イスマイル・アル＝ジャザリ

カムシャフト（カムが取り付けられたシャフト）は、1206年にアル・ジャザリによって記述され、彼はそれをオートマタ^{[ 23 ]} 、水時計（ろうそく時計など）^{[ 24 ]}、および揚水機^{[ 23 ]に使用した。}

紀元前5世紀のスペインで発見され、ローマ帝国に広まった回転式石臼の偏心して取り付けられたハンドルはクランクである。^{[ 25 ]}クランクと連結棒機構の最古の証拠は、紀元3世紀のローマ帝国のヒエラポリスの製材所に遡る。^{[ 25 ]}また、クランクは9世紀半ばにバヌー・ムーサー兄弟が『独創的な装置の書』で記述したいくつかの水力装置にも登場する。^{[ 26 ]}

1206年、アル・ジャザリは初期のクランクシャフトを発明し^{[ 27 ] [ 28 ]}、それをクランク連結ロッド機構とともに自身の2気筒ポンプに組み込んだ^{[ 29 ]}。現代のクランクシャフトと同様に、アル・ジャザリの機構は、複数のクランクピンを動かす車輪で構成されており、車輪の動きは円運動で、ピンは直線的に往復運動する^{[ 27 ]} 。アル・ジャザリが記述したクランクシャフト^{[ 27 ] [ 28 ]は}、連続的な回転運動を直線往復運動に変換し^{[ 29 ]}、蒸気機関、内燃機関、自動制御などの現代の機械の中心となっている^{[ 28 ] [ 30 ]}。

彼は、クランク駆動のサキヤチェーンポンプと複動往復ピストン吸込ポンプの2つの揚水機で、連結棒付きクランクシャフトを使用した。^{[ 29 ] [ 31 ]}また、彼の水ポンプは、知られている限り最初のクランクスライダ機構を採用していた。^{[ 8 ]}

イギリスの技術史家ドナルド・ヒルは次のように書いている。

アル・ジャザリの作品には、設計と建設の両方にとって重要ないくつかの概念が初めて見られます。反りを最小限に抑えるための木材の積層、車輪の静的バランス調整、木製テンプレート（一種の型）の使用、設計を確立するための紙モデルの使用、オリフィスの校正、水密性を確保するためのエメリー粉を使用したバルブのシートとプラグの研磨、砂を用いた密閉型鋳型での金属の鋳造などです。^{[ 9 ]}

アル・ジャザリは脱進機機構を用いて車輪の回転速度を制御する方法を発明した。^{[ 32 ]}

ドナルド・ヒルによれば、アル＝ジャザリは初期の機械式制御装置をいくつか記述しており、その中には「大きな金属製の扉、ダイヤル錠、4本のボルトが付いた錠」などが含まれている。^{[ 9 ]}

セグメントギアとは、「歯車から往復運動を受け取ったり、歯車に往復運動を伝達したりするための部品で、外周または面に歯車がある円形の歯車またはリングのセクターから構成される。」 ^{[ 33 ]}リン・タウンゼント・ホワイトは次のように書いている。 ^{[ 34 ]}

西洋の学者たちは円錐弁がレオナルドの素描に初めて登場したと考えていたが、アル・ジャザルの絵にもそれが描かれている。同様に、分節歯車もアル・ジャザルの絵に初めて明確に登場し、西洋では1364年に完成したジョヴァンニ・デ・ドンディの天文時計に初めて登場する。そして、偉大なシエナの技術者フランチェスコ・ディ・ジョルジョ（1501年没）によって、ヨーロッパの機械設計の一般的な用語となった。

チェーンポンプにクランクシャフトが初めて使用されたことが知られているのは、アル・ジャザリのサキヤ機械の1つである。断続的な動作を最小限に抑えるという概念も、サキヤチェーンポンプの効率を最大化するために、アル・ジャザリのサキヤチェーンポンプの1つで初めて示唆された。アル・ジャザリはまた、手動ではなく水力で動く揚水サキヤチェーンポンプを製作したが、中国では彼以前にもチェーンポンプに水力を使用していた。彼が記述したようなサキヤ機械は、13世紀から現代までダマスカスで水を供給しており^{[ 36 ]}、中世イスラム世界全体で日常的に使用されていた^{[ 37 ]} 。興味深いことに、アル・ジャザリのポンプのチェーンの描写は、メビウスの帯が数学の研究対象として初めて認識されるずっと前から、メビウスの帯 の形をしているように見える。^{[ 38 ]}

アル・ジャザリは、吸込管、吸込ポンプ、複動ポンプについて説明し、二気筒往復ピストン吸込ポンプを開発した際に、弁とクランクシャフト連結ロッド機構を初期に利用しました。このポンプは水車によって駆動され、水車はギアシステムを介して、2つのピストンのロッドが取り付けられた揺動スロットロッドを駆動します。ピストンは水平対向シリンダー内で動作し、各シリンダーには弁で操作される吸込管と吐出管が備えられています。吐出管は機械の中心より上で結合され、灌漑システムへの単一の出口を形成します。この揚水機は、現代工学の発展に直接的な意義がありました。このポンプは、次の3つの点で注目に値します。^{[ 9 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

