5. Александрийские механики
Современником Архимеда, быть может несколько старшим его по возрасту, был Ктезибий, основатель знаменитой александрийской школы механики. Из его работ нам известен лишь один, сомнительный отрывок. Однако вокруг его имени также сплетена легенда.
Для александрийской механики характерен интерес к изучению и применению сжатого воздуха (пневматика). Основателем этого нового раздела техники, представляющего большой интерес для физики, скорее всего является действительно Ктезибий. В упомянутом сомнительном отрывке из его трудов описывается гидравлический орган, построенный по типу обычного органа из трубок различной высоты, колебания которых возбуждаются проходящим воздухом, сжатым с помощью воды.
Предание приписывает Ктезибию также многие другие изобретения, относящиеся к прикладной механике, из которых мы упомянем водяные часы, два вида тяжелых «орудий», работающих на сжатом воздухе, нагнетательный водяной насос, переделанный самим Ктезибием в пожарный насос и известный со времен Возрождения как «машина Ктезибия».
6. Филон
Хотя труды Ктезибия и не дошли до нас, пространный трактат по механике его последователя и ученика Филона, жившего в Александрии, позволяет нам составить себе представление об их разносторонности. «Механика» Филона, написанная приблизительно в 250 г. до н. э., дошла до пас в хорошем состоянии, несмотря на некоторые позднейшие изменения, внесенные в нее арабами.
После общего введения Филон начинает свой трактат с описания боевых машин, данного с такой точностью, что в первых десятилетиях нашего столетия они были воссозданы по его описанию и вызывали восхищение своим совершенством. От военного искусства Филон после детального обсуждения теории рычага переходит к описанию автоматов и автоматического театра. В книге, посвященной пневматике, описано множество занимательных игрушек, предназначенных для развлечения гостей во время празднеств: кривые зеркала, сосуды, извергающие различные жидкости, фонтаны с пьющими животными и поющими птицами, подвес, называемый сейчас «кардановым», автоматическое приспособление для подачи святой воды ко входу в храм и др. Во многих из этих механизмов умело используется атмосферное давление и давление водяного пара. Кроме того, Филон проявил прекрасное знание принципа сифона.
ТермоскопФилона. (Heronis opera omnia.)Свинцовый шар a - пустой, шар g содержит воду. Если шар а поместить на солнце или нагреть иным способом, то содержавшийся в нем воздух расширится и, проходя по трубке b, даст пузыри в сосуде g. Если сосуд а охладить, то объем воздуха уменьшится и вода из сосуда g подымется по трубке b и перельется в сосуд а
Имеются также многочисленные описания физических опытов, проведенных с большим мастерством, хотя их истолкование в большинстве случаев сильно отличается от современного. Книгой о пневматике потомки более всего восхищались. Упомянем лишь следующие опыты, взятые из нее. Чтобы доказать, что воздух является телом, Филон берет «сосуд, который считается пустым, такой формы, что он широк в середине и узок в горлышке, типа египетской амфоры», делает в дне его маленькое отверстие, закрывает его воском и опускает сосуд в воду горлышком вниз, после чего удаляет воск из отверстия.
«При этом выход воздуха из отверстия непосредственно ощущается; если затем уровень воды сделать выше проделанного отверстия, то мы увидим пузырьки воздуха в воде, пока вследствие выхода воздуха через отверстие сосуд не наполнится... Это доказывает, что воздух является телом» (LiberPhilonisdeingeniisspiritualibus, с. 2, в книге HeronisAlexandrinioperaquaesupersuntomnia, v.I, Lipsiae, 1899, p. 462 (оригинал и параллельный немецкий перевод)).
Далее Филон описывает термоскоп - первый термоскоп, о котором знает история. Он состоит из двух связанных трубкой сфер: одна из них пустая, а другая частично наполнена водой. Если пустой шар поместить на солнце, то можно видеть, как в другом шаре булькают пузырьки воздуха в воде, потому что, как говорит Филон, когда шар разогревается, «часть воздуха, заключенного в трубке, выходит наружу». Если затем поместить шар в тень, то вода подымется по трубке, пока не попадет в другой, пустой шар. «Если после этого опять разогреть шар над огнем, - заключает Филон, - явление повторится; то же самое получится, если шар облить горячей водой. И наоборот, если охладить шар, то вода выльется наружу»(т. е. вода из первого шара перейдет во второй) (Там же, с. 7, р. 474-476). Таким образом, Филон, а возможно, и его учитель Ктезибий с помощью опыта, который фактически и сейчас демонстрируется в средней школе, пришли к пониманию теплового расширения воздуха, которое они использовали затем в конструкции своих игрушек.
Практические знания, особенно в области пневматики, привели к тому, что александрийские механики заняли промежуточную позицию между сторонниками и противниками понятия пустоты: сплошная пустота невозможна, возможна лишь пустота в рассеянном виде, vacuumintermixtum, т. е. пустота между частицами материи. Пустота такого типа объясняет переменную плотность тел, сжимаемость и упругость воздуха: когда объем воздуха уменьшается, частицы воздуха сближаются между собой, причем они насильственно оказываются в состоянии, из которого стремятся вернуться в первоначальное состояние, чем и объясняется сила сжатого воздуха. Точно так же действует и огонь, проникая между частицами.