Энергия. История человечества

Конными воротами из шахты поднимали не только ведра с водой, но и корзины с углем. Правда, Галлоуэй говорит, что такая система давала мало, а стоила дорого: лошадей требовалось или покупать, или разводить, а значит – растить, кормить, содержать. «В некоторых случаях для подъема воды из одной-единственной угольной шахты использовалось целых пятьдесят лошадей», – что, по оценке Галлоуэя, стоило не менее 900 фунтов стерлингов в год (113600 фунтов, или 169000 долларов, в нынешних деньгах). Более глубокие шахты, которые не удавалось осушить при помощи одной только конной тяги, приходилось забрасывать. Затопленные шахты, потерянные средства, напрасные труды – все это открывало простор для изобретений.

Конный ворот. Источник неизвестен.

Почву для них подготовили научные открытия. О том, что атмосфера имеет вес, знали со времен опытов, поставленных в 1643 г. Эванджелистой Торричелли, учеником Галилея. Опыты Торричелли привели к изобретению ртутного барометра, который реагирует на смену атмосферного давления – то есть изменения плотности воздушного столба, расположенного над прибором. В 1654 г. прусский инженер Отто фон Герике продемонстрировал силу атмосферного давления в знаменитом эксперименте, публично поставленном в Регенсбурге в присутствии императора Фердинанда III. Фон Герике соединил два медных полушария в сферу, откачал из нее воздух и поместил ее между двух упряжек, в каждую из которых запрягли по восемь лошадей. Хотя полусферы прижимались друг к другу только силой атмосферного давления, конные упряжки так и не смогли разъединить их, как ни старались.

Отто фон Герике демонстрирует давление воздуха на вакуум

Друг фон Герике, математик-иезуит Каспар Шотт, включил отчет об этом событии (и впечатляющую гравюру, изображающую его) в книгу, которую опубликовал в 1657 г. В Англии об опытах, устроенных фон Герике, и о демонстрации прочел состоятельный ирландский натурфилософ[66] Роберт Бойль, сын графа Коркского, пытавшийся в это же самое время придумать, как создать вакуум в более крупном масштабе, нежели позволяла узкая стеклянная трубка барометра Торричелли[67]. Демонстрация фон Герике впечатлила Бойля, в отличие от лабораторной вакуумной системы. Фон Герике создавал вакуум в лаборатории, откачивая воздух из сосуда, установленного вверх дном в чаше с водой. Бойль хотел экспериментировать с вакуумом – например, посмотреть, что случится с горящей свечой, заключенной в вакуумный сосуд, по мере откачки воздуха, – а как это сделать, если в сосуд приходится проникать из-под воды?

Первый воздушный насос Гука и Бойля. Вынув пробку К, расположенную в верхней точке сферы, в сферу через отверстие помещают исследуемые материалы. Затем, снова закрыв пробку, вращением рычага отводят поршень С вниз по цилиндру А, откачивая из сферы воздух. Клапан L закрывают, что не позволяет воздуху опять заполнить сферу, и снова вращают рычаг в обратном направлении, продвигая поршень вверх. Когда поршень полностью войдет в цилиндр, клапан L вновь открывают, что позволяет откачать из сферы следующую порцию воздуха, постепенно увеличивая разрежение в ней

Хотя Бойль жил к тому времени в Оксфорде, он обратился к известному лондонскому производителю приборов Ральфу Грейтрексу и заказал работоспособный воздушный насос. Грейтрекс с заказом не справился. А потом один из оксфордских преподавателей химии представил Бойлю своего ассистента: молодого, но изобретательного Роберта Гука; тому в 1658 г. исполнилось двадцать три. Бойль привлек Гука к своей работе, и после нескольких безуспешных попыток создать устройство по чужим проектам Гук взялся за проект сам – и его насос работал. Этот прибор первого поколения, медленный и негерметичный, позволил Бойлю начать эксперименты.

Насос Бойля и его последующие опыты с вакуумом не только показали, что вакуум можно создать, изучить и выявить его характерные свойства (в нем гаснут свечи; он проводит свет, но не звук). Они проявили и силу давления воздуха: вес атмосферы, находящейся над нами и вокруг нас в нашей повседневной жизни. «В воздухе, в котором мы живем, – писал Бойль, – есть пружинная, или упругая, сила»[68]. Теперь возник следующий вопрос: как применить столь мощную силу в более крупном масштабе, вне лаборатории?

