעבוד בתזמונים שמשתנים עם לוח השנה. הזמן נשען מאז ומעולם על תנועת גרמי השמים. השנים נספרו ע"פ השמש או הירח והיממה, השעה, הדקות והשניות נגזרו כולן מן השעון השמימי. למעשה עד 1967 השנייה היתה מוגדרת  כ- 1/86,400 מיממה שמשית ממוצעת. רק עם פיתוח השעון האטומי ניתקנו את החיבור של הזמן לתנועת הכוכבים והגדרנו שנייה כ-9,192,631,770 מחזורי מעבר בין שתי רמת אנרגיה של אטום צסיום. למרות שזה שינוי שמעניין רק מדענים ספורים בעצם הפכנו את הזמן על ראשו, בעבר השנייה היתה מוגדרת ע"פ היממה השמשית, עכשיו כל יחידות הזמן; דקה,שעה, יממה וכו נשענות על ההגדרה של שנייה. מוזר עוד יותר אבל השעונים האטומים והדיוק המופרך שלהם הם חלק מן היום יום שלנו ואי אפשר להשתמש בwaze או בכל תכנת ניווט בלעדיהם. בעולם של המאה ה-12 השעון הסולארי היה הגיוני להפליא ולמעשה יותר מחובר לתנועה השמימית ולשעון של "הטבע".

 משוואת ברנולי ו"הפתרון" של אל-ג'זארי

הבעיה הקשה בשעוני מים היא שקצב זרימת המים אינו קבוע אלא תלוי בגובה המים במיכל.  השרטוט הבא מדגים את הבעיה. לצורך הפשטות המיכל הוא צילינדרי והצינור הדק בין הכד לבין המיכל התחתון הוגדל מאד:

Bernoulli motivation

ברור כי בתחילת היום כאשר הכד מלא מים זרם המים יהיה עז יותר מאשר לאחר עשר שעות כשגובה המים במיכל ירד מאד. איך מחשבים את קצב יציאת המים ומה ניתן לעשות?

הפתרון המתמטי לבעיה ניתן ע"י  דניאל ברנולי (Daniel Bernoulli) ‏  מתמטיקאי שווייצרי  מן המאה ה-18 וזוכה פרס האקדמיה הצרפתית עשר פעמים. הראשון שביניהם, כמה מפתיע, על שעון מים למדידה מדויקת של הזמן בים לצרכי ניווט. (אני מחפש מפרט טכני של השעון וכל סיוע יתקבל בברכה.) הפרסים הרבים לא גרמו לו רק אושר. בשנת  1734 הוא זכה בפרס האקדמיה במשותף עם אביו, יוהאן ברנולי, מתמטיקאי בזכות עצמו. האב לא יכול היה לסבול את הבושה של להיות שווה ערך לבנו והוא אסר עליו את הכניסה לביתו ולא התפייס איתו עד יום מותו. אני בספק אם יוסף סידר הכיר את הסיפור אבל הדימיון ל"הערת שוליים" מטורף.  העבודה הכי חשובה של דניאל ברנולי היא הידרודינמיקה שיצאה ב-1738:

Hydrodynamica

דניאל ברנולי, הידרדינמיקה

למרות מחקר רב (מצאתי שישה מחקרים שונים!) המראה שפרחי הנדסה ופיזיקה שלמדו את הקורס במכניקת נוזלים שוגים בהבנת משוואת ברנולי בכל זאת אאתגר את קוראי הפוסט בפתרון המתמטי של בעיית שעון המים.

משוואת ברנולי אומרת ש :

Bernoulli_1

 כאשר P  הוא הלחץ

 rho  היא צפיפות המים

 g  היא תאוצת הכובד  9.8 m/s2 ~

 h הוא גובה הנוזל ביחס למישור היחוס

 v היא מהירות הזרימה של המים

מי שמעוניין להעמיק יכול להמשיך כאן ויש ארבעה שיעורים לא רעים ב khanacademy. הבעיה שלנו נראית כך: 

Bernoulli

נוכל לרשום לכן את משוואת ברנולי:

Bernoulli_eq_2

כאשר P1 הוא הלחץ בכד, h1 הוא גובה המים בכד ו v1 היא מהירות זרימת המים בכד. בהתאמה  P2 הוא הלחץ בצינור הצר, h2 הוא גובה המים בצינור,  ו v2 היא מהירות זרימת המים בצינור.

גם הכד וגם הצינור פתוחים לאטמוספרה ולכן P1=P2=atm ואפשר לצמצם אותם. גובה המים במיכל הוא (h(t ותלוי בזמן, משום שכאשר המים ירדו למיכל התחתון, h כמובן ילך ויקטן. לעומת זאת הצינור הצר נקבע כמו מישור היחוס ולכן h2=0. נקבל:

Bernoulli_eq_3

מאחר והצינור דק מאד בהשוואה לכד אנחנו יכולים להניח שמהירות הנוזל בצינור גדולה בהרבה ממהירות המים בכד ואפשר להזניח אותה לצורך חישוב המהירות בצינור:

Bernoulli_eq_4

למי שזה מצלצל מוכר זה נקרא חוק טוריצ'לי ואני עשיתי איתו ניסוים נחמדים עם תלמידי בחט"ב בית חשמונאי:

torr_dem

ניסוי בחוק טוריצ'לי. 3 חורים זהים בגבהים שונים.

כמות המים שירדה בצינור הדק מוכרחה להיות שווה לכמות המים שאיבד הכד ולכן :

Bernoulli_eq_7

כאשר A2 הוא שטח החתך של הצינור הדק וA1 הוא שטח החתך של הכד:

Bernoulli_eq_8

כאשר r2 הוא רדיוס הצינור הדק הכד, אבל A1 אינו קבוע, הולך וקטן משום שהכד הולך ונהיה צר:

Bernoulli_eq_9.jpg

המהירות v1 היא השינוי בגובה המים בכד כפונקציה של הזמן ולכן :

Bernoulli_eq_10.jpg

נחבר את ארבע המשוואות, נקבל:

Bernoulli_eq_11

נארגן את זה מחדש ונדאג שקצב ירידת המים יהיה קבוע ולכן :

Bernoulli_eq_12

מתקבל שעל מנת שהקצב יהיה קבוע רדיוס הכד צריך להיות פרופרציוני לשורש הרביעי של גובה המים:

Bernoulli_eq_13

הכלים המתמטיים האלו לא עמדו לרשותו של אל ג'זארי. בהערת סוגריים שתדרוש פוסט נפרד אין עדות בספר לידע המתמטי הנרחב שכן היה זמין בעולם המוסלמי של המאה ה-12. אני חושד שהחינוך המתמטי של אל ג'זארי היה יחסית מצומצם. אבל בהיותו רב תושיה הוא פיתח טכניקה ניסויית שאפשרה לו להתגבר על החוסר בכלים מתמטיים. בזמן הכנת הכד הוא סימן בעזרת סרגל את הגובה וחילק אותו לארבע עשרה וחצי חלוקות שוות. הוא מילא את הכד במים ומדד בעזרת שעון אמין את ירידת המים במשך שעה אחת. אם המים ירדו יותר או פחות מאשר שנתה אחת הוא הצר או הרחיב את הכד על ידי ריקוע. הוא חזר על התהליך עבור כל אחת מן השנתות. חבל מאד שהכד שרקע לא נותר לנו כדי להשוותו לחישוב התיאורטי אבל אי אפשר שלא להתפעל מן המעשיות של הפתרון.

