מנעול האותיות של אל ג'זארי והכספות מאיספהאן

"שד זה חטפני בליל נישואי ושם אותי בתוך קופסה, שם את הקופסה בתוך תוכה של תבה, וסגר את התבה בשבעה מנעולים, והניח אותי בתהומות הים הסוער המכה בגליו, ואין הוא יודע, שהאשה מתוכנו כשהיא מבקשת משהו לא ינצח אותה כלום…"

סיפור המלך שהריאר ואחיו המלך שאהזמאן, אלף לילה ולילה, תרגם יוסף יואל ריבלין

בשער השישי, שער הנספחים, מתאר אל ג'זארי "מנעול לנעילת תֵבָה באמצעות 12 אותיות האלפאבית".

לוח הנעילה

לוח הנעילה במנעול האותיות, עותק טופקפי, 1206

תיאור התֵבָה של אל-ג'זארי

ההסבר ההנדסי, ייצבע, כמו תמיד, בכחול, כך שמי שלא מתעניין בצילינדרים ובפינים משופעים (tapered cotter) יוכל לדלג.

זוהי תֵבָה עם ארבעה מנעולי קומבינציה בארבע הפינות של המכסה. בכל מנעול קומבינציה אל ג'זארי משתמש בשש עשרה מתוך עשרים ושמונה האותיות באלף-בית הערבי, הוא לא משתמש באותיות עם ניקוד דיאקריטי (ניקוד הבחן) כמו ب (בא) או ن (נון), כאשר רק מיקום הנקודה מבדיל בין האותיות. אל ג'זארי לא מסביר את בחירתו, אולי על מנת למנוע טעויות.

Category VI chapter 3 Fig 153 p199

ארבע החוגות, תמונה מעובדת מעותק טופקפי, 1206

reconstruction_2

שחזור התבה מן האתר HTTP://WWW.JAZARIMACHINES.COM/EN

ארבע החוגות על מכסה התֵבָה הן יחסית מורכבות. כל חוגה מורכבת משלושה גלילים (הם נקראים צילינדרים) אשר מסובבים דיסקית עם שנץ. חיברתי את השרטוט המקורי של אל-ג'זארי של החוגה במבט אנכי עם השרטוט המודרני של היל והוספתי כתוביות:

combine drawing

שרטוט משולב של מרכיבי החוגה, השרטוט המקורי של אל ג'זארי, שרטוט מודרני של מתרגם ומפרש הספר, ד"ר דונלד היל, וכתוביות שהוספתי

מאחר וזה נראה לי עדיין מסובך להבנה הוספתי את השרטוט של מרכיבי החוגה לפני ההרכבה:

parts

מרכיבי החוגה, שרטוט ע"פ מתרגם הספר, דונלד היל, עם כתוביות שלי

כאשר מסובבים כל אחד משלושה הצילינדרים לאות הנכונה, כל השנצים ימצאו במקומם  ויאפשרו את פתיחת המנעול. זה דורש ידיעה של 12 אותיות, שלוש אותיות לכל חוגה כפול 4 חוגות. כל המערכת הזו מוחזקת במקומה, אך מאפשרת סיבוב נוח של מרכיביה, בעזרת פין משופע(tapered cotter). כאשר רוצים לשנות את הקוד מוציאים את הפין ממקומו ומכנית מסובבים את הדיסק כך שמיקום השנץ יתאים לאות בה חפצים.

התיבות מאיספהאן

אף אחת ממכונותיו המופלאות של אל-ג'זארי לא שרדה את מאות השנים שחלפו, וכל שנותר לנו הוא כתבי יד יפיפיים. אני עוד מפנטז על חפירה ארכיאולוגית יותר מקיפה בארמון בדיארבקיר שתגלה שרידים של שעון הטירה או אחת מהיצירות המונומנטליות שלו. עד אז, שתי התיבות-כספות עם מנעולי אותיות מאיספהאן שבפרס, משלהי המאה השתים עשרה, הן הדבר הקרוב ביותר למסע בזמן, לראות את אל- ג'זארי בעבודתו.

