Юный техник, 2001 № 10 - [18]
«Поднять тяжесть на манер кровососной банки. S пусть будет сосуд, зазором (диаметром) в локоть и длиною в 10; пусть будет прочен, и внизу пусть разведен будет огонь на манер бомбарды, и сразу пусть будет закрыто это отверстие, затем немедленно же закрыто сверху, — тогда дно, снабженное кожей (поршнем?), как очень сильный мех, поднимется кверху, и это способ поднять вверх любую большую вещь».
Переведем на современный язык. Суть предложения в том, чтобы при помощи огня нагреть в сосуде воздух. Тогда после закрытия и охлаждения сосуда давление воздуха в нем понизится, поршень поднимется вверх и потянет за собою груз. Чтобы рассчитать возможности этой машины, достаточно школьных знаний.
Допустим, что сжигается солома. Температура ее пламени примерно 1500 градусов. Но сгорание происходит внутри цилиндра. Мы знаем, что в двигателях внутреннего сгорания треть тепла поглощается стенками. Полагая, что тот же эффект произойдет и здесь, примем, что температура воздуха достигнет 1000 градусов Цельсия. В результате охлаждения столь сильно нагретого воздуха объем его уменьшится примерно в пять раз и поршень без груза под действием атмосферного давления поднимется (или всосется в цилиндр) на высоту восемь локтей. Действующая на поршень сила будет максимальна внизу и по мере его подъема упадет почти до нуля в верхней точке, так как по мере подъема поршня воздух в цилиндре сжимается и его давление вычитается из атмосферного. Какой же груз машина сможет оторвать от земли?
Положим, что к моменту отрыва воздух в цилиндре остыл и температура его снизилась до 20 градусов. Тогда давление в цилиндре снизилось примерно в пять раз. На каждый квадратный сантиметр поршня будет действовать избыточная сила атмосферного давления в 0,8 кг.
Теперь найдем площадь поршня. Мера длины «локоть», примененная Леонардо, не ясна. В разных странах и в разные времена она могла составлять от 38 до 48 см. Исторические изыскания оставим для знатоков, а для простоты расчета примем локоть за 40 см. Тогда, умножив площадь поршня в см на 0,8 кг, получаем, что тепловая подъемная машина Леонардо да Винчи могла оторвать от земли груз в… одну тонну.
Неплохо? Наука еще ничего не знала об атмосферном давлении и свойствах газов, но Леонардо попал в цель.
Почти двести лет спустя над подобным устройством стал работать англичанин Денни Папен. Первоначально в цилиндре его двигателя вакуум создавался сгоранием пороха.
Но после нескольких взрывов Папен нашел другое решение. Он додумался наполнить цилиндр водяным паром. После охлаждения пар конденсировался, в цилиндре создавался вакуум, и поршень втягивался в цилиндр. На этом принципе впоследствии работали паровые машины Ньюкомена, которые почти на протяжении ста лет откачивали воду из шахт Англии. Таким образом, идея Леонардо удалять из цилиндра воздух посредством тепла и использовать возникающую при этом силу нашла применение.
Во времена Леонардо да Винчи построить его подъемную машину было нелегко. Трубы тогда не выпускались заводским способом. Цилиндр пришлось бы отливать подобно пушечному стволу. Канал его получался кривым и неточным. Если бы для него сделали металлический поршень, то зазор между стенками достигал бы сантиметра и машина не смогла бы работать. Но Леонардо это предусмотрел. Он упоминает слово «кожа». Речь, видимо, идет о поршне с кожаной манжетой, которая давлением всегда прижималась к стенке цилиндра независимо от его кривизны. Трудно сказать, в каких случаях сегодня пригодилась бы такая подъемная машина, но модель ее была бы интересна.
На рисунке 1 приводим проект такой модели.
Цилиндр сделан из стальной трубы диаметром 30–40 мм. Он покоится на трех ногах из проволоки диаметром 6 мм. Они заделаны в отверстия фланца, припаянного к нижней части трубы. Немного выше расположено отверстие для зажигания топлива. Оно имеет коническую форму и закрывается резиновой пробкой. Вверху — крышка на петле, также припаянной к трубе. В ее нижнее отверстие входит поршень с кожаной манжетой (рис. 3).
Остановимся на способе ее изготовления путем выдавливания. Для этого нужны слесарные тиски, колечко, отрезанное от трубы, из которой сделан цилиндр, точеная деревянная пробка и кусок кожи от сапога. Пробка должна входить в кольцо с зазором, равным толщине имеющегося куска кожи. Кромка ее должна быть закруглена и зачищена шкуркой.
Точно так же нужно обработать с внутренней стороны одну из кромок кольца.
Кусок кожи положите на ночь в холодную воду, а утром можете приступить к изготовлению манжеты (рис. 2).
Кольцо и пробку предварительно смажьте машинным маслом. Затем, положив кусок кожи шершавой стороной наружу, попытайтесь при помощи пробки вдавить его в кольцо. Это вам удастся лишь частично. После этого поставьте заготовку в тиски и плавно, без резких движений, вдвиньте пробку в кольцо до конца. В таком состоянии заготовка должна оставаться в тисках сутки — до полного высыхания кожи. После этого срежьте с краев излишек кожи и разберите приспособление. Должна получиться аккуратная кожаная манжета для поршня. Остается пропитать ее маслом и прикрепить к подъемному штоку.