שעון הנר של הכתבן, על שנתות ומחוגים

הקדמה

שעון הנר של הכתבן הוא השני משלושה כתבנים אוחזי עט המופיעים בספר. הכתבן מסתובב באופן רציף ועטו יחלוף על פני חמש עשרה מעלות בכל שעה, כך שמעלה (שנתה) היא ארבע דקות בקרוב. פגשנו את הכתבן עם עטו כבר בשעון הפיל ובהמשך אכתוב על שעון המים של הכתבן שמנגנונו אחר, אבל גם שם יש כתבן עם עט המשמש כמחוג. זה מזכיר מאד שעונים "מודרנים" עם מחוגים וגרם לי לחזור ולבדוק את התפתחות מושגים כמו דקה ושניה ואת התפתחות לוח השעון והמחוגים.

Category I chapter 8 p 89 Fig 75_2

שעון הנר של הכתבן "ספר הידע של התקנים מכאניים מופלאים", עותק טופקפי, 1206

איך זה עובד ?

אל ג'זארי פותח את התיאור של שעון הכתבן :

"נתקלתי בשעון שנעשה על ידי יונס אצטרולבי הדומה לשעון שתארתי בפרק הראשון [הכוונה  לשעון הנר של איש החרב] קורה שבמרכזה חור לפתיל החליפה את הכוסית שבה הנחתי את הנר, גיליתי שהשעווה זרמה פנימה על המכשירים…  זה גרם להרבה צרות… מסיבה זו העיצוב היה חסר תועלת."

איננו יודעים מי היה יונס אצטרולבי. אילהרד ווידמן (Eilhard Wiedemann) פיזיקאי גרמני מן המאה ה-19, מראשוני החוקרים של מדע באיסלם, שעשה רבות להביא את עבודתו של אל ג'זארי למערב הציע שזה יונס האסטרונום והמתמטיקאי. ככל הנראה לא נדע בוודאות במי מדובר. כך או כך זה מעניין, משום שלא נותרו לנו עדויות לשעוני נרות מתוחכמים, מלבד שעוניו של אל ג'זארי.

ההסבר ההנדסי, ייצבע, כמו תמיד, בכחול, כך שמי שלא מתעניין בגלגלות או במשקלות מאזנות יוכל לדלג. זהו שרטוט של מתרגם ומבאר הספר דונלד היל עם כתוביות שלי:

mechanism_he

שרטוט מנגנון הכתבן ע"פ דונלד היל עם כתוביות שלי

הנר מושם על תושבת, בתוך נדן הפליז, כאשר רק הפתיל מציץ מן המכסה. אל התושבת מולחם מוט ארוך אשר עובר דרך המשקולת הראשית כך שהיא חופשית לעלות ולרדת סביבו. לקצה המוט מחוברים שני חוטים הרתומים דרך גלגלות למשקולת הראשית. היא כבדה יחסית, מעט יותר מק"ג. עם השקיעה מדליקים את הנר. בתחילת הערב כשהנר שלם, המוט יגיע לנקודה הנמוכה ביותר והמשקולת תהיה בשיא גובהה. במהלך הבעירה הנר יתקצר, הכוח שמפעילה המשקולת ידחף את התושבת כלפי מעלה בקצב קבוע התלוי בקצב הבעירה. אל תחתית המשקולת מחובר חוט נוסף הכרוך על הגלגלת שעל צירה יושב הכתבן. כאשר הנר מתקצר המשקולת תרד והגלגלת תסתובב ואיתה יסתובב הכתבן. בכל שעה הוא יעבור עם עטו על פני חמש עשרה מעלות ולכן ניתן לדעת את הזמן בדיוק של 4 דקות. ארבע עשר כדורים חלולים נמצאים במחסנית החופשית לעלות. המחסנית מחוברת בחוט לתושבת. לאחר שעה הנר התקצר והתושבת עלתה ומשכה אתה את המחסנית והכדור הראשון הגיע לפתח תעלה המחוברת לראשו של הבז. הכדור יתגלגל החוצה מתוך מקורו. התהליך הזה יחזור על עצמו מידי שעה עד לזריחה.

דקות ומדידתן

הגלובוס ופני השעון חייבים את צורתם לשיטה נומרית בת כארבעת אלפים שנים. הבבלים עשו חישובים אסטרונומיים על בסיס  סקסגסימלי ( בסיס שישים). ניתן רק לשער למה עמי המזרח הקדומים (מלבד הבבלים גם האשורים היו סקסגסימלים) אמצו את השימוש במספר שישים כבסיס. יש טענה שהשימוש במספר שישים נבחר משום שהוא המספר הראשון שמתחלק במספרים אחד עד שש. לחלופין יש  טענה שזה נובע מכך ששנת הירח מכילה שלוש מאות ושישים ימים ויש בודאי השערות נוספות. הִיפַּרְכוֹס מניקאה שכבר הוזכר כאן כמו גם אסטרונומים יוונים אחרים השתמשו בכלים אסטרונומים שפותחו בעבר על ידי הבבלים.  היפרכוס השתמש  בגיאומטריה של כדור למציאת מיקומים על פני כדור הארץ. היו לפניו ניסיונות לשימוש בקווי רשת למיפוי כדור הארץ אבל הוא היה הראשון להפעיל מתמטיקה פורמאלית של קווי אורך המקיפים 3600 ורצים מדרום לצפון וקווי רוחב המקבילים לקו המשווה.

Latitude_longitude

קווי אורך ורוחב למציאת מיקום על פני כדור הארץ

פְּתוֹלָאמָיוּס קְלָאוֹדִיוּס, המוכר בקצרה בשם תַלְמַי, נחשב לאסטרונום החשוב ביותר בעת העתיקה. ספרו אלמגסט, שיבוש  של השם בערבית (المجسطي) נחשב ליצירת הפאר של האסטרונומיה היוונית. הדיון  באלמגסט  הוא לרוב בהקשר של המודל הגאוצנטרי לפיו כוכבי הלכת נעים סביב כדור-הארץ, מודל שהיה מקובל על הקהילה המדעית עד לעבודתו של קופרניקוס במאה השש עשרה. מסתבר שתלמי השתמש והרחיב את עבודתו  של היפרכוס על ידי תת חלוקות של  3600 של קווי אורך ורוחב למקטעים קטנים יותר. כל מעלה חולקה לשישים שנקראו partes minutae primae או מילולית החלק הראשון הקטן, בהמשך זה צומצם לminutae או minute, מילולית הקטנה וגם אלו חולקו לשישים ונקראו  partes minutae secundae, או החלק השני הקטן וזה צומצם לsecondae או second.