• ポンプにおいて、真の吸引管（流体を部分的な真空状態に吸い込む管）が初めて使用されたことが知られている。
• 二重作用原理の最初の応用例。
• クランク・コネクティングロッド機構を介して回転運動を往復運動に変換する。

アル・ジャザリの吸引ピストンポンプは、送水管の助けを借りて13.6メートルの水を汲み上げることができた。しかし、それは当時イスラム世界で一般的に使用されていたノリアよりも効率的ではなかった。 ^{[ 42 ]}

アル・ジャザリは、ギリシャ火薬を排出するために使用されたビザンチンのサイフォンを、自身のポンプの着想源として挙げている。^{[ 43 ]}ドナルド・ヒルによれば、アル・ジャザリのポンプは「蒸気機関の組み合わせの直接の祖先」とみなすことができる。^{[ 44 ]}ジョセフ・ニーダムによれば、アル・ジャザリのスロットロッド式強制ポンプは、1世紀後の王振の送風機とともに、「蒸気機関と機関車の祖先の系譜に最も直接的に位置する中世の2つの機械」の1つである。^{[ 45 ]}

アル・ジャザリは、単バケット式と四バケット式の揚水機について説明した。単バケット式は差動装置、半円形ギアユニット、バケット昇降機、ギアボックスを使用する一方、四バケット式は機械式タイマーを追加する。

アル・ジャザリは、歯車と水力で駆動する最古の給水システムを開発し、13世紀のダマスカスに建設して、モスクやビマリスタン病院に水を供給した。このシステムは、湖の水で水車を回し、歯車システムで水を入れた壺を水路まで運び、そこから市内のモスクや病院に水を供給していた。^{[ 46 ]}

アル＝ジャザリの人型自動人形の一つは、水、お茶、または飲み物を運ぶことができるウェイトレスだった。飲み物は貯水槽に貯蔵され、そこからバケツに滴り落ち、7分後にカップに注がれる。その後、ウェイトレスが自動ドアから現れて飲み物を運ぶ。^{[ 51 ]}

アル・ジャザリは、現代の水洗トイレで使われている洗浄機構を組み込んだ手洗い用自動人形を発明した。この装置は、人型自動人形のもう一つの例である。それは、関節のある銅製の人型人形で構成され、右手に孔雀に似た水差しを持っていた。水差しは真鍮製で、内部には金属板で二つに分けられた部屋があった。この機構により、注ぎ口から水がスムーズに流れ、飛び散らないようになっていた。水を貯める容器は、人型人形の右側にあった。人型人形の右肘には車軸が取り付けられており、容器から水差しの注ぎ口を通して液体が流れるようになっていた。人形の左腕には固定された重りが付いており、タオル、櫛、鏡を持つ腕を上げ下げする仕組みになっていた。

この自動人形は、王が儀式的な沐浴を行う際に王を補助するために設計された。王の召使いが人形を運び、液体を入れることができる洗面器の横に置く。召使いは人形の背中にあるつまみを回すと、弁が開き、人形の右手から洗面器に水が注がれる。貯水槽がほぼ空になり、ほとんどの水が注がれると、機構が作動し、タオル、櫛、鏡を持った人形の左手が王の方向に伸ばされ、王は体を拭き、髭の手入れをすることができた。^{[ 52 ]}

イスラム教において、水とその利用は特に重要な意味を持つ。礼拝前の清めの儀式であるウドゥーとグスルに不可欠な要素であるだけでなく、イスラム庭園の重要な要素でもある。例えば、コーランに記されているイスラム教の終末の地であるパラダイスガーデンには、4つの噴水が設けられている。さらに、メソポタミアはもともと干ばつに見舞われやすい地域であったため、水に関する機械は、神聖な意味と実用的な意味の両方において重要な役割を果たしていた。

『巧妙な機械装置の知識の書』には、噴水機構に関する章が丸ごと一章あり、 「形状を変える噴水と永久フルートの機械を池に作ることについて」と題されている。^{[ 53 ]}

アル・ジャザリの「孔雀の噴水」は、石鹸とタオルを提供する召使いとして人型の自動人形を備えた、より洗練された手洗い装置でした。マーク・E・ロシャイムは次のように説明しています。^{[ 49 ]}

孔雀の尾にある栓を抜くと、くちばしから水が流れ出ます。洗面器の汚れた水が底の空洞に溜まると、フロートが上昇し、連動機構が作動して孔雀の下の扉の後ろから召使いの人形が現れ、石鹸を差し出します。さらに水を使うと、より高い位置にある2つ目のフロートが作動し、2人目の召使いの人形がタオルを持って現れます。

「孔雀の噴水」の水盤は、ウドゥ（清め）を行うための水盤として使われ、使用人が栓を引いて孔雀のくちばしの位置を調整することで、使用者の目の前の水盤に水が放出されるように操作していたと考えられます。^{[ 54 ]}

しかし、孔雀の噴水のような水を動かす物体は儀式的な用途に使われていた一方で、水を動かす油圧装置が世俗的な用途に使われていたという説もある。アイハン・アイテスは次のように示唆している。^{[ 55 ]}

これらの装置の多くには、神の全能性に反する追加機能も備わっていた。彼の油圧式および空気圧式自動人形のいくつかは、最も俗悪な目的で、パーティーの客をできるだけ早く酔わせることを目的としていた。

アル・ジャザリの作品には、噴水や音楽自動人形が描かれており、水の流れが1時間ごとまたは30分ごとに1つの大きなタンクから別の大きなタンクへと交互に切り替わる仕組みになっていた。この動作は、彼が革新的に用いた油圧切り替えによって実現された。^{[ 9 ]}

アル＝ジャザリは、王室の酒宴で客を楽しませるために湖に浮かぶ4人の自動演奏者を乗せたボートである音楽自動人形を製作した。ノエル・シャーキー教授は、これは初期のプログラム可能な自動人形である可能性が非常に高いと主張し、その機構の復元図を作成した。この自動人形には、打楽器を操作する小さなレバーにぶつかるペグ（カム）を備えたプログラム可能なドラムマシンがあった。ペグの位置を変えることで、ドラマーにさまざまなリズムやドラムパターンを演奏させることができた。^{[ 56 ]}

ドラマーの水時計は、フルートを演奏する人形がなく、代わりにトランペット奏者が2人いる点でミュージカルロボットバンドとは異なり、前述のトランペット奏者のほか、シンバルを演奏する人形2体と、その他の打楽器を演奏する人形を含む、7体の木製関節の男性像で構成されています。^{[ 57 ]}この特定のオートマタの機構は、1時間ごとに音楽を出力することで時計として機能し、アル＝ジャザリが実用的かつ娯楽的なレベルで機能する多面的なオートマタを作成する能力を示していました。オートマタの動きは、夜明けに別の男性人形によって開始されます。この人形はデザインのフリーズ要素の端に立っていて、彫刻されたハヤブサが前かがみになってくちばしからボールを​​シンバルに落とす特定の地点に到達するまで移動します。^{[ 58 ]}その後、オートマタのすべての機械的側面は、水と一連のピストンとケーブルによって駆動されます。毎時間、メインの貯水槽から水が流れ出し、別のバケツが倒れて、音楽家につながっている水車を回します。この自動人形は「遠くから聞こえる騒々しい音で演奏する」と説明されており、いくつかの異なる曲を演奏することができました。 ^{[ 59 ]}アル・ジャザリによる他の多くの自動人形と同様に、これも王宮の客を楽しませるために作られました。

ドナルド・ヒルによれば、アル＝ジャザリは今日まで知られている中で最も洗練されたろうそく時計を製作した。ヒルはアル＝ジャザリのろうそく時計の1つを次のように描写している。^{[ 9 ]}

燃焼速度が既知のろうそくは、キャップの裏側に当てられ、芯は穴を通っていた。くぼみに蝋が溜まり、定期的に取り除くことで、安定した燃焼を妨げないようにした。ろうそくの底は浅い皿の上に置かれ、皿の側面には滑車を介してカウンターウェイトに繋がったリングが付いていた。ろうそくが燃え尽きるにつれて、ウェイトが一定速度でろうそくを押し上げた。自動人形は、ろうそくの底にある皿から操作された。これほど精巧なろうそく時計は他に知られていない。

アル・ジャザリのキャンドルクロックには、時刻を表示する文字盤も含まれており、現代でも使用されている留め具機構であるバヨネット式継手を初めて採用した。 ^{[ 61 ]}

1206年にアル＝ジャザリーが記述した象時計は、いくつかの革新で注目に値する。それは、一定時間間隔後に自動人形が反応する最初の時計であり（この場合、人型ロボットがシンバルを叩き、機械仕掛けのロボット鳥がさえずる）、また、年間を通して日の長さが不均一であることに合わせて、時間の経過を正確に記録する最初の水時計であった。 ^{[ 62 ]}

アル・ジャザリの最大の天文時計は「城時計」と呼ばれ、高さ約11フィート（3.4メートル）の複雑な装置で、時刻表示以外にも複数の機能を備えていた。黄道十二宮や太陽と月の軌道の表示も含まれており、この装置の革新的な特徴は、隠されたカートによって動かされる三日月形の指針が門の上部を横切り、毎時間、自動扉が開いてマネキンが現れるというものだった。^{[ 9 ] [ 63 ]} 

この装置のもう一つの特徴は、水車に取り付けられた隠されたカムシャフトによって操作されるレバーによって動かされると自動的に音楽を演奏する5体の自動演奏人形だった。^{[ 24 ]}

アル・ジャザリは、水と重りの両方で動く水時計を発明した。これには、歯車式の時計​​や、高さ1メートル、幅0.5メートルの持ち運び可能な水力式書記時計などがあった。ペンを持った書記は、現代の時計の時針に相当する。 ^{[ 35 ] [ 60 ]}アル・ジャザリの有名な水力式書記時計は、 1976年にロンドンの科学博物館で復元に成功した。