במוזיאון דויד בקופנהגן יש שברי תיבת פליז משובצת בכסף ונחושת עם ארבעה מנעולי אותיות בתצורה מעט אחרת, ארבע החוגות הן בקו ישר ולא בארבע פינות של מלבן אך הדימיון לתיבתו של אל ג'זארי רב. כל חוגה מכילה 16 אותיות. גם פה לא נעשה שימוש באותיות עם ניקוד דיאקריטי ויש גם דימיון רב בתהליך הנעילה ובפרטי המנגנון. התֵבָה מעט יותר פשוטה, ובכל חוגה יש רק שני צילינדרים, כך שנדרשות שמונה ולא שתים עשרה אותיות לפתוח את התֵבָה. על התֵבָה יש ניסבה (כתובת המעידה על עושיה) ובה כתוב:

"זוהי עבודתו של  מוחמד ב.[בן] חמיד אל אצטרולבי

אל איספהני בשנה  597 [להג'רה, היא 1200 לספירה]

ובדקתי אותה".

בנוסף יש גם ברכות ואיחולים לבעל התיבה.

combination lock Isfahan

שרידי תֵבָה שעשה אצטרולבי בשנת 1200 באיספהאן , מוזיאון דויד, קופנהאגן

לתדהמתי יש במוזיאון לאומנות בבוסטון תבה-כספת נוספת שיוצרה באותה תקופה ע"י אצטרולבי. גם זו קופסה עם  ארבעה מנעולי קומבינציה של שני צילינדרים, היוצרת קוד בן שמונה אותיות. הפעם יש גם חזית מקושטת, ככל הנראה מאוחרת יותר, שבה יש תבליטים של שלושה שומרים המוסיפים הגנה סימלית. הניסבה מעידה כי  גם תֵבָה זו הוכנה ע"י אצטרולבי כארבע שנים יותר מוקדם (593 להג'רה או 1197). למרות שזה ילדותי, אינני יכול להמנע מלהרגיש קצת "מקופח": למה שרדו שתי תיבות של אצטרולבי מאיספהאן ואף לא מכונה יחידה של אל גזארי? אין לזה, ולא יכולה להיות, תשובה.

MFA_Asturlabi Box

תֵבָה שעשה אצטרולבי בשנת 1197 באיספהאן , מוזיאון לאומנויות יפות, בוסטון

אצטרולב

ברור משמו של עושה התֵבָה שמקצועו, וככל הנראה המקצוע המשפחתי, היה ייצור אצטרולבים. אצטרולב( ٱلأَسْطُرلاب) הוא מכשיר משוכלל של אסטרונומים ונווטים למדידת הזוית של כוכב מעל האופק. הוא כולל פונקציות רבות, אבל שימש בעיקר למציאת קו הרוחב (latitude), כשיודעים את השעה המקומית, או כשעון, כשיודעים את מקומנו. יש הסבר והדגמה כאן.

נותרו ארבע אצרולבים מן המאה ה-12  שנוצרו ע"י בני משפחת אצטרולבי מאיספהאן. לא מצאתי תמונות שלהם, אבל יש תמונות של אצטרולבים מאיספהאן מן המאה ה-9 ועד למאה ה-16 ואני מביא תמונה אחת לדוגמא:

astrolab

אצטרולב מן המאה ה-13 מאיספהאן. הוכן ע"י מוחמד ב. עלי בקר ב. מוחמד אל רשידי אל עברי. מוזיאון היסטוריה של המדע, אוקספורד, אנגליה

