Помоги проекту - поделись книгой:
Если «камнесбрасыватель» и «железная лапа» были одной машиной, но с разным сменным «вооружением», вес каменного снаряда и вес «лапы» должны были быть близкими (чтобы машина в момент наведения оставалась уравновешенной). По-видимому, такое требование выполнить нетрудно.
Попытаемся теперь представить себе технические характеристики машины. Они, конечно, во многом должны зависеть от размеров и веса кораблей, с которыми велась борьба.
Основными типами античных судов были галеры (беспалубные суда с одним ярусом весел), триремы (суда, имевшие три ряда весел) и пентеры (с пятью ярусами весел). Галеры несли команду около 80 человек и имели водоизмещение до 100 т. Команда трирем состояла примерно из 200 человек, а их водоизмещение превышало 200 т; это был наиболее распространенный тип военного корабля той эпохи. Наконец, пентеры весили больше 500 т и имели экипаж из 350…400 человек.
Как мы видим, суда уже в ту эпоху обладали внушительным весом. Поэтому правдивость приведенного Полибием описания действия «железных лап» действительно может вызвать сомнения. Чтобы поднимать корабли на воздух, эта машина должна была обладать грузоподъемностью в сотни тонн. Однако в действительности Полибий не пишет, что корабли вытягивались из воды (кстати, для целей обороны это и не нужно). Согласно описанию Полибия машины Архимеда лишь переворачивали корабли. А для этого требуется сила, гораздо меньшая веса корабля. Достаточно было приподнять нос корабля настолько, чтобы погрузить в воду корму или часть весельных люков. (Нижние весла у многоярусных судов располагались так низко, что во время волнения их люки приходилось задраивать кожаными щитами.) Вода хлынет внутрь, корабль начнет погружаться и переворачиваться сам. Проделанные расчеты показывают, что для этого достаточна сила, составляющая приблизительно 10 % веса корабля. Грузоподъемность архимедовых машин могла составлять 10…15 т, и создание таких машин — задача, вполне разрешимая для античной техники. Такую силу вполне могут создать объединенные действия нескольких сотен человек. Известный норвежский путешественник Тур Хейердал для разгадки методов транспортировки гигантских статуй на острове Пасхи, провел следующий опыт. Лежащую на земле статую весом 12 т обмотали канатом, и 180 человек, взявшихся за канат, сравнительно легко протащили ее по земле.
Если коэффициент трения камня по земле принять равным даже 0,5, то каждый из участников этого эксперимента тянул с силой 30 кг.
Машины, с помощью которых грузы поднимались за счет силы людей, тянущих канаты, в античную эпоху применялись. Витрувий описал подъёмный кран: «Груз крепится к параллельным трехкратным или пятикратным полиспастам, от которых три каната спускаются к особому блоку, который привязывается к основанию машины и содержит три ролика, через которые канаты, будучи продеты, передаются в руки людей для тяги. Таким образом, три ряда людей тянут без помощи ворота и быстро поднимают тяжесть на надлежащую высоту».
Предполагаемое действие машины Архимеда было следующим. При приближении вражеского корабля машину подтаскивали (скорее всего, на полозьях) к опасному месту и машинисты, манипулируя стрелами, пытались захватить вражеский корабль. В это время канаты полиспастов были распущены и не мешали движению машины. Но как только корабль оказывался «зачаленным», нижние блоки полиспастов зацеплялись за один из анкеров, заранее заделанных в грунт вдоль стены, и сотни людей, впрягшись в канаты, бежали, притягивая внутренний конец стрелы к земле. При этом машина поднимала «клюв» и опрокидывала судно.
У Полибия сказано, что лапы «поднимали воинов в полном вооружении и швыряли вниз».
Если корабль еще можно подцепить крюком, то применение такого же приема против воина сомнительно. Кроме того, в этом случае «лапа», судя по тексту, не сбрасывалась, а расстегивалась.
Что касается самой «железной лапы» — устройства для захвата судов, то это мог быть механический захват типа клещей или крюк. Сообщение Полибия о том, что «лапа и цепь отделялись при помощи каната», т. е. тонули вместе с кораблем, естественное в случае применения крюка, не находится также в противоречии с возможностью использования самозатягивающихся клещей: открыть такие клещи под нагрузкой практически невозможно. В пользу клещей свидетельствует применение «железных лап» против пехоты.
