18. Al-Jazari; 1136-1206; wiskundige, astronoom en technicus; bedacht allerlei mechanische automaten

Al-Jazari; 1136-1206; wiskundige, astronoom en technicus; bedacht allerlei mechanische automaten

Heeft u enig idee wat u hier ziet?

15 al jazeri klok

Het antwoord luidt: een klok. Ik kom er verderop op terug. Hij is ontworpen door al-Jazari, een Islamitische geleerde die leefde van 1136 tot 1206. De tekening is afkomstig uit al-Jazari’s ‘Boek van de kennis van ingenieuze mechanische apparaten’, waarin hij allerlei wonderlijke apparaten beschreef. Het door hem zelf geïllustreerde boek, met beschrijvingen van vijftig apparaten, die hij in dienst van drie opeenvolgende Artuqid-heersers van de Turkmeense dynastie had gebouwd, verscheen enkele maanden voor zijn dood in 1206.

 Al-Jazari, hij werkte in Diyarbakır (een plaats gelegen in het zuidoosten van het huidige Turkije), is één van de bekendste wetenschappers en apparatenbouwers uit het Islamitische gouden tijdperk – dat is de periode die ongeveer liep van de achtste tot de veertiende eeuw.

Het was in deze tijdsspanne dat de wetenschappers uit het voormalige kalifaat van de Omajjaden – het strekte zich op zijn hoogtepunt uit van noord-Spanje tot aan India; omstreeks 750 viel het uiteen in meerdere delen waaronder het Kalifaat van de Abbasiden in het oosten en het Kalifaat van Cordoba in het westen – toonaangevend waren in de wetenschappelijke wereld, niet alleen op het gebied van de wiskunde, natuurkunde en astronomie maar ook op het gebied van bijvoorbeeld de gezondheidszorg.

Zo geldt al-Zahrawi (936- 1013), hij woonde en werkte in Cordoba, als de grootste chirurg van de middeleeuwen. Deze praktiserende geleerde bedacht niet alleen talloze chirurgische instrumenten en voerde operaties uit – en schreef op hoe je dat het beste kon doen-  maar ook hield hij zich met theoretische zaken bezig. Zo opperde hij bijvoorbeeld (terecht) dat hemofilie erfelijk was. Een andere geleerde die zich met de gezondheidszorg bezig hield, was de in Caïro werkzame Ibn al-Haytham (965-1045). Hij kwam als eerste met het idee dat invallende licht niet in het oog maar in de hersens tot een beeld werd verwerkt.

15 al jazri intrumenten medicus 15 Al Jazari. oog 2

Links een pagina afkomstig uit een boek van Guy de Chauliac, een veertiende-eeuwse Franse chirurg, met instrumenten ontworpen door al-Zahrawi; rechts een tekening (± 1015) van Ibn al-Haytham waarin hij laat zien dat de ogen verbonden zijn met de hersens;.

Er waren in dit gouden tijdperk van de islamitische wetenschap twee centra waar de wetenschap geconcentreerd was. Het ene was het Huis der Wijsheid in Bagdad, het andere was de Islamitische Universiteit van Córdoba in Spanje. In deze centra werkten overigens niet alleen moslims maar ook christenen, joden en geleerden met een andere achtergrond. Ook buiten deze plaatsen waren er allerlei geleerden actief.

Ze hielden zich bezig met theoretische zaken – zo theoretiseerde Abu Rayhan al-Biruni (973–1048) in zijn Codex Masudicus (1037) dat er op grond van geologische processen een continent moest liggen tussen Azië en Europa; Ook berekende hij met hulp van trigonometrie en een geschatte hoogte van een berg dat de straal van de aardbol 6.340 km moest zijn; dat is er maar 17 km naast.

Ook bouwden de geleerden uit die tijd allerlei wetenschappelijke hulpmiddelen en al of niet nuttige technische apparaten. Een voorbeeldje van een dergelijke wetenschapper was de in Toledo woonachtige al-Zarqali, 1029 – 1087. Hij was naast een astronoom een deskundig  instrumentenmaker die onder andere de beroemde klok van Toledo bouwde. Koning Alphonso VI van Spanje liet in 1135 de klok uit elkaar halen om te kijken hoe deze werkte; niemand kon de klok daarna weer werkend in elkaar krijgen.

15 Al Jazari postzegel

Al-Zarqali zoals hij samen met een astrolabium (een instrument waarmee hoeken gemeten kunnen worden voor landmeetkunde, zeevaart of sterrenkunde) staat afgebeeld op een Spaanse postzegel uit 1986.

Had echter niet al-Zarqali maar al-Jazari de klok van Toledo ontworpen, dan hadden ze hem waarschijnlijk wel weer werkend in elkaar kunnen zetten, want Al-Jazari beschreef in zijn ‘Boek der kennis van ingenieuze mechanische werktuigen’ niet alleen de functie van de vijftig door hem ontworpen mechanische apparaten, maar ook gaf hij met behulp van illustraties stap voor stap aan hoe ze gebouwd en in elkaar gezet konden worden. Al-Jazari geldt dankzij dit “Doe-het-zelf-boek” en zijn apparaten als één van de belangrijkste grondleggers van de moderne mechanica.

15 Al Jazari pauw 15 al jazeri kaars klokTwee pagina’s uit het boek van Al-Jazari; links legt hij de werking van een fontein in de vorm van een pauw uit en rechts die van een kaarsklok.

Al-Jazari

Over de persoon al-Jazari weten we erg weinig. Hij is vermoedelijk in 1136 geboren. Datgene wat we over hem weten is vooral afkomstig uit de inleiding van zijn boek. Hij wordt daarin betiteld als ‘Ál-Shaykh Ra’is al-A`mal Badi`al-Zaman Abu al-‘Izz ibn Isma`il ibn al-Razzaz al-Jazari’. Dat is een hele mond vol, maar dat komt omdat het een combinatie is van zijn naam, zijn functiebenaming en een eerbetoon.

Zo betekent het ‘al-Shaykh’-gedeelte dat hij een zeer geleerd persoon was, houdt het ‘Ra’is al-A`mal’ in dat hij de hoofd ingenieur aan het hof was en betekent ‘Badi`al-Zaman’ dat hij ‘een wonder van de tijd’ was. Laten we dit allemaal weg, dan resteert als naam Abu Al Izz Ismail al-Jazari. Meestal wordt hij alleen met zijn achternaam ‘al-Jazari’ aangeduid. Deze naam kan er op duiden dat hij en/of zijn familie oorspronkelijk afkomstig waren uit de stad Jazari, het huidige Turkse Cizre, maar het kan ook een verwijzing zijn naar een gelijknamige streek in Mesopotamië op de grens van Syrië en Irak.

Waar en bij wie al-Jazari zijn wetenschappelijk kennis heeft opgedaan, is niet bekend. Vermoedelijk zal in ieder geval zijn vader hem het nodige bij hebben gebracht, want deze was eveneens hoofdingenieur aan het hof. In zijn boek geeft al-Jazari daarnaast aan dat hij uitgebreid de werken van Archimedes en andere wetenschappers uit de oudheid heeft bestudeerd. Ook vermeldt hij de machines die de Banū Mūsā broers in de negende eeuw na Christus ontwierpen.

In het boek, de oorspronkelijke Arabische titel luidt ‘al-Jami `bayn al-`ilm wa ‘l-`amal al-nafi` fi sina`at al-hiyal’ (letterlijk vertaald ‘een handboek over de theorie en nuttige praktijk van de mechanische kunsten’), schrijft Al-Jazari dat hij in 1199 met het schrijven van het boek is begonnen. Ook vermeldt hij dat hij sinds 1181 in dienst was van de Artuqiden, een Oghuz-Turkse dynastie die in de 11de en 12de eeuw in delen van Oost-Anatolië (thans een regio in oost-Turkije en noord-Irak) heerste.

Eerst werkte hij voor koning Nur al-Din Muhammad en na diens dood voor zijn zoon Qutb al-Din Sukman. En nadat deze was overleden, kwam hij in dienst van diens broer Nasir al-Din Mahmud. Het was deze laatste die aan al-Jazari vroeg of hij de werking van zijn machines op papier wilde zetten, opdat de kennis hierover niet verloren zou gaan. Over dit verzoek schrijft al-Jazari in zijn boek:

Op een dag […] bracht ik hem iets dat hij me bevolen had om te maken. Hij keek naar mij en naar datgene dat ik had gemaakt en dacht erover na, zonder dat ik het merkte. […] Hij zei: “Je hebt unieke apparaten gemaakt. Deze dingen, die je met veel moeite en volmaakt gemaakt hebt mogen niet verloren gaan. Ik wens dat je een boek voor mij schrijft dat alles wat jij hebt gemaakt omvat en dat ook tekeningen bevat. Ik heb […] zijn voorstel geaccepteerd, want een andere optie dan zijn wens vervullen was voor mij niet mogelijk.”

In het boek staan 50 apparaten beschreven, waaronder water- en kaarsklokken, fonteinen, hevelmachines, muziekautomaten en drinkautomaten. Bij elk apparaat plaatste al-Jazari een tekening om de werking en de bouw van het apparaat uit te leggen en bij de gecompliceerde machines zelfs meerdere afbeeldingen. In totaal bevat het boek 174 afbeeldingen. De beroemdste automaten die Al-Jazari in zijn boek beschrijft zijn de olifantenklok en de kasteelklok. Het zijn allebei waterklokken

Een kleine stukje geschiedenis van de klok

De allereerste “klokken” voor het bijhouden van de tijd waren zonnewijzers. Alleen had je daar uiteraard wel zonlicht voor nodig. Later volgden de kaarsklok – het duurde een bepaalde vaste tijd voordat een kaars van een bepaalde dikte was afgebrand – en de waterklok. Het waren de oude Grieken die als eerste met het idee van een waterklok op de proppen kwamen, even later gevolgd door de Chinezen die onafhankelijk van de Grieken ook het idee van een waterklok bedachten. De waterklok werkt min of meer als een moderne zandloper. Het duurde een vaste tijd voordat een bepaalde hoeveelheid water door een opening van een zekere grootte heen stroomt. Probleem voor een waterklok is natuurlijk wel dat het niet moet vriezen.

Het principe van een waterklok is eenvoudig. Het weglopen van het water door een opening van een bepaalde grootte (dan wel het vullen van een bak waarin het water valt, dan wel het langzaam zakken van een drijvende voorwerp in een waterbak) kan je gebruiken om door middel van wat slimme koppelingen ‘wijzers’ op een wijzerplaat met de juiste snelheid te laten bewegen. Je kan de snelheid aanpassen door de wegloopsnelheid van het water door middel van kleinere of grotere gaten te reguleren.

In de loop van de  tijd werden er telkens spitsvondigere mechanismes bedacht, die er voor zorgden dat waterklokken de tijd steeds nauwkeuriger aangaven en daarnaast ook nog andere zaken in beweging konden zetten. Waterklokken behoorden eeuwenlang tot de belangrijkste typen klokken.

15 al jazeri waterklok principe

Een voorbeeld van een eenvoudige waterklok met een wijzerplaat uit 1615. Deze klok is ontworpen door Salomon de Caus; Afbeelding afkomstig uit de ‘Deutsche Fotothek of the Saxon State Library / State and University Library Dresden (SLUB)’

Sommige grote waterklokken bevatten heel veel water. Toen bijvoorbeeld in 1198 de Abdij van St Edmundsbury in brand raakte, renden de monniken als eerste naar de grote klok van de abdij om daar water uit te halen om de brand te blussen. Andere waterklokken kennen echter een ontwerp waar veel minder water voor nodig is.

Het basisprincipe van een waterklok is hetzelfde als dat van een zandloper. Het gebruik van zandlopers om de tijd bij te houden, kwam echter pas  vanaf de veertiende eeuw op gang en dan nog voornamelijk op schepen. Dit omdat waterklokken op de schommelende boten niet goed functioneerden.

15 al jazeriu zandloper 15 al jazari banksky

Links, één van de oudst bekende afbeeldingen van een zandloper. Het betreft een fresco van Ambrogio Lorenzetti uit 1338; rechts een moderne muurschildering van Banksy met een zandloper.

Ergens in de veertiende eeuw ontstonden de eerste mechanische klokken. Dit was mogelijk dankzij de uitvinding van de ‘spillegang’. Dankzij dit mechanisme kon men klokken bouwen die geen water of kaarsen als aandrijfmechanisme nodig hadden. De eerste mechanische klokken maakten gebruik van gewichten, die na een bepaalde tijd weer omhoog getrokken moeten worden. Zie hieronder een voorbeeld van een dergelijke klok.

15 al jazaqri klok de dida 15 al jazaqri spillegangTwee afbeeldingen afkomstig uit ‘Tractatus Astrarii’, een manuscript van de Italiaan Giovanni de Dondi uit 1365; links een tekening van een deel van zijn ontwerp voor een klok met gewichten (deze zijn nog net aan de onderkant van de tekening te zien). rechts de spillegang uit het ontwerp met daarboven een balanswiel dat de draaiende beweging van de raderen vertraagt zodat de wijzers van de klok in het goede tempo bewegen. Zou het balanswiel de boel niet vertragen, dan zou het gewicht in één keer snel omlaag zakken en de wijzers van de klok als een gek ronddraaien.

Het grote voordeel van dit type klokken was dat ze ook gebruikt konden worden op koude plaatsen waar het water van een waterklok kon bevriezen. Wel kenden de eerste mechanische klokken veel problemen met het overbrengen van de juiste snelheid van het draaiende radarwerk richting de wijzers, waardoor de tijd niet nauwkeurig werd weergaven.

Deze problemen werden vooral veroorzaakt door het balanswiel. De wijzer van de klok kon er daardoor soms wel een kwartier tot een uur per dag naast zitten. De eerste mechanische klokken gaven dan ook meestal alleen de uren aan en hadden geen minutenwijzer. Dit veranderde in 1656 toen Christiaan Huygens het slingeruurwerk bedacht.

Zijn idee was gebaseerd op het werk van Galileo, die ontdekte dat de zwaaiperiode van een slinger vrijwel altijd gelijk was ongeacht het slingergewicht. De slingertijd wordt alleen beïnvloed door de lengte van de draad waaraan de slinger is opgehangen. Hoe korter de draad, des te sneller de slingerbeweging is. Een slinger met een slingerlengte van 1 meter lengte maakt twee slingeringen tegen één slingering van een slinger met een slingerlengte van 4 meter lengte. Maar het gewicht wat aan de slinger hangt speelt geen rol. Een slinger van 1 meter lengte met een gewicht van 1 kg er aan slingert net zo snel als een slinger van 1 meter met een gewicht van 4 kg er aan.

Huygens kwam op het idee om de spillegang van een mechanisch klok niet met een balanswiel te verbinden, maar met de ankers van een heen en weer bewegende slinger, waardoor de overbrenging van energie richting de wijzers van de klok – lees het ronddraaien van de wijzers – veel beter werd gereguleerd. Klinkt een beetje ingewikkeld allemaal, maar het effect was wel dat het slingeruurwerk van Huygens maar een afwijking van een minuut per dag vertoonde.

15 slingeruurwerkDe lange grijze staaf is de heen en weer bewegende slinger. De ankers zorgen er voor dat het rad telkens even wordt afgeremd. Weergegeven  zijn twee posities van de slinger. Afbeelding Chetvorno; Wikipedia.

De slinger maakte het ook eenvoudiger om een klok gelijk te laten lopen: een langere slinger laat de klok trager lopen, een kortere sneller.

De waterklokken van al-Jazari

Tot zover dit uitstapje naar de geschiedenis van de klok, maar nu weer terug naar de waterklokken van al-Jazari. Twee ontwerpen uit zijn boek zijn heel beroemd geworden. De eerste is de olifantenklok. Op deze klok staan afbeeldingen weergegeven afkomstig uit allerlei culturen. AL-Jazari zelf schreef hierover in zijn boek:

De olifant vertegenwoordigt de Indiase en Afrikaanse culturen, de twee draken vertegenwoordigen de Chinese cultuur, de Phoenix vertegenwoordigt de Perzische cultuur, het waterwerk vertegenwoordigt de Griekse cultuur en de tulband vertegenwoordigt de islamitische cultuur”.

Zie hier linksonder een reproductie van de klok zoals hij in een winkelcentrum in Dubai staat (foto Jonathan Bowen); rechtsonder een afbeelding uit het Duitse weekblad ‘Der Spiegel’; week 26 2015; waarin de werking van het apparaat wordt uitgelegd. Het is een buitengewoon ingenieus apparaat.

15 al jazeri klok dubai 15 al jazeri klok duits

Het tijdmechanisme zit verstopt in de buik van de olifanten. Daarin bevindt zich een waterreservoir met daarin een drijvend vat. In de bodem van het vat zit een gaatje. Het vat vult zich hierdoor langzaam van onderaf aan met water en zakt dan na een half uur omlaag.

Dat je kan uitrekenen hoe lang het duurt voordat een bepaalde hoeveelheid binnenstromend water iets doet zinken, bleek ook in 1912 toen de aan boord aanwezige ontwerper van de Titanic kon aangeven dat het nog ongeveer 2,5 uur zou duren voordat de Titanic zou zinken. (Maar dat is een heel ander verhaal.)

Het langzaam zinkende vat is met een strak touw verbonden met de figuur die op de rug van de olifant zit. Doordat het touw steeds strakker getrokken wordt, draait deze figuur langzaam rond. In zijn hand heeft hij een meetlat die de minuten aangeeft.

Als er na een half uur zoveel water in het vat is gestroomd dat het vat naar de bodem zinkt, dan wordt er door middel van een tweede touw een hele serie gebeurtenissen in werking gezet. Dit tweede touw is verbonden met een bakje met metalen ballen boven in de koepel van de installatie. Doordat het bakje scheef wordt getrokken, valt er een bal uit waardoor een vogel bovenop het apparaat draait. Ook maakt de vogel hierbij een fluitend geluid.

De kogel raakt vervolgens een hendel, waardoor op de koepel een schijfje van een urenmechanisme verschuift. Deze schijf geeft door middel van zwarte en witte vlakken het aantal verstreken uren aan.

15 al jazari minutenwijzer 155 ala jazaro olofanenklok uurLinks een deel van de tekening van al-Jazari waar de figuur te zien is die op de rug van de olifant zit. In zijn hand heeft hij een meetlat die dient als minutenwijzer. Rechts een deel van een replica van de olifantenklok, zoals deze te zien is in Kasımiye Medrese, Mardin in Turkije. Helemaal bovenin is de schijf te zien met de zwarte en witte rondjes die aangeven hoeveel uren er zijn verstreken. Foto Nedim Ardoğa: Wikipedia

De kogel valt vervolgens in de mond van één van de twee draken, waardoor deze omlaag beweegt. De draak laat daarna de kogel vallen in een vaas wat een mechanisme in werking zet, waardoor er op een trommel wordt geslagen. Omdat de vallende draak door middel van het touw verbonden is met de waterbak met het gat er in, wordt deze bak ondertussen omhoog getrokken tot boven de watergrens van het vat. Het water loopt hierdoor uit de bak.

Aan het einde van de cyclus gaat de draak weer omhoog en gaat het leeg gestroomde vat weer drijven en begint het proces opnieuw. Het enige wat men moet doen om de klok werkende te houden is twee maal per dag de gevallen ballen uit de vaas halen en deze  bovenin weer in het bakje stoppen.

Dit filmpje van drie minuten op YouTube laat zien hoe de olifantenklok werkt.

15 al jazri olifantenklok you tube

Een ander beroemde waterklok van al-Jazari is zijn 3,4 meter hoge kasteelklok.

15 al jazari kasteelklok

Deze klok laat niet alleen de tijd zien  – de uren kan je aflezen door te kijken naar het aantal openstaande luiken waarachter figuren verschijnen; op bovenstaande afbeelding uit het boek van al-Jazari is één van de twaalf luiken open, daarmee aangevend dat het 1 uur is –  maar ook laat het een weergave van de dierenriem en de zonne- en maanbanen zien. Daarnaast spelen er, als er een uur voorbij is, vijf muzikanten op instrumenten.

Voor wie wil zien hoe de kasteelklok werkt: zie dit vijf minuten durende YouTube filmpje:

15 al jazari kasteelklok yutube

Ook kan men de lengte van de uren van de kasteelklok (en ook die van de olifantenklok) “programmeren” zodat er rekening kan worden gehouden met ongelijke uren. Tot aan het einde van de Middeleeuwen werd er op veel plaatsen een systeem van ongelijke uren gehanteerd. De dag werd in dit systeem ingedeeld in twee delen die even lang duurden, een lichte en een donkere periode, elk van twaalf uur. De lichte uren liepen van zonsopkomst tot zonsondergang – dit was in de meeste gevallen ook de tijdsperiode dat men werkte. De donkere periode liep van zonsondergang tot zonsopkomst.

(Pas vanaf omstreeks 1300 werd dit systeem van twee even lang durende delen losgelaten. De dag begon vanaf dat moment om middernacht en eindigde vierentwintig gelijke uren later, los van het feit of dit lichte of donkere uren waren.)

Nu is het zo dat gedurende het jaar de periode tussen zonsopkomst en zonsondergang niet even lang duurt. Zo bedraagt de tijd tussen zonsopkomst en zonsondergang in de zomer in Diyarbakır, de plaats waar al-Jazari woonde, veertien uur (gerekend in ‘moderne’ uren) tegenover negen uur in de winter. Die veertien lichte uren moesten daarom in de zomer op de klok worden “versneld” tot een periode van 12 klokuren en de tien donkere uren moesten worden “vertraagd” naar een periode van twaalf klokuren, opdat de lichte en donkere periode even lang zouden duren.

Dit aanpassen geschiedde door middel van een door hem bedachte stroomregulator waarmee de hoeveelheid stromend water in het mechanisme dagelijks kon worden aangepast. Mede daarom wordt deze klok wel eens gezien als de eerste programmeerbare computer, wat overigens niet juist is. Het is geen computer. Je kan met de klok  niet rekenen.

Ook zijn ontwerp voor een feestboot met vier muzikantenrobots – deze konden verschillende nummers spelen, afhankelijk van de instellingen – , wordt wel eens betiteld als een programmeerbare computer. Maar ook deze boot die louter alleen ter vermaak diende, kunnen we moeilijk als een computer beschouwen.

15 al jazari bootDe vier ‘muzikanten’ zitten links bovenop de boot, boven de waterbak. De andere figuren dienen als opvulling. Net zoals in de waterklokken zit in de muzikanten een complex raderwerk dat de muzikanten laat bewegen en spelen. (Bovenstaande afbeelding is afkomstig uit het boek van al-Jazari.)

De reden dat al-Jazari dit uitgebreide portret in de reeks van de mensen achter de computer verdient, is – naast zijn boek-  vooral gelegen in het feit dat zijn apparaten allerlei nieuwigheden en verbeteringen bevatten, waaronder een nokkenas, een dubbele cilinderpomp, een versnellingsapparaat om raderen sneller of langzamer te laten lopen, diverse ingenieuze tandwielen en een verbeterde versie van een krukas.

(Ook bedacht al-Jazari een automaat om de handen te wassen met daarin een spoelmechanisme dat vandaag de dag ook in moderne toiletten wordt gebruikt. Wanneer de gebruiker aan de hendel in zijn automaat trok, liep het water weg en vulde de automaat in de vorm van een vrouw het bassin opnieuw.)

15 al jazari waterpomp 15 al jazari spoelmechanismeLinks een ontwerp van al-Jazari van een door een rund aangedreven waterpomp; rechts een handwasautomaat met een spoelmechanisme.

Ook veel latere wetenschappers en uitvinders maakten gebruik van zijn ontwerpen. Zo paste Leonardo da Vinci meerdere technieken van al-Jazari toe in zijn machines en gebruikten de bouwers van de eerste stoommachine zijn ontwerp van de dubbele cilinderpomp in hun stoommachine. Ook iemand als Blaisse Pascal maakte bij het bouwen van de eerste werkende analoge rekenmachine dankbaar gebruik van zijn ideeën.

Al-Jazari geldt dan ook als één van de belangrijkste technici in de  geschiedenis van automaten en hun besturing.

Al-Jazari’s handboek verscheen in januari 1206. Dit allereerste exemplaar is verloren gegaan. Op 10 april 1206 verscheen een nieuwe versie van het boekwerk. Hierin werd vermeld dat al-Jazari inmiddels was overleden.

Het volgende verhaal: ‘nr 19 Leonardo van Pisa (Fibonacci ); ca 1170 -1250; introduceerde in Europa het Arabische cijferstelsel inclusief het cijfer 0’ moet nog geschreven worden. Daarom hier een verwijzing naar het eerst volgende al wel geschreven portret.

 

 

My WordPress Blog