Метеорология Глава 7 Часть 1

Глава 7. Изобретение термометра

Эта глава посвящена истории создания термометра - прибора для измерения температуры воздуха, воды, почвы, материалов, сред, и т.п.

Прообраз термометра был создан на рубеже 1600-го года, но, разумеется, люди давно знали, что тепло и холод приводит к движению из-за расширения либо сжатия и воздуха, и воды и других жидкостей, в частности вина и масла. Слишком очевидным было то, что, например, плотно закрытую амфору с вином нельзя держать в тепле, а остывшая подкова немного меньше раскаленной подковы, и это необходимо учитывать при кузнечном  производстве. Но первое сообщение о настоящем научном  опыте, связанном с тепловым расширением и сжатием воздуха, до нас дошло только из 3-го века до р.Х. 

Филон Византийский, греческий ученый – математик, живший около 250 г. до р.Х., в своем сочинении о давлении воздуха, известном только в латинском переводе как «Philonis liber de ingeniis spiritualibus», [7.1.]  - дословно это «Книга Филона о духовных талантах» рассказывает о нескольких экспериментах, и его 4-й эксперимент фактически основан на физическом принципе работы будущего термометра.

Филон пишет (латинский вариант):
«lgnis quoque  natura  aeri  commiscetur  et ideo  aer  cum   eo  attrahitur,  ut  ex  dicendis  palam erit.   fiat  itaque  pila  plumbea vacua  intus et capax, mediocris  in  magnitudine, nec  nimis  sit tenuis.  ne cito frangatur  nec sit ponderosa,  sed  bene  sicca  ut  melius  fiat quod,•volumus. deinde  perfuretur  in  summo  et inponatur  canalis  curvus  descendens  fere  usque  ad  fundum,  ponatur  etiam  aliud  caput  canalis eiusdem  in  vase alio  aqua   pleno fere ad fundum ut  in priori,  ut  melius  effluat aqua. sitque pila A, canalis B,  vas  G. dico  igitur  quod  si opposueris pilam  soli,  quando  calefacta  fuerit,  extra  exibit  pars  aeris  inclusi  in   canali. et  hoc  visui paterit,  quia  aer  cadet  a canali  in aquam  et miscebit  eam  et faciet  ampullas  multas  unam post  aliam.  si vero  reposita  fuerit  pila  in  umbra  vel  ubicunque  radius solius non  affuerit, ascendet  aqua  per  canalem   donec  descendat  in  pilam.  postea  si reposueris  in sole, revertetur aqua  in  vas illud,et adhuе si e converso, et