Недавно мы рассказывали об исследованиях бургомистра г. Магдебурга Отто фон Герике и проведении им эксперимента по исследованию атмосферного давления с помощью двух медных полушарий, получивших впоследствии название Магдебургские полушария.
Сегодня познакомим вас с еще одним изобретением бургомистра. Это механический поршневый вакуумный насос для изучения различных систем и живых организмов в вакууме.
В Музее-лаборатории Е.К. Завойского Казанского федерального университета хранится фрагмент вакуумного насоса со стеклянным колпаком немецкой фирмы Max Kohl (начало XX в.). В Музее Казанской химической школы – вакуумный насос, которым пользовался А.М. Зайцев.
Споры о возможности существования пустоты или вакуума велись со времен древнегреческой натурфилософии. Согласно представлениям первых атомистов, Левкиппа (около 500 г. до н.э.) и Демокрита (около 460-370 гг. до н.э.), вселенная состояла из пустого пространства и бесконечного множества неделимых мельчайших частиц – атомов.
Другая философская концепция – отрицания существования пустоты –связывалась с именем Аристотеля (384-322 гг. до н.э.). Однако представления, касающиеся сплошной материи и невозможности появления пустоты, можно встретить и у философов более ранней, ионийской школы. Согласно Эмпедоклу (ок. 490-430 гг. до н.э.), корни всего сущего не допускали пустого пространства.
Философский спор, порожденный учениями Демокрита и Аристотеля, продолжался в течение двух тысячелетий. В рассуждениях натурфилософов вакуум выступал как абсолютная пустота. Открытие воздуха, изучение его свойств имело место позднее, с приходом новой физики. Тем не менее, уже в античные времена, особенно в эллинский период, создавались различные технические устройства, использующие свойства, проявляемые воздухом при разрежении.
Первые физические опыты в вакууме начали проводиться в эпоху Возрождения. Тогда же создаются и воздушные насос. Было известно, в частности, что с помощью насоса всасывающего типа нельзя поднять воду на высоту более 10 м. Поэтому, чтобы откачать воду из глубоких колодцев и шахт, устраивалась система более коротких труб, в каждой из которых двигался поршень. Полученные многочисленными опытами знания требовали научного объяснения. Если вода поднималась за поршнем из-за «боязни пустоты», то почему эта боязнь на определенной высоте прекращалась?
В 1638 г. в произведении «Беседы и математические доказательства двух новых наук» Галилей отмечал, ссылаясь на опыт флорентийских водопроводчиков, что высота эта всегда одна и та же – примерно 18 локтей (20 метров). Размышляя над данным фактом, ученый пришел к выводу, что «сила боязни пустоты» ограничена. Можно даже вычислить ее величину, если «определить вес воды, заключающийся в восемнадцати локтях трубы насоса, какого бы диаметра последняя ни была».
Полученная таким образом «сила боязни пустоты» является не чем иным как величиной атмосферного давления (~1.033 кг/см2).
Первый физический опыт в вакууме, проведенный Г. Берти
Подобные рассуждения Галилея привлекли внимание многих ученых. Под влиянием возникшей дискуссии Гаспаро Берти примерно в 1640 г. оборудовал на фасаде своего дома в Риме сооружение, которое можно считать первой установкой для проведения физического опыта в вакууме.
Усовершенствованный насос Герике (1654 г.)
Бургомистр немецкого города Магдебурга Отто Герике, знал об экспериментах итальянцев Берти и Маньяно. Во всяком случае, в его книге, вышедшей в 1672 г., приводилось описание установки Берти со ссылкой на трактат Г. Шотта. Характерно, что в своем первом опыте, проведенном в 1652 г., Герике намеревался получить пустоту путем откачки воды из плотно закупоренной бочки. Эта попытка оказалась неудачной, через отверстия бочки внутрь поступал воздух. К успеху Герике пришел лишь после того, как распорядился откачивать из толстостенного медного сосуда непосредственно воздух. Спустя некоторое время он усовершенствовал вакуумный насос, оборудовав его водяным уплотнением крана и более удобным приводом цилиндра. Проведенные им наблюдения свидетельствовали о том, что воздух обладает упругостью (смятый пузырь раздувается в «пустоте»), что в откачанном сосуде не могут жить животные, гаснет свеча, ослабевает звук колокольчика.
Вслед за Герике опыты с вакуумом проводили многие ученые. Собственные конструкции насосов были сделаны Р. Бойлем (1660), Д. Папеном (1674), Ф. Хауксби (1709) и другими исследователями и механиками. Во второй половине XVII в. опыты с «пустотой» вошли в моду, и многие мастера, особенно в Голландии, занимались изготовлением насосов на продажу.
Хотелось бы отметить, что большинство насосов имели стеклянные колпаки, поэтому они не сохранились до наших дней.
Изобретение Отто фон Герике оказало существенное влияние на развитие науки и производства. Вакуумные насосы разных типов стали в дальнейшем неотъемлемой составной частью техники научного эксперимента. Опыты с использованием вакуума способствовали существенному расширению научных знаний, в том числе о глубинных свойствах материи.
Подготовлено Ф.Р. Вагаповой по материалам статьи: Борисов, В.П. Изобретения, давшие дорогу открытиям [Текст] / В.П. Борисов // Вестник Российской академии наук. – 2003. – том 73. – № 8. – С. 744-748.