גם יחידות הזמן בעברית משקפות את השמות ההיסטורים, דקה מלשון דק בדומה ל- minute שפרושו קטנה והחלוקה השנייה היא השנייה, זהה לגמרי לseconds.

שעונים עדיין לא הראו דקות ושניות מאות שנים אחרי האלמגסט, גם בגלל מגבלות הטכנולוגיה וגם משום שלא היה צורך בכך. המשמעות של שעה כשישים דקות לא היתה מובנת לציבור הרחב. לא נותרו שעונים מכניים רבים מן המאה הארבע עשרה אבל כל אלה שמצאתי הם ללא מחוגי דקות וברוב המקרים מציינים את השעות שחולפות ע"י צלצול פעמון. יש הטוענים כי השעון בקתדרלה בסולסברי בדרום אנגליה הוא השעון העובד העתיק ביותר בעולם ומתארכים אותו (לא ודאי) לשלהי המאה ה-14.  זהו שעון ברזל גדול ללא חוגה וכמובן ללא מחוגים. בעולם יש שעונים נוספים המתחרים על התואר. לאף אחד מהם אין מחוג דקות:

Salisbury_Cathedral

השעון בקתדרלה בסולסברי

השעון במגדל השעון בפורצנברג , עיירה קטנה בדרם גרמניה הוא הוא השעון העתיק ביותר שיש ודאות לגבי תאריך בנייתו. התאריך 1463 מוטבע בברזל. נותר חוסר וודאות קטן אם זו שנת הבנייה או אולי השעון עתיק יותר, וזהו תאריך של  תיקון?  גם לשעון זה רק  מחוג שעות:

Forchtenberg

מגדל השעון ב Fortchenberg

מי היה הראשון להתקין את מחוג הדקות? לא ברור אבל למחוג השניות יש "אבא". ז'וסט בורג'י (Jost Bürgi) היה שען החצר של וילהלם הרביעי, רוזן הסן-קאסל, מתמטיקאי ואסטרונום בעצמו. למרות שהרוזן נשכח מספרי היסטורית המדע הוא היה אסטרונום יוצא דופן ותצפיותיו, במיוחד אלה של כוכבי השבת, היו מדויקות ממש כמו התצפיות של של טיכו ברהה. בורג'י הובא לחצר בקאסל על מנת לפתח מכשירים מדעיים, ולאשר את המודל ההליוצנטרי של קופרניקוס. הוא בנה מכשירים שונים עבור המצפה וב-14 לאפריל 1586 כתב הרוזן לטיכו ברהה שבורג'י בנה שעון מדוייק שיש לו מחוג דקות, מחוג שניות והוא טועה בפחות מדקה בכל 24 שעות! כריסטוף רוטמן, אסטרונום נוסף מאותה התקופה כתב על השעון החדש המופלא:

"משך הזמן של שנייה הוא לא קצר מאוד אבל דומה לאורך של הצליל הקצר ביותר בשיר איטי למדי"

Burgi_clock

השעון המדויק של ז'וסט בורג'י

זה מנציח את הרגע שבו המדע והטכנולוגיה מיצרים מציאות חדשה.

אפילוג

היום קראתי על תערוכה במוזאון ישראל של כריסטיאן בולטנסקי הנקראת "ימי חיים". הוא כתב:

"חלק מרכזי בעבודתי היא העובדה שכל אדם הוא מיוחד, אחד ויחיד וחשוב, שכל אחד סופו להיעלם. רובנו נשכח בחלוף שני דורות, עם לכתם של הקרובים לנו"

זה בודאי לא נכון לאל ג'זארי אבל ככל הנראה נכון לרובנו. התערוכה משלבת יצירות מוקדמות של בולטנסקי לצד עבודות חדשות וכוללת שעון עצר דיגיטאלי שסופר ללא הרף את השניות מרגע הולדתו של האמן. מצאתי צילום של שעון עצר ממיצב (installation) של בולטנסקי בבינאלה. אינני יודע אם המוצג במוזיאון ישראל זהה.

Boltanski

כריסטיאן בולטנסקי,הביאנלה לאומנות ונציה, 2011

שעון הפיל – רב תרבותיות או קרקס?

הקדמה

שעון הפיל הוא ללא ספק הפופולרי מכל עבודתיו אל-ג'זארי. הוא זכה למספר שחזורים מודרנים שונים, חלקם בתערוכות ובמוזאונים, אבל גם בקניון בדובאי. יש לו שלל אנימציות דו ותלת מימדיות, ערך משלו בויקפדיה ועוד ועוד. בשל מורכבות המנגנון חילקתי את הפוסט הזה לשנים. בחלק הראשון אסביר מה רואה המתבונן ואנסה לחקור את מקורות הקסם. החלק השני יותר הנדסי ושם אסביר איך המנגנונים פועלים, מהם הפטנטים שמאחורי הקלעים, ומה ייחודי בשעון זה.

Al-jazari_elephant_clock

שעון הפיל, עותק מ-1315, סוריה

מה רואה המתבונן?

פיל שאורכו כמטר ועשרים, נושא על גבו אפריון, בראשו טירה עם מרפסת שעל כיפתה ציפור. בבטן הפיל יש מאגר מים נסתר ובו מצוף עם חור השוקע לאיטו במשך חצי שעה. יותר פרטים על המנגנון בפוסט הבא. על עמודי הטירה שני דרקונים פעורי פיות. המתקן כולו מתנשא לגובה של מטר ושמונים. באפריון יושב כתבן, הוא אוחז בידו עט המצביע על קשת עם שנתות. במהלך חצי שעה העט נע לאורך הקשת ומציין את הדקות החולפות ובתומה הוא חוזר אל נקודת ההתחלה. בתום כל חצי שעה עגולה יש הופעה מרשימה; בראש הפיל רוכב מאהוט, רַכָּב פילים ולרוב גם המאלף, בידו הימנית גרזן, ובידו השמאלית מַקֶבֶת. מידי חצי שעה המאהוט יכה בפיל, תחילה בגרזן ולאחר מכן במקבת. במרפסת הטירה יושב אדם ומשני צידיו בזים, ידיו מונחות על ראשיהם, כאילו הוא מונע מהם לפעור את מקוריהם. פעם בחצי שעה הוא ירים את ידו, פעם את ימין ופעם את שמאל והבז המשוחרר יפלוט כדור אשר יפול אל לוע של דרקון, יגרום לו להסתובב על צירו ולהטיל את הכדור על מצילתים הנתונות בתוך כד. גם הציפור שעל הכיפה תסתחרר. מעל ראשו של הבזייר(איש הבזים)  יש קשת עם כדורי זכוכית. הכדורים הולכים ונצבעים באדום ככל שהשעות חולפות מציינים את השעה מאז הזריחה.