Принцип этого несложного устройства описан в «Пиротехнике» итальянского инженера Вануччо Берингуччо, изданной в 1540 г. Клещи, сжимавшиеся надетым на их изогнутые ручки кольцом, применялись для захвата проволоки при волочении. Видимо, конструкция эта очень старая. Во всяком случае несомненно, что создание подобного захватного устройства не представляло для Архимеда неразрешимой проблемы. «Железные лапы» Архимеда были уникальными машинами — предками современных манипуляторов и подъемных кранов. Ни до, ни после Архимеда никто таких военных машин не использовал. Психологический эффект их применения на нападавших был огромен. Плутарх пишет: «Наконец, римляне стали так трусливы, что если замечали, что над стеной движется кусок каната или бревно, то кричали: «Вот, вот оно!» — и, думая, что Архимед хочет направить на них какую-нибудь машину, ударялись в бегство».
Античная фортификация знала только сплошные стены. Амбразуры в теле крепостных укреплений (так называемый «нижний и средний бой») появились в средние века с распространением огнестрельного оружия. Недаром Полибий описывает бойницы сиракузских стен как некую хитрость, придуманную Архимедом.
Из этого следует, что Архимед был не только механиком, но и строителем, причем строителем незаурядным.
Бойницы сильно усложняют конструкцию стены, ведь в ее толще требуется поместить ниши для стрелков, оснастить ее соответствующими помостами и лестницами.
О том, что Архимед занимался строительным делом, свидетельствует и его не дошедшее до нас сочинение «Книга опор». Отрывки из нее сохранились в «Механике» Герона, которая дошла до нас в переводе арабского ученого IX в. н. э. Косты ал-Балбаки.
Изложение содержания «Книги опор» Герои открывает знаменательной фразой: «Нам совершенно необходимо разъяснить кое-что о давлении, его передаче и переносе с количественной стороны».
Надо сказать, что «Книга опор», по-видимому, является единственной в античной технике работой, посвященной строительным расчетам. Дошедшие до нас тексты этого рода относятся либо к определению пропорций между частями сооружений, либо к вычислению объемов и стоимости нужных материалов. Но расчетов на прочность не только в эпоху Архимеда, но и гораздо позже архитекторы не вели. Это приводило иногда к огромным запасам прочности, невероятно удорожавшим сооружения, а иногда к крупным авариям. Так, в 27 г. н. э. в городе Фиденах под Римом рухнул во время гладиаторского боя амфитеатр, полный публики. В результате этой грандиозной катастрофы погибло несколько тысяч человек.
Задачи, рассматриваемые в «Книге опор», состоят в определении давлений на колонны, подпирающие длинную балку или стену. Архимед решает задачу следующим образом: он мысленно рассекает балку в местах, где ее подпирают средние колонны, и таким образом получает вместо одной «многоопорной» балки ряд «двухопорных»; в этом случае определение нагрузки не составляет труда (достаточно поделить вес нужного отрезка балки пополам). С точки зрения современной науки такое решение задачи не совсем правильно: не учтена несущая способность самой балки.
Все же решение Архимеда в ряде случаев (когда «балка» не обладает значительной жесткостью) приводит к правильным результатам (например, при расчете подпорок перекрытия с земляным потолком, опор под сложенной из камней стеной или столбов, держащих желоб, в котором главной нагрузкой является вода).
В «Книге опор» рассматривалось также давление двухопорной балки на колонны в случае действия на нее сосредоточенных нагрузок (подвешивание груза); эта задача решалась правильно.
Особый интерес представляет задача о балке, имеющей выступающие концы. В этом случае Архимед рассматривал балку как рычаг и решение было неверно. Причиной этого было отсутствие представления о центре тяжести, что заставляет считать «Книгу опор» ранним произведением Архимеда, написанным до введения им этого понятия.
Историк Диодор в одном из своих сочинений пишет: «Нил после разливов наносит на поля новые количества ила, и обитатели легко могут орошать все поле с помощью изобретенной Архимедом Сиракузским машины, которая по причине своей формы носит название улитки (кохлеи)». Речь идет о винте Архимеда.
В сочинении писателя II в. н. э. Атенея об удалении воды из трюма корабля сказано: «Ее отсасывал один человек при помощи изобретенного Архимедом бесконечного винта».
«Улитка» устроена просто, и изготовление ее по силам любому плотнику. Вот как говорит об этом Витрувий:
«Берут балку… и придают ей форму вала, обтесав по циркулю. На круглую поверхность наносят продольные и поперечные (охватывающие) линии. Потом берут гибкую просмоленную рейку и прибивают ее к бревну так, чтобы она проходила наискось через точки пересечения разметочных штрихов, т. е. шла по винтовой линии. Сверху на эту рейку набивают такую же, потом еще и еще, пока виток не станет достаточно высоким. Таким образом, рейки образуют собой винтообразные канальцы,…т. е. настоящую натуральную имитацию улитки. К этим спиралям прибивают обшивку из досок, чтобы закрыть спиральные ходы, затем пропитывают ее смолой и обвивают железными обручами для того, чтобы она не могла лопнуть под влиянием воды. Выступающие концы бревна кладут на опоры так, чтобы один конец обшивки был в воде, а другой поднимался над тем местом, куда надо подавать воду. В установленном наклонно винте между витками и обшивкой образуются карманы, которые заполняются водой. Поскольку эти карманы при вращении «улитки» как бы бегут вверх, то и захваченная ими вода поднимается, пока не выплеснется.
Сохранилась помпейская фреска, на которой изображена эта машина. Вращает ее человек, переступающий ногами по самой обшивке винта.
На изготовление «улитки» уходит меньше дерева, чем на изготовление водоподъемного колеса, что важно для южных стран, где дерево — дефицитный материал.
В Египте архимедову «улитку» можно найти и сейчас.
Очень удобным оказался водоподъемный винт для откачки воды из шахт. Винты не занимали много места и хорошо вписывались в наклонные выработки.
Историк Диодор, описывая испанские рудники, сообщает: «Горнорабочие встречаются иногда с подземными реками, быстрое течение которых они уменьшают, отводя их в наклонные рвы, и неутомимая жажда золота заставляет их доводить до конца свои предприятия. Самое удивительное заключается в том, что они могут целиком вывести всю воду на поверхность при помощи египетских винтов, которые изобрел Архимед Сиракузский… Они, таким образом, постепенно подымают воду вплоть до отверстия рудника и после осушения подземных галерей спокойно в них работают. Эта машина так искусно устроена, что с ее помощью можно поднять громадные массы воды и даже легко вывести целую реку из земных глубин на поверхность».
Преимущества водоподъемного винта обеспечили ему широкое применение в течение многих столетий. Наброски архимедовых винтов имеются среди технических рисунков Леонардо да Винчи. Но по конструкции они отличаются от античных. Винт образуется спиральной трубой, надетой на стержень. «Это изобретение», — писал Галилей об архимедовом винте, — не только великолепно, но просто чудесно, поскольку мы видим, что вода подымается в винте, беспрерывно опускаясь».
Среди средств практической механики, которые, по выражению Диодора, «известны всему миру», устройства, принадлежащие Архимеду, следует искать в числе тех, которые не упомянуты в «Механических проблемах» и, следовательно, не были, по-видимому, известны ко времени Архимеда, но встречаются в сочинениях более поздних авторов — Витрувия, Герона и Паппа.
Прежде всего, как уже говорилось, речь может идти об изобретении Архимедом многоступенчатого редуктора и червячной передачи — механизмов, примененных Архимедом для перемещения корабля «силой одного человека». Плутарх назвал в качестве примененного Архимедом средства полиспаст. Но полиспаст упоминается в «Механических проблемах» и, следовательно, был изобретен до Архимеда. Это вовсе не означает, что Плутарх передал неверные сведения. Применение Архимедом полиспаста очень вероятно. Но простой расчет показывает, что для цели демонстрации Архимеда (перемещение судна одним человеком) одного лишь полиспаста для получения нужного выигрыша в силе недостаточно.
Действительно, триера весила около 200 т и, чтобы сдвинуть ее с места при благоприятных условиях, требовалась сила не меньше 20 т. Полиспаст мог применяться для того, чтобы увеличить число тянущих канатов и тем самым уменьшить их толщину. Но практически построить полиспаст с числом канатов, большим десяти, не удается (с увеличением количества блоков быстро растут потери на трение). Поэтому для получения усилия в 20 т к его канату требовалось приложить силу не меньше 2 т, и передвижение корабля «силами одного человека» с помощью только полиспаста исключено. Зато в многоступенчатом редукторе «выигрыш в силе» с увеличением числа ступеней растет в геометрической прогрессии, а потери — т в арифметической, и коэффициент полезного действия получается намного выше. Поэтому канат полиспаста, как это делается и сейчас, должен был наматываться на барабан лебедки с многоступенчатым редуктором.
Следует, однако, отметить, что практического применения зубчатые редукторы в античную эпоху не нашли. Редуктор нужен при использовании быстроходных двигателей, а древняя техника вынуждена была ограничиваться силой людей и животных, которые не развивают большой скорости. Поэтому античная механика обходилась блоком и воротом, а если груз был очень велик, в канаты впрягались десятки и сотни людей. Поэтому, видимо, восходящие к Архимеду конструкции лебедок, описанные Героном и Паппом, имели чисто теоретический или «демонстрационный» характер.
Архимеда многие исследователи считают также изобретателем винта и червячной передачи.
Принадлежность этих изобретений Архимеду кажется очень вероятной: от водоподъемного винта до обычного — один шаг. Атеней пишет, что Архимед сдвинул корабль «с помощью изобретенного им винта». Он же называет архимедову водоподъемную «улитку» «бесконечным винтом». В сочинениях Герона и Паппа описан винт не с гайкой, а с ползуном, который может скользить по расположенной вдоль винта линейке и имеет выступ, входящий между витками резьбы винта. Эта конструкция является даже для эпохи Герона (I в. н. э.) архаичной, так как в то время уже широко применялись винты с гайками (пресс с деревянным винтом и гайкой найден при раскопках сукновальной мастерской в Геркулануме). Винт с гайкой проще описанного Героном и может передать большую нагрузку. Возможно, что Героном была описана «устаревшая» конструкция двухсотлетней давности, заимствованная из какого-то сочинения Архимеда.
И винт, и червяк относятся к механизмам, не упомянутым в «Механических проблемах».
Есть еще один механизм, также не упомянутый в «Проблемах», который мы имеем право условно включить в список изобретений Архимеда. Это уже упоминавшееся устройство, описанное Витрувием под названием «амфирион». Механизм, о котором идет речь, состоял из барабана с обернутым вокруг него канатом. Другой канат обертывался вокруг вала, держащего барабан. При сматывании первого каната с барабана второй канат наматывается на вал; при этом натяжения первого и второго канатов будут относиться как радиусы барабана и вала. Таким путем можно получить выигрыш в силе в 4…6 раз. Судя по книге Витрувия, это простое по конструкции и очень удобное устройство широко применялось в грузоподъемных машинах.
Так, практическая деятельность Архимеда стимулировала его научные исследования и давала возможность проверять на опыте результаты этих исследований.
Легенда о жгущих зеркалах
Глава 4. Легенда о жгущих зеркалах
В 1747 г. французский натуралист и изобретатель Жорж Луи Бюффон писал: «История зажигательных зеркал Архимеда широко известна и знаменита. Он изобрел их для защиты своей родины. Древние говорят, что он направил солнечный огонь на вражеский флот и обратил его в пепел. Но подлинность этой истории, в которой не сомневались в течение пятнадцати или шестнадцати веков, была в последнее время подвергнута сомнению и даже признана фантастической. Декарт отрицал возможность подобного изобретения, и его мнение одержало верх над свидетельствами ученых и писателей античной эпохи. Современные физики разделяют его мнение. Древним они оставляли только то, чего нельзя у них отнять.
Как бы то ни было, это изобретение попало в ряд других многочисленных открытий древности, исчезнувших только потому, что современники предпочли легкий путь их отрицания тернистой дороге воссоздания; и зажигательные зеркала были настолько обесславлены, что о восстановлении их репутации, казалось, не могло быть и речи.
Чтобы «обжаловать» приговор Декарта, нужно было располагать более сильными аргументами, чем различные доводы. Поэтому противникам Декарта оставался лишь один способ, который действительно мог дать решительные результаты, но в то же время был очень трудным и отчаянным. Способ состоял в попытке воспроизвести зеркала с целью получить тот же эффект».
Надо сказать, что Бюффону удалось осуществить свой план и создать зеркало, которое зажигало дерево на расстоянии 50 м. Бюффон, желая решить загадку истории, поступил так же, как в наше время Тур Хейердал с его знаменитыми плаваниями на плоту «Кон-Тики» и камышовых «Ра». Он доказал, что такое в принципе было возможно, хотя, разумеется, это не равносильно доказательству, что такое было.
Чем же кончился спор о зажигающих зеркалах Архимеда? Обратимся к литературе. В «Истории естествознания» Ф. Даннемана (1913 г.) читаем: «Против приступов флота осажденные боролись при помощи горящих головней. Позднейшие историки создали из этого совершенно невероятную басню, будто Архимед зажег суда осаждающих при помощи вогнутых зеркал».
Перед нами полное отрицание реальных оснований легенды.
То же самое, хотя и в не столь грубой форме, можно прочесть в современной «Истории физики» Марио Льоцци, вышедшей в 1970 г.: «Предание о применении Архимедом зажигательных стекол для поджога римских кораблей является несомненно легендой более позднего происхождения».
В отношении ученых к зеркалам Архимеда можно отметить четыре стадии. Сперва, во время слепого доверия к античным источникам, рассказы о них считались истиной; делались попытки их реконструкции и теоретического обоснования. Однако в XVII в. в результате развития оптики Иоган Кеплер и Рене Декарт, великие ученые, работавшие в этой области, высказали теоретически обоснованные сомнения в возможности создания таких зеркал, и рассказы о них стали для науки легендой. Третий период, длившийся около ста лет — от опытов Бюффона, опровергших доводы Декарта, до середины прошлого столетия, возродил веру в реальность этого изобретения Архимеда. Новая полоса скептического отношения была связана уже с недоверием к историческим источникам, сообщавшим о зеркалах. Это недоверие опиралось на авторитет известного датского филолога Гейберга, который в конце прошлого и начале нашего века много занимался изучением наследия Архимеда и о реальности архимедовых зеркал высказался резко отрицательно.
В последних посвященных Архимеду работах этот вопрос уже даже не обсуждается.
Ниже мы рассмотрим исторические свидетельства, послужившие источниками легенды, и влияние этой легенды на развитие физики.
Сохранилось всего три описания штурма Сиракуз: Полибия (II в. до н. э.), Тита Ливия (I в. до н. э.) и Плутарха (I в. н. э.). Ни в одном из этих рассказов нет упоминаний не только о сожжении кораблей зеркалами, но и вообще о применении огня.
Первые следы легенды обнаруживаются в литературе II в. н. э. Это упоминания, сделанные вскользь для украшения текста.
Греческий сатирик Лукиан, в шутливой речи по поводу открытия бани, говорит о важности союза теории и практики и в пример архитекторам он ставит Архимеда, который «при помощи своего искусства сжег неприятельские корабли».
Другое упоминание содержится в сочинении «О темпераменте» знаменитого римского ученого-медика Галена. Описывая пожар, Гален рассказывает, что стена здания загорелась от жара пламени, и добавляет: «Таким же образом, говорят, и Архимед поджег триремы врага зажигательными зеркалами».
В обоих случаях о сожжении кораблей говорится как об общеизвестном факте, не требующем разъяснений, так что, очевидно, уже во II в. н. э. легенда была достаточно распространена.
Четыреста лет спустя вопрос о зеркалах Архимеда разбирает византийский ученый Анфимий из Тралл в сочинении «О чудесных механизмах». Сохранившийся отрывок из этого сочинения является не только источником, но и первым научным достижением, порожденным вестью об архимедовых зеркалах.
Анфимий жил в VI в. Он был математиком, скульптором и архитектором, строителем знаменитого Софийского собора в Константинополе.
В своем сочинении Анфимий стремится дать реконструкцию зеркал, исходя из радиуса действия, равного дальности полета стрелы. Это расстояние является для Анфимия одним из условий задачи, почерпнутом, видимо, из источников, которые до нас не дошли.
Анфимий пишет: «Требуемое расстояние казалось большим и представлялось невозможным получить воспламенение, но поскольку никто не мог оспаривать славу Архимеда, который сжег корабли римлян с помощью отражения солнечных лучей (в этом все сходились единодушно), то резонно было полагать, что задача могла быть решена с помощью принципов, изложенных ниже».
Анализируя задачу, Анфимий приходит к выводу, что решение кроется в применении системы плоских зеркал: «При помощи многих плоских зеркал можно отразить в одну точку такое количество солнечного света, что его объединенное действие вызовет загорание. Этот опыт можно сделать с помощью большого числа людей, каждый из которых будет держать зеркало в нужном положении.
Но чтобы избежать суматохи и путаницы, удобнее применить раму, в которой закрепить 24 отдельных зеркала с помощью пластин или, еще лучше, на шарнирах. Подставляя этот механизм солнечным лучам, надо правильно установить центральное зеркало, а потом и остальные, быстро и ловко наклоняя их… так, чтобы солнечные лучи, отраженные этими различными зеркалами, направлялись в ту же точку…»
В заключение Анфимий в подтверждение правильности своей реконструкции добавляет:
«Следует заметить, что все прочие авторы, которые говорили о зеркалах божественного Архимеда, упоминали не об одном зеркале, но о многих».
