Изобретения Герона Александрийского

Архимедово учение о равновесии жидкостей было использовано в блестящих изобретениях Герона Александрийского, к рассмотрению которых мы и обращаемся.

Герон Александрийский, ученик Ктезибия, сына брадобрея и также искусного изобретателя, жил во второй половине II в. до н. э. (около 120 г.). В лице Герона мы имеем дело с практиком античной науки. В области математики Герон искал таких соотношений, которые более всего соответствовали бы целям землемерия, разрабатывал методы вычислений, в частности методы приближённых вычислений. Он дал правило, позволяющее определить площадь треугольника по его сторонам; в современном виде это правило записывается в виде так называемой формулы Герона:

Изобретения Герона не носили характера технических приложений, они скорее могут быть названы техническими игрушками и их история - поучительный пример того, как остроумные изобретения, не соответствующие запросам эпохи, остаются бесплодными.

Рис. 28. Водяные часы

Учитель Герона - Ктезибий, как было уже сказано, являлся крупным изобретателем. Он изобрёл водяные часы с указателем (рис. 28), водяной орган, пожарную машину. Последнее изобретение имело почти что современный вид. Герон так описывает эту машину:

Рис. 29. Пожарная машина

"Пожарные насосы, употребляемые для тушения пожаров, делаются следующим образом (рис. 29): два металлических цилиндра высверливаются изнутри токарным резцом по величине поршня, подобно тому, как высверливают "насосы" колодезных дел мастера. KL и MN - точно пригнанные поршни. Цилиндры соединены между собой трубой XODE и снабжены снаружи (внутри трубы XODE,) - открывающимися наружу клапанами Р и R. В дне цилиндров имеются отверстия S и Т, которые закрываются гладкими шарнирными пластинками (заслонки клапанов); сквозь них пропущены болты, которые крепко припаиваются или прочно соединяются с дном цилиндра при помощи надетых на их наружных концах заклепок. Поршни снабжены закреплёнными в середине их штоками S, с ними соединяется штанга (балансир Za), которая посередине вращается вокруг болта поршневые же штоки S вращаются вокруг болтов b и v. Над отверстием, находящимся в трубке XODEy устанавливается другая вертикальная вилообразная трубка S, снабжённая краноподобной насадкой, через которую выбрасывается вода таким же образом, как нами уже говорилось выше при описании сосуда, выбрасывавшего воду при помощи сжатого в нём воздуха".

Рис. 30. Клапан Герона

Клапан, о котором упоминается в этом описании (рис. 30), был, по-видимому, также изобретён Ктезибием. Герон описывает этот прибор следующим образом: "Изготовляют две четырёхугольные пластинки соответственной толщины, длиною в палец с каждой стороны. Своими поверхностями они пригоняются друг к другу и пришлифовываются так, что между ними не может пройти ни воздух, ни вода. Пусть эти пластинки будут ABCD и EFGH. В одной из них, именно ABCD, просверлено круглое отверстие в одну треть пальца шириной. Край CD соединён при помощи шарнира с краем FE, так что отшлифованные стороны металлических пластинок ложатся одна на другую. Когда хотят воспользоваться этими клапанами, то пластинку ABCD наглухо припаивают к отверстию, сквозь которое должен входить воздух или вода. В таком случае при давлении изнутри пластинка EFGH открывается и пропускает воздух или воду. Но затем давление воздуха или воды будет прижимать пластинку EFGH к отверстию, сквозь которое входит воздух или вода".

Как видим, техника, в частности техника обработки металлов, достигала в это время довольно высокого уровня. Ниже мы увидим, что Герон даже осуществил тепловой двигатель. Но эта техника, как уже неоднократно указывалось, не могла произвести промышленного переворота, не могла играть той революционной роли, какую она сыграла в период первоначального накопления, в период буржуазных революций.

Знаменитые изобретения Герона описаны в дошедшем до нас трактате "Пневматика". По своим теоретическим позициям Герон примыкает к Аристотелю, однако с существенными поправками. Он так же, как и Аристотель, считает, что пустоты в природе нет, но "хотя в природе и нет большого пустого пространства, тем не менее совсем маленькие пустые пространства существуют в жидкостях, огне и других телах".

Доказательством существования пустых промежутков между частицами Герон считает упругость, смешивание различных жидкостей, расширяемость тел от нагревания и т. д. Воздух Герон считает телом, состоящим из весьма лёгких и подвижных частиц. Доказательством того, что воздух тело, Герон считает, например, факт, что опрокинутый вверх дном сосуд при погружении его в другой сосуд с водой не заполняется водой. Если же в дне сосуда проделать отверстие, через которое воздух может выходить, то вода заполнит внутренность погружаемого сосуда, вытесняя воздух через это отверстие. Аномально больших промежутков между частицами тела природа не допускает и, в этом смысле, "боится пустоты". Так, например, если из сосуда отсосать некоторое количество воздуха, благодаря чему расстояние между частицами оставшегося воздуха увеличивается, то сосуд будет обладать всасывающими свойствами (кровесосные банки): кожа пальца, закрывающего отверстие сосуда, будет втягиваться внутрь. Если палец отнять, то в сосуд входит наружный воздух, заполняя объём его до тех пор, пока расстояния между частицами не достигнут нормальной величины. В этом следует искать причины прочности тел. Жидкая струя, по Герону, также обладает прочностью на разрыв^*. Раз возникнувший столб жидкости не может разорваться, ибо это привело бы к образованию значительной пустоты. На этом строится объяснение Героном действия сифона.

^* (Галилей в своем учении о сопротивлении материалов реставрировал воззрения Герона.)

Рис. 31. Сифон Герона

Погрузим коленчатую трубку AHDBCKL (рис. 31) в сосуд, заполненный водой до уровня FG. Вода в колене достигнет уровня Я, совпадающего с уровнем FG. Если же отсосать у L воздух ртом, то, в силу указанного свойства не допускать значительных пустот, воздух будет всасывать из сосуда воду по колену AHD. При достаточном разрежении вода заполнит верхнюю часть трубки В и начнёт стекать вниз по колену CKL. Стремясь упасть, как груз в обоих коленах, она не может упасть, ибо это привело бы к разрыву струи. Если уровень жидкости в левом колене ниже, чем в правом, то левый груз воды перетянет правый и вода будет перетекать от более высокого уровня к более низкому до тех пор, пока уровни жидкости слева и справа не сравняются, или до тех пор, пока не опорожнится сосуд (если уровень дна его достаточно высок).

Итак, в теории Герона мы имеем дело с двумя основными допущениями: а) невозможность разрыва струи, b) перевешивание струи более длинной частью, что приводит к перетеканию жидкости от более высокого уровня к более низкому. Раз образовавшаяся жидкая струя ведёт себя наподобие верёвки, перекинутой через блок. Верёвка будет "сбегать" в сторону более длинной части. Давление наружного воздуха в этом объяснении роли не играет.

Рис. 32. Двойной сифон Герона

Любопытно, что это объяснение Герона было сравнительно недавно реставрировано как вновь открытый "принцип действия жидкого сифона". В книге профессора Поля "Введение в механику и акустику" мы встречаем подчёркнутое автором утверждение, что "принцип сифона ничего общего не имеет с давлением воздуха", в пояснение которого (т. е. утверждения) приводится образ сбегающей с блока цепочки. Оставляя в стороне умалчивания проф. Поля о том обстоятельстве, что выдвинутый им против обычной "элементарной" трактовки действия сифона принцип насчитывает двухтысячелетнюю давность, отметим, что проф. Поль обходит молчанием также и некоторые трудности, связанные с героновским объяснением, трудности, которые были известны уже самому Герону. А именно, если представить себе, что левый конец цепочки короче, однако состоит из нескольких цепочек, то можно не только добиться равновесия, но и сбегания цепочки в сторону короткой части. Другими словами, если изготовить сифонную трубку из колен неодинаковой толщины, сделав короткое колено более толстым, можно добиться переливания жидкости от более низкого уровня к более высокому. Герон указывает, что это невозможно. Заполним U-образную трубку жидкостью до самого верха. Закроем концы трубки и опрокинем её в два сосуда с неодинаковыми уровнями жидкостей так, чтобы толстое колено трубки было бы погружено в сосуд с высшим уровнем жидкости. Отняв пальцы от концов трубки, установим сообщение между массами жидкости в обоих сосудах (столб жидкости в сифонной трубке разорваться не может). Но, по Архимеду, сообщающиеся массы жидкости будут находиться в равновесии тогда и только тогда, когда свободная поверхность будет сферической поверхностью с центром в центре Земли. Следовательно, жидкость будет перетекать с высшего уровня на низший, пока уровни не сравняются. Мы видим, что Герон, отправляясь от Архимеда, по существу, формулирует уже принцип сообщающихся сосудов. Что же касается принципа сифона, то объяснение Герона, реставрированное Полем, отражает одну сторону работы сифона, но не всю. Исследования Паскаля представляют собой крупный шаг вперёд в уяснении действия сифона, а не шаг назад, как это хочет сказать проф. Поль. Своеобразное Героново понимание "боязни пустоты" даёт ему возможность объяснить действие пипетки, которая у него имеет форму "магического шара". Если, оставив верхнее отверстие открытым, погрузить шар в жидкость, то жидкость войдёт через отверстия в дне шара внутрь его. Если теперь закрыть отверстие пальцем и вынуть шар, то вода не выльется через решётчатое дно шара, ибо это привело бы к образованию пустот во внутреннем воздушном пространстве. Отнятием пальца можно вылить жидкость в любом месте.

Рис. 33. Сифон Герона с постоянной скоростью вытекания жидкости

Герон придумал сифоны разнообразной формы. Упомянем здесь о двойном сифоне и о сифоне с постоянной скоростью вытекания (сифон с поплавком). Двойной сифон (рис. 32) представляет собой трубку, закрытую сверху, но открытую внизу. Внутри этой трубки помещается вторая, открытая с обоих концов,- верхний конец несколько не доходит до дна наружной трубки. Если в сосуде имеется отверстие в дне такого размера, что в него входит, плотно прилегая к краям, внутренняя трубка сифона, то в сосуд можно наливать жидкость до тех пор, пока её уровень не будет таков, что наружная трубка сифона не заполнится до самого дна. Тогда, по принципу сифона, жидкость будет вытекать по внутренней трубке до тех пор, пока сосуд не опорожнится. Двойной сифон объясняет действие "волшебного кубка" Герона. В сифоне с постоянной скоростью истечения (рис. 33). внутреннее колено закреплено в чаше, плавающей на поверхности жидкости в сосуде. По мере понижения уровня жидкости опускается и сифон, так что выходное отверстие остаётся ниже уровня жидкости всегда на одну и ту же величину. В качестве примера, иллюстрирующего изобретательность Герона, опишем его автомат "поющая птичка" (рис. 34). Птичка свистит, когда сова на неё не смотрит, и умолкает, когда сова к ней повернётся. Действие этого прибора основано на соответствующем подборе двойных сифонов. Когда жидкость по воронке втекает в верхний сосуд, то она вытесняет воздух, который, проходя по трубочке, вызывает свист. По мере повышения уровня жидкости в резервуаре начинается её вытекание через сифон в нижний ковш. Это вызовет в конце концов перегрузку ковша, который перетянет противовес, и сова повернётся. Сифон подбирается так, что в этот момент вытекание из резервуара превышает скорость поступления жидкости - птичка не поёт. Затем вступает в действие нижний сифон. По мере опорожнения резервуара опорожнится и ковш - сова отвернётся. Работа автомата начинается снова.

Рис. 34. Поющая птичка и сова

Особенно замечательно, что Герон впервые использовал движущую силу тепла. Ознакомимся прежде всего с действием его "Эолипила". Эолипил Герона представляет собой железный шар, могущий вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 35). В верхней части шара имеется выводная трубка, согнутая под прямым углом; такая же трубка, но изогнутая в противоположную сторону, имеется внизу шара. Пар, поступающий из резервуара по боковым трубкам, выбрасывается выпускными трубками. Реакция паровой струи (принцип турбины) приводит шар во вращение.

Рис. 35. Эолипил Герона

Так почти за две тысячи лет до изобретения паровой машины был впервые сконструирован тепловой двигатель. Но это было преждевременное изобретение, и с XVII века начинаются новые поиски тепловой машины.

Рис. 36. Автомат Герона

Приведём в качестве примера применения движущей силы тепла - алтарь с автоматически открывающимися дверями при возжигании жертвенного огня (рис. 36).

"В храме находится полый жертвенник DE, который соединён при помощи трубки FG с шарообразным сосудом РН, наполовину наполненным водой. В шар впаивается U-образная трубка KLM. Оси вращения обеих створок дверей продолжены до пола подвала, где они вставлены в соответствующие гнёзда. На осях навиты две цепочки. На конце одной цепочки помещается груз, который своей тяжестью стремится закрыть дверь, а на другой, навитой в обратном направлении на дверных осях, висит сосуд другой, навитой в обратном направлении XN, который, будучи пустым, легче груза. В этот сосуд проходит одно из колен U-образной трубки, которая так установлена, что, когда двери закрыты, это колено доходит почти до дна сосуда.

Когда на алтаре зажигают огонь, алтарь нагревается, заключённый в нём воздух расширяется, давит на воду, находящуюся в шаре, и поднимает её по U-образной трубке в подвешенный сосуд, который благодаря этому опускается и таким образом открывает дверь.

Рассмотренными примерами мы и ограничимся. Из сказанного ясно, насколько остроумны были изобретения Герона. Практическое значение получили только его гидравлические машины, усовершенствовавшие технику водочерпальных машин. Остальные изобретения выполняли роль забавных игрушек, не больше. Только возрождающаяся новая наука обратилась к изобретениям Герона, развив их дальше на новой основе.