אפשר לראות סרטון קצר:

המראה את פעולת השעון ומסביר חלקית את המנגנון. הסבר מלא יותר בפוסט הבא.

למה פיל?

בויקפדיה בערך שעון הפיל כתוב:

"הפיל מייצג את תרבויות הודו ואפריקה, שני הדרקונים מייצגים את התרבות הסינית העתיקה, הפניקס [הציפור, א.ג] מייצג את התרבות הפרסית, פעולת המים מייצגת את התרבות היוונית העתיקה, הטורבן מייצג את התרבות האסלאמית"

הציטוט מיוחס לאל ג'זארי עצמו המוצג כאינטלקטואל רב תרבותי. אני חושש שרב תרבותיות(multicultural)  היתה זרה לחלוטין לאנשי המאה ה-12 ולאל ג'זארי בפרט. הציטוט ללא ספק שגוי, לא אל ג'זארי כתב אותו, אבל מי שכתב אותו (מי?) הציע הסבר לעושר של השעון. זה גרם לי לחשוב מחדש, ולפני הכל על הפיל.

ימי הביניים ופילים משונים

נתיבי הסחר בימי הביניים היו פרושים באירופה ובמזרח התיכון אבל גם  בהודו, סין ואפריקה. בחוף המזרחי של אפריקה סחרו בשנהב, בזהב, עץ הָבְנה  וגם בעבדים. סין ייצאה משי ופורצלן והודו תבלינים וסמים. זה אומר ששמועות על פילים, גי'רפות ובעלי חיים אקזוטיים אחרים הגיעו לאירופה אבל מאיירי כתבי יד, שמעולם לא ראו פיל, ציירו אותם כיד הדימיון הטובה עליהם. יש אתר שלם המוקדש לציורים המוזרים של הפילים בימי הביניים. אני מביא רק שתי דוגמאות:

תומאס מקאנטימפרה, פיל מ"ספר חיות נדירות", 1290

פיל עם פרסות וזנב צמרי, "ספר תרופות פשוטות" (Livre des simples médecines) כתב יד מן המאה ה-15.

 

הספר המקורי שאל גזארי כתב אבד למרבה הצער אבל כתב היד  מטופקאפי הוא משנת 1206, כתבתי עליו כאן. זו שנת מותו של אל ג'זארי כך שככל הנראה האיורים הם "מיד ראשונה".  אפשר לראות שהפיל נראה כמו פיל אסייתי וגם המאהוט (רכב הפילים) וגם האפיריון ממוקמים נכון. ההיכרות של אל ג'זארי עם פילים אינה בהכרח מפתיעה, למרות שלא מצאתי כל עדות לפילים בדיארבקיר.

שליטים מזרחיים החזיקו משחר ההיסטוריה ביברים של חיות אקזוטיות. בנוסף לסקרנות ולהנאה שסִפקו, הם המחישו את העושר והעוצמה של השליט והפגינו את ההשפעה של הריבון מהודו ועד כוש. מִנחות של בעלי חיים נדירים היו חלק מן התהליך הדיפלומטי ולפעמים חלק ממערכת המיסים. עד המאה השלוש-עשרה, ההסכם בין הממלכה הנובית לבין השליטים המוסלמים של מצרים דרש מן הנובים לספק 360 עבדים מידי שנה וגם חיות בר. זה היה הערוץ העיקרי שדרכו הגיעו ג'ירפות לביבר הסולטן של קהיר.

ספר החיות המאה ה-15, סוריה.

השימוש בבעלי חיים כמחווה דיפלומטית מתועד היטב. למשל בַּיְבַּרְס, הסולטאן הממלוכי של מצרים וסוריה במאה ה-13 שלח פילים, ג'ירפות, וזברות גם למלך ספרד, לקיסר הביזנטיני, ולחאן המונגולי. במאה ה-10 נשלחה ג'ירפה מטוניסיה לקורדובה או סיפור שאני אוהב במיוחד על הפיל, אבו אלעבאס,  ששנשלח מבגדד לאאכן שבגרמניה כחלק מהחלפת מתנות בין הח'ליף הרון אל-ראשיד לבין הקיסר קרל הגדול. זה קרה במאה התשיעית וגם לזה, כמה מפתיע, יש זוית יהודית: את הפיל הביא יצחק היהודי ועל כך מסופר ברומן ההיסטורי "מסעות יצחק היהודי ואבו אלעבאס הפיל". מעניין לציין שהביוגרף של קרל הגדול מספר כי יחד עם הפיל הגיע שעון מים משוכלל אשר הטיל כדור פליז מידי שעה על צלחת וגם שנים עשר פרשים הופיעו איש איש בתורו. אין למיטב ידיעתי יותר פרטים על השעון, אולי אל ג'זארי הכיר את הסיפור כחלק ממומחיותו בשעוני מים?

שעון הפיל והקרקס

המשלחות הדיפלומטיות והמתנות המלכותיות מעידות שהפיל נתפס כסמל של עוצמה וחוכמה אבל בהקשר של שעון הפיל אני חושב יותר על אקזוטיות וקרקס. הפיל אמנם עשוי נחושת ומהוה רק במה ל"הצגה", אבל הדרקונים המתהפכים, המאהוט עם כליו המאיימים, הבזים, הכתבן והציפור המסתררת יוצרים "נאמבר" (קטע) קרקסי. בהופעת קרקס מרגשת יש לטעמי ארבעה מרכיבים, לא בסדר מחייב, לא תמיד את כולם, ובודאי שלא במשקל זהה:

  • חידוש
  • מיומנות
  • מתח ותחושת הסכנה
  • הקסם או הפנטזיה שבתמונה

הסתכלתי בכמה הופעות קרקס איקוניות; למשל ג'וליוס ליאופרד, אקרובט צרפתי מן המאה ה-19 שנרשם בדפי ההיסטוריה כאיש הראשון שערך מופע טרפז. זה בודאי עונה על דרישת החידוש. גם שעון הפיל הוא הראשון מסוגו, אין שעון דומה לו וכל מי שצופה בו לראשונה, גם היום,  משתאה. שנית המיומנות, ליאופולד תרגל את הפעילות האוירית שלו מעל לברכת הוריו לפני שחשף את זה ב-1859 בקרקס נפוליאון בפריז. לאחר מכן הופיע בלונדון לפני קהלים שיצאו מגדרם בשל הסלטות שעשה בין חמישה טרפזים, כשרק ערמה של מזרונים ישנים מגינה עליו מפני נפילה קטלנית. גם שעון הפיל מפגין מיומנות גבוהה למתבונן התמים והמיומן: השליטה בקצב זרימת המים, הפעולה המורכבת של שלוש הדמויות, ההיפוך הוירטואוזי של הדרקונים, יש כאן מערכת מורכבת של פטנטים שמדגימה את המיומנות הגבוהה של אל ג'זארי בשעוני מים ובאוטמטונים. הקהל בקרקס של ליאופרד גם דואג לשלומו ותחושת הסכנה, שאין באוטומטונים מעצם ההגדרה, מעצימה את החוויה.