О каких «прочих авторах» идет речь, мы не знаем, но, по-видимому, в то время было известно несколько не дошедших до нас исторических источников, сообщавших о факте поджога кораблей на расстоянии полета стрелы, но не дававших описаний устройства зеркала.
Что же касается научного значения реконструкции Анфимия, то она представляет собой единственный реальный вариант решения задачи. Анфимий предложил то, что в современной солнечной энергетике называется гелиоконцентратором.
Последние сообщения об архимедовых зеркалах (также византийские) относятся уже к XII в.
Первое, незначительное, принадлежит Евстахию Солунскому, который в «Комментариях к Илиаде» пишет: «Архимед при помощи правил «катоптрики» сжег римский флот на расстоянии полета стрелы». Более подробный рассказ содержится в «Истории», составленной Цеци, который, как на источник, ссылается на Диодора Сицилийского. Цеци пишет: «Когда римские корабли находились на расстоянии полета стрелы, Архимед стал действовать шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, чтобы оно пересекалось в середине зимней и летней солнечными линиями, и поэтому принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы».
Совпадение ряда технических подробностей устройства зеркала у Цеци и в реконструкции Анфимия показывает, что Цеци использовал в своем описании эту реконструкцию.
Наконец, последнее, несколько загадочное сообщение сохранилось в «Анналах» Зонары.
Вот его рассказ: «Этот геометр, собрав солнечные лучи на зеркале, с помощью этих лучей, собранных и отраженных затем толщиной и гладкостью зеркала, воспламенил воздух и разжег большое пламя, которое он затем направил на корабли, входившие в сферу его действия. Корабли были все обращены в пепел».
Этим, собственно, исчерпываются сведения об архимедовых зеркалах.
В отличие от историков ученые, занимавшиеся оптикой, воспринимали одно: великий геометр зажег солнечными лучами дерево на расстоянии полета стрелы. Возможно ли это? И если это правда, то каким способом Архимед добился такого эффекта?
Первым, кто взглянул на легенду о зеркалах, как на задачу, был, по-видимому, Анфимий. Он предложил совершенно правильное решение, но, вероятно, не проверил его на опыте, требовавшем немалых затрат.
Реконструкция Анфимия в несколько искаженном виде стала известна в европейской науке через «оптику» польского математика ХШ в. Вителия. Вителий рассказывает легенду о самом Анфимий, согласно которой архитектор, поссорившись со своим соседом ритором Зеноном, сжег его дом с помощью составного зеркала. Зеркало состояло будто бы из семи шестиугольных зеркал, одно из которых помещалось в центре, а остальные — по сторонам. Современник Анфимия, византийский историк Агафий рассказывает, что Анфимий, поссорившись с соседом Зеноном, напугал соседа и его гостей «грозой». «Гром» был вызван ударами по металлическим листам, а «молния» изображалась с помощью направленного на дом ритора солнечного зайчика.
По-видимому, первая попытка реализовать предложение Анфимия принадлежит немецкому математику и филологу Афанасию Кирхеру. В изданной в 1674 г. книге «Великое искусство света и тени» он рассказывает, что совмещал отражения солнца от пяти плоских зеркал и получил значительный нагрев, хотя и недостаточный для зажигания дерева. Правда, сам Кирхер, полностью веря в сожжение Архимедом кораблей врага, считал, что Архимед должен был применить что-то вроде знакомого нам «гиперболоида инженера Гарина», дающего параллельный пучок сконцентрированных лучей, способных зажигать дерево на любом расстоянии. Для образования такого пучка Кирхер предлагает трубчатое зеркало в виде усеченного параболоида вращения или систему из двух таких зеркал.
Однако еще за сорок лет до выхода книги Кирхера знаменитый французский философ и математик Рене Декарт (1596…1650) в своей «Диоптрике» убедительно показал, что свести солнечные лучи в точку, так же как и создать параллельный пучок жгущих лучей, невозможно. Поскольку Солнце — не световая точка, а диск с видимым угловым поперечником в 32', то любая точка зеркала отражает не луч, а конус лучей, пришедших из разных точек солнечного диска, имеющий при вершине угол 32'. Поэтому размер отражения, отброшенного зеркалом, независимо от его формы не может быть меньше хорды дуги 32', и чем дальше «зайчик» будет от зеркала, тем он будет крупнее и тем меньшей (при той же площади зеркала) окажется его освещенность. «Зажигательное зеркало, диаметр которого меньше, чем сотая часть расстояния между ним и местом, где сосредоточиваются солнечные лучи… даже, если бы оно было отшлифовано ангелом, не может… нагреть то место больше, чем лучи, излучаемые непосредственно солнцем». Действительно, тангенс 32' равен примерно 0,01, и при таких соотношениях наименьший теоретически возможный размер «зайчика» не меньше поперечника зеркала и их освещенности сравняются.
Далее Декарт добавляет: «Только люди, не слишком сведущие в оптике, убеждены в реальности многих небылиц; эти зеркала, с помощью которых Архимед, якобы сжег издали корабли, либо были чрезвычайно велики, либо, что вероятнее, вовсе не существовали».
Авторитет Декарта и справедливость его рассуждений сделали свое дело. К середине XVIII в. зеркала Архимеда в научной среде стали считаться несомненной легендой, причем их легендарность обосновывалась невозможностью их осуществления.
И вот, ровно через 110 лет после выхода «Диоптрики» Декарта, в 1747 г. Бюффон опубликовал свой шестой мемуар — «Изобретение зеркал для воспламенения предметов на больших расстояниях». Это произведение Бюффона малоизвестно. Оно написано непосредственно перед началом его работы над знаменитой «Естественной историей», прославившей Бюффона как одного из первых эволюционистов в космогонии, геологии и биологии. И «Естественная история» настолько заслонила для потомков этот эпизод в жизни ученого, что о его опытах с зеркалами сравнительно быстро забыли. Тем не менее эти исследования представляют собой интересную страницу в истории гелиотехники и мы рассмотрим их достаточно подробно.
В своем шестом мемуаре Бюффон пишет: «Сначала я исследовал, насколько ослабевает солнечный луч при отражении на различные расстояния и какие вещества отражают его всего сильнее… Я нашел, что даже не очень тщательно отполированные амальгамированные зеркала несравненно лучше отражают свет, чем любые, прекрасно отполированные металлы».
Методику своих фотометрических экспериментов Бюффон излагает так: «Я поместился напротив стеклянного зеркала с книгой в руке в комнате, где царила совершенная ночь и где я не мог различить ни одного предмета; в соседней комнате на расстоянии примерно 40 футов я велел зажечь одну свечу; ее приближали ко мне до тех пор, пока я не стал различать буквы… В этот момент расстояние от свечи до книги составляло 24 фута. Затем, повернув книгу в сторону зеркала, я пытался читать с помощью этого же, но уже отраженного света. Я велел при этом заслонить ширмой часть прямого света, не попадавшего на зеркало, чтобы на книгу попадал только отраженный свет. Свечу пришлось приблизить, что делалось постепенно до тех пор, пока я не смог читать те же буквы, освещенные отраженным светом; теперь расстояние от книги до свечи, включая расстояние от книги до зеркала… равнялось 15 футам… Отсюда я вывел, что сила, или количество, прямого света относятся к силе отраженного, как 576 к 225. Таким образом, действие света пяти свечей, отраженного плоским зеркалом, приблизительно равно действию прямого света двух свечей».
Выбрав в качестве основы стеклянные зеркала и решив воспользоваться для концентрации света группой плоских зеркал, ученый приступил к определению требуемых размеров зеркала.
Бюффон хотел построить зеркало с дальностью действия 240 футов. При этом диаметр «зайчика» не мог быть меньше 2 футов (66 см). Ученый вычислил, что зеркало должно иметь диаметр 216 футов (71 м!), что было неосуществимо. Но Бюффон не отступил и продолжал экспериментировать. «Зеркало, — писал он, — диаметром в три фута дает довольно сильный нагрев, достаточный для расплавления золота, и я решил посмотреть, что я выиграю, если заставлю его воспламенять всего лишь дерево». Новый диаметр проектируемого концентратора лучей оказался равным 30 футам (10 м). «Сооружение такого зеркала мне также представилось вещью невозможной, — пишет Бюффон и продолжает: — Имея такие резоны, которые, очевидно, свидетельствовали о невозможности существования зеркала, я не мог ничего противопоставить одному предположению… Это предположение заключалось в том, что действие тепла могло быть не пропорциональным количеству света, или, что то же самое, при одинаковой интенсивности большие «очаги» зажигают сильнее, чем малые».
