קוסם ההנדסה מימי הביניים

לפני כשש שנים נתקלתי כמעט במקרה במציאה שאין שנייה לה: ספר עתיק, שמקורו במאה ה-12, וכולל המצאות מכניות יצירתיות ומשוכללות. היה שם מכל הבא ליד: שעונים משלל סוגים הפועלים על מים או על נרות, מזרקות, משאבות מים, אגנים וכדים לרחצה או להקזת דם ואפילו מתקני בידור ושעשוע למשתאות. כמו כן היו בו שרטוטים של דלת הארמון של דיארבקיר, מנעול שמזכיר רב-בריח וגם מכשיר גיאומטרי למציאת מרכז המעגל.

מאחורי היצירה המרהיבה, "ספר הידע של התקנים מכניים מופלאים", עומד המלומד המוסלמי בדיע אל-זמאן אבו אל-עזבן אסמאעיל בן אל-רזאז אל-ג'זארי (بديع الزمان ابو العز بن إسماعيل بن الرزاز الجزاري), שחי ככל הידוע לנו בשנים 1206-1136 בדיארבקיר שבדרום מזרח טורקיה. מרוכזים בו שרטוטים יפהפיים מלווים בהסברים מפורטים של חמישים מההתקנים המכניים שיצר הממציא, מהנדס המכונות והאומן אל-ג'זארי.

למרבה הצער איננו יודעים על אל-ג'זארי דבר זולת מה שנמצא בטקסט ובשרטוטים שלו – אבל המכונות מציירות תמונה עשירה למדי לא רק על מקצועו, כמהנדס, אלא גם על אישיותו. בשש השנים האחרונות יצאתי למסע תרבותי עוצר נשימה במאה ה-12, בעקבות המכונות שלו ומקומן בהתפתחות הטכנולוגיה, עד שהגעתי למכונה האחרונה. בחרתי בשלוש מהן כפתח להבנת האיש ופועלו.

נחשב ליצירה המפורסמת ביותר של אל ג'זארי. שעון הפיל, עותק מ-1315, סוריה. מקור: Science Photo Library

שעון הפיל: מכניקה עדינה ומדויקת

דמיינו פיל נחושת הנושא על גבו אפיריון, שבראשו טירה עם מרפסת ועל כיפתה ציפור. על עמודי הטירה מתנוססים שני דרקונים פעורי פיות ובמרפסת יושב בזייר (מאלף בזים) שידיו מונחות על ראשיהם של שני בזים וכמו מונע מהם לפעור את מקוריהם. בתוך האפיריון יושב סוֹפר-מעתיק, שאוחז בידו עט המצביע על קשת עם שנתות. העט נע לאורך הקשת ומציין את הדקות החולפות, ובתום חצי שעה הוא חוזר אל נקודת ההתחלה.

שעון הפיל הוא ללא ספק הפופולרי מכל עבודותיו של אל-ג'זארי. הוא זכה לשחזורים מודרניים בתערוכות, במוזיאונים בקניון בדובאי ואפילו שחזור מלגו. ליבו של המנגנון המפעיל את השעון הוא מאגר מים נסתר בבטן הפיל, ובו מצוף מחורר השוקע אט אט במשך חצי שעה ומניע את העט בקצב קבוע. בתום כל חצי שעה מתחברים כל המרכיבים למופע: הציפור על הגג מסתחררת, הבזייר מרים את ידו הימנית (ויעבור אחרי חצי השעה הבאה לשמאלית) ומשחרר את הבז, והעוף הדורס פולט כדור שנופל אל לועו של דרקון.

התנועה לא מפסיקה כאן. משקל הכדור גורם לדרקון לחוג על צירו, למשוך בחזרה את המצוף השקוע ובתום הסיבוב להטיל את הכדור על מצילתיים הנתונות בתוך כד, שמהדהד את צלצולן. הכדור ממשיך את דרכו ומפעיל את המאהוט – רַכָּב הפילים – שמכה בפיל, תחילה בגרזן ולאחר מכן במקבת. מעל ראשו של הבזייר יש קשת עם כדורי זכוכית שנצבעים בהדרגה בלבן עם חלוף השעות ומציגים את השעה מאז הזריחה.

