Самое старинное описание водяного насоса найдено у греческого ученого Филона Византийского, жившего более двух тысяч лет назад. Но и у него описан не первый, а значительно усовершенствованный насос двойного действия: он не только засасывает воду, но и нагнетает ее в особую дополнительную трубу, через которую вода из речки или колодца подается довольно высоко наверх.
В таком насосе при движении поршня вверх вода засасывается через клапан на дне цилиндра. Этот клапан прикрывает донное отверстие и откидывается вверх сам собой под действием поступающей в цилиндр воды. Клапан, соединяющий цилиндр с водоподъемной трубой, при этом закрыт, так как вода из трубы во время подъема поршня сама стремится войти в цилиндр и своей тяжестью закрывает боковой клапан. Наоборот, при обратном движении поршня нижний клапан в цилиндре закрывается давлением воды, а давление поршня на воду открывает боковой клапан, отчего вода из цилиндра врывается в водоподъемную трубу и идет по ней вверх до конца.
И до Филона Византийского и после него в течение полутора тысяч лет люди качали такими насосами воду из рек и колодцев, но все-таки не знали, какая именно сила заставляет воду подниматься вслед за поршнем. Древние философы объясняли это загадочное явление тем, что «природа не терпит пустоты» и потому загоняет воду в пустую трубу, если не в состоянии загнать туда воздух.
Даже учитель Торричелли, великий Галилей, знавший, что воздух имеет вес, не видел связи между весомостью воздуха и поднятием воды в трубе насоса.
Насос во Флоренции заставил всех обратить внимание на странное явление: на некоторой высоте вода в его трубе останавливалась и не шла дальше за поршнем, так что, вопреки утверждениям философов, природа мирилась с пустотой между уровнем воды и поршнем.
Торричелли был умный, образованный человек, и, главное, он не верил, что природа имеет разум и волю. Он стал искать истинную причину загадочного явления и довольно скоро понял, что воду в трубу насоса гонит давление воздуха, который своим весом давит на поверхность воды в реке или колодце. Раз в трубе насоса при поднятии поршня образуется безвоздушное пространство, то естественно, что под давлением атмосферы на остальную поверхность воды часть воды устремляется в трубу и поднимается в ней.
Старинный водяной насос.
Так Торричелли, опираясь на учение Галилея о весомости воздуха, открыл существование атмосферного давления.
Когда Торричелли понял, почему вода из колодца бежит в трубу насоса вслед за поршнем, он легко рассчитал, до какого предела сможет дойти вода в трубе. Ясно было, что даже в самом лучшем насосе она сможет подниматься только до тех пор, пока засосанная в трубу вода не уравновесит давление атмосферы.
Так как давление атмосферы повсюду почти неизменно, а вес воздуха и вес воды были известны, то Торричелли без труда решил задачу: ни один насос, состоящий из цилиндра с поршнем, не может поднимать воду выше десяти метров. Десятиметровый столб воды в трубе всасывающего насоса уравновешивает давление атмосферы на площадь, равную сечению трубы насоса, вследствие чего вода и останавливается на этой высоте. Значит, чтобы поднять воду на высоту в несколько десятков метров, следовало ставить один насос над другим так, чтобы воду, сливаемую нижним насосом в резервуар, выкачивал в свою очередь следующий, верхний насос, и так дальше, цепью, до конца.
Опыт давно уже научил людей поступать именно таким образом, когда приходилось откачивать воду с большой глубины. С незапамятных времен существовали и нагнетательные насосы с самодействующими клапанами.
Водяной насос многому научил людей за две тысячи лет своего существования и, как мы увидим дальше, претерпел на своем веку немало удивительных, чудесных превращений.
Вес воздуха ничтожен по сравнению с весом воды или железа, но все же каждый литр его весит более одного грамма. А так как высота воздушного слоя очень значительна, то оказывается, что давление, производимое атмосферой у поверхности земли на маленькую площадь в один квадратный сантиметр, превышает уже килограмм.
В обычных условиях мы, конечно, не замечаем, какая огромная тяжесть давит на нас, раз давление это равномерно распределено повсюду. Однако стоит только нарушить это равновесие, например путем удаления воздуха из трубы, как тотчас же атмосферное давление скажется самым резким образом. Даже сравнительно незначительное снижение атмосферного давления мы уже чувствуем на себе, поднявшись на высокую гору, когда организм наш должен приспособляться к уменьшенному давлению воздуха. Летчики, поднимающиеся очень высоко, это знают особенно хорошо.
Хотя действительный вес столба воздуха сечением в один квадратный сантиметр и несколько больше килограмма, в технике для упрощения расчетов давлением одной атмосферы принято считать давление, равное одному килограмму на квадратный сантиметр поверхности.
Почти одновременно с Торричелли вопросом, что такое пустота и почему ее не терпит природа, интересовался еще один замечательный ученый — Отто фон Герике, бургомистр города Магдебурга. Он занимался больше научными опытами, чем коммунальными делами, и опыты в науке ставил на первое место.
«Словоизвержение и красивые фразы, так же как и умение вести споры, ровно ничего не стоят в естествознании!» — говорил он.
Герике не стал спорить с философами, а взялся за опыты. Ничего не зная об открытии Торричелли, он пришел к тем же выводам, что и итальянский ученый, но начал с другого конца. Он поставил себе целью прежде всего получить совершенную пустоту, а потом уже посмотреть, что из этого выйдет.
Чтобы получить пустоту (вакуум) в каком-нибудь сосуде (например, в бочке), Герике решил выкачивать из него воду, не впуская в сосуд воздух. Сделать это было очень трудно, и опыт не удался, но он привел Герике к мысли, что при помощи особенного насоса, состоящего из той же технической формы — цилиндра и поршня, можно выкачивать не только воду, но и воздух. Такой воздушный насос Герике и сделал. При помощи его он откачал воздух из медного шара, а затем этот «пустой», по его мнению, шар опустил в воду и открыл кран. Вода ворвалась в шар, но, к удивлению Герике, все-таки заполнила его не весь. Некоторая часть в шаре — правда, незначительная, величиной с грецкий орех — осталась незаполненной. Очевидно, это пространство занимал остаток воздуха.
Герике сделал правильное заключение из своего опыта: совершенной пустоты, действительно безвоздушного пространства, добиться практически невозможно. Поэтому, хотя в технике и говорят часто о безвоздушном пространстве, о вакууме, в действительности речь идет только о сильно разреженном воздухе, а не о полном его удалении, не об абсолютной пустоте.
Как видите, все это, по справедливости, могло заинтересовать не только молодого Папена, но и его учителя. Они вооружились воздушным насосом и стали в свою очередь производить различные опыты с безвоздушным пространством. Совместно с Гюйгенсом Папен внес очень важное усовершенствование в воздушный насос — тарелку с колпаком. Воздух они стали выкачивать не из шара с узким горлышком, а из-под стеклянного колпака на тарелке, куда можно было помещать с удобством все, что хотели подвергнуть опыту в безвоздушном пространстве.
Папен и его учитель Гюйгенс.
Однажды, работая с воздушным насосом, Папен заметил то, что раньше его видел и Герике, а именно: когда под поршнем образовывалось разреженное пространство, наружное давление атмосферы гнало поршень обратно с большой силой. Это наблюдение показало Папену, что атмосферное давление может совершать работу, если придумать соответствующую конструкцию машины.
Папен под руководством своего учителя произвел с воздушным насосом массу опытов. Он опубликовал результаты их в своей первой книге: «Новый опыт над безвоздушным пространством». Труд свой Папен посвятил Гюйгенсу и в посвящении написал:
«Опыты эти принадлежат вам, так как почти все они были произведены мной по вашей мысли и по вашим указаниям. Но так как мне известно, что они служили для вас простым развлечением и что вы едва ли захотели бы вверить их бумаге, а тем более публиковать, то я не боюсь навлечь на себя ваше неудовольствие, приняв на себя их описание».
Книга Папена содержала много интересных научных новостей и поэтому имела успех. На автора книги обратили внимание академия, ученые, придворная знать. Папен не скрыл от своих читателей и сделанного им важного наблюдения, хотя о своей идее построить атмосферную машину умолчал.
Но Гюйгенс знал о ней и даже помогал Папену в поисках средства получать под поршнем вакуум. Ведь, в сущности говоря, в этом и заключалась главная задача: если под поршнем в цилиндре будет быстро образовываться вакуум, то, естественно, атмосферное давление заставит поршень опускаться и при этом совершать какую-нибудь работу, например поднимать тяжесть на веревке, перекинутой через блок.
