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机械也有生命-Automata发展史 | 古希腊篇(上)
2018-09-12 00:00:00

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人类在认识自然和改造自然中机械起了至关重要的作用,各种机械装置的出现和发展,提高了生产力并且促进了人类文明进步。  

机械的发展水平,在很大程度上代表着一个国家经济和科学技术的发展水平。

 Automata(自动机械装置)这个词来源于古希腊语αὐτόματον,有“自我意志、自动移动”的意思。 通常用来形容那些可以自动行走类似动物或者人类行为的机器,机器按照预先设定的行为模式作出一系列的反应,放到现在最典型的例子就是机器人。

 听上去也许有点高大上,不过很多玩具都是属于Automata的范畴,就像我们小时候玩的各种发条玩具。比如这只发条青蛙,上完发条就能模拟青蛙一跳一跳 当时价格不菲的下蛋鸡 布谷鸟钟上的小鸟装置也归于其类 亚里士多德在研究了自动机械的概念后不禁感叹道 “如果每个工具都能根据或预测他人的意愿行事,完成本职,……,那织布机会自动编织衣物;琴拨可以自动奏响里拉琴,工头也不用找仆人,主人也不再需要奴隶。高贵的人可以摆脱单调乏味的工作,用好自己的知识与智慧,努力成为称职公民。“ 词义既然来源于古希腊,那我们就从古希腊说起吧,古希腊文明在机械方面的成就可谓叹为观止,牛人辈出。

阿尔库塔斯Archytas (428 BC -347 BC) 古希腊 哲学家,数学家,天文学家 被认为设计并制造了第一种人造自行飞行装置--蒸汽飞鸽。 图纸早已失传,现代想象作品 一般认为它有一只鸽子的形状,内部装有一个动物膀胱,鸽子气囊开口处与一个在适于加热的密闭炉相连。 当蒸汽或空气的压力超过连接处的机械阻力时,鸽子脱离密闭炉并从膀胱里喷射气体飞行,据说距离可以达到数百米。 是不是有点像火箭啊。随便说一下,月球上有个火山口就是用他的名字命名的。

阿基米德 Archimedes (287 BC -212 BC) 古希腊数学家,物理学家,发明家,工程师,天文学家 嗯 ,就是“给我一个支点就可以撬动地球”那位 亚里士多德在公元前330年便提到了齿轮   "当一个齿轮驱动另一个齿轮时,旋转方向相反"。 

阿基米德在他的各种机械中使用过齿轮,他把这些机械发明看作是闲暇时的娱乐或者认为这与他研究的科学问题来说完全不值一提,所以没有发表任何描述他发明的作品。 据文献显示他曾经做过一个水钟,水力驱动一个刽子手雕像缓慢前行,每隔固定时间刽子手会击倒行进路上的囚徒,计算被处刑的囚徒数便可知道经过了多少时间 公元前27和23年左右的维特鲁威描述了一种里程表,很有可能是阿基米德发明的。 (复原图) 

 带轮子的战车在罗马一英里内正好转400次。每转一圈,轴上的一个销钉就会啮合一个400齿的齿轮 每英里这个齿轮会完成一次完整的旋转,另外一个联动装置就会掉下一颗鹅卵石到一个盒子里。通过计算石头的数量即可获得行驶里程数。

 这种仪器是否真正建成存在争议,达芬奇也曾经根据描述试图来构建它。 (达芬奇手稿) 阿基米德正式记载杠杆的使用并诠释了它的原理,滑轮组也是用的出神入化,在罗马的战争中他制造了一系列大型机械装置用于守城 (传说中的阿基米德爪) 通过巨大的杠杆把爪投出,钩到船上后利用钩子的巨大动力把船拉沉或者把船撞上岩石。 

 克特西比乌斯CTESIBIUS (285 BC -222 BC) 古希腊发明家,数学家 (生卒年不详,上面的日期只是他的活跃期) 克特西比乌斯是位理发师的儿子,他对压缩空气学及其在泵中的应用以及对气动弹性的研究让他获得了气动学之父的称号。 子承父业,一开始他也是位理发师,不过有点不务正业,他设计了一面可以调节高度的镜子。 (复原图)

 镜子后面挂了一个铅锤,重量与镜子的重量相同,这起到了平衡作用,镜子就能适应不同客户的高度,另外调节时滑轮会推动管子中的空气发出音符噱头十足。 没有任何文字记载他是什么时候不干理发师这行的,不过当年的设计让他对空气和水相互作用产生了浓厚的兴趣。 他又逐渐设计了许多由压缩空气操作的机构,后人把他的活塞抽水泵用在了消防车上 他做了一个水压装置试图解决一人演奏多个乐器的问题,这就是管风琴的前身 (公元前1世纪的Hydraulis,迄今为止发现的最古老的乐器) 原理图 现代复原品,大家可以欣赏一下 克特西比乌斯的水钟 克特西比乌斯改进的水钟精度达到了一个非常高的水平,直到被摆钟所取代,要知道惠更斯是1656年发明摆钟的,这种水钟结构居然被使用了长达1800年! 水钟是最古老的时间测量仪器之一,它使用水流来测量时间,理想状态下固定时间流水量是固定不变的。 

当然这是理想状态,以前的水钟有一个问题,容器满时水流的很快而水快流完时水流速度又开始放慢,这与水压有关,显而易见这两段时间是不能用来计时的 容器中的水位要恒定,流水的速度才能恒速,计时才比较准,另外怎么保持前期注水的恒定性呢 ?? 

 中国人是这么干滴 最早做法就是加多级盛水容器,容器排水同时会有上级容器流水补充,使流出的水保持相对定量,一般有3-4级 不过第一级的注水量无法保持恒定,其它下级容器水量也会有所变化,精度不算太高 (四级漏刻) 宋代开始出现了莲花漏,莲花漏有两个供水壶并采用溢流法。 一级容器流到二级容器的水流量略大于二级容器流入箭壶的水流量,所以二级容器的水位会不断增加。 

当水位升到溢水口时,多余的水从溢水口流出。能够有效地保证二级水位的稳定性(水位一直是接近溢水口高度),从而提高计时的精确度。 大牛是这么干滴 克特西比乌斯的做法可谓高人一筹,水钟每个容器的水量都保持在一个不变值的时候是最准的,他首先把滴孔的地方使用黄金等不会腐蚀的材料,保证水流畅通。 接水的一级容器便装有一个溢水装置,多余的水直接排掉 然后在二级容器中装了一个阀门装置,水面下降补水,水过多时阀门浮起停止补水,用这样的方法保持二级容器中的水位稳定。 最后在标识容器中放个浮子标记刻度 标识容器装有一个虹吸装置,一旦浮子到达某一高度就会自动排水下降,浮子便可以从原点重新计时。 (现代复原品,注意下方的虹吸装置) 浮子装有齿轮装置,指针可以一年365天不间断停的显示时间及日期! (其实漏画了进水阀门,不过也差不多了) 有的钟还连有一些可动的人偶发声的小鸟之类,所以后人也认为这是布谷鸟钟的前身。 

 这是历史上第一台全自动的装置(自我调节、自我管理以及自我控制),似乎被赋予了生命 里面的浮子装置我们现在都还在使用,这就是抽水马桶 克特西比乌斯被誉为是继阿基米德后的第二人,他可能还是著名的亚历山大博物馆的第一任负责人。

 亚历山大博物馆 位于埃及亚历山大,始建于公元前280年左右,是古地中海世界的教育、科研和文化中心,是东西方文化交融的产物。 据说当时居住着超过1000名学者。工作人员和学者从博物馆领取薪水也不缴税,另外还能享受免费食宿及免费的仆人。 

英文中博物馆(Museum)一词源于希腊语mouseion,意为“缪斯的居所”。 缪斯为古希腊罗马神话中的女神,最初司职歌舞、演出,后转为诗词的庇护神,进而延伸为一切文理科学的保护神,甚至和竞技体育也有一定的联系。最早建于古埃及亚历山大市的博物馆便因之得名。 

著名亚历山大图书馆仅为博物馆的一个组成部分 (古亚历山大地图) 后面还有位大牛人,今天先说到这,下回继续

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