באופן מפתיע, אולי, יש קשר בין האצטרולב לבין מנעולי הקומבינציה. המנעול מורכב מגליל(ים) המסתובב(ים) ביחס לעיגול האותיות. באצטרולב יש זרוע מסתובבת ביחס לזויות החרוטות בקצה המעגל. בנוסף יש מסגרת שנקראת "רטה" (rete) שמסתובבת. נקודות על הרטה מסמנות את כוכבי השבת. מכאן שגם האצטרולב וגם החוגות במנעול האותיות הן מערכות מכניות המסתובבות סביב המרכז. זה נעשה כאן וכאן בעזרת פין משופע (tapered cotter) המחזיק את כל המרכיבים במקומם ומאפשר תנועה סביב הציר. לפין הזה יש קצה בצורה של ראש סוס ומכאן שמו בערבית – فرس. אני מצרף צילום של אצטרולב מפורק, ניתן לראות ממש את אותו המנגנון ואותו הפין (בעיגול האדום) שהופיע  בשרטוט של אל ג'זארי למעלה.

parts of an astrolab

אצטרולב מפורק לחלקיו. הפין המשופע בעיגול האדום

מי שבאמת רוצה לצאת למסע היסטורי-מדעי יכול לקרא את המדריך שג'פרי צ'וסר (Geoffrey Chaucer) כתב לבנו לואיס בן ה-10. צ'וסר, אחד מאבות הספרות האנגלית, ומחברם של "סיפורי קנטרברי" העסיסים היה גם אסטרונום. זהו הפרסום הראשון באנגלית בנושא זה וגם מבוא מצויין לתפיסת האסטרונמיה בממאה ה-14. החיבור מכיל יותר מארבעים(!) שימושים באצטרולב.

מי הקדים את מי ?

אל ג'זארי כותב בפתח הפרק:

" [העבודות] המוקדמות יותר במקצוע זה כללו מנעולים לנעילה ופתיחה באמצעות אותיות. ביניהם היו [מנעולים] של ארבע אותיות על ארבע מעגלים, של שתי אותיות על שני מעגלים ושל שש אותיות על שישה מעגלים"

מכאן שאל ג'זארי לא טוען לראשוניות כלל. האם התיבות מאיספהאן הן חלק מן התיבות עליהן התבסס אל ג'זארי ? האם ספרו של אל ג'זארי הגיע לאיספהאן? ככל הנראה לא. התיבות הוכנו בשנים 1197-1200 לספירה. אין לנו תאריך מדויק לכתיבת הספר.  ריצ'ל וורד טוענת שהספר נכתב בין 1197 ל1200. זה מעט יותר מוקדם מדונלד היל שסבר שהספר נכתב בין 1204 ל-1206. הפערים (הקטנים) נובעים מן המקורות השונים, היל הסתמך בעיקר על העותק באוניברסיטת אוקספורד והיא מסתמכת על העותק המוקדם יותר מטופקפי. כך או כך הקרבה בין תאריך הכתיבה לבין תאריכי ההכנה של התיבות באיספהאן כמעט שוללת את האפשרות של השפעה הדדית. הרבה יותר סביר שהתיבות מאיספהאן כמו תיבתו של אל ג'זארי הם חלק מן התרבות החומרית העשירה בעולם המוסלמי באותה התקופה. זה גם ברור מעצם ההקדמה של אל ג'זארי. מעניין לציין שמנעול האותיות הראשון בארופה הוא ככל הנראה עבודתו של ג'יובני פונטנה, מהנדס ונציאני מן המאה ה-15, שלוש מאות שנה אחרי אל ג'זארי! פונטנה עסק במגון רב של תחומים, כולל מדידת גבהים בעזרת אבנים נופלות, שעוני מים וחול, ומדידות טריגונומטריות. הוא כתב את אחד הספרים הטכנולוגיים הראשונים בתקופת הרנסנס " Bellicorum instrumentorum liber" . הספר כולל מכונות מצור אבל גם המצאות פנטסטיות כמו ציפור מונעת ברקטה, וגרסה מוקדמת של אופניים עם ארבעה גלגלים ו…מנעול האותיות:

Fontana

מנעול האותיות של גי'ובני פונטנה 1420-1430

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"  

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"

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.