ג'וליוס ליאופלד, אקרובט צרפתי, המאה ה-19

לבסוף התמונה. ליאופרד, כמו כל אומני הקרקס יכול היה לעשות את הופעתו בבגדי מתעמל אבל כפי שניתן לראות הוא לובש מכנסיים תיאטרליים, אצעדות מדגישות את פרקי ידיו , צווארון חולצתו מזכיר ענק מלכותי. כל זה מעצים את הרושם שהוא מטביע בנו. התמונה שאל ג'זארי חרט בזכרוננו, היא הרבה יותר מאשר סך הטכנולוגיה והיא מרתקת קהלים עד עצם היום הזה.

שעון הנר של איש החרב

הקדמה

שעוני נרות הם אמצעי עתיק מאד למדידת הזמן החולף. העדות המוקדמת ביותר, היא ככל הנראה, שיר סיני שנכתב ע"י יוּ ז'יאנגו (You Jiangu) ב-520 לספירה. זה מופיע בויקיפדיה ובמקומות נוספים, אבל לא הצלחתי לאתר את השיר עצמו, כל עזרה תתקבל בברכה. מדובר בשעונים פשוטים יחסית המבוססים על קצב הבעירה הקבוע למדי של נרות. שורה של סימנים במרווחים קבועים ציינה את הזמן החולף. כל ארבעת שעוני הנרות של אל ג'זארי הם אוטמטונים מורכבים, מלאי המצאות ,זינוק נחשוני בהשוואה לשעוני הנרות הקלסיים. בשעון איש החרב פולט בז ממקורו כדור ברונזה בכל שעה עגולה, כך שמספר הכדורים המצטבר מציין את השעות ובו זמנית מניף איש החרב את חרבו וקוצץ את החלק העליון של הפתיל.

Category I chapter 7 p85 fig 74 Farruk ibn Abd al-Latif 1315

שעון איש החרב, עותק מ-1315, סוריה

איך זה עובד ?

אל-ג'זארי פותח את התיאור של שעון איש החרב: "מעולם לא נתקלתי בספר על שעוני נרות וגם לא ראיתי שעון שכזה. שמעתי סיפור על שעון נר אשר ברגל הפמוט היה ראש אריה שמפיו הפתוח נפלו כדורי ברונזה בכל שעה עגולה". השעון שבנה הוא הגרסה שלו. ההסבר הנדסי, ייצבע בכחול, כמו תמיד, כך שמי שלא מתעניין במשקולות איזון וחיבור כידונים (bayonet mount) יוכל לדלג.

Category I chapter 7 mechanism

בצד ימין שעון החרב, עותק טופקפי 1206, עם כיתוביות הסבר שלי. בצד שמאל שרטוט תלת מימדי של המנגנון מבוסס על שרטוטו של מתרגם הספר דונלד היל

הנר המאסיבי, גובהו כארבעים סנטימטר (זרת ומחצה) וקוטרו כמעט ארבעה סנטימטר, ניצב על בסיס ברונזה יצוקה. הנר עטוף בחבק הנמצא בצינור פליז ארוך. החבק אינו עגול באופן מושלם אלא יש לו שתי שפתיים המאונכות לנר. בן השפתיים לצינור החיצוני הולחמה תעלה המכילה 14 תאים ובהם 14 כדורי ברונזה. רק הנר לבדו חוסם את הכדורים מליפול. דרך מערכת גלגלות חוברה משקולת איזון גדולה של כ-1.2 קילוגרם המושכת כלפי מטה ודואגת שבסיס הברונזה והנר איתו ימשכו כלפי מעלה. אורך הנר בכל רגע נתון מונע מן הבסיס להמשיך ולעלות. קצב הבעירה של הנר נמדד בקפדנות וגובה הנר מחושב כך שהוא מתאים לשש עשרה שעות בעירה, בפועל הוא יבער רק ארבע עשרה שעות.

כאשר חלפה השעה הראשונה, הנר התקצר ב-1/16 מאורכו. משקולת האיזון ירדה וגרמה לבסיס לעלות כך שהנר, באורכו החדש, לא חוסם יותר את  הכדור התחתון. הכדור נופל אל תעלה האיסוף המחוברת אל החלק האחורי של ראש הבז. המקור של הבז נמצא על ציר ותחת  משקל הכדור (כ-40 גרם) הוא נפתח והבז פולט את הכדור. התהליך הזה יחזור על עצמו מידי שעה, בארבע עשרה השעות הבאות, ואז יוחלף הנר.

החלק של העבד השחור מניף החרב פחות מפורט לטעמי ובנייתו תדרוש יותר התנסות וכיונונים. גם אל ג'זארי עצמו מזהיר את הקורא שנדרשו לו ניסויים חוזרים על מנת לגרום לזה לעבוד. הזרוע הימנית האוחזת בחרב נמצאת על ציר, ומרכז הכובד שלה ממקם אותה בסמוך לחזה העבד. העבד הוא הוא חלול ועובר בתוכו חוט המחובר לטרֶבּוּשֶה (Trebuchet) מנחושת. זהו כלי מצור ששימש בימי הביניים ליידוי קליעים גדולים לעבר החומות של עיר נצורה. כאשר הכדור יפול לתוך הטרבושה הוא יגרם למשיכה חזקה של החוט ולתנועה חדה של החרב שתקטום את קצה הפתיל.

אל ג'זארי פעל במאה ה-12 כמעט שש מאות שנה לפני שפריסטלי זיהה את החמצן, גם הכימיה של השעווה לא היתה ידועה וכך גם הנימיות(קפילריות). למרות זאת ההבנה החזקה שיש לו בחומרים השונים, מעצם המלאכה וההתנסות מביאות אותו ללא מעט תובנות שאפשר היום להסביר בעזרת המדע שלמדנו. כך הוא מבקש למשל שהנר יהיה משעווה טהורה. אפשר להכין נרות מחומרים שונים כמו חֵלֶב, דונג דבורים, שומן לוויתנים, נגזרות נפט ועוד. קצב הבעירה תלוי כמובן בחומר הבעירה וככל שהחומר יהיה יותר אחיד קצב הבעירה יהיה אחיד. הוא קובע את משקל הפתיל, שישה גרם. ההשעווה הנוזלית עולה קפילרית בפתיל ולכן פתילים שונים יתנו קצבי בערה שונים ועוד.   

דבר אחרון, משני לשעון, אבל מעניין:  מכסה הנר מאפשר להחליף את הנרות בנוחות. לחיבור קוראים "חיבור כידונים" (bayonet mount) ולמרות שמו האקזוטי זוהי טכניקה של חיבור מאד שימושית עד היום, למשל בעדשות מצלמה או נורות חשמליות והיא מבוססת על זכר עם פין אחד או יותר ונקבה עם חריץ בצורת L  :

170px-Bayonet-mount-01.svg

חיבור כידונים (Bayonet mount)

מקור השם המוזר הוא בשימוש של חיילים בסוג החיבור הזה על מנת לחבר במהירות כידונים בקצוות של הרובים, אבל הממציא, שאצלו חיבור זה מופיע לראשונה, הוא ללא ספק אל ג'זארי.

המורָה שלי לכימיה ומייקל פאראדיי

בשנת 1972 הייתי בן שש עשרה ולמדתי בכיתה י' בתיכון חדש בת"א. זו היתה השנה היחידה שבה למדנו כימיה. לבושתי אינני זוכר את שם מורתי אף ששיעור אחד שלה נחרט בזכרוני כחוויה יוצאת דופן שהשפיעה עלי עמוקות. היינו המחזור השני שלמד בתיכון חדש מכיתה ז', עוד לפני שהיו חטיבות ביניים, עברנו בחינות מיון והיינו חכמים, לפחות בעיני עצמנו, ודעתניים. כשהמורה אמרה שהיום נלמד על בעירת נר פרצנו בצחוק, זה נראה לנו ילדותי ולא "מדעי". אני חושש שגם אני הייתי בין הצוחקים. די מהר היא שאלה למה השעווה בוערת  במעלה  הפתיל ? ולא בוערת בנר ? ובאחת, בשבריר של רגע, כמו בהתגלות, הבנתי שלושה דברים:

  • ראשית, שלמרות צחוקי אינני מבין את בעירת נר כלל.
  • שנית, שיש מדע מרתק בדברים הכי טריוויאלים מסביבנו, כמו נר שהכרתי היטב מטקסי חנוכה ומנרות שבת.
  • ושלישית, שאני לא שואל שאלות, שלו הייתי מי שאני מקווה להיות, הייתי שואל.

זה המון לשיעור יחיד. המורה שלי לכימיה לא ידעה דבר על הטלטלה שעברתי ואחרי שנים כשנהייתי מורה בעצמי חשבתי על השיעור הזה וקיוותי, שלפעמים, אני מגיע אל התלמידים גם כשאני לא בהכרח יודע על זה.

כשעבדתי במכון דוידסון, ד"ר עובד קדם, ידידי, הציג לי ספר דקיק:

200px-Faraday_title_page

שש הרצאות "ההיסטוריה הכימית של הנר" שמייקל פאראדיי העביר במכון המלכותי בלונדון ב-1848 כחלק ממסורת הרצאות חג המולד לאנשים צעירים.

מייקל פאראדיי היה פיזיקאי וכימאי אנגלי, אחד מהמדענים הניסויים הגדולים בהיסטוריה עם סיפור חיים יוצא דופן. הוא נולד למשפחה ענייה בלונדון ונאלץ לסייע לפרנסת המשפחה כשוליה אצל כורך ומוכר ספרים כבר בגיל ארבע עשרה. את כל השכלתו רכש בכוחות עצמו בעיקר ע"י קריאה של הספרים שעברו דרכו ככורך. ראשית דרכו המדעית היתה בהרצאות פופולריות של סר האמפרי דייווי, נשיא החברה המלכותית באותה העת, כך שיש בהרצאות חג המולד שלו סגירת מעגל.

אפשר למצא פה את הספר המקורי ולמי שלא רוצה להתמודד עם האנגלית החגיגית של המאה ה-19 אפשר להסתכל בסדרת הסרטים שנעשו לכבוד הספר.

כבר בעמוד הרביעי מייקל פאראדיי מתייחס לשאלה של מורתי לכימיה:

"אתם יודעים כי הלהבה בפתיל הבוער לא יורדת לשעווה, וממיסה אותה כולה, אלא נשארת במקומה הנכון. הלהבה חסומה מן השעווה הנוזלית שלמטה ולא פוגעת בנר. אני לא יכול לדמיין דוגמא יפה יותר של התאמת חלקי הנר ליעודם. דבר דליק שכזה בוער במתינות באופן שלעולם לא נפגע על ידי הלהבה. זה מראה יפה להפליא, במיוחד לאחר שלמדת כמה עוצמתית הלהבה ואיזה כוחות הרס יש בה וכיצד היתה מעוותת את השעווה לו רק היתה קרובה דיה."

הספרון הזה הוא פנינה של ממש ופגשתי אותו הרבה יותר מנוסה, אחרי שהשלמתי שלושה תארים במדעים, אבל בכל זאת הוקסמתי והופתעתי מהאמירה שבה מייקל פארדי פתח את הרצאותיו ונדמה לי שגם אל ג'זארי, היה מסתקרן:

"אין חוק טבע אשר שולט ביקום אשר לא מופיע בבערת הנר. אין דלת טובה יותר, פתוחה יותר אשר תוביל ללימוד מדעי הטבע מאשר בעירת הנר"

שעון הטירה

הקדמה

אל-ג'זארי פתח את  "ספר הידע של התקנים מכאניים מופלאים" בשעון מונומנטאלי, אולי המורכב מכל עשרת שעוני המים והנרות המוסברים בספר, שעון הטירה.

לפעמים אתה יודע שאתה קורא ספר נפלא בשניה שקראת את הפיסקה הראשונה:

"קראו לי ישמעאל. לפני שנים אחדות – אין זה חשוב כמה בדיוק – בעת שלא היה, או כמעט לא היה, כסף בארנקי, ולא היה לי דבר שיעניין אותי על החוף, אמרתי בלבי שאולי אפליג מעט כה-וכה ואראה את חלקו המימי של העולם. זו דרכי לגרש את המרה-השחורה ולווסת את מחזור-הדם."

(מובי דיק, הרמן מלוויל, בתרגום אהרון אמיר)

בידיים הנכונות, תחילתו של רומן יכולה לגרום לך להרגיש כאילו כבר נחטפת מן המציאות ואתה נסחף במורד נהר שיקח אותך לעולמות אחרים. לא רק מהנדסים שפותחים את ספרו של אל ג'זארי נשבים מידית בקסם המכונות שתכנן לפני למעלה משמונה מאות שנה.  לעולם לא נדע אם אל ג'זארי רצה פתיחה רבת רשם על מנת להדגים את יכולתו בשיאה, אם בחר בכוונה את המסובך בשעונים על מנת להרחיק את ההדיוטות ממלאכתו המעודנת,  או שמא שיבץ את המכונות באקראי והיה תמה על עצם השאלה?

 לשעון הטירה יש תנועה מורכבת לאורך כל היום, והוא על הגבול בין שעון לבין אוטמטון (בובה מכנית). בחלק ניכר מהאטומטונים יש משהו מאד תיאטרלי. לעיתים הם יועדו לכך כמו האוטומטונים שימשו ל"דאוס אקס מכינה" (האל מתוך המכונה) על בימת התיאטרון היווני , ולעיתים היו להם מטרות אחרות כמו האומטון של אריה שבנה ליאונרדו דה וינצ'י לפרנסואה הראשון מלך צרפת, כאשר המלך טפח על האריה בחרבו , נפתח חזה האריה ונגלו חבצלות המסמלות את המלוכה הצרפתית.  גם השעון של אל ג'זארי תיאטרלי להפליא. בתחילת היום סגורים עשרים וארבעה החלונות, בשתי השורות, וחצי הסהר העשוי זהב, שמעט קשה לראותו בתמונה, נמצא לגמרי בשמאל.

    

תמונה 1 - דף מתוך עותק שהתפזר של ספר הידע של התקנים מכאניים מופלאים מתוארך ל-1315

תמונה 1 – דף מתוך עותק שהתפזר של ספר הידע של התקנים מכאניים מופלאים מתוארך ל-1315

                                                        במשך היום נע חצי הירח ימינה ובכל שעה עגולה מתרחשים שלשה דברים :

  • א. החלון העליון נפתח ומופיעה דמות אדם.
  • ב. החלון התחתון מסתובב על צירו, ומתגלה הטקסט "לֹּה אִלמַלֵכּ " שפרושו אלוהים (הוא) המלך.
  • ג. שני הבזים פרושי הכנף נוטים קדימה,פורשים כנפים ומטילים כדור לתוך הכד שלפניהם.  בתוך הכדים תלויות מצילות כך שהשעון מצלצל למרחקים.

התמונה של הבזים מטילי הכדורים כמו לקוחה מחלום או ממיתוס עתיק. במיתולגיה המצרית אל המלחמה נקרא חוֹר או חֶר, שפירושו בז. במהלך הקרב שלו נגד סת (אל עתיק אחר) הוא איבד את עינו  והאל תחות הכין לו עין חדשה העשויה אור ירח הנקראת "עין הירח" או "עין היהלום" ומסמלת את הראייה האינסופית. אין לי שום סיבה להניח שאל ג'אזרי הכיר את המיתולגיה המצרית אבל מי יודע?     

מעל לשורת ההחלונות העליונה מציץ גלגל המזלות עליו מצויירים גם השמש והירח. במהלך היום גלגל מזלות מסתובב. בבוקרו של היום השמש במזרח, הירח הוא בלתי נראה וששה מן המזלות גלויים למתבונן. בשעת הצהרים נפתח החלון השישי, שלושה מזלות שקעו במערב, שלושה מזלות עלו מן המזרח והשמש המצוירת בגלגל המזלות גם היא ברום השמים. המוזיקאים  המכאניים בבסיס השעון יכנסו לפעולה וינגנו בכליהם, המתופפים יכו בתופים ומיד אחריהם יובא תורם של החצוצרנים.  

אל ג'אזרי אינו כותב דבר על ריבוי המנגנונים להצגת הזמן החולף. למעשה חצי הירח מתפקד כמו מחוג אנלוגי בשעון מודרני וכל השאר הם רק "קישוט" ואולי תיבת תהודה. בעולם ההנדסי המודרני זה היה נחשב עודף ואפילו בזבזני אבל יש קסם שעובר דרך מאות השנים שחלפו בתמונת הבזים המטילים כדור מתכת אל הכדים המצלצלים, גם אם אין בזה אינפורמציה נוספת.

המכניקה של השעון

כשאריך קסטנר רוצה לשלב הרהורים  בעלילות "פצפונת ואנטון"  הוא דואג לילדים ש"היו מעדיפים לאכל רק דיסה במשך שלשה ימים ולא להתעסק בענינים מורכבים שכאלו" ומחליט להדפיס את הרהוריו "באותיות אחרות מאשר הסיפור. כך שאם אתם רואים משהו שמודפס באותיות כאלה.., אתם יכולים לדלג עליו כאילו לא היה כתוב כלל… "

נדמה לי שזה נכון שבעתיים עבור הסברים מכניים של מהנדסים שיופיעו בצבע כחול.

שעון הטירה הוא גרסה מתוחכמת של שעון מים קלאסי. שעון זה מורכב מכלי עם שנתות אשר בתחתיתו נוקב חור קטן. המים שממלאים את הכלי מטפטפים דרך החור. הזמן שבו המים יורדים בשנתה שלמה מציין מעבר של יחידת זמן.

הקושי הוא שקצב יציאת המים אינו אחיד ותלוי בלחץ (גובה) המים בכלי הקיבול. על מנת להתגבר על הבעיה השתמש אל ג'זארי בשסתום הקוני (תמונה 2) ותא המצוף.

תא המצוף מלא מים תמיד ולכן המים יוצאים ממנו בבקצב אחיד. בכל פעם שרמת המים יורדת השסתום (מצוף שהוא פקק בצורה קונית) יורד ומאפשר לכלי הקיבול המרכזי למלא את החסר.

תמונה 3 – שסתום קוני

תמונה 2 – שסתום קוני

בכל פעם שתא המצוף מלא הקונוס עולה מעלה, אוטם את יציאת המים ומבודד את תא המצוף. באופן זה תא המצוף מתרוקן אט אט, אבל בקצב קבוע, משום שהוא מלא במים כל הזמן ואינו תלוי בגובה המים במיכל המרכזי. 

תמונה 2 - שרטוט של מנגנון השעון. עותק טופקאפי מתוארך למחצית הראשונה של המאה ה-13

תמונה 3 – שרטוט של מנגנון השעון. עותק טופקאפי מתוארך למחצית הראשונה של המאה ה-13

כאשר המים יורדים במיכל יורד יחד אתם המצוף הראשי עשוי נחושת וכבד דיו. כאשר הוא יורד,עם ירידת מפלס המים, הוא מושך את החבל, שמסובב את הגלגל המרכזי אשר אליו רתומה קרונית הזמן. בזריחה מוודא משרת הבית שכל הדלתות סגורות והקרונית נמצאת בקצה הימני (כשמסתכלים מאחורנית). במהלך היום כשהמצוף ירד, הוא ימשוך את הקרונית אשר תנוע שמאלה. אל הקרונית מחובר חצי הירח המוזהב אשר נוסע בחזית לפני החלונות ומציג את הזמן החולף, בתחילת השעה הוא בשמאל הטקסט וככל שהשעה חולפת הקרונית  מתקדמת כלפי החלון הבא. מנגנון חכם פותחאת הדלתות בעת מעבר הקרונית ובו בזמן מפיל שני כדורי ברונזה. הכדורים המתגלגלים למטה ומגיעים לפתח מעל ראשי הבזים. טפריהם המעוקלים של הבזים הבזים מרותכים לצינור הנחושת היכול להסתובב על צירו. הם עומדים זקופים בשל המשקלת המאזנת. כאשר הכדור מגיע, הוא משנה את האיזון, הבז רוכן קדימה, כנפיו, המחוברות לגוף בציר, נפרשות והוא "מטיל" את כדור הברונזה על המצלתיים המוסתרות באגרטל. עכשיו שהבז שוב קל תחזיר אותו המשקולת המאזנת למקומו ותקפל את כנפיו. השעון מלא וגדוש "פטנטים" והמצאות שכאלו.