Эксперименты с использованием тепла для создания частичного вакуума проводились по меньшей мере с начала XVII в. В 1604 г. голландец Корнелиус Дреббель изобрел простой механизм, использующий огонь для откачки воды; впоследствии он привел его изображение в своей книге.

Устройство, описанное Дреббелем, состоит из реторты – металлического сосуда в форме тыквы, – подвешенной над огнем; горлышко реторты погружено в ведро с водой. Когда огонь нагревает реторту, содержащийся в ней воздух расширяется и выходит сквозь воду в виде пузырей. Если убрать огонь, то воздух, оставшийся в реторте, остывает, сжимается и создает частичный вакуум, – и тогда атмосферное давление внешней среды загоняет воду из ведра в горлышко реторты, скрытое под водой. Простой насос Дреббеля открывал широкие возможности. Его могли увеличить, доработать – и, скажем, качать им воду из рек, снабжая ею населенные пункты.

Дреббель, «статный мужчина с очень светлыми волосами… и человек весьма приятных манер»[69] – по описанию одного придворного, который с ним встречался, – изобрел еще много всего, от систем фонтанов до барометрического «вечного двигателя», демонстрации которого пользовались большим успехом у коронованных особ[70]. В 1605 г. он приехал в Лондон в качестве учителя Генриха Фредерика, принца Уэльского, старшего сына Якова I. Слава о его изобретательских талантах разошлась по всей Европе, и континентальные аристократы приезжали в Лондон только для того, чтобы увидеть его за работой. Когда Рудольф II, император Священной Римской империи, пригласил Дреббеля в Прагу, тому ничего не оставалось, как принять это приглашение, хотя сам он предпочел бы остаться в Англии. Но в 1612 г. Рудольф умер, и Дреббель уже никому не был ничем обязан. К несчастью, тогда же, в восемнадцать лет, умер от брюшного тифа и принц Уэльский. А через год Дреббель вернулся в Англию – на службу к Якову I.

Кое-кого забавляла поддержка, оказываемая Дреббелю королем Яковом I; «говорили, что этот вечный изобретатель так и не придумал ни одной вещи, польза от которой превышала бы ее стоимость». Одним из защитников голландского изобретателя был Константейн Гюйгенс, молодой голландский поэт и дипломат. Они с Дреббелем познакомились в Лондоне в 1621 г. Гюйгенс считал Дреббеля гением, равным великому англичанину Фрэнсису Бэкону. «При помощи глубочайших знаний, – восхвалял юный поэт своего соотечественника, – он создал замечательные механические устройства»[71].

Простой насос Дреббеля

Возможно, самым замечательным из них стала подводная лодка Дреббеля, первая в своем роде, – вытянутый водолазный колокол, который он продемонстрировал в 1620 г. на Темзе представителям Королевского флота. Дреббель взял гребную шлюпку, выбил из нее дно, оборудовал ее куполообразной деревянной палубой, герметизировал уключины и руль кожаными прокладками и покрыл всю лодку водонепроницаемой кожей. Лодка могла оставаться под водой по нескольку часов кряду, и есть основания полагать, что Дреббель знал, как химическим путем получать кислород из калийной селитры – нитрата калия – для восполнения в лодке запасов воздуха. Кислотный остаток нитратов (солей азотной кислоты) состоит из азота и кислорода[72].

66

Ученые назывались по-английски натурфилософами (natural philosophers) до 1833 г., когда глава кембриджского Тринити-колледжа Уильям Уэвелл предложил современное название – scientist. – Примеч. авт.

67

Бойль прочитал об опыте: Boyle (1660), 5.

68

Ibid. P. 22.

69

Источник цитаты: Gerrit Tierie. Cornelis Drebbel (1572–1633) / PhD diss., Leiden University, 1982. P. 17 (online).

70

Ретортный насос Дреббеля: Tierie. Cornelis Drebbel. P. 32, 33.

71

Источник цитаты: Tierie. Cornelis Drebbel. P. 28.

72

Дреббель получал кислород. Cм. обсуждение: ibid. P. 70.