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…

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.