Освежив в памяти и пневматику, и гидравлику, можем смело браться за одно хитроумное устройство одного хитроумного древнего грека (как будто были не хитроумные древние греки).
Герон Александрийский жил в первом веке и любил всякие механические штуковины. Одним из причудливых устройств, которые он выловил своим умом из мира идеального, был занятный фонтанчик, который долгие века после самого Герона не давал покоя широкой публике.
Представим себе три сосуда: верхний с водой, средний с воздухом и нижний тоже с водой, соединённые трубками (рекомендую нагуглить схему). Когда вода из верхнего сосуда стекает в нижний, она вытесняет воздух из нижнего в средний сосуд. Это создаёт давление, которое выталкивает воду из среднего сосуда вверх через трубку, образуя фонтан. Процесс продолжается, пока вода в верхнем сосуде не закончится.
На первый взгляд фонтан работает сам по себе: вода льётся из верхнего сосуда, выталкивает воздух, а тот гонит воду обратно вверх в бесконечном цикле. Возрадуемся вечному двигателю?
К сожалению, это только иллюзия. Вода в верхнем сосуде постепенно заканчивается, и фонтан останавливается, когда она вся стечёт. Энергия берётся из потенциальной энергии воды в верхнем сосуде, а не из ничего.
Если же копнуть чуть глубже, то фонтан Герона - это изящная демонстрация взаимодействия двух ветвей одной физики: гидравлики и пневматики. Каждое его действие можно разложить на отдельные механизмы:
Во-первых, вода из верхнего сосуда стекает вниз под действием силы тяжести - это чистая гидравлика, где работает гидростатическое давление. Чем выше сосуд, тем больше «ρgh» и тем сильнее давление.
Во-вторых, попадая в герметичный нижний сосуд, вода вытесняет воздух, который еще и сжимается, подчиняясь закону Бойля-Мариотта: объём уменьшается, давление растёт. Это уже пневматика в чистом виде.
Далее, этот сжатый воздух по трубке поступает в средний сосуд, где находится вода. Давление передаётся через газ и действует на жидкость, здесь вступает в силу закон Паскаля: давление, приложенное к покоящейся жидкости, передаётся в каждую точку без изменений.
И, наконец, вода из среднего сосуда выталкивается вверх по узкой трубке давление газа превращается в напор жидкости, и мы снова наблюдаем гидравлическую работу: подъём жидкости, формирование струи, тот самый эффект фонтана.