Многие изобретения, которые мы считаем современными, имеют корни в глубокой древности. Эолипил Герона, созданный в I веке н.э., стал прообразом паровых турбин и реактивных двигателей. Насос Вирца (18 век), основан на идеях уже существовших в античности и предвосхитил центробежные насосы. Оба механизма опередили своё время, но не нашли широкого применения. В этой статье мы разберём, как работали эти устройства, почему они остались в тени и как их принципы работы используются сегодня.
Эолипил Герона
Эолипил, или «шар бога ветров Эола», изобрёл Герон Александрийский, живший в 10–70 годах н.э. Это закрытая ёмкость с водой, соединённая с полым шаром через две трубки. Из шара выходят два Г-образных патрубка, направленных в противоположные стороны. Под ёмкостью разводили огонь, вода закипала, пар поднимался в шар и вырывался через патрубки. Реактивная сила заставляла шар вращаться.
Эолипил считается первым паровым двигателем и примером реактивной тяги. Современные копии эолипила достигают 1500 оборотов в минуту при давлении пара 0,7 атмосферы на квадратный дюйм. Для своего времени это было чудом, но Герон видел в нём демонстрацию физики, а не рабочую машину. Некоторые историки считают, что идею эолипила Герон заимствовал у Ктесибия Александрийского, жившего в III веке до н.э.
Насос Вирца
Насос Вирца — устройство, использующее вращение спиральной трубки для подъёма воды. Трубка, свёрнутая в спираль, крепится к колесу. При вращении колеса вода внутри трубки движется по спирали, поднимаясь за счёт центробежной силы и давления воздуха, который захватывается на каждом обороте. Вода поступает снизу и выливается сверху без использования сложных клапанов.
Хотя насос Вирца стал известен в 1749 году, схожие принципы могли использоваться в древности. Архимед, живший в III веке до н.э., создавал водоподъёмные устройства, и насос Вирца скорее всего стал воплощением этих идей. Он применялся для орошения полей или осушения шахт. Сегодня, усовершенствованные насосы Вирца используют в экологических проектах, где нет доступа к электричеству.
Эолипил преобразует тепло пара во вращение шара, насос Вирца — вращение колеса в подъём воды. Оба механизма демонстрируют инженерную мысль античности, опередившую технологии своего времени. Эолипил был скорее экспериментом, наглядно демонстрирующим силу пара. Оригинальный насос Вирца, в силу малой эффективности, тоже не мог применяться для реальных задач, таких как ирригация, например.
Оба устройства автономны. Эолипил несёт воду внутри себя, как современные ракеты несут топливо. Насос Вирца работает от внешнего вращения — ветра, воды или физической силы, — но не требует сложных источников энергии. Однако их судьба схожа: они не получили широкого распространения и практического применения в свою эпоху.
Эолипил был неэффективен. Для его работы требовалось много топлива, а вращение шара давало мало полезной энергии. Материалы, бронза и медь — не выдерживали высокого давления пара. В Римской империи, где жил Герон, дешёвый труд рабов делал сложные машины ненужными. Так что, этот девайс был скорее научным курьёзом, чем технологическим достижением.
Производительность насоса Вирца зависела от скорости вращения и качества трубок. В древности не было прочных и лёгких материалов, чтобы сделать спираль долговечной. Насос требовал постоянного источника энергии для вращения, что ограничивало его применение. Низкий КПД в 10%, из-за потерь на трение, турбулентность и неидеальную геометрию спирали. Больший диаметр увеличивает расход, но требует больше энергии. Меньший шаг спирали повышает давление, но снижает объём воды. Длинная трубка позволяет поднимать воду выше, но увеличивает потери. Для небольших задач использование вёдер было проще и дешевле.
Современные версии этих устройств подтверждают их ограничения. Эолипил с жидким азотом вместо воды может достигать тысяч оборотов в минуту, но производство азота требует больше энергии, чем даёт вращение. Насос Вирца эффективен в экологических проектах, но только при стабильном ветре или течении. Без современных моторов и материалов он проигрывает электрическим насосам.
Древние изобретения всё таки дождались своего применения:
Эолипил заложил основы паровых машин, которые в XVIII веке запустили промышленную революцию. Его принцип реактивной тяги используется в турбинах электростанций и реактивных двигателях. В 2023 году на Курской АЭС в России модернизировали паровую турбину, повысив её эффективность на 8%. Это прямое наследие идей Герона.
Насос Вирца повлиял на развитие центробежных насосов, которые сегодня качают воду в городах и на полях. В Краснодарском крае, например, такие насосы применяют для орошения сельхозугодий. В 2022 году в Индии насосы Вирца адаптировали для полива небольших ферм, используя ветряные колёса.
Спасибо за внимание!
Не забывайте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые публикации.
Приглашаю в мою группу Вконтакте.