תמונה 4 - שרטוט של הבז והמצילתיים

תמונה 4 – שרטוט של הבז והמצילתיים

הספר מכיל כמעט 50 עמודים המפרטים את המנגנונים השונים עם הוראות בניה מפורטות. מי מהקוראים שמעוניין בפרטי המנגנון יכול ללמד אותם כאן ואפשר לקרא גם כאן ולראות סימולציה כאן 

מה למדתי על אל ג'אזרי?

אין לנו כל מידע על אל ג'אזרי מלבד מה שטמון בטקסט עצמו. ניתן ל"הציץ" לעולמו של  אל ג'אזרי מתוך הקריאה בספר. קחו למשל את בקר הזרימה המתכוונן המיועד להבטיח שתנועת השעון תתאים לאורך היממה המשתנה. הבקר הזה הוא פלא הנדסי קטן בפני עצמו אבל אני מתעניין בו במיוחד  בשל המפגש המשולש ,אני חושב, שהוא מציע עם אל ג'זארי ועולמו:

ראשית מדובר באיש יודע ספר. השורה הפותחת את ההסבר של שעון הטירה " למדתי את השיטה של ארכימדס, המעולה, בחלוקות המזלות ע"פ חצי מעגל"  מתייחסת ככל הנראה ל "על הבניה של שעוני מים"  كتاب أرشميدس في عمل البنكامات , ספר שיוחס לאריכמדס ומקורו לא ברור. זה מחזק את האמירה בהקדמה "למדתי את הספרים של [המלומדים] המוקדמים ואת עבודתם של [האומנים] המאוחרים" . שאלת הפתיחות לעולמות ידע או הסתגרות בעולם של אמונה מעסיקה אותנו עד היום, יהודים כמוסלמים.

הרמב"ם, רבי משה בן מימון מגדולי הפוסקים בכל הדורות וגם  איש אשכולות, מדען  ורופא, חי כמעט במקביל בקורדובה, הרחק מדיאבקיר שבאנטוליה, היה שותף לאותו עולם מוסלמי. במסגרת לימודי הרפואה שלו, התוודע הרמב"ם לכתבי אריסטו במדעי הטבע ולא חש כל איום על יהדותו. אפילו כתב, "הכרחי למי שירצה להגיע אל השלמות האנושית להכשיר את עצמו תחילה במלאכת ההיגיון ואחר כן במקצועות ההכשרתיים כפי הסדר, ואחר כך במדעי הטבע, ואחר כך במדעי האלוהות." (מורה נבוכים). זה מדהים לקרוא, כאשר היום ילדים חרדים אינם לומדים מתמטיקה או מדעי הטבע או לימודי ליבה אחרים. אל ג'אזרי יותר מהנדס מהוגה דעות, אינו עוסק בעניני אמונה באופן מפורש אבל אמונתו משובצת בטקסט אבל זה לא מפריע לו כלל לקרא וללמד ממלומדים פגניים.

שנית בדיאבקיר שבמזרח טורקיה יש מעט יותר מ- 14 שעות אור בקיץ ו-9 שעות בחורף. אל ג'אזרי השקיע מאמץ הנדסי רב לדאג לכך שיחלפו 12 שעות בין זריחה לשקיעה גם בקיץ וגם בחורף. זה תפקידו של הבקר המתכוונן המסדר שעת חורף קצרה בהשוואה לשעה בקיץ. הזמן אינו אשליה או מושג אנושי, כדור הארץ סבב את השמש לפני שהיו כאן בני אנוש ובהתאמה השמש זרחה ושקעה והיו חורף וקיץ לפני שנתנו להם את שמם. אבל תפיסת הזמן ומדידתו היא המצאה אנושית ואם הייתי פוגש את אל ג'אזרי ואומר לו שהשניה, שיתכן שהכיר כ1/60 דקה, למרות שהיתה בלתי ניתנת למדידה בתקופתו) היא יחידת הזמן המדעית והגדרתה היא כ-9 ביליון (למי שרוצה לדייק 9,192,631,770) מחזורי מעבר בין שתי רמות אנרגיה של אטום צסיום. הוא לא רק שלא היה מבין מלה אלא גם היה חושב שאני מאד מוזר.  אין לו כל צורך בדיוקים שכאלו שאינם מתאימים לחוויה היומית שלו. אבל אני משתמש בWaze, אפליקצית ניווט ואנו נזקקים לשעונים אטומים מדויקים ברמה זו, על מנת שהיא תביא אותי ליעדי במועד. בעולם זה, הקונספט של זמן משתנה ע"פ עונות השנה, נראה מופרך לגמרי,  אך בעולם של אל ג'אזרי המכיר רק שעוני שמש ומים זה היה טבעי לגמרי.

שלישית אל ג'אזרי ערך מדידות מפורטות והשתכנע שהבקר המתכוונן המיוחס לארכימדס אינו מספק. לאחר מכן הוא מסביר בפרוטרוט את האופן שבו הוא נסה לפתור את הבעיה ללא הצלחה בדרך של ניסוי וטעייה. זה מגוחך להשוות את הכלים של למהנדס מודרני בהשוואה לאל ג'אזרי ודווקא בשל כך יש משהו מלבב בקריאת דיווח של מהנדס מוכשר מאד לפני למעלה משמונה מאות שנה. מתברר שהלבטים שלו אינם שונים במהותם מן הלבטים של מהנדס עכשווי. מן הטקסט מתברר שהוא עשה את "סקירת הספרות" ואת החישובים התיאורטים (שבמקרה זה לא צלחו), ואף תכנן ובצע את הניסויים אלא שהיה גם בעל המלאכה שמכיר את הנחושת, העץ והברונזה  ואת דרכי עיבודם. כשאל ג'אזרי מסביר, למשל, איך להכין את מיכל המים הראשי, הוא לא מסתפק בשרטוט ובבחירת החומרים  (נחושת) אלא מפרט כיצד לקבל גליל מושלם בעזרת דיסקת עץ מדויקת ואיך לוודא שהגליל זהה בקוטרו לכל אורכו. קל לקורא הטכנולוגי להזדהות עם הקשיים והפתרונות. יש משהו מושך לב בחיבור הזה של איש הספר, המהנדס והאומן  המציץ אלינו מבין דפי הספר ומאות השנים שחלפו.