מכשיר המדידה היחיד בספר ולמה אל-ג'זארי הוא המהנדס הראשון

הקדמה

אל ג'זארי מספר שכאשר הוא אמר לאנשים שכל שלוש נקודות נמצאות על מעגל הם לא האמינו לו ולכן הוא בנה את מכשיר המדידה היחיד בספר. הסבר המכשיר ופעולתו פשוטים למדי אבל ניתן ללמוד לא מעט מבחירתו "ההנדסית"  של אל-ג'זארי להשתמש במכשיר למה שהוא בברור בעיה מתמטית.

Category VI chapter 2 p197 Fig 151 Topkapi

מכשיר המדידה למציאת מרכז מעגל, עותק טופקאפי, 1206

איך זה עובד?

מאחר והסבר "ההנדסי" כל כך קצר ופשוט החלטתי לחרוג מהרגלי ולא לצבוע אותו בכחול. מקווה שיסולח לי. אל גזארי לקח סרגל ובנה לו זרוע אנכית הרוכבת על נקודת המרכז. מציבים את הסרגל בין שני נקודות, מוצאים את מרכז הקטע ומעבירים אנך. חוזרים על התהליך בין זוג נקודות נוסף. מפגש האנכים הוא מרכז המעגל, והמרחק לכל אחת מן הנקודות הוא הרדיוס. בנוסף יש קשת, בדומה למד זוית, המאפשרת למדוד ולסמן זויות שונות.

קצת מתמטיקה

ניתן להוכיח שכל שלוש נקודות שאינן נמצאות על קו ישר (אל ג'זארי היה ער לנקודה הזו ומציין אותה במפורש) נמצאות על מעגל בשתי גישות: הנדסה אוקלידית וגיאומטריה אנליטית.

בהנדסה אוקלידית שלוש נקודות שאינן נמצאות על קו ישר הן קודקודים של משולש. לכל משולש יש מעגל חוסם יחיד. מרכז המעגל החוסם הוא הנקודה שבה נפגשים שלושת האנכים האמצעיים של הצלעות. זוהי משפט יחסית קל להוכחה. מי שרוצה לחזר ולתרגל את הנדסה האקלידית שלו, יסתכל על השרטוט למטה, יבנה את שלושה הרדיוסים BO,AO  וCO ויוכיח שהם שווים בעזרת חפיפת משולשים. "יסודות" של אוקלידס תורגם לערבית מוקדם יחסית בבית החוכמה בבגדד ( بيت الحكمة ). אין אצל אל ג'זארי התיחסות ישירה לאוקלידס אבל המכשיר שלו מבוסס על משפט זה:

Category VI chapter 2 p197 Fig 152 Topkapi

בצד ימין שרטוט מספר הנדסה אוקלידית, בצד שמאל שרטוט של אל-ג'זארי.

לחלופין אפשר למצא את מרכז המעגל בעזרת גיאומטריה אנליטית:

circleequation

משוואת המעגל בגיאומטריה אנליטית

משוואת מעגל היא: equation

כאשר:

r – רדיוס המעגל.

(a, b) – מרכז המעגל.

מאחר ולמשולש שלושה קודקודים יש שלוש משוואות בשלושה נעלמים (a,b,r)והפתרון מיידי. לגיאומטריה האנליטית יש שורשים ביון העתיקה וגם בפרס של המאה ה-11 אבל הצעד המכריע היה של רנה דקארט, פילוסוף, מדען ומתמטיקאי שאנחנו זוכרים לרוב בגלל המשפט "אני חושב, משמע אני קיים". דקארט היה מתמטיקאי יוצא דופן, הראשון שהציע מערכת צירים (x,y), כמו בשרטוט למעלה, הנקראת על שמו מערכת צירים קרטזית. זה אפשר תצוגה גרפית של פונקציות, ועל כך דורות של תלמידי מתמטיקה אסירי תודה, בנוסף הוא ניצל את מערכת הצירים על מנת לחבר בין הגיאומטריה לאלגברה ולצור את הגיאומטריה האנליטית. דקארט היה איש האשכולות מרשים, תרומותיו לפילוסופיה ולמתמטיקה הן מעמודי התווך של שני המקצועות ובנוסף יש לו גם תרומה לאופטיקה.

אנשי אשכולות ואל ג'אזרי, המהנדס הראשון?

אִישׁ הָאַשׁכּוֹלוֹת הוא המונח בעברית לאדם בעל ידע מעמיק ונרחב בתחומים רבים ומגוונים. מקור הביטוי  במשנה והכוונה היא "שלא נמצא בו שום עוון ותורתו נתונה לו ממשה רבנו ללא דופי" (הלכות גדולות למסכת תמורה). המונח באנגלית הוא פולימת (polymath)  שמקורו יווני ומשמעותו המילולית היא "למד הרבה". גם באנגלית וגם בעברית משתמשים לעיתים תכופות ב"איש הרנסנס" Renaissance man)), אף שכל ה"מהנדסים" שהזכרתי שקדמו לאל-ג'זארי היו אנשי אשכולות הרבה לפני תקופת הרנסנס:

אַרְכִימֶדֶס היה מתמטיקאי מחונן, מדען ומהנדס, שהמציא את בורג ארכימדס (משאבה, שימושית עד היום), הוא שיפר את העוצמה והדיוק של הקטפולטה, המציא מנוף ענק שכונה "טלף ארכימדס" ושיא השיאים, שריפת הצי הרומי באמצעות מראות, מה שהפך אותו לשותף משמעותי במלחמה הפונית השניה. כל זה מתגמד לעומת תרומתו למתמטיקה ולפיזיקה. ארכימדס בישר את החשבון האינטגרלי והאנליזה המודרנית ומצא את חוקי הציפה והמנוף.

הרון מאלכסנדריה  היה מהנדס, מתמטיקאי ופיזיקאי, שימש ככל הנראה כמרצה וחוקר בספרייה הגדולה של אלכסנדריה .ידוע בעיקר בזכות מחקריו בהידרוסטטיקה. כבר כתבתי על הרון בהקשר  לספר האוטומטות שכתב,  הוא גם בנה את כדור איאולוס, מנוע הקיטור הראשון, ותרם למתמטיקה ולגאומטריה את "נוסחת הרון" ו"משולש הרון".

בנו מוסא היו שלושה אחים ממוצא פרסי בבגדאד של המאה ה-9. כתבו חיבורים משותפים חשובים על מתמטיקה ומדעים, והיו ידועים בין הממציאים הגדולים של זמנם. ידוע שחיברו יחדיו למעלה מ-20 ספרים, אך מרביתם אבדו עם השנים. שלושת האחים עסקו במתמטיקה, אסטרונומיה, אסטרולוגיה, מוזיקה ואוטומציה. אני כתבתי עלהם בהקשר של המזרקות . בהקשר של הפוסט הנוכחי אפשר להזכיר את תרומתם למתמטיקה. ספרם המתמטי החשוב ביותר הוא "הספר על חישוב של מישורים וצורות מעגליות" אשר תורגם ללטינית במאה ה-12.

אל- ג'זארי אינו כזה. תרומתו לעולם ההנדסה מגוונת. הזכרתי כבר את האוטמטות והשימוש בגל הזיזים, את ההתקדמות הנחשונית בשעוני הנרות כולל ההמצאה של חיבור הכידונים, את הבידוד התרמי, את משאבת הפעולה הכפולה ונפגוש עוד חידושים והמצאות ככל שנתקדם בספר אבל אין לו נגיעה במדע או במתמטיקה או בשדות אחרים לבד מן ההנדסה.

 

התפיסה הבסיסית בתקופת הרנסנס היתה ש "האדם יכול לעשות כל דבר, אם רק יחפץ". (לאונה בטיסטה אלברטי) זהו מימוש ההומניזם הטבוע עמוק ברנסאנס. ההנחה הבסיסית היא כי למין האנושי יכולת אין סופית להתפתח וכי עלינו לאמץ כל ידע בדרכנו לפתח את יכולותינו. עולם הידע התרחב כל כך שזה פשוט בלתי אפשרי. תומס יאנג , איש האשכולות האנגלי מתחילת המאה ה-19, נחשב בעיני רבים כ"אדם האחרון שידע הכל", היה בקיא ברפואה, פיזיקה, בלשנות, הרמוניה(מוזיקה) ואפילו ראיית חשבון. באתר ההתמחויות של הסתדרות הרופאים יש 32 התמחויות ראשיות ברפואה ועוד מספר רב של תת התמחויות. אין אפשרות, ולו תיאורטית, להשלים את כל ההתמחויות ברפואה במהלך חיי אדם, כל שכן להתמחות בתחומים נוספים.

אנחנו חיים בעולם יותר ספקני ומודאג ושואלים את הילדים, כבר בגילאים צעירים, "מה ירצו להיות כשיהיו גדולים? אנו מצמצמים את השדה כבר בתיכון ושואלים את התלמידים מהו התחום ואולי התחומים שבהם הם מצטיינים ומפנים אותם למקצוע או לכל היותר שני מקצועות מורחבים. יש לנו מבחנים ומכוני יעוץ, המסייעים לסטודנטים לבחר את מקצוע הלימוד, ותלמיד פיזיקה יקבל את הרקע המתמטי הנחוץ אבל בודאי שלא יקבל קרדיט אקדמי על קורס באשורית או בטיפוגרפיה. בתואר השני אנחנו מצמצמים את מקצעות הלימוד עוד יותר ובדוקטורט אנחנו מתעמקים בבעיה יחידה. כחברה אנו מסתכלים על אנשים שמחליפים  מקצועות בדאגה, כלא יציבים וחסרי יכולת להתמקד.

קצת בעקבות מתרגם הספר דונלד היל, וקצת בשל אופיי והכשרתי, חשבתי שהשימוש במכשיר (במקום בהוכחה פורמאלית) מעיד על רקע מוגבל במתמטיקה. יתכן שזה נכון. אהובתי מ. העירה שהוכחות מתמטיות הן פחות נגישות וקסומות למרבית האנשים מן המכשיר שבנה אל ג'אזרי. בהמשך לכך ניתן לראות באל- גזארי את המהנדס הטהור הראשון, לא בשל חוסר הרקע, או היכולת במתמטיקה ובמדעים, אלא בזכות תשוקתו להנדסה והיכולת שלו לתרגם בעיות מופשטות ופורמליות למכשירים.

המזרקה המתחלפת והמחלוקת עם בנוּ מוּסָא

אללה הבטיח למאמינים ולמאמינות גנים אשר נהרות זורמים ואשר לנצח יהיו בהם.

סורה 9, ההצהרה, פסוק 72. תרגום אורי רובין.

Category IV chapter 1 fig 122 p 159

המזרקה עם שני מיכלי הטיה, עותק טופקפי, 1206

הקדמה

גן העדן המוסלמי נקרא ג'נה ( جنّة‎ ), תרגום מילולי – גן. בכל פעם שגן עדן מוזכר בקוראן, יש תיאור של מים זורמים ועצים נושאי פרי. זה לא מפתיע משום שהאסלאם התפשט באקלים מדברי,חם וצחיח. אני מתמקד בכוונה ב"תפאורה" ולא עוסק בבתולות שחורות העין ומרכיבים  נוספים. בדומה לגן העדן בתנ"ך, גם בקוראן זורמים ארבעה נהרות, הפרת משותף לשני הספרים אבל  שאר הנהרות שונים ומקור כל הארבעה הוא מעין בשם סאלסביל (سلسبيل).

גנים באיסלם חשובים כמעט מראשיתו, ולעיצובם יש משמעות רוחנית החורגת מן הצורך האנושי בצל ומים. הם נתפסים כמקום של מנוחה והתבוננות, מקבילה ארצית של החיים בגן עדן. המטאפורה מגיעה לשיאה בצאר באג (چهارباغ), מילולית ארבע גנים. גן סימטרי המחולק לארבעה חלקים על ידי מים זורמים המדמים את נהרות גן עדן ובמרכזו לעיתים קרובות מזרקה בתוך בריכה המיצגת את מעין סאלסביל. אני חושב שהעיסוק הרב של אל-גז'ארי וקודמיו במזרקות קשור לחשיבות הגנים באיסלאם.

jannah miniature

מינאטורה של גן עדן מן המאה ה16

איך פועלת המזרקה?

המזרקה של אל ג'זארי מותקנת בתוך בריכה. במשך שעה המזרקה מתיזה את המים מן הנחיר המרכזי ישר למעלה ולאחר מכן מתיזה את המים משישה נחירים בקשת וחוזר חלילה. היום זה טריוויאלי, במאה ה-12 זה פלא של ממש. ההסבר ההנדסי ייצבע בכחול, כמו תמיד, כך שמי שלא מתעניין במערכות בקרה מוקדמות יוכל לדלג.

במרחק מה מן הבריכה בנה אל ג'זארי ביתן מוגבה אליו מעלים את המים. חלק זה אינו מופיע בשרטוט. המים מן הביתן זורמים אל קערת הנחשת המחוברת לצינור עם 4 פתחים. זהו אותו שרטוט, שהופיע למעלה, אבל הפעם עם כתוביות שלי.

Category IV chapter 1 fig 122 p 159_כתוביות

אותו שרטוט עם כתוביות שלי

בתחתית הצינור רותכה טבעת היושבת על ציר כך שכל הצינור הוא מעין "נדנדה". הצד הימני מעט יותר כבד ולכן היא נוטה ימינה והמים יוצאים בשני הפתחים הימנים. מן הפתח הראשי יוצא זרם גדול אשר ממלא את המיכל הימני, ממנו לצינור דק העולה במרכז המזרקה ומשפריץ בזרם חזק כלפי מעלה. הפתח המשני קטן יותר. הוא ימלא לאיטו מיכל הטיה, אדום, במשך שעה. המיכל מאוזן כמו בשרטוט אבל כאשר יתמלא, משקל המים בחרטום יגרם לו לנטות על צירו והמוט המחובר אליו (שחור) ידחף את הנדנדה כלפי מעלה. הצינור כולו יטה שמאלה. כתוצאה המים יזרמו למיכל השמאלי אליו מחובר צינור רחב. הצינור הרחב היוצא אל הבריכה מסביב לצינור הצר שעד כה זרמו בו מים. בקצה הצינור הרחב רותך מכסה עגול ובו 6 חורים. בהתאמה תהינה שש קשתות של מים. מיכל ההטיה שבצד השמאלי מתמלא עכשיו לאיטו. בתום שעה הוא יטה על צידו, יחליף את כיוון ה"נדנדה" וחוזר חלילה.   

בנוּ מוּסָא

אל ג'אזרי פותח את השער הרביעי המכיל מזרקות המשנות צורתן וחלילים מתמידים, באמירה הקצרה, ש"הוא לא הולך בדרכם  של הבנוּ מוּסָא (Banū Mūsā), אללה ירחם עליהם, אשר קנו לעצמם שם בנושאים אלה בזמנים קדומים".

Banu Musa kitab_al-hiyal

ספר ההתקנים המופלאים של בנו מוסא

האחים בנוּ מוּסָא הקדימו את אל ג'זארי והם חשובים להבנת עבודתו. בנו מוסא (בני משה) הוא הכינוי המשותף לשלושה אחים מלומדים מהמאה התשיעית, בניו של מוסא אבן שאקר, אסטרונום ממוצא פרסי. בגיל צעיר הם הצטרפו לבית אל-חכמה, מוסד המחקר, התרגום והלימוד המפורסם בבגדד. ידוע ששלושת האחים חיברו יחדיו למעלה מעשרים ספרים, אך מרביתם אבדו עם השנים. הספר המפורסם מכולם, שגם ממנו שרדו רק שני עותקים, הוא ספר ההתקנים המופלאים שאליו מתייחס אל ג'זארי. הספר הוזמן על ידי הח'ליף העבאסי השביעי של בגדד, אבו ג'עפר עבדאללה אל-מאמון אבן הארון אשר הנחה את הבנו מוסא לרכוש את כל כתבי היד ההלניסטים שנשמרו במנזרים במהלך התפוררותה של האימפריה הביזנטית. לפעולת ההצלה זו יש חשיבות תרבותית החורגת מן הפוסט הנוכחי. מקצת ההתקנים המתוארים בספר נוצרו מן הסתם, בהשראת הספרים היוונים והביזנטינים שאספו אבל רבים מהתקנים הן המצאות מקוריות של האחים בנו מוסא. דונלד היל שתרגם גם את ספרם כתב ש"העיסוק שלהם בבקרה מבדיל אותם מכל קודמיהם היוונים, כולל השימוש בשסתומים אוטומטיים, שליטה על תזמון, השהיית מערכת והתקנים אחרים המדגימים תחכום נהדר." בין מאה המכשירים וההמצאות השונות יש שבע מזרקות.

מה המחלוקת ?

אל ג'זארי לא מציין לאיזה מזרקה של הבנו מוסא הוא מתיחס. אבל הוא כותב:

הם שלטו בהחלפות (צורת המזרקה) ע"י ברזים הנשלטים ברוח או במים. כך צורת המזרקה התחלפה בכל מחזור, אבל פרק הזמן לשינוי היה קצר מדי. בשני תכנונים הם השתמשו בצינור כזרוע איזון כמעט אופקית. המים זרמו דרכו לתוך מיכל ולאחר מכן למזרקה. על הצינור הותקן מיכל קטן, אשר לתוכו זרמו המים… 

ולכן ברור שזו המזרקה בה מדובר:

banu musa fountain use of a balance

שרטוט של המזרקה המשנה צורתה ע"י שימוש ב"מאזניים"  מתוך: The Self Changing Fountain of Banu Musa bin Shakir

הוא חותם: "אני לא יודע מה מקור הבלבול, האם הוא בספר המקורי או בעותק שלי."

למי שבאמת רוצה לצלול אל הפרטים אפשר לראות כאן את המזרקות של הבנו מוסא. ניתן לראות שאל ג'זארי שאל רעיונות מרכזיים מן הבנו מוסא כולל את המעבר של צינור דק בתוך צינור רחב, את הרעיון של מערכת הזנה מתחלפת בזמן ועוד. עיקר ההסתייגות שלו היא משיטת הבקרה, לדעתו המרווחים היו קצרים מדי, וכתוצאה הפעולה היתה בלתי יציבה. הוא ככל הנראה צודק. אל ג'זארי מסביר מה הבעיה עם התכנון אבל פרטי הדיון פחות מעניינים היום. עולם הבקרה השתנה כל כך דרמטית שהטכניקות ההיסטוריות לשליטה בתזמונים מסקרנות רק כחידה מוזרה, מה ואיך ניתן לתזמן ללא מיקרומעבדים ושערים חשמליים. לעומת זאת הסקרנות והספקנות מדריכות גם היום כל מהנדס טוב, ממש כמו לפני שמונה מאות שנים.

סקרנות וספקנות

כל מי שלימד מדע או טכנולוגיה בתיכון, או בתואר הראשון באוניברסיטה, יודע שהצלחה בלימודים אינה ערובה לסקרנות או לספקנות ולחשיבה ביקורתית ככלל. תלמידים מצטיינים מיטיבים לענות על שאלות הבחינה אבל כאשר הם מתבקשים לשאול שאלות על מאמר מדעי או מצגת הנדסית, לבדוק אם ההנחות איתנות ועומדות במבחן הביקורת או אם אפשר לספק הסבר חלופי או מודל נוסף, הם מתקשים. תלמידים מצטיינים רבים חשים חוסר נוחות מן הדרישות החדשות, השונות כל כך מן הלימוד כפי שחוו אותו בבית ספר. בסוגריים, איש החינוך שבי, דורש לכתוב שזאת לא גזרה משמיים ובית הספר או האוניברסיטה יכולים לעשות המון, אבל זה דיון אחר. הפגישה שלי עם אל ג'זארי מוגבלת לספר, אבל נראה לי שמעבר ליכולת הגבוהה ההנדסית היתה לו מידה בריאה של חקרנות וספקנות. הוא בדק את הבקר המתכוונן המיוחס לארכימדס ומצא שאינו מספק, הוא קרא את הבנו מוסא וחלק על שיטת הבקרה. מעבר לתועלת בכוחה של הספקנות, ככל שהוא מרבה בסימני שאלה כך הוא מתחבב עלי יותר.