И Бюффон смело нарушает границы геометрической оптики; он делает шаг вперед в понимании физики явления, предполагая, что рассеяние тепла заметно зависит от размера нагреваемой поверхности. Отбросив сомнения, он сооружает составное зеркало с площадью в 13 раз меньше расчетной. Предположения Бюффона оказались правильными — его зеркало смогло зажигать дерево на расстоянии 50 м.
Зеркало, построенное по указаниям Бюффона механиком Пассманом, состояло из 168 плоских стеклянных зеркал размером 16,2?21,5 см; общая отражающая площадь составляла 5,85 м 2.
Зеркала закреплялись на общей раме подвижно, что позволяло сводить отраженные от всех зеркал солнечные лучи в заданную точку, меняя фокусное расстояние.
Вот как описывает Бюффон испытания своего прибора: «Первый опыт я провел 23 марта 1747 г.: с помощью всего лишь 40 зеркал я воспламенил буковую просмоленную доску на расстоянии 66 футов, т. е. я использовал только четвертую часть всего составного зеркала. Но здесь следует сказать, что зеркало еще не было установлено, поэтому его положение было очень неудобным, оно образовало с Солнцем угол около 20°.
Третьего апреля в четыре часа вечера зеркало было поднято и установлено на свою опору; при помощи 112 зеркал было произведено воспламенение доски, покрытой рубленой шерстью, на расстоянии 138 футов, хотя Солнце было очень слабым. Нужно быть осторожным, приближаясь к месту, где находятся воспламенямые предметы, и не смотреть на зеркало; если глаза окажутся в фокусе, человек будет ослеплен. 10 апреля после полудня при достаточно ярком Солнце воспламенили еловую просмоленную доску на расстоянии 150 футов всего лишь при помощи 128 зеркал; воспламенение произошло совершенно внезапно, причем на всей площади освещенного пятна. 11 апреля, поскольку фокус находился на расстоянии в 20 футов от зеркала, понадобилось только 12 зеркал, чтобы воспламенить мелкие горючие предметы. При помощи 21 зеркала зажгли буковую доску, с помощью 15 зеркал удалось расплавить большой сосуд олова, весом около 6 фунтов, 117 зеркалами были расплавлены тонкие листы серебра. Так как освещенное пятно при этом расстоянии достаточно велико — 6 х 7 дюймов, то появляется возможность ставить опыты в широком масштабе со всеми металлами, что было бы невозможно при использовании обычных зеркал, у которых «очаг» или очень слабый, или в сто раз меньше, чем у моего зеркала.
Я заметил, что металлы, и особенно серебро, дымят, прежде чем расплавиться. Дым бывал настолько сильным, что над землей образовывалась дымовая завеса, и именно здесь я мог наблюдать «очаг»; невозможно смотреть на него, когда свет падает на металл.
Для установки зеркала и совмещения всех отражений в одной точке нужно около получаса, но когда зеркало уже собрано, установлено и настроено, им можно пользоваться в любой момент, стоит лишь сдвинуть занавеску. Зеркало воспламеняет горючие вещества очень быстро…
Описанные мною опыты были проведены публично в Саду короля на горизонтальной площадке». (Садом короля назывался Парижский ботанический сад, директором которого Бюффон был с 1739 г.) Опыты Бюффона говорят сами за себя. Не подлежит сомнению, что зеркало, подобное тому, которое он построил, было бы в эпоху Архимеда грозным орудием боя.
Но сам Бюффон не помышлял о военном использовании своего изобретения. Такая попытка в век огнестрельного оружия была бы бессмысленной. Для него зеркало — это прежде всего солнечная печь, источник «чистого» тепла, необходимый для химических опытов.
О том, насколько актуальной была эта проблема для науки того времени, говорит тема составленной в 1741 г. диссертации М.В. Ломоносова, которая называлась «Рассуждение о катоптрико-диоптрическом зажигательном инструменте». Инструмент Ломоносова состоял из ряда зеркал, которые направляли солнечные лучи на линзы, сводившие их в одну точку. Цель этой работы М.В. Ломоносов формулировал так: «Вознамерившись ввести в область химии приборы физиков, а также истины, ими открытые, чтобы до известной степени облегчить трудности, встречающиеся в этой науке… я счел за благо, по мере сил моих, уничтожить каким-либо способом упомянутые трудности и попытаться увеличить зажигательную силу этих приборов, которые прославлены столькими работниками, двинувшими вперед естествознание, и которые, я не сомневаюсь, придут на помощь в химических работах, требующих сильного огня…».
Поделиться книгой: