Винаходи Герона Александрійського
Архимедова вчення про рівновагу рідин було використано в блискучих винаходи Герона Олександрійського, до розгляду яких ми і звертаємося.
Герон Олександрійський, учень Ктезібій, сина цирульника і також майстерного винахідника, жив у другій половині II ст. до н. е. (Близько 120 м). В особі Герона ми маємо справу з практиком античної науки. В області математики Герон шукав таких співвідношень, які найбільше відповідали б цілям землемерия, розробляв методи обчислень, зокрема методи наближених обчислень. Він дав правило, що дозволяє визначити площу трикутника по його сторонах; в сучасному вигляді це правило записується у вигляді так званої формули Герона:
Винаходи Герона не носили характеру технічних додатків, вони швидше можуть бути названі технічними іграшками та їх історія - повчальний приклад того, як дотепні винаходи, які не відповідають запитам епохи, залишаються безплідними.
Мал. 28. Водяний годинник
Учитель Герона - Ктезібій, як було вже сказано, був великим винахідником. Він винайшов водяний годинник з покажчиком (рис. 28), водяний орган, пожежну машину. Останній винахід мало майже сучасного вигляду. Герон так описує цю машину:
Мал. 29. Пожежна машина
"Пожежні насоси, що вживаються для гасіння пожеж, робляться в такий спосіб (рис. 29): два металевих циліндра висвердлюють зсередини токарним різцем за величиною поршня, подібно до того, як висвердлюють" насоси "колодязних справ майстра. KL і MN - точно пригнані поршні. Циліндри з'єднані між собою трубою XODE і забезпечені зовні (всередині труби XODE,) - відкриваються назовні клапанами Р і R. У дні циліндрів є отвори S і Т, які закриваються гладкими шарнірними пластинками (заслінки клапанів); крізь них пропущені болти, які міцно ріпаіваются або міцно з'єднуються з дном циліндра за допомогою одягнутих на їх зовнішніх кінцях заклепок. Поршні забезпечені закріпленими в середині їх штоками S, з ними з'єднується штанга (балансир Za), яка посередині обертається навколо болта поршневі ж штоки S обертаються навколо болтів b і v. над отвором, що знаходяться в трубці XODEy встановлюється інша вертикальна вилоподібний трубка S, забезпечена краноподобной насадкою, через яку викидається вода таким же чином, як нами вже говорилося вище при описі судини, викидають вод за допомогою стиснутого в ньому повітря ".
Мал. 30. Клапан Герона
Клапан, про який згадується в цьому описі (рис. 30), був, мабуть, також винайдений Ктезібій. Герон описує цей прилад в такий спосіб: "Виготовляють дві чотирикутні пластинки відповідної товщини, довжиною в палець з кожного боку. Своїми поверхнями вони приганяють один до одного і прішліфовивать так, що між ними не може пройти ні повітря, ні вода. Нехай ці пластинки будуть ABCD і EFGH. в одній з них, саме ABCD, просвердлений круглий отвір в одну третину пальця шириною. Край CD з'єднаний за допомогою шарніра з краєм FE, так що відшліфовані боку металевих пластинок лягають одна на іншу. Коли хочуть скористатися е тимі клапанами, то пластинку ABCD наглухо припаюють до отвору, крізь яке повинен входити повітря або вода. У такому випадку при тиску зсередини платівка EFGH відкривається і пропускає повітря або воду. Але потім тиск повітря або води буде притискати платівку EFGH до отвору, крізь яке входить повітря або вода ".
Як бачимо, техніка, зокрема техніка обробки металів, досягала в цей час досить високого рівня. Нижче ми побачимо, що Герон навіть здійснив теплової двигун. Але ця техніка, як уже неодноразово зазначалося, не могла призвести промислового перевороту, не могла грати тієї революційної ролі, яку вона зіграла в період первісного нагромадження, в період буржуазних революцій.
Знамениті винаходи Герона описані в що дійшов до нас трактаті "Пневматика". За своїми теоретичними позиціями Герон примикає до Аристотеля, проте з істотними поправками. Він так само, як і Аристотель, вважає, що порожнечі в природі немає, але "хоча в природі і немає великого порожнього простору, проте зовсім маленькі порожні простору існують в рідинах, вогні та інших тілах".
Доказом існування порожніх проміжків між частинками Герон вважає пружність, змішування різних рідин, розширюваність тел від нагрівання і т. Д. Повітря Герон вважає тілом, що складається з вельми легких і рухомих частинок. Доказом того, що повітря тіло, Герон вважає, наприклад, факт, що перекинутий догори дном посудину при зануренні його в іншу посудину з водою не заповнюється водою. Якщо ж в дні посудини зробити отвір, через який повітря може виходити, то вода заповнить внутрішність погружаемого судини, витісняючи повітря через цей отвір. Аномально великих проміжків між частинками тіла природа не допускає і, в цьому сенсі, "боїться порожнечі". Так, наприклад, якщо з посудини відсмоктати деяку кількість повітря, завдяки чому відстань між частинками залишився повітря збільшується, то посудину буде володіти всмоктуючими властивостями (кровесосние банки): шкіра пальця, який закриває отвір судини, буде втягуватися всередину. Якщо палець відняти, то в посудину входить зовнішнє повітря, заповнюючи обсяг його до тих пір, поки відстані між частинками не досягнуть нормальної величини. У цьому слід шукати причини міцності тел. Рідка струмінь, по Герону, також володіє міцністю на розрив *. Раз що почався стовп рідини не може розірватися, бо це призвело б до утворення значної порожнечі. На цьому будується пояснення Героном дії сифона.
* (Галілей в своєму вченні про опір матеріалів реставрував погляди Герона.)
Мал. 31. Сифон Герона
Погрозами колінчату трубку AHDBCKL (рис. 31) в посудину, заповнений водою до рівня FG. Вода в коліні досягне рівня Я, збігається з рівнем FG. Якщо ж відсмоктати у L повітря ротом, то, в силу зазначеного властивості не допускати значних пустот, повітря буде всмоктувати з посудини воду по коліна AHD. При достатньому розрідженні вода заповнить верхню частину трубки В і почне стікати вниз по коліну CKL. Прагнучи впасти, як вантаж в обох колінах, вона не може впасти, бо це призвело б до розриву струменя. Якщо рівень рідини в лівому коліні нижче, ніж у правому, то лівий вантаж води перетягне правий і вода буде перетікати від вищого рівня до нижчого до тих пір, поки рівні рідини зліва і справа незрівняються, або до тих пір, поки не випорожниться посудину (якщо рівень дна його досить високий).
Отже, в теорії Герона ми маємо справу з двома основними припущеннями: а) неможливість розриву струменя, b) переважування струменя довшою частиною, що призводить до перетікання рідини від більш високого рівня до більш низького. Раз утворилася рідка струмінь поводиться на зразок мотузки, перекинутої через блок. Мотузка буде "збігати" в бік більш довгою частини. Тиск зовнішнього повітря в цьому поясненні ролі не грає.
Мал. 32. Подвійний сифон Герона
Мал. 33. Сифон Герона з постійною швидкістю витікання рідини
Герон придумав сифони різноманітної форми. Згадаємо тут про подвійне сифоні і про сифон з постійною швидкістю витікання (сифон з поплавком). Подвійний сифон (рис. 32) являє собою трубку, закриту зверху, але відкриту внизу. Всередині цієї трубки поміщається друга, відкрита з обох кінців, - верхній кінець дещо не доходить до дна зовнішньої трубки. Якщо в посудині є отвір в дні такого розміру, що в нього входить, щільно прилягаючи до країв, внутрішня трубка сифона, то в посудину можна наливати рідину до тих пір, поки її рівень не буде такий, що зовнішня трубка сифона не заповниться до самого дна . Тоді, за принципом сифона, рідина буде витікати з внутрішньої трубці до тих пір, поки посудина не випорожниться. Подвійний сифон пояснює дію "чарівного кубка" Герона. У сифоні з постійною швидкістю витікання (рис. 33). внутрішнє коліно закріплено в чаші, плаваючою на поверхні рідини в посудині. У міру зниження рівня рідини опускається і сифон, так що вихідний отвір залишається нижче рівня рідини завжди на одну і ту ж величину. Як приклад, що ілюструє винахідливість Герона, опишемо його автомат "співаюча пташка" (рис. 34). Пташка свистить, коли сова на неї не дивиться, і замовкає, коли сова до неї повернеться. Дія цього приладу заснована на відповідному підборі подвійних сифонів. Коли рідина по воронці втікає у верхню судину, то вона витісняє повітря, який, проходячи по трубочці, викликає свист. У міру підвищення рівня рідини в резервуарі починається її витікання через сифон в нижній ківш. Це викличе в кінці кінців перевантаження ковша, який перетягне противагу, і сова повернеться. Сифон підбирається так, що в цей момент витікання з резервуара перевищує швидкість надходження рідини - пташка не співає. Потім вступає в дію нижній сифон. У міру спорожнення резервуара випорожниться і ківш - сова відвернеться. Робота автомата починається знову.
Мал. 34. Співоча пташка і сова
Особливо чудово, що Герон вперше використав рушійну силу тепла. Ознайомимося передусім з дією його "еоліпіл". Еоліпіл Герона є залізна куля, що може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 35). У верхній частині кулі є похідна трубка, зігнута під прямим кутом; така ж трубка, але вигнута в протилежну сторону, є внизу кулі. Пар, що надходить з резервуара по бічних трубок, викидається випускними трубками. Реакція парового струменя (принцип турбіни) призводить куля в обертання.
Мал. 35. Еоліпіл Герона
Так майже за дві тисячі років до винаходу парової машини був вперше сконструйований теплової двигун. Але це було передчасне винахід, і з XVII століття починаються нові пошуки теплової машини.
Мал. 36. Автомат Герона
Наведемо як приклад застосування рушійної сили тепла - вівтар з автоматично відкриваються дверима при розпалювання жертовного вогню (рис. 36).
"У храмі знаходиться порожнистий жертовник DE, який з'єднаний за допомогою трубки FG з кулястим посудиною РН, наполовину заповненим водою. У куля упаюється U-подібна трубка KLM. Осі обертання обох стулок дверей продовжені до підлоги підвалу, де вони вставлені у відповідні гнізда. На осях навито два ланцюжки. на кінці одного ланцюжка поміщається вантаж, який своєю вагою прагне закрити двері, а на інший, навитої в зворотному напрямку на дверних осях, висить посудину іншої, навитої в зворотному напрямку XN, який, будучи порожнім, легше вантажу. в пов т посудину проходить одне з колін U-подібної трубки, яка так встановлена, що, коли двері закриті, це коліно доходить майже до дна посудини.
Коли на вівтарі запалюють вогонь, вівтар нагрівається, укладений в ньому повітря розширюється, тисне на воду, що знаходиться в кулі, і піднімає її по U-подібній трубці в підвішений посудину, який завдяки цьому опускається і таким чином відкриває двері.
Розглянутими прикладами ми і обмежимося. Зі сказаного ясно, наскільки дотепні були винаходи Герона. Практичне значення отримали лише його гідравлічні машини, удосконалили техніку водочерпальних машин. Решта винаходи виконували роль кумедних іграшок, не більше. Тільки відроджується нова наука звернулася до винаходів Герона, розвинувши їх далі на новій основі.