אפשר לראות כאן סרטון קצר שמסביר את פעולת השעון:

כמו חלק ניכר מעבודתו של אל- ג'זארי, הפיל מבוסס על מכניקה עדינה, מושג שנוגע למגוון שלם של מכונות: שעוני מים, אוטומטונים (בובות מכניות), מכשירים אסטרונומיים ועוד. חלקם נועדו למדוד את הזמן או לסייע במדידות מדעיות אחרות, ואחרים להנאה ושעשוע. המשותף לכל המכשירים הללו הוא המיומנות ההנדסית הניכרת שנדרשה לתכנונם והשימוש העדין שהם עושים במנגנונים ובמערכות בקרה.

הפיל הוא דוגמה נפלאה למכניקה עדינה. הוא מודד את הזמן ברמת הפרדה של ארבע דקות; הוא מכיל ארבעה או חמישה מנגנונים שונים העובדים בסנכרון מושלם; והוא מנצל את אנרגיית הגובה של הכדורים כדי לסחרר את הציפור, להשיב את המצוף השוקע לנקודת ההתחלה, לצלצל במצלתיים ולהפעיל את המאהוט. האם זה ההסבר לקסם העל-זמני של שעון הפיל?

אני חושב שהתשובה היא אחרת. אל-ג'זארי הוא משורר של הנדסה. שירה היא צורה של אמנות שמשתמשת בתכונות האסתטיות של השפה נוסף על המשמעות המילולית או במקומה. השימוש הזה עשוי לכלול כתיבה בשורות קצרות, משקל, חריזה ועוד מרכיבים שאינם נפוצים בכתיבה עיונית ובפרוזה. אפשר להרחיב ולטעון שפואטיקה היא סך התחבולות המאפיינות עשייה אמנותית כלשהי, מעין שפה פנימית של המדיום המתייחסת קודם כל לעצמה.

אפשר לדבר גם על הפואטיקה של הצייר, של המוזיקאי – וגם של המהנדס. הקסם של שעון הפיל אינו נובע רק מהגאונות ההנדסית שמאפשרת למדוד זמן במדויק או לבנות מכונה שפועלת בתיאום מושלם, אלא גם מהאופן שבו אל-ג'זארי בחר להשתמש בכלים המכניים כדי ליצור עולם מהפנט של דימויים ולהפוך מכשיר מדידה פשוט לכאורה כמו שעון למופע צבעוני ומרהיב.

פיתוח שהיה שווה שלושה פטנטים לפחות. משאבת גלגל המים, עותק מ-1315, סוריה. מקור: Science Photo Library

גלגל המים: משאבה עם טוויסט

הפרק החמישי בספר מוקדש למכונות שמעלות מים מבריכות, בארות רדודות ומי נהר. אחת היצירות הבולטות בו היא משאבת גלגל המים, שסוגרת את הפרק. 

אל-ג'זארי נודע ברבים בעיקר בזכות שעונים אקזוטיים ומלאי הפתעות כמו שעון הפיל, שעון הטירה או שעון הטווסים, וכן אוטומטונים מחוכמים. אבל המשאבות שפיתח מעידות שהוא עסק גם בחיפוש פתרונות למצוקות האמת של האנשים סביבו. שאיבת מי שתייה, השקיית היבולים, פינוי מי שיטפונות וכיבוי שריפות חיוניים לכל חברה.

המשאבות השכיחות בעולם המוסלמי של המאה ה-12 היו הקילון או ה"שאדוף" (شادوف) והסאקיה (ساقية‎‎). שתיהן חיקו את הפעולה האנושית של הורדת כד למאגר מים, ובפועל רק חסכו עבודה ומאמץ. אך משאבת גלגל המים היא דבר אחר: פריצת דרך הנדסית שאינה מבוססת על דגם הפעולה האנושי. אפשר לראות בה הרחבה ופיתוח של משאבת הבוכנה של המתמטיקאי והממציא קטסיביוס (Κτησίβιο) שחי בתור הזהב של אלכסנדריה התלמאית, במאה השלישית לפני הספירה.

גלגל המים של אל-ג'זארי טובל בחלקו בנהר ומסתובב בהשפעת המים הזורמים. המשאבה מבוססת על "מנגנון ארכובה במסילה", שממיר תנועה סיבובית לתנועה קווית ולהפך. מדובר במרכיב חיוני במנועים ומשאבות גם כיום. במשאבה, התנועה הסיבובית של גלגל המים מומרת לתנועה ימינה ושמאלה של מוט, המחובר משני צידיו לבוכנות כך שהוא מושך בוכנה אחת ודוחף את השנייה.

יש שלושה חידושים מרכזים במשאבה של אל-ג'זארי, וכל אחד מהם בנפרד היה מצדיק בימינו פטנט. ראשית, יתרונה הגדול על המשאבה הידנית של קטסיביוס הוא שהיא איננה זקוקה למפעיל אנושי ומשתמשת במקום זה בכוח הנהר. זה יתרון גדול במשאבות שמספקות מים לשתייה או להשקיה. החידוש השני הוא כאמור מנגנון הארכובה במסילה שאל-ג'זארי פיתח ראשון ונותר עד היום בשימוש ללא שינויים משמעותיים. ולבסוף, בשונה ממשאבות קודמות כמו זאת של קטסיביוס, היא לא חייבת להיות שקועה במים כדי לפעול. במקום זאת יש לה צינורות יניקה שמאפשרים לה לתפקד היטב גם מעל מפלס הנהר.

אל-ג'זארי הקדים את זמנו גם כאיש של שיתוף ידע. הוא לא רשם פטנט, לא רק כי חוק הפטנטים הראשון ייכתב רק בוונציה של המאה ה-15, 300 שנה אחרי זמנו, אלא גם כי שמירת בלעדיות על ידע הייתה מנוגדת לתפיסת עולמו:

"בחמשת הפרקים האלה תיארתי את שורשי עבודתי, להם ענפים רבים ותועלת מרובה. כאשר רוכשים שליטה בהסבריי, אפשר לייצר מהם דברים רבים נוספים. השמטתי התקנים רבים שהמצאתי, מחשש לעמימות או בלבול. בדברים שהזכרתי יש ידע עבור המבקש ידע והמשתוקק ייצא נשכר".

אל-ג'זארי יצא אם כן לעולם עם תשוקה לחלוק את הידע שלו. מבחינה זו הוא שקול במקצת לעושה להטים: קוסם של הנדסה, שהפר את שבועת הקוסמים ומביא את הידע הנסתר לכל בני האדם.

הסירה המוזיקלית, עותק טופקפי 1206. מקור: Science Photo Library

הסירה המוזיקלית: רובוט שעשועים

בין עשרת האוטומטונים (בובות מכניות) והכלים שיצר אל-ג'זארי במטרה לשעשע את האורחים במשתאות המלכותיים בדיארבקיר נמצאת הסירה המוזיקלית. מדובר בסירת עץ נאה שעליה ניצבות דמויות של מלך, נושא גביע, אורחים במשתה, שומר ראש חמוש וארבע שפחות מנגנות: שתיים מהן מתופפות בתוף מרים, ושתי האחרות הן חלילנית ונבלנית. המלך ואנשי חצרו הם פסלים נייחים מעיסת נייר. השפחות המנגנות עשויות נחושת ולזרוען יש מפרק מתנועע.

הסירה מתנדנדת בנחת על מי הבריכה בארמון. אחת לחצי שעה יש הפתעה: ללא כל התערבות חיצונית מתחילה הופעה מוזיקלית; החלילנית מחללת, המתופפות מתופפות על תופי מרים והנבלנית מעבירה את ידיה על מיתרי הנחושת.

סרטון אילם של הסירה מפליגה. המנגנון נכנס לפעולה אחרי 50 שניות:

איך זה פועל? השפחות המנגנות יושבות על מכל מים שמתרוקן לאיטו לתוך מכל נוסף. כל חצי שעה בערך המכל השני מתמלא, נוטה על צירו ושופך את מימיו על גלגל כָּפּוֹת שמסתובב על ציר. הציר מסובב בתורו מוטות הפעלה (זיזים) הניצבים לו, ובתנועתם הם מסיטים מנופים המחוברים לזרועות המתופפות והנבלנית. בעקבות זאת הזרועות עולות ויורדות וכך מתופפות או פורטות על הנבל. המים הנשפכים ממכל ההטיה מגיעים למכל ריק, ודוחפים ממנו אוויר בצינור המחובר לחלילנית שבקצהו יש משרוקית. כך גם החלילנית משמיעה קול.

מוטות ההפעלה והמנופים הם גרסה מוקדמת של גל הזיזים, שממיר תנועה סיבובית לתנועה קווית. מספר המוטות על הציר והמרווחים ביניהם יוצרים את תבניות התיפוף. חוקר מדעי המחשב נואל שארקי (Sharkey) רואה במנגנון הייחודי שאל-ג'זארי תכנן עבור המתופפות את האות המבשר של הרובוטים הניתנים לתכנות.

כדי שנוכל לומר כי מכונה שבנינו היא רובוט, עלינו לענות על שתי שאלות: האם אפשר לתכנת אותה, כלומר לגרום לה לעשות פעולות שונות על פי בחירתנו, והאם יש לה אוטונומיה, כלומר יכולת להחליט בעצמה איזו פעולה לבצע ובאיזו מידה לבצע אותה?

השאלה מהו המכשיר הראשון הניתן לתכנות היא שאלה תיאורטית למדי, שכן היא תלויה בהגדרת המושג "תכנות", אבל הסירה המוזיקלית היא מועמדת משמעותית. שארקי בנה דגם של מתופף יחיד מהסירה המוזיקלית כדי להדגים איך אפשר לתכנת אותו. הלב של המנגנון הוא גליל מסתובב עם מוטות, ממש כמו בתכנון של אל-ג'זארי, שלוחצים על המנופים המפעילים את כלי ההקשה. המודל אכן ממחיש שאפשר לנגן מקצבים שונים ודפוסי תיפוף שונים אם מעבירים את מוטות ההפעלה מנקודה לנקודה.

האם אל ג'זארי תכנת את הסירה המוזיקלית? לעולם לא נדע. סביר להניח שהוא עשה כמה ניסיונות בזמן הפיתוח, כדי לקבל מקצב שמצא חן בעיניו. בין שפוטנציאל התכנות מומש בפועל ובין שלא, הסירה המוזיקלית מדגימה אפשרות מוקדמת של תכנות. שאלת האוטונומיה תצטרך להמתין כ-800 שנה עד שיהיו למהנדסים גלאים ומערכות ממוחשבות.

מכונה למזיגה אוטמטית של יין. עותק מ - 1315, סוריה. מקור: ויקפדיה, נחלת הכלל. 

אפילוג

האוריינטליסט והמלומד דונלד היל (Hill), שחקר רבות את הטכנולוגיה בימי הביניים כתב כי "אי אפשר להפריז בחשיבות עבודתו של אל-ג'זארי בתולדות ההנדסה. אין אף מסמך אחר מכל מרחב תרבותי שהוא, עד העת החדשה, שמספק שפע כזה של הוראות לעיצוב מכונות, ייצורן והרכבתן. אל-ג'זארי לא רק הטמיע טכניקות של מהנדסים ערבים ולא ערבים שקדמו לו, אלא הוסיף ויצר התקנים מכניים והידראוליים משלו. אפשר לראות את השפעתו על העיצוב המאוחר יותר של מנועי קיטור ומנועי בעירה פנימית. הוא סלל את הדרך לבקרה אוטומטית ולמכונות מודרניות אחרות. השפעת המצאותיו... עדיין מורגשת בהנדסת המכונות העכשווית".

אני מקווה ששלוש המכונות שתיארתי כאן מסבירות משהו מהתלהבותו של היל ואולי גם ימשכו אתכם לרצות לקרוא יותר על אל-ג'זארי, האיש שהפך את ההנדסה לאמנות.

אז מה בעצם השעה? הנה הפרשנות של המאיירת נעה כ"ץ לסיפורו של שעון הפיל: