Глава 2. Дотехнологический этап в развитии вакуумной техники (1650 - 1880)
Предыстория вакуумной техники закончилась в середине XVII в. с появлением первых вакуумных насосов. Изобретение вакуумного насоса, часто называемого также воздушным (vacuum pump, air pump), было тесно связано с важным событием в науке - открытием атмосферного давления. Это открытие и последовавшие за ним опыты с вакуумом способствовали крушению одного из опорных пунктов схоластики - догмы "боязни пустоты". Устранение этой догмы благотворно сказалось на проведении научных исследований. Как отметил Д. Бернал, "многие из великих достижений физики эпохи Возрождения, подобно динамике Галилея и более поздним научным и техническим достижениям, например газовым законам и паровой машине, возникли в процессе ниспровержения этой идеи ("боязни пустоты" - В.Б.)" [24].
В XVII-XVIII вв. опыты с пустотой вызывают большой интерес, наряду с учеными ими с увлечением занимаются и дилетанты. Появляются разнообразные конструкции вакуумных поршневых насосов механического и ртутного типов. Став неотъемлемой частью многих научных экспериментов, сколько - ни будь значительного применения в промышленности вакуумные насосы на данном этапе еще не находят. Попытки применить их для создания вакуумных (пароатмосферических) железных дорог заканчиваются неудачей. Появление вакуумных насосов в производстве, сопровождавшееся быстрым развитием вакуумной техники, имело место на следующем этапе (после 1880 г.), с началом серийного выпуска электрических ламп накаливания.
1. Первый физический опыт в вакууме и крушение догмы "боязни пустоты"
Развитие техники в средние века зачастую было связано с необходимостью учета свойств, проявляемых воздухом при разрежении. Был известен, в частности, факт, 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 (рис. 3). Изображение такой системы водяных насосов можно найти в труде немецкого ученого Г. Агриколы "О горном деле" [25].
Полученные эмпирическим путем знания нуждались в научном объяснении. Если вода поднимается за поршнем из-за "боязни пустоты", то почему эта боязнь прекращается на определенной высоте? В своих "Беседах", вышедших в 1638г, Галилей, ссылаясь на опыт флорентийских водопроводчиков, отмечал, что высота эта всегда одна и та же - примерно 18 локтей. Размышляя над данным фактом, Галилей приходит к выводу, что сила "боязни пустоты" ограничена. Можно даже вычислить величину этой силы, если "определить вес воды, заключающийся в восемнадцати локтях трубы насоса, какого бы диаметра последняя ни была" [26].
Подсчитаем, согласно Галилею, "силу боязни пустоты":
Полученная таким образом "сила боязни пустоты" является ни чем иным, как величиной атмосферного давления (~1,033 кг/см2).
Рассуждения Галилея об ограниченности "силы боязни пустоты" привлекли внимание многих ученых. Под влиянием возникшей дискуссии итальянец Гаспаро Берти оборудовал около 1639-1643 гг. на фасаде своего дома в Риме сооружение, которое можно считать первой установкой для проведения физического опыта в вакууме [27].
Вертикальная труба, герметично соединявшаяся в верхней части со стеклянным сосудом C (рис.4), заполнялась сверху водой (нижний кран R при этом закрыт). Затем верхние краны Y и D закрывались, а нижний R открывался. Водяной столб опускался до некоторого уровня L, превышавшего уровень воды в бочке T примерно на 10 м. В сосуде C образовывался вакуум, что было использовано итальянским ученым Эмануэлем Маньяно для проведения следующего эксперимента:
Внутри сосуда были закреплены колокольчик M и молоток N. При поднесении снаружи магнита молоток ударял по колокольчику, слышался приглушенный звук. Значительного ослабления, а тем более исчезновения, звука ожидать было трудно. "Бертиева" пустота, если учесть упругость паров воды, была на несколько порядков грубее торричелиевой. В лучшем случае, вакуум в установке Берти не превышал нескольких десятков мм рт.ст. Однако, установка Берти продемонстрировала способ удаления воздуха с помощью жидкостного поршня.
В то же время, установка Берти была не чем иным как водяной барометрической трубкой, или скорее трубой. Ученый из Рима Рафаэло Маджотти, хорошо знавший Берти, позже утверждал, что именно он сообщил об опытах Берти Э. Торричелли. Маджотти высказал при этом мысль, что "если бы вода была морская, а потому более тяжелая, она остановилась бы на более низком уровне" [28].
Торричелли вместе с другим учеником Галилея, В. Вивиани, использовал в опытах еще более плотную жидкость - ртуть. Проведение этих экспериментов наглядно свидетельствовало о постоянстве высоты столба ртути в торричеллиевых трубках (рис.5).
Обобщая результаты исследований, Торричелли решительно порвал со схоластическими рассуждениями о "боязни пустоты". Наличие столба ртути в трубке является следствием давления атмосферы. Эти мысли со всей ясностью изложены в письме Торричелли к Риччи, написанном в 1644г.: "... тщетна была бы попытка приписать именно пустоте действие, которое явно проистекает от другой причины. <...> На поверхность жидкости, находящейся в чашке, действуют своей тяжестью 50 миль воздуха. Что же удивительного, если ртуть, не имея ни стремления, ни отвращения находиться в стеклянном сосуде, проникает туда и поднимается настолько, чтобы уравновесить тяжесть наружного воздуха, который ее выталкивает" [29].
2. Вакуум и эфир
Открытие атмосферного давления нанесло смертельный удар догме "боязни пустоты", но одновременно поставило вопрос: что же такое вакуум, образующийся над столбиком ртути в барометрической трубке.
Торричелли первым отметил, что пустота в трубке не является препятствием для света и предположил, что "... в трубке находится какая-то материя, отличная от воздуха, и что эта материя должна проходить сквозь стекло или сквозь ртуть" [30]. Наблюдение Торричелли давало основания говорить о существовании в вакуумированном объёме некой материи, или эфире, проводящем свет.
Понятие эфира как одного из пяти элементов, образующих мир, можно встретить ещё у Аристотеля. Эфир, утверждал великий мыслитель античности, вечен, он не обладает тяжестью или лёгкостью и не переходит в другие элементы. В "подлунной" сфере эфир соседствует с огнём и воздухом, но в целом это наиболее "божественный" из всех пяти элементов [31].
В науке XVII века понятие эфира получает новое содержание. Р. Декарт проявил большой интерес к торричеллиевой пустоте, продолжая при этом утверждать, что пустоты как таковой в природе не существует. Протяженность, по Декарту, является свойством материи, поэтому везде, где есть протяжённость, или пространство, обязательно присутствует материя. Сама материя состоит из частиц "разной тонкости" - земли, воздуха (неба) и огня. Поскольку абсолютная пустота невозможна, то всякое движение частиц приводит на их место другие. Вся материя находится в непрерывном движении, при этом образуется великое множество вихрей с разнообразными свойствами. Все физические объекты - не что иное как результат вихревых движений в несжимаемом и нерасширяющемся эфире.
Теория эфира Декарта носила в большей степени философский, нежели физический, характер. Многие её положения уже в скором времени были опровергнуты другими учёными. Новую науку интересовал другой эфир - как среда для распространения света и звука, притяжения небесных тел и т. д. Тем не менее, целостная и изящная теория Декарта оказала большое влияние на развитие науки. Некоторые авторы сегодня, говоря о современной физике вакуума, находят аналогии между картезианскими вихрями и колебаниями поля в понятиях квантовой механики [32].
Автор закона, связывающего объём и давление газа, Р. Бойль при обсуждении вопроса о воздушной субстанции избегал категоричности. Объясняя свойство упругости воздуха, Бойль предоставлял читателю выбор между собственной гипотезой, представлявшей частицы воздуха наподобие гибких волосков, или пружинок, и декартовской, полагавшей, что в основе перемещения частиц лежат движения "тонкой материи", или эфира [33]. Вместе с тем, Бойль подвергал резкой критике представления о субстанциональных формах, сохранившиеся с времён поздней схоластики: "все, что мы не можем объяснить без них, мы не можем разумно объяснить и при помощи них". Возможность существования нематериального эфира учёный допускал лишь в отношении одушевлённых существ: "Я не знаю ни одной вещи в природе, которая состояла бы из материи и субстанции, отличной от материи, за исключением человека, который один лишь создан из нематериальной формы и человеческого тела" [34].
Получив возможность проводить опыты с использованием вакуумного насоса (см. следующую главу), Бойль делает попытку обнаружить признаки существования "тонкой материи" экспериментальным путём. Установка, с помощью которой Бойль надеялся осуществить свой план, показана на рис. 6. В герметичный сосуд были помещены небольшие мехи, имевшие в верхней части трубку для выхода воздуха. Над трубкой было установлено лёгкое перо. Сосуд тщательно откачивался с помощью вакуумного насоса. Затем, при повороте наружной рукоятки, происходило сжатие мехов под действием груза. Факт, что перо при этом не отклонялось, Бойль считал доводом против декартовской теории эфира [35].
Сложное, во многом противоречивое, отношение к эфиру было у Ньютона. Известный своим недоверием к "физике гипотез", Ньютон высказывался по поводу эфира весьма осторожно. Тем не менее, к этой проблеме он возвращался на протяжение десятков лет. В 1670 г., будучи ещё молодым учёным, Ньютон написал обстоятельные комментарии к декартовской физике. Отрицание Декартом пустого пространства основано на заблуждении, - считал Ньютон. У человека действительно нет никаких ясных и отчётливых идей о "ничто", потому что последнее не имеет свойств. Но пустое пространство, вакуум не есть "ничто". Это - место действий Бога. Пространство и дух тесно связаны. "Ничто не может существовать, не имея отношения к пространству. Бог находится повсюду, а сотворённые создания - где-то" [36]. Спустя пять лет Ньютон даёт трактовку эфира как некой непрерывной, или квазинепрерывной, среды, схожей по строению с воздухом [37]. В 1679 г. в письме к Бойлю Ньютон усложняет эту модель, вводя понятие разнообразных степеней "тонкости" эфира.
Важным аспектом проблемы эфира для Ньютона являлся вопрос о природе тяготения. Высказывая в разные периоды свои взгляды по этой проблеме, Ньютон отрицал свою причастность к идее дальнодействия, согласно которой одно тело может притягивать другое через пустоту без всякого соприкосновения с ним. Тяготение вызывается внешним агентом, "постоянно действующим по определенным законам". При этом Ньютон подчёркивал, что он не приписывает термину "тяготение" никакого буквального смысла, не знает, является этот агент материальным или нематериальным, и не говорит о притяжении как о природном свойстве тел [38].
Позже, в 1713 г. Ньютон делает предположение, что этим "агентом" может быть тончайший эфир, о свойствах которого в заключительной части "Математических начал натуральной философии" говорится следующее: "Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем во все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам. Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими действия этого эфира были бы точно определены и показаны" [39].
Наконец, в 1717 г. Ньютон вполне определённо говорит о корпускулярном строении эфира. Частицы эфира "крайне малы сравнительно с частицами воздуха и даже света" [40].
Известный французский историк науки А.Койре, в течение многих лет исследовавший научное наследие Ньютона, пришёл к заключению, что в основе понятия эфира, так же как многих других физико-математических концепций, сформулированных великим английским учёным, лежала метафизическая гипотеза - вера в духовное, нематериальное начало. "Принятие двух абсолютов - пространства и времени, - пишет Койре, - позволило Ньютону сформулировать три основных закона движения, так же как его вера в вездесущего и всюду действующего бога позволила ему выйти за пределы как плоского эмпиризма Бойля, так и узкого рационализма Декарта, отказаться от механических объяснений, и - хотя он и не признавал действия на расстоянии в качестве механического - построить свою систему мира как систему сил, математические законы которых должна установить натуральная философия; установить с помощью индукции, а не чистой спекуляции. И это потому, что мир создан одной только волей божьей; поэтому мы не должны приписывать ему никаких действий, но должны лишь открывать то, что создано" [41].
Автор волновой теории света Х. Гюйгенс рассматривал эфир как среду для передачи волнового движения. Голландский физик отметил, что свет проходит через такой вакуум, в котором звук не распространяется. Это свидетельство того, что звуковые и световые волны движутся в различных средах. Звук переносится в результате сжатия и расширения слоёв воздуха. Световые волны распространяются в абсолютно несжимаемом эфире. Скорость света в таких условиях достигает бесконечной быстроты [42].
Эфир как составная часть различных теорий в оптике встречается в трудах и других учёных. Л. Эйлер объяснял цвета предметов своего рода резонансом с эфирными колебаниями разной частоты: "... я принимаю, что свет в эфире, подобно звуку в воздухе, рождается колебательным движением, и основываю различие цветов на различной скорости колебаний, так что цвета различаются друг от друга так же, как высокие и низкие звуки; при помощи этого даётся достаточно вероятное, как мне кажется, объяснение, почему одни цвета претерпевают большее, другие - меньшее преломление <...> Отдельные частички непрозрачного тела до тех пор, пока освещаются лучами, возбуждаются к определённому колебательному движению; это движение, сообщаемое окружающей эфирной жидкости, будет производить в ней подобное же колебательное движение, а следовательно, и лучи света <...> Отсюда мы находим истинное определение цвета тел, и тело, например, является красным, если его мельчайшие частички так построены, что от данного возбуждения издают в известное время определённое число колебаний".
В вопросах небесной механики Эйлер выступал против концепции дальнодействия и объяснял силу тяготения как результат давления эфира. Эфир, окружающий небесные тела, получает вместе с ними вращательное движение. Так как окружная скорость тела увеличивается по мере удаления от центра, давление эфира, в соответствии с законами гидродинамики, будет больше у поверхности, нежели в центре тела. Это неравенство создаёт силу, направленную к центру Земли или планеты. Определив убывание давления эфира для разных небесных тел, можно получить известный закон обратной пропорциональности квадрату расстояния.
С помощью эфира Эйлер объясняет магнитные и электрические явления. В железе и магните имеются тонкие каналы, в которые проникают частицы эфира. Магнитные каналы обладают клапанами, направляющими движение эфирных частиц в одном направлении, наподобие клапанов для кровообращения. В результате этого вокруг магнитов возникают вихри эфирных истечений, что приводит к созданию разности давлений и появлению сил взаимодействия. Электрические явления производятся частицами эфира, находящимися в порах тела. Поры разделяются на три вида в зависимости от их размера. Если эфир, заключённый в порах тел, находится в равновесии с окружающим эфиром, тело нейтрально. Нарушение такого равновесия является процессом электризации. Тело, в порах которого эфир имеет большую упругость, чем окружающий эфир, наэлектризовано положительно, имеющее меньшую упругость, наэлектризовано отрицательно [43].
Идею волновых процессов в эфире использовал в своих работах и М.В. Ломоносов. Частицы эфира разделялись русским учёным на "три рода разной величины", соотносящиеся по размерам как 4:2:1. Этим частицам соответствуют три вида первичной материи: соляная, серная и ртутная. От эфира первого рода происходит красный, второго - жёлтый и от третьего рода - голубой цвет [44].
Проявление трёх видов энергии (теплота, свет, электричество) также связано с движением частиц эфира. Распространение света Ломоносов объяснял колебаниями ("зыблющимся движением") эфира; что касается теплоты и электричества, то они передаются в результате вращательного движения эфирных частиц [45].
Высокий авторитет Ньютона способствовал тому, что в вопросах о природе света продолжительное время доминировала его идея светоносных корпускулов, движущихся с большой скоростью. Однако в конце XVIII столетия эта концепция вступила в противоречие с наблюдениями интерференции и поляризации света. В первой четверти XIX в. англичанин Т. Юнг и француз О. Френель вернулись к представлениям Гюйгенса о световых волнах, распространяющихся в мировом эфире. Колебательные процессы возникают в эфире при любом свечении тел. Эфир обладает высокой разреженностью и упругостью. Материальные тела притягивают эфирную среду, вызывая её сгущение в телах и вблизи них. Упругость эфира при этом не меняется, происходит частичное увлечение эфира движущимися телами. В работах Юнга и Френеля были обоснованы основные понятия волновой оптики: длина световых волн, явления интерференции, когерентности и дифракции. Результатом сделанных открытий стало развитие нового направления данной области науки - оптики упругого эфира.
Однако, корпускулярная теория света сдала свои позиции не сразу. Измерение скорости света астрономическим методом привело в 1728 г. Дж. Брадлея к открытию аберрации света. При этом физическое истолкование явления аберрации говорило скорее в пользу ньютоновской концепции распространения света в эфире. В 1851 г. А. Физо провёл эксперимент по определению скорости света в движущейся воде, подтвердивший расчёты Френеля по частичному увлечению эфира перемещающимися телами. В пользу частичного увлечения эфира истолковывались также опыты, в которых Дж. Эри показал независимость угла аберрации от показателя преломления. Волновая теория света Гюйгенса-Френеля получила от экспериментальной оптики весомые доводы в свою пользу [46].
Одновременно с этим шла разработка динамической теории эфира, использующей результаты развития теории упругости. Основой для построения такой теории стали уравнения А. Навье и О. Коши, предложенные ими в 1820-х годах для описания упругой среды. В своих представлениях Навье и Коши руководствовались молекулярной теорией, однако, результирующие формулы были составлены ими для непрерывной среды.
Согласование теории упругости с концепцией абсолютно несжимаемого упругого эфира Френеля вызывало значительные трудности. Теория упругости не допускала френелевских представлений о скачкообразных переходах из одной среды в другую, плохо согласовывалась с отсутствием продольных волн. Модели эфира, основанные на принципах теории упругости, в первой половине XIX в. разрабатывались Коши, Грином, Ф. Нейманом, Мак-Келлогом и другими учёными. Однако динамической теории эфира, свободной от противоречий в данный период создать не удалось. Тем не менее, существование эфира как среды для распространения излучений, взаимодействия тел и т. п., представлялось необходимым. Характерные рассуждения об этом можно встретить у французского математика и инженера Г. Ламе, продолжительное время (1820-32 гг.) работавшего в С. Петербурге: "Существование некоторой среды эфирной жидкости неоспоримо доказано <...> Если эта жидкость и не является единственным источником всех наблюдаемых явлений, то она, по меньшей мере, должна их видоизменять, способствовать их передаче и осложнять их законы. Без допущения этого агента, присутствие которого неизбежно, невозможно достичь полного и рационального объяснения природы. Нет сомнения, что такое допущение, умело проведённое, позволит открыть тайну или истинную причину тех эффектов, которые приписываются теплоте, электричеству, магнетизму, всеобщему тяготению, сцеплению, химическим силам..." [47].
Обоснование ряда физических явлений, в частности дисперсии света и наличия поперечных волн в оптике, стало причиной обращения к представлениям об атомном строении эфира. В 1855 немецкий учёный Г. Фехнер высказал в трактате "Теория атомов" мнение, что дальнейшее развитие физики должно строиться на атомистической концепции. Из атомов, по убеждению Фехнера, состоят как "весомая" материя, так и носитель света, лучистой теплоты, электричества и магнетизма - эфир. Атомы эфира находятся между дискретными частицами весомой материи. Атомистика Фехнера носила по существу метафизический характер и была, как и многие другие теории, ещё далека от механистического миропонимания, приведшего в скором времени к становлению молекулярно - кинетической теории газов и классической электродинамики.
Опубликование в 1873 г. Дж. К. Максвеллом "Трактата об электричестве и магнетизме" [48] позволило по новому взглянуть на отношение эфира к световым и электромагнитным явлениям. Из уравнений Максвелла следовало, что источником электрического воздействия являются электромагнитные волны, движущиеся в реальной среде или вакууме со скоростью света. Что бы ни представлял собой таинственный эфир, он был одинаково пригоден для передачи света, электричества и магнетизма. Электромагнитные колебания вызывали распространение в эфире волн, подобных световым, но с существенно меньшей частотой. Уравнения Максвелла стали новой, ясной количественной моделью физических явлений природы, что привело в дальнейшем к существенному изменению представлений о вакууме и эфире [49].
3. Появление и развитие механических поршневых вакуумных насосов
Изобретатель механического вакуумного насоса бургомистр Магдебурга Отто фон Герике. по-видимому знал об экспериментах Берти и Маньяно. Во всяком случае, в книге Герике, вышедшей в 1672 г., приводится описание установки Берти со ссылкой на трактат Г. Шотта /50/. Последовательность Характерно, что в своём первом опыте, проведенном около 1650г., Герике намеревался получить пустоту путем откачки воды из плотно закупоренной бочки. Эта попытка оказалась неудачной. К успеху Герике пришел лишь после того, как распорядился откачивать из толстостенного медного сосуда непосредственно воздух (рис.7).
Спустя некоторое время Герике усовершенствовал вакуумный насос, оборудовав его водяным уплотнением крана и более удобным приводом цилиндра (рис. 8). В его трактате, помимо хорошо известного опыта с магдебургскими полушариями, описана серия экспериментов с разреженным воздухом. Проведенные наблюдения свидетельствовали о том, что воздух обладает упругостью (смятый пузырь раздувается в "пустоте"), в откачанном сосуде не могут жить животные, гаснет свеча, звук колокольчика ослабевает [51].
Вслед за Герике опыты с вакуумом проводили многие ученые. Собственные конструкции насосов были сделаны Р. Бойлем (1660 г.), Д.Папеном (1674 г.), Ф.Хауксби (1709 г.) и другими исследователями и механиками. Во второй половине XVII века опыты с "пустотой" вошли в моду, и многие мастера, особенно в Голландии, занимались изготовлением насосов на продажу.
Насос Бойля, изготовленный замечательным механиком Р.Гуком (рис. 9), был снабжен зубчато-реечной передачей, облегчавшей работу по перемещению поршня [52].
Насос Д.Папена содержал еще ряд важных усовершенствований: ножной привод, удобный двухходовой кран, устройство откачиваемого объема в виде колпака, установленного с уплотняющей замазкой на тарелке (рис.10).
Насос Хауксби (Рис. 11, а) интересен тем, что он был оснащен ртутным барометром, измерявшим давление внутри сосуда. В своем сочинении, опубликованном в 1709 г., Хауксбиотмечал, что в результате продолжительной откачки давление в испытуемом объеме опускалось до величины, немногим ниже 1 дюйма (25,4 мм) ртутного столба [53].
Являлся ли вакуум, достигнутый Хауксби предельным и для других механических насосов того времени? Попытаемся ответить на этот вопрос, используя современные методы расчета вакуумных систем. В качестве объекта для анализа используем вакуумную установку Бойля-Гука (схематическое изображение приведено на рис. 11), отличавшуюся, по свидетельству современников, высоким качеством изготовления.
Откачиваемый объем А установки был равен 34000 куб. см ("30 винных кварт"). Поршневой насос В имел диаметр 3 дюйма (7,6 см) и длину 14 дюймов (35,6 см), что дает внутренний объем около 1600 кв. см. Цикл откачки включал в себя открывание крана 2, закрытие 3, движение поршня вниз, закрытие 2, открытие 3, движение поршня вверх и т. д. Примем продолжительность цикла возвратно-поступательного движения поршня равной 8 с и будем считать, что натекание в систему отсутствует, а режим течения газа является квазистационарным. При этих условиях откачка сосуда А объемом 34000 куб. см до давления 20 мм рт. ст. потребует одного часа непрерывной работы насоса Бойля-Гука.
В реальности достижению такого результата препятствуют, по крайней мере, два фактора. Первым из них является наличие "мертвого" пространства над поршнем вблизи клапана 3. Если на это пространство приходится хотя бы 12 мм длины внутренней части цилиндра, коэффициент компрессии не может быть больше 28, и давление ниже 25 мм рт. ст. будет недостижимым.
Необходимо отметить, что в основе расчетов, подобных выполненному выше и широко используемых в вакуумной и компрессорной технике, лежит закон, связывающий объем и давление газа, открытый Бойлем в 1662 г. В трудах Бойля, впрочем, нет свидетельств того, что автор открытия пытался применить свой закон для расчета времени откачки или степени достижимого вакуума.
Еще одним фактором, ухудшающим вакуум и увеличивающим время откачки, является натекание воздуха через соединительные детали, уплотнение поршня и штока и т. п. Бойль осознавал это и пытался уменьшить натекание, устраивая водяное уплотнение, замазывая соединительные стыки стружкой сыра (сheese-scrapings) и даже птичьим клеем (lime). Описывая эти опыты, Бойль отмечал, что борьба за улучшение вакуума оказалась связанной со "стойким отвратительным запахом" [52].
Подводя итог проведенному анализу, можно утверждать, что достигнутый Хауксби вакуум - порядка 20 мм рт. ст. - был скорее всего предельным для механических поршневых насосов ХVII-ХVIII веков.
После Хауксби конструкция насоса в течение длительного времени практически не изменялась. В Х1Х веке в связи с развитием паровых машин улучшилась технология изготовления цилиндров с поршнями. Однако недостатками, присущими поршневому вакуумному насосу, оставались натекание воздуха через уплотнение штока и мертвое пространство в цилиндре.
Эти недостатки были устранены лишь в конце Х1Х века с появлением производства электрических ламп накаливания. В конструкции насоса, разработанной Флейссом в 1892 г. (рис. 12), мертвое пространство в нижней части цилиндра заполнено маслом. Откачка ведется через отверстие Т, расположенное в средней части цилиндра. Выпуск воздуха происходит, когда поршень Е достигает верхней точки, поднимая выхлопной клапан F. Сальниковое уплотнение и слой масла над клапаном F полностью устраняют натекание через шток поршня. Предельный вакуум насоса Флейсса достигал 0,02 мм рт.ст. [55]. Насос Флейсса, больше известный под названием "насос Герике", выпускался в конце Х1Х-начале ХХ веков в Германии, США и Англии.
4. Развитие ртутно-поршневых насосов
"Пустота", имевшая место над столбом жидкости в опытах Берти и Торричелли, продолжала вызывать интерес и после появления механического насоса Герике. В барометрической трубке пустоту можно было получалить без долгого процесса откачки. Это натолкнуло ученых Флорентийской Академии на мысль использовать торричеллиеву трубку как средство получения вакуума для экспериментов [56]. Насос флорентийских академиков (1657 г.) представлял собой барометрическую трубку, имевшую в верхней части расширение и герметичную крышку для помещения испытуемых объектов (рис. 13). Вакуум создавался за один "ход" ртутного поршня после переворачивания трубки. Испытуемый объект при этом соприкасался с ртутью, что создавало большие неудобства. Естественно, в таком виде ртутно-поршневой способ получения вакуума не составил конкуренции "чистой" откачке с помощью насоса Герике.
Идея удаления воздуха с помощью ртутного поршня возродилась благодаря шведскому философу Сведенборгу. В 1722 г. он описал способ, позволяющий удалять воздух из испытуемого объема, не заполняя при этом сосуд ртутью. Для этого откачиваемый объем необходимо соединить через двухходовой кран с барометрической трубкой, а сама барометрическая трубка должна заканчиваться гибким шлангом с открытым сосудом с ртутью (рис.14). При многократном поднимании и опускании сосуда с ртутью, открывая и закрывая каждый раз соединительный кран, можно откачать сосуд до торричеллиевой пустоты [57].
Способ, предложенный Сведенборгом, получил развитие в середине ХIХ в. в связи с проведением опытов с электрическим разрядом. Предельное разрежение, которое обеспечивали механические насосы, было недостаточным для всестороннего исследования разряда. Преуспевший в стеклодувном деле немецкий инструментальный мастер Г. Гейсслер, создал конструкцию ртутного насоса, позволявшего получать вакуум порядка 10-2 мм рт. ст. и выше. Достижение таких давлений требовало, однако, многочасового поднимания и опускания тяжелого сосуда с ртутью.
Попытки усовершенствовать насос Гейсслера во второй половине ХIХ в. предпринимали многие ученые. Широкое распространение получила конструкция, предложенная в 1862 г. рижским профессором Теплером [58].
В насосе Гейсслера-Теплера (рис.14) трубка F, соединяющая откачиваемый объем R с ртутной системой, не нуждается в поворотном кране. При поднимании сосуда А ртуть заполняет объем В, вытесняя воздух из него и трубки С через ртутный затвор D в атмосферу. При опускании сосуда А столб ртути снижается до уровня Е, воздух из откачиваемого объема поступает через трубку F в В. Многократно поднимая и опуская сосуд А, можно откачать объем R до высокого вакуума.
В конструкциях, которые предложили Робинсон [59] и Поггендорф [60], гибкая трубка, быстро изнашивающаяся в результате воздействия ртути, была устранена. Эти исследователи также начали первыми использовать в своих опытах наряду с высоковакуумной (ртутно-поршневой насос) форвакуумную ступень (механический насос). В процесс совершенствования ртутно-поршневого насоса включился и Д.И.Менделеев, проявлявший значительный интерес к опытам с вакуумом. В 1874 г. русским ученым была сделана собственная конструкция насоса [61], к сожалению, как и большинство аппаратуры из стекла, не сохранившаяся к настоящему времени.
Cущественно отличающаяся модификация ртутно-поршневого насоса была предложена в 1865 г. Шпренгелем [62]. Ртуть в насосе Шпренгеля каплями падает из резервуара А в трубку В (рис. 17). Каждая капля при этом выполняет роль маленького поршня, захватывая из сосуда Е порцию воздуха и выталкивая его через С в атмосферу. В откачиваемом объеме, присоединенном к трубке D, таким образом достигается высокий вакуум. Такой способ не требовал непрерывного поднимания и опускания сосуда с ртутью, однако, обеспечивал весьма малую скорость откачки - не более нескольких см2/сек.
Насосы Гейсслера и Шпренгеля сыграли большую роль в проведении научных исследований и производстве ламп накаливания и широко использовались вплоть до первых десятилетий ХХ в. Конденсируя пары ртути в соединительной трубке, можно было получать в откачиваемом объеме весьма низкие давления. По свидетельству С. Дэшмана, "при тщательной работе" с помощью таких насосов достигались давления до 10-5 мм рт.ст. [63].
5. Вакуум и создание устройств с пароатмосферной и пневматической тягой
Уже Герике пришла мысль использовать силу "пустоты" для выполнения полезной работы. На рис. 18 показана установка, с помощью которой Герике демонстрировал эту силу. На прочной деревянной раме установлен цилиндр с плотно пригнанным поршнем. К штоку поршня прикреплен канат, перекинутый через блок. К крану нижней части цилиндра подносился предварительно откачанный стеклянный шар. При открытии крана в полости цилиндра создавалось разрежение, и поршень двигался вниз с таким усилием, что двадцать пять человек не могли удержать канат. Описывая этот опыт, Герике делал вывод, что таким способом можно "поднимать огромные тяжести". В следующем опыте Герике определил, что его цилиндр создает подъемную силу 2686 фунтов (1340 кг).
Эта возможность привлекла внимание изобретателей, работавших над двигателем. В ХVII веке потребность в мощном двигателе была особенно настоятельной для привода водоподъемных устройств в горнодобывающей промышленности. Атмосферное давление, создающее усилие 1 кг на 1 кв.см площади поршня, было действительно огромной силой сравнительно с граммами или десятками грамм, приходящимися на 1 см2 рабочей поверхности водяных или ветровых колёс.
В то же время, использование воздушного насоса для создания разрежения требовало затрат механической работы и не обеспечивало экономичного действия двигателя. Требовалось найти другой источник энергии, позволяющий создать вакуум без подобных затрат механической работы.
В 1680 г Гюйгенс, а спустя несколько лет Папен, предпринимали попытки создать разрежение под поршнем путём охлаждения продуктов сгорания пороха в цилиндре. На рис. 19 представлена схема "пороховой машины" Папена, сделанной им в 1688 г. В нижней части цилиндра находится стакан для пороха, поджимаемый рычагом с грузом. Поршень на рисунке изображен в верхнем положении, которое он занимает после сгорания пороха. В поршне имеется крышка-клапан, который по инерции открывается в конце хода поршня вверх, выпуская частично пороховые газы. Таким образом, давление горячих газов внутри цилиндра сравнивается с атмосферным, крышка-клапан, ударившись о скобу, возвращается на прежнее место, закрывая полость цилиндра. Следующий за этим рабочий ход поршня вниз осуществляется за счет перепада давлений над поршнем (атмосферное) и под поршнем (вакуум, который Папен надеялся получить, охлаждая горячие газы внутри цилиндра).
Несмотря на все старания Папена, добиться достаточного разрежения под поршнем путем охлаждения газов ему не удалось. Это обстоятельство, а также необходимость перед каждым движением поршня вводить новый заряд пороха в цилиндр сделали дальнейшую работу над "пороховой машиной" нерациональной.
Вслед за этим Папен перешёл к использованию в качестве теплоносителя водяного пара, свойства которого к тому времени были уже достаточно изучены. Построенный Папеном в 1698 г. двигатель (рис. 20) имел такой цикл: сначала цилиндр подогревался снизу огнем, вода, имевшаяся в нижней части цилиндра, испарялась, и поршень двигался вверх. Затем огонь удалялся, цилиндр охлаждался водой. Вынимался стопор Е, и поршень совершал рабочий ход вниз. При максимальном сокращении времени на эти операции двигатель Папена давал всего один ход в минуту. Другим недостатком устройства был чрезмерно большой расход топлива.
В том же 1698 г. было создано первое устройство пароатмосферного типа, получившее практическое применение. Это был паровой насос английского механика Севери (рис. 21). При открытии клапана 4 пар из котла 2 поступает в камеру 1 и, действуя на поверхность находящейся там воды, как на поршень, вытесняет ее через клапан 6 в резервуар 5. Затем кран 4 перекрывается, камера 1 охлаждается снаружи водой. Пар внутри камеры 1 конденсируется, образуется разрежение. Атмосферное давление нагнетает через клапан 7 в сосуд 1 новую порцию воды. Цикл повторяется. В насосе Севери использовался тот же принцип, что и в двигателе Папена. Рабочему телу (пару) сообщается тепло, затем тепло отводится. Спустя 120 лет Карно теоретически обосновал непреложность этого принципа для всех тепловых двигателей [64].
Проблема создания универсального теплового двигателя была решена в XVIII в. Хотя к тому времени теплоэнергетика сложилась в самостоятельную область, несомненна преемственность между изобретением вакуумного насоса и последующим созданием универсального теплового двигателя. Появление вакуумных насосов дало начало также развитию идеи пневматического транспорта.
Мысль использовать давление воздуха для перемещения грузов по трубопроводам была впервые высказана Папеном в конце XVII в. [65]. На протяжении XVIII и XIX веков многие изобретатели предлагали проекты пневматических транспортных устройств, движение которых должно осуществляться в результате разрежения или нагнетания воздуха [66].
В 1834г. американским инженером Г.Пинкасом был разработан проект атмосферической железной дороги, действие которой было основано на использовании вакуума [67]. Согласно проекту, вдоль рельсовой колеи укладывается путевая труба 1 диаметром 0,5-1 м (рис. 22). В верхней части трубы имеется продольная прорезь, закрытая сверху плотно прилегающим канатом 2', пропитанным жировой смазкой. Вдоль дороги на расстоянии 5 - 8 км располагаются паросиловые станции 7. Воздушные насосы, установленные на этих станциях, создают в путевой трубе разрежение порядка 380 мм рт. ст. Роль локомотива, тянущего за собой экипаж с пассажирами, выполняет тележка, оснащённая в передней части ходовым поршнем 5. Ролик 8, находящийся на тележке, отводит канат 2' от прорези, в результате чего в трубу устремляется воздух. Под действием давления атмосферы поршень 5 движется вперёд, увлекая за собой через тягу 6 весь состав. Ролик 9 в задней части тележки прижимает канат 2' снова к прорези, восстанавливая герметичность трубы.
Спустя несколько лет идея атмосферической железной дороги прошла опытную проверку. В 1840 г. пневматическими тяговыми устройствами был оснащен участок Западной Лондонской железной дороги длиной 0,5 мили (0,8 км). Работа выполнялась по проекту Клегга и Сэмюда [68], в основных чертах повторявшему разработку Пинкаса. Путевая труба имела диаметр 9 дюймов (23 см), насосная установка приводилась в действие паровым двигателем мощностью 16 л.с. По ряду технических данных атмосферическая железная дорога превосходила системы с паровозной тягой. При подъеме 8% поезда весом 13,5 т развивали скорость 36 км/час [69]. Знаменитый паровоз Стефенсона "Ракета" с составом весом 12,6 т на горизонтальных участках имел скорость лишь 25,5 км/час.
Английское правительство приняло решение субсидировать строительство ещё одного участка атмосферической железной дороги длиной 1,75 мили (2,8 км) на линии Дублин-Кингстаун. На этом участке, работавшем на пневматической тяге с 1843 г. по 1855 г., скорость поездов составляла от 32 км/час (для составов весом 60 т) до 100 км/час (для более легких составов) [70].
В 1840-е годы было разработано наибольшее количество проектов железных дорог с пневматической тягой (как вакуумных, так и нагнетательных систем); только за пять лет - с 1843 по 1847 год - в патентное ведомство с заявками на различные конструкции тяговых устройств обратились около 70 чел. [71]. Однако в процессе эксплуатации атмосферических железных дорог были обнаружены присущие им недостатки. Введенная в действие в 1845 г. атмосферическая дорога Форест-Хилл - Кройдон уже к 1847 г. оказалась неработоспособной. Большие трудности были связаны с уплотнением прорезей труб, в зимних условиях попадание снега и обледенение внутри труб полностью выводило дорогу из строя [72]. С развитием паровозостроения оборудование железных дорог с пневматической тягой было признано нецелесообразным, за исключением специальных дорог малой протяженности в горной местности [73]. К идее пневматической тяги вновь вернулись в 60-х годах XIX в. при строительстве городских подземных железных дорог. Большие модели туннельных пневматических дорог демонстрировались в Лондоне [74] и Нью-Йорке [75]. Однако и эти системы распространения не получили, главным образом, из-за технических трудностей, связанных с эксплуатацией пневматических дорог.
Большее использование получила система пневматической почты. По аналогии с железными дорогами, первые опыты в этой области проводились с установками грузовой тележечной пневмопочты. Автор одного из проектов американец А. Бич предложил прокладывать путевые трубы пневматической почты на небольшой глубине под городскими мостовыми (рис. 23). Внутри трубы располагаются вагонетки, перевозящие письма; концевая насосная станция создаёт в трубе разрежение. Приёмными станциями являются фонарные столбы, в средней части которых сделаны щели для писем, а в цоколе - барабаны для перегрузки писем в вагонетку [76]. Установки грузовой тележечной пневмопочты не получили распространения из-за большого энергопотребления и высокой стоимости. В практике закрепилась главным образом патронная пневмопочта ближнего действия. Первая установка такого типа была введена в действие в 1853 г. на Лондонском телеграфе. Она была оборудована всасывающим насосом и трубами диаметром 19 мм; длина трубопровода составляла около 100 м [77]. В 1862 г Система доставки бланков в патронах с использованием сжатого воздуха начала работать и на Петербургском телеграфе [78]. Линии пневмопочты были созданы в Берлине, Париже, Вене и других городах. Суммарная длина трубопроводов городской пневматической почтовой связи в европейских странах к 1916 г. составляла около 1000 км [77].
6. Изучение электрического разряда в вакууме
Систематическое изучение электрического разряда в вакууме началось в Х1Х в. В 1803 г. петербургский профессор В. В. Петров опубликовал описание своих опытов, в которых в качестве источника тока использовалась батарея, составленная из большого числа (4200 шт.) медно-цинковых гальванических элементов [79]. Глава 7 этого сочинения была посвящена "светоносным явлениям", сопровождавшим электрический разряд "в безвоздушном месте". Из описания опытов можно заключить, что Петров первым наблюдал тлеющий разряд [80]. К сожалению, эта публикация осталась не замеченной западноевропейскими учеными.
В "Экспериментальных исследованиях по электричеству" М. Фарадея (1838 г.) приводилось описание разряда в откачанной стеклянной трубке в результате воздействия тока электростатической машины. Фарадей наблюдал фиолетовое свечение, распространявшееся от анода. Это свечение почти достигало катода в противоположном конце трубки. Ученый отметил наличие темного участка между светящимся катодом и фиолетовым столбом, которое впоследствии получило название "фарадеева темного пространства". В работе Фарадея также обращалось внимание на изменение структуры разряда с увеличением вакуума. "Отношение вакуума к электрическим явлениям" представляло большой интерес для Фарадея, постоянно возвращавшегося к роли среды в физических взаимодействиях. Ученый предположил, что свечение имеет место на поверхности стекла внутри трубки, в то время как вакуум является проводником. Отмечая, что природа разряда в пустотной не изучена, Фарадей предсказал, что дальнейшие наблюдения "окажут на теорию учения об электричестве значительно большее влияние, чем мы можем себе представить в настоящее время" [81].
Интерес к электрическому разряду в вакууме значительно возрос, начиная с середины Х1Х в. Работавший у боннского профессора Ю.Плюккера механиком, Г. Гейсслер освоил в 1854 г. выпуск газоразрядных трубок всевозможных форм (рис.24 ). Усовершенствование ртутно-поршневого насоса (см. предыдущую главу) позволило Гейсслеру достигать при откачке трубок вакуума 10-1-10-1 мм рт. ст. Вклад Гейсслера в развитие вакуумной техники не ограничивался разработкой насоса ртутно-поршневого типа. Немецкий мастер первым применил вакуумную отпайку приборов. Кроме того, он ввел в практику использование платины в качестве материала электрических вводов в стекло [82].
Проводя эксперименты с гейсслеровыми трубками, Ю. Плюккер отметил в 1858 г., что с увеличением вакуума фарадеево темное пространство увеличивается, а свечение вокруг катода становится более объемным. Плюккеру также принадлежит наблюдение, что при проведении разряда стенки стеклянной трубки вблизи платинового катода покрываются тонким слоем этого металла [83].
Ученик Плюккера И. Гитторф установил, что свечение стеклянной трубки вызывается лучами, испускаемыми катодом (1869 г.). Предметы, которые Гитторф помещал на пути этих лучей, отбрасывали на флюоресцирующем участке четкую тень. Английский экспериментатор К.Варли обнаружил в 1871 г., что при воздействии магнитного поля лучи, генерируемые катодом, отклоняются. На основании этого Варли высказал предположение, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных материальных частиц [84].
Значительное количество опытов с катодно-лучевыми трубками провел известный физик У. Крукс. Большую помощь в этом оказал ему талантливый помощник Гимингхэм. В работе, опубликованной в 1879 г., Крукс отмечал, что катодные лучи несут энергию. Сфокусированный пучок лучей, направленный на тонкую фольгу, разогревал ее до красного каления. Ученый предположил, что катодные лучи могут представлять собой поток молекул, получивших в результате столкновения с катодом отрицательный электрический заряд. Крукс характеризовал лучи как "четвертое состояние вещества", названное им "ультрагазом". Важным свойством "четвертого" состояния ученый считал то, что столкновения между молекулами становятся настолько редкими, что ими можно пренебречь [85].
В то же время большая группа физиков, среди которых были Гольдштейн, Видеманн, Герц, придерживалась мнения, что катодные лучи могут быть новым видом электромагнитных волн. Одним из доводов в пользу волновой теории являлся опыт, проведенный Герцем. В этом опыте ученый обнаружил, что катодные лучи не отклоняются в поперечном электрическом поле и, следовательно, не могут являться потоком отрицательно заряженных частиц.
Английский физик Дж.Дж.Томсон заявил, что опыт Герца неубедителен, поскольку его результат объясняется недостаточной степенью вакуума в катодной трубке. В таких условиях электрическое поле внутри трубки уничтожается ионизацией остаточных газов. Томсон взялся доказать, что более тщательная откачка трубки приведет к иному результату эксперимента. В воспоминаниях Томсон описал трудности, которые ему пришлось преодолеть при проведении своих опытов: "... Итак, необходимо было создать значительно более высокий вакуум. Сказать так было в то время гораздо легче, чем сделать. Техника получения высокого вакуума находилась тогда на примитивном уровне. Не придавалось значения необходимости длительного прогрева для удаления газа, конденсированного на стенках разрядной трубки и металлических электродах. При прохождении разряда через трубку этот газ начинал выделяться, вакуум быстро ухудшался, а имеющиеся тогда насосы не обладали достаточной скоростью откачки, чтобы справиться с этим газовыделением. Однако после многократного повторения разряда в трубке день за днем без доступа свежего газа, газ удалялся со стенок и электродов, и появлялась возможность получить значительно лучший вакуум. Отклонение катодных лучей в электрическом поле стало вполне заметным, и направление отклонения показало, что частицы, образующие катодные лучи, наэлектризованы отрицательно" [86].
Успешное проведение опыта позволило Томсону определить отношение массы к заряду для частиц, составляющих катодные лучи (1897 г.) Важным следствием эксперимента стало открытие электрона. С другой стороны, опыты Томсона продемонстрировали значение одной из основных проблем вакуумной техники - необходимости удаления газов и паров, находящихся на поверхности и внутри деталей аппаратуры.
Дальнейшее развитие физики элементарных частиц стало одним из стимулов для совершенствования вакуумной техники. "Грубо говоря, мы можем сказать, что современная физика зависит от возмож ности изучать индивидуальные атомы и электроны, а не только большие толпы этих частиц, - отмечал в одной из своих речей Дж. Дж. Томсон. - А для этого надо добиться, чтобы во время наблюдения один атом не ударялся о другой. Так как при атмосферном давлении на каждый сантиметр пути атома приходятся десятки тысяч столкновений с другими атомами, то для осуществления нашей цели нам надо добиться весьма высокого вакуума" [87].