משאבות ופטנטים

הקדמה

השער הזה עוסק במשאבות או בשפתו של אל-ג'זארי: "על מכונות להעלאת מים מבריכות ובארות לא עמוקות ומנחלים זורמים".  אל- ג'אזרי לא מרבה בהקדמות כלל, והפעם הוא צולל ישר ולעניין: "אני מביא את השרטוט אחרי הפרק הבא"  היא שורת הפתיחה, ללא מילה על המשאבות הקיימות בזמנו, על הצורך והרצון בשיפורים או כל מילה מקדימה שהיא. אבל שתי המשאבות הראשונות הן בעצם שיפור ומיכון של הקילון כפי שהוא נקרא במקורתינו, או ה"שאדוף" בערבית (شادوف).  זהו מכשיר ידני להעלאת מים, הקיים אלפי שנים. השכלולים של אל-גזארי רבים וכוללים, את מיכון השאדוף, שיפור יעילותו ושימוש ראשון (?) בגלגלי שיניים חלקים (segmented gear). בימינו היו כותבים על זה לפחות שלושה פטנטים שונים. זה יוביל אותנו לדיון על פטנטים ואל- ג'זארי.

הקילון או השאדוף

הקילון מופיע במקורותינו, למשל: "משקין בית השלהין במועד ובשביעית, בין ממעיין שיצא כתחילה, בין ממעיין שלא יצא כתחילה; אבל אין משקין לא ממי הגשמים, ולא ממי הקילון." (משנה: מועד קטן, פרק א) . לרוב משתמשים בשמו בערבית – שאדוף.

ראשיתו של השאדוף אינה ידועה אבל הוא היה בשימוש כבר במצריים העתיקה ובמסופטמיה לפני אלפי שנים. במפתיע עדיין ניתן לראות קילונים פעילים במצרים, בהודו ובמדינות נוספות.

השאדוף  מורכב ממוט ארוך על ציר, בקצהו האחד דלי, או מצקת לשאיבת המים, ובקצהו השני משקל מאזן. המפעיל מושך את החבל עד שהכלי מלא במים ומאפשר למשקל המאזן להרים את המים ולשפך אותם בראשית של תעלת ההשקיה משם יגיעו בכוח הכובד אל הגידולים בשדות. הפעלת השאדוף היא, עד היום, ידנית לגמרי אבל יותר קל למשוך את החבל כלפי מטה מאשר להרים את המים. בנוסף המשתמש מסתייע בשאדוף להובלת המים אל ראשית תעלת ההשקיה.

Shaduf_2001_Egypt

שאדוף (קילון), מצריים 2001

איך זה עובד ?

שתי משאבות המים הראשונות של אל ג'זארי הן מכונות יחסית פשוטות בהשוואה למורכבויות של השעונים והאוטמטות שהוסברו בפוסטים קודמים. אל- ג'אזרי מקדיש לכל אחת כעמוד. אני מביא את שני השרטוטים זה לצד זה. ההסבר ההנדסי, ייצבע בכחול, כמו תמיד, כך שמי שלא מתעניין בגלגלי שינים חלקיים יוכל לדלג.

two pumps

שתי המשאבות הראשונות שאל גזארי תכנן. משמאל משאבה עם כף שאיבה יחידה, דף בודד עותק מתוארך ל-1315. מימין שכלול של 4 כפות במקביל. עותק טופקפאפי, 1206

נסתכל על השרטוט משמאל של המשאבה עם כף שאיבה אחת. בחדר העליון מסתובב חמור הרתום למוט המרכזי שעליו גלגל שיניים. גלגל השיניים הזה מסובב גלגל שיניים נוסף המאונך לו. היום היינו משתמשים בגלגלי שינים קוניים למטרה זו אבל אל ג'אזרי לא מפרט. אהובתי מ. התלוננה שלא רואים שגלגלי השיניים נוגעים זה בזה, וגלגל השינים החלקי, שעוד רגע יוסבר, נמצא בשרטוט ב900 מעלות לכיוונו האמיתי. כל הבעיות האלו ונוספות קשורות לאופן שבו נעשו השרטוטים במאה ה-12. בהמשך אני מקווה להוסיף אנימציות פיזיקליות אשר יעזרו  למתבונן בן זמננו. על אותו הציר יש גלגל שינים חלקי (segmented gear)בעל אותם מרווחים אבל  לו שיניים רק על רבע מעגל. גלגל השינים הזה משתלב בגלגל שלבים  (runged wheel)כאשר השינים משתלבות בשלבים של הגלגל המחובר לציר של הכף, הן מרימות את הכף הענקית השקועה במים ומעלות את המים , כ-15 ליטר בכל פעם. לאחר שהציר הסתובב רבע סיבוב, אין יותר שיניים בגלגל השיניים החלקי. דבר לא מונע מגלגל השלבים להסתובב בכיוון ההפוך והכף נופלת בעוצמה למים ומתמלאת מחדש וחוזר חלילה. המשאבה מימין זהה בדרך פעולתה רק שיש 4 כפות מקבילות ובמקום גלגל שיניים חלקי יחיד, יש ארבעה. זה אומר שכאשר החמור עושה סיבוב שלם הוא יעלה כ- 60 ליטר מים. שיפור היעילות היה ככל הנראה פחות משום שהחמור יסתובב ככל הנראה יותר לאט בשל העומס המוגבר.

יעילות

הפרק הזה הוא די חריג בספר משום שהוא עוסק בליבה ההנדסית, שיפור יעילות התהליך, בעוד מרבית הפרקים עוסקים באוטמטות מפתיעות ובטווסים מסתובבים. השאלה אם זה יעיל נראית במרבית המכונות של אל- ג'זארי לא במקום ואולי ממש מדיספלינה אחרת.

השאלה של יעילות היא מרכיב חיוני בכל תהליך הנדסי. התהליך יעיל אם הגדלנו את כמות העבודה שבוצעה, תוך צמצום השימוש במשאבים  (חומרי גלם, זמן, עבודה, דלק, וכדומה ) אבל אל- ג'זארי הוא מהנדס בנשמתו וכאשר הנושא הוא שאיבת מים הוא מציע שיפור יעילות מרשים.

אל-גזארי ופטנטים

לו היה מדובר בימינו, עצם המיכון של השאדוף מצדיק פטנט ושיפור היעילות פי ארבע מצדיק פטנט נוסף. יש סימן שאלה לגבי ה"ממציא" של גלגל שיניים חלקי ((segment gear יש המיחסים את המצאתו  לספר הסודות (זה שם הספר!) שכתב מהנדס מוסלמי בשם עלי אבן חלף אל מורדי ויש הטוענים לבכורה של אל גיזארי. אני מקווה להשיג את ספר הסודות ואז אוכל לגבש דעה בעצמי ובינתיים אני חושב, שלו אל ג'אזרי היה ער לכל הדיון הזה, הוא היה מופתע ממנו מאד.

ההיסטוריה הרשמית של הפטנטים מתחילה בחוק וניציאני מ-1474. החוק מעניק הגנה לעשר שנים לכל מתקן חדש ומתוחכם שלא יוצר לפניכן ובלבד שהוא שימושי. אף שחוקי הפטנטים הנוכחים מורכבים בהרבה, זוהי התמצית של חוקי הפטנטים גם היום. מערכת הפטנטים אמורה לספק הגנה לממציאים כך שתהיה להם הזדמנות לקבל תמורה ראויה לעמלם. למה פטנטים צמחו דוקא בונציה של המאה החמש עשרה ולא היו נחוצים בדיארבקיר במאה השתים עשרה?

הצורך בחוק פטנטים צומח בתעשיית הזכוכית הפורחת בוונציה במאה החמש עשרה.  מאסטר אנג'לו בארוביר משקיע זמן, מאמץ וכסף רב על מנת לפתח את התהליך לייצור זכוכית שקופה – (cristallo) – זה גרם לכך שלזמן מה היה לוניצאנים מונופול על ייצור מראות באירופה. ברור שאם מותר ליצרן אחר להעתיק  אותו במאמץ מזערי הנכונות להשקעה בפיתוח ובחדשנות תפחת מאד. אנחנו מכירים את סוגית הפטנטים מעולם התרופות וההי-טק אבל פעם גם מראות היו סוגיה של ממש.

" שיא "שגעון המראות" היה בתקופת שלטונו של לואי ה- 14, "מלך השמש" (1643 – 1715). הכסף הרב שהוצא על מראות וונציאניות על ידי המלך, האצולה והבורגנות פגע במצבה המוניטרי של הממלכה. נערכו נסיונות רבים לגנוב את סודות ייצור המראות הוונציאנים, שהוגנו על ידי חוקים דראקוניים. לאומני הזכוכית אסור היה לעזוב את האי מוראנו, וכל מי שעשה זאת הסתכן במאסר משפחתו, בהחרמת רכושו ובסיכוי לחיסול על ידי מתנקשים וונציאנים" קול הרעם , הבלוג של אורי יואלי

Venetian glass 16 century Luvre

זכוכית וניציאנית מן המאה ה-16, אוסף מוזיאון הלובר

העולם של אל ג'זארי איננו כזה. זה איננו עולם תעשייתי משוכלל בו  יצרנים רבים מתחרים על הכל כולל ידע וטכנולוגיה. השאלה של מסחור הידע זרה לו. עולם התכנות (programing) צמח באופן שונה מתעשיות אחרות ויש בו במקביל לפטנטים והגנה קיניינית את תוכנת הקוד הפתוח החופשית (Free and Open Source Software -FOSS ). אבן הפינה של התנועה הוא  קידום שיתוף פעולה בין אנשים, כאשר הכלי הוא מחשבים. גם אל ג'זארי הוא חלק מתנועת הקוד הפתוח רק במשאבות ובאוטומטות. הפעם זה לא הערכה שלי אלא עובדות. זהו תרגום שלי מאנגלית לדברים שכתב בהקדמה לספרו והמוטיבציה לכתיבתו היא ללא ספק שיתוף  של ידע. הציטוט קצת ארוך, אבל מדבר בעד עצמו:

"אני בשרותו של המלך סלח נסר אל-דין אבי אל פתח מחמוד בן מוחמד בן קרע ארסלן בן  דאוד בן סוקמאן בן ארתוק, מלך דיארבקיר, שאללה ישמר אותו עם כל נבחריו. זה לאחר ששרתתי את אביו ואחיו, אלהים יקדש את נשמותהם, לפני שהמלוכה עברה אליו. סך הכל 25 שנים הראשונה ב577  להג'רה [1181 לספירה]. האל הנעלה חנן אותו באינטילגנציה גבוהה, תודעה גבוהה, חוש צדק ויושרה כשהוא התעלה על המלכים בני זמנו ועל האדונים בזמנים קרובים ורחוקים בעשיית טוב ובנדיבותו. אין שום דקות מדקויות השלטון שהוא לא מיומן בה בעזרת יכולת החדירה של האינטלקט שלו, ואין מיסתורין מכל לימודי המיסתורין שהוא לא הבין בכוח רצונו. מעולם לא בניתי מכונה ממכונותי שהוא לא צפה את תכליתה ע"י כושר אבחנתו. בנוסף דעתו אנינה וחוכמתו רבה. הייתי אצלו יום אחד והבאתי לו דבר שציווה עלי לעשות. הוא התבונן בי והתבונן בבדבר שעשיתי וחשב על כך בלי שהבחנתי בזאת. הוא ניחש את כוונתי ווגילה את סודי. הוא אמר לי "בנית מכונות שאין להן ערוך ובכוחך מימשת אותן, אל תאבד את אשר עמלת ובנית. אני מבקש שתכתוב עבורי ספר אשר יאסוף את יצירותיך הנפרדות כולל שרטוטים"  

משאבה המופעלת בכוח גלגל מים

הפוסט הזה מוקדש באהבה לאבא וגדליה נאמן (סבא רבא, וסבא של אהובתי) שעל מצבותיהם חקוק "אהב את העבודה ומלאכה וייצור משאבות מים בארץ ישראל".

הקדמה

משאבת גלגל המים המהפכנית היא המשאבה החמישית בפרק החמישי אשר מוקדש ל"מכונות המעלות מים מבריכות, בארות שאינן עמוקות ומי נהר".

cat V chap 5 p189 Topkapi_web

משאבת המים החמישית, ספריית טופקאפי מתוארך ל1206

אל-ג'אזרי זכה לתהילתו בעיקר בגלל שעונים אקזוטיים ומלאי הפתעות כמו שעון הטירה או שעון הטווסים ואוטומטות עלהן אכתב בפוסטים עתידים. המשאבה הזו, כמו ארבע משאבות נוספות שפיתח מראה כי אל-ג'זארי עסק  במצוקות האמת של האנשים סביבו. שאיבת מים חיונית לכל חברה, לצורך שאיבת מי שתיה, השקיית היבולים, פינוי מי שטפונות, כיבוי שריפות, ועוד.

המשאבות השכיחות בעולם האיסלם במאה ה-12 היו  הקילון או ה"שאדוף" (בערבית شادوف) הסאקיה (בערבית  ساقية‎‎). שניהם מכשירים עתיקים להרמת מים. השאדוף הוא ידני ומורכב ממוט ארוך על ציר, בקצהו האחד כלי לשאיבת המים, ובקצהו השני משקל מאזן. המפעיל מושך את החבל עד שהכלי מלא במים ומאפשר למשקל המאזן להרים את המים ולשפך אותם בתעלת ההשקיה. הסאקיה היא מתקן מכני המעלה חגורה של דליים או כדים בעזרת  חמור או שור.

משאבות מים עתיקות

משאבות מים עתיקות

שתי המשאבות האלו דומות מאד לפעולה האנושית של הורדת כד למאגר מיים, רק חוסכות בעבודה ומאמץ.

משאבת גלגל המים אינה מחקה את הפעולה האנושית ואפשר לראות בה הרחבה ופיתוח של משאבת הבוכנה של קטסיביוס (Κτησίβιος;‏ המאה השלישית לפני הספירה). קטסיביוס היה מתמטיקאי וממציא בתור הזהב של אלכסנדריה התלמאית. הוא כתב את המסות הראשונות על חקר אוויר דחוס ובשל כך יש המכנים אותו "אבי הפנוימטיקה". הוא המציא  את משאבת הבוכנה הראשונה והיא היתה ככל הנראה פופולרית באימפריה הרומית כי לפחות 25 משאבות כאלו נמצאו בחפירות באתרים רומיים. אפשר לקרוא יותר כאן. אף אחד מספריו של קטסיביוס לא שרד למרבה הצער, ואנחנו יודעים עליו רק בשל כותבים מאוחרים המצטטים את עבודתו. אינני יודע על משאבות קטסיביוס בעולם המוסלמי ואין בספר הידע של התקנים מופלאים התיחסות כל שהיא לקטסביוס. לעולם לא נדע מה, אם בכלל, ידע אל ג'אזרי על קטסיביוס ומשאבתו.

איך פועלת משאבת גלגל המים של אל ג'זארי?

הסבר טכנולוגי, כפי שהבטחתי, יהיה בצבע כחול כך שמי שלא מעוניין לקרא על שסתומי יניקה וסניקה יוכל לדלג. וראשית סרטון YouTube  קצרצר של  Technology &Science In Islam  שמסביר היטב את פעולת המשאבה.

מקור הכוח של המשאבה הוא  גלגל מים נמצא בתוך הנהר, ומסתובב בהשפעת המים הזורמים. גלגל המים מחובר דרך גלגלי שינים אל גלגל עם פין אקצנטרי (לא במרכז) הנמצא בתוך מסילה בתוך מוט הארכובה המחובר לנקודה קבועה. כאשר הגלגל מסתובב המוט ינוע ימינה ושמאלה ימשך בוכנה אחת וידחף בוכנה שניה. למנגנון הזה קוראים מנגנון  ארכובה במסילה (slider crank mechanism) והוא ממיר תנועה סיבובית לתנועה קווית ולהפך. זהו מרכיב חיוני במנועים ומשאבות גם היום.

crank slider mechanism

מנגנון  ארכובה במסילה

שתי הבוכנות מחוברות לצינורות יניקה היורדים אל הנהר. צינורות היניקה ממשיכים כלפי מעלה ומתאחדים לצינור אספקה יחיד. בחיבור לצינור היניקה/אספקה יש שני שסתומים חד כיוונים הנקראים שסתום יניקה ושסתום סניקה. הוא עיבוד שלי לשרטוט של אל ג'אזרי. בשרטוט המקורי אין מים ושני השסתומים סגורים, מצב שהוא אפשרי רק במהלך הבניה ולא אפשרי במהלך השאיבה. בנוסף, במהדורת הפקסימיליה שלי, השרטוט קטוע בקצהו.

בוכנה

מבנה הבוכנה והשסתומים, שרטוט מעובד

כאשר הבוכנה נעה אחורנית (נמשכת, כמו בציור) היא פותחת את שסתום היניקה וסוגרת את שסתום הסניקה וכך את צינור האספקה ושואבת מים מן הנהר. כאשר הבוכנה נעה קדימה (נדחפת) נפתח שסתם הסניקה, נסגר שסתום היניקה ומים נדחפים כלפי מעלה לצינור האספקה. המנגנון הזה נקרא פעולה כפולה משום שכאשר בוכנה אחת נמשכת הבוכנה השניה נדחפת כך שאספקת המים היא רציפה.

יש שלושה חידושים מרכזים במשאבה של אל ג'אזרי בהשוואה למשאבת קטסיביוס. כל אחד מהם בנפרד היה מצדיק בימינו פטנט. באינטרנט יש רשימות של מה שאל ג'אזרי המציא. למשל כאן או כאן. הדיון על ה"זכות לפטנט" זר לאל ג'זארי ולמאה ה-12. בפוסט עתידי אני מקווה לכתוב על ההיסטוריה של הפטנטים ועל תפיסת הקניין הרוחני בספר הידע של התקנים מכאניים מופלאים.

  1. המשאבה של קטסיביוס ידנית ודורשת אדם שיפעילה. אל ג'אזרי משתמש בכוח הנהר להפעיל את המשאבה. אל ג'אזרי אף כותב שגלגל המים דומה לטחנות מים שהיו מוכרות היטב בתקופתו. זה יתרון גדול במשאבות לצרכי מי שתיה או השקיה.
  2. השימוש בגלגל מים דרש המרה של התנועה המעגלית (גלגל המים)  לתנועה קווית (תנועת הבוכנות). ההיסטוריה של הארכובה (בצורותיה השונות) מתועדת עד למאה השניה לפני הספירה בסין. אל ג'זארי הכיר את ספרם של ה"בנו מוסא" בו מופיע גל ארכובה. אבל מנגנון הארכובה במסילה  יותר יעיל ועל כן נשאר בשימוש עד היום ללא שינויים משמעותים.

המשאבה של קטסיביוס פועלת רק כאשר היא שקועה במים. במידה ומפלס המים ירד היא תחדל מלשאוב. למשאבה של אל ג'אזרי יש צינורות יניקה המאפשרים לה להיות לתפקד היטב מעל מפלס הנהר. ירידת המפלס במידה מוגבלת לא תשפיע עליה כלל.

האם המשאבה הזו נבנתה או היא רק בגדר רעיון ?

מידי פעם עולה השאלה אם אל ג'זארי אכן בנה את מכונותיו המופלאות או שאלו רק שרטוטים או הצעות שלא מומשו מעולם?

לצערי אין לנו עובדות קשיחות. הארמון בדיארבקיר נחפר רק חלקית ואין עדות ארכיאולוגית למכונה של אל ג'זארי. אינני מכיר שום עדות חיצונית של נוסעים מוסלמים שבקרו בארמון במאה ה-13 ויכלו לדווח על אחת המכונות האקזוטיות כמו שעון הפיל למשל.

למרות זאת אני משוכנע שהמשאבה הזו (כמו דלת הארמון ושעון הטירה שתיארתי בפוסטים קודמים ) אכן נבנתה ויש לי שני נימוקים:

  1. הפרוט הרב של דקויות העשיה גורם לתחושה שאל ג'אזרי בנה את המשאבה. על בוכנת הנחושת, למשל, הוא מלפף חבל כדי לשפר את האטימה. עצם השימוש בחבל מרמז על "מקצה שיפורים". קשה לי לראות בו חלק מתכנון שלא מומש. בנוסף אל ג'אזרי מבקש חבל ספיצפי, העשוי מצמח הקנאביס ששימש ימאים בתקופתו. החבל הזה נבחר, מן הסתם, בשל עמידותו במים. האם יתכן שאל ג'זארי חשב על כל הפרטים האלו למרות שהמשאבה לא נבנתה ? אפשרי אבל לא מאד סביר.
  2. ב-1976 בנה מוזאון המדע בלונדון (London Science Museum), דגם מדויק בקנה מידה של המשאבה. ההבדל היחיד היה שהמשאבה הופעלה חשמלית ולא ע"י מי התמזה. צילום של הדגם מופיע למטה. הדגם שאב מים ללא כל בעיה והפיק זרם מים קבוע. יתכן שאל ג'זארי היה מתכנן כה מוצלח שצוות המוזיאון היה הראשון שמימש את תכנוניו והם פשוט עבדו נפלא. סביר יותר לחשוב, וגם הניסיון מלמד, שהמעבר מלוח השרטוט למכונה עובדת דורש שיפורים ותיקונים. הצלחה של צוות המוזיאון נסמכת לפיכך על הניסיון המעשי של אל ג'זארי בבניית המשאבה.

 

london science museum degem_2

דגם המשאבה, המוזיאון הבריטי למדע, 1976

אבא נאמן משאבות בע"מ

ב1980 למדתי כימיה באוניברסיטת ת"א וחפשתי עבודת קיץ לפרנסתי. אינני זוכר איך בדיוק התגלגלו הדברים אבל סוכם שאעבד בבית החרושת "אבא נאמן משאבות בע"מ" אותו ניהל גדליה נאמן, סבה המאד אהוב של  אהובתי.

ביומי הראשון במפעל  עזרתי ליצוק אימפלורים(מאיצים)  ב"חול ירוק" מאד דומה למה שאל ג'אזרי עשה 800 שנה לפני. כדי שלא יתקבל רושם מוטעה על יכולתי המקצועית, הסבירו לי בחמש דקות מה צריך לעשות ועד לסוף יום העבודה שברתי עם פטיש גדול חלקי ברונזה מיותרים. המשרדים היו זעירים ואיש לא נזקק לידע שלי בכימיה או במחשבים. רוב הקיץ הייתי שולית חרט. זה היה נפלא. כל כך נהניתי שהתחלתי קורס חרטות ערב, למבוגרים, בבית הספר מקס פיין.

את המפעל הקים אבא נאמן ב-1900. הוא היה אוטדידקט אמיתי; לימודיו הפורמאליים הסתכמו בלימודים בישיבה. כל מה שידע על מכונות למד מתוך עבודה ועשיה. הוא עבד בבית המלאכה של ליאון שטיין לעבודות מתכת, שעשה את כל עבודות במתכת שהישוב הצעיר נדרש להן: תיקון כרכרות, תחזוקת משאבות, תיקון דוד הקיטור ביקב בזכרון או מכונת מצות. בהיעדר חשמל ומנועים הופעלו המחרטות בתנועת רגלי הפועל (כמו מכונות תפירה ישנות של זינגר). מחרטה ידנית שכזו היא ראשית המפעל של אבא נאמן. אבא נאמן התמחה במשאבות מים ולמרבה הפלא ההבדל היחידי כמעט בין המשאבה של אל ג'אזרי שמוסברת למעלה לבין המשאבה של אבא נאמן היא שהאחרונה מופעלת בעזרת מנוע דיזל והראשונה בעזרת גלגל מים.

הסופר, איכר משה סמילנסקי כתב כי "המשאבה של נאמן פעלה בפרדסו 44 שנה ללא דופי"   (מצוטט מהספר "ממציאים ומאמצים" שכתב שאול אביצור). זה לא היה לפני מאות שנים רק במאה שעברה. אבל גם "האיכר הסופר" וגם משאבה שמחזיקה 44 שנים נשמעים רחוקים ומעוררי געגועים כמעט כמו אל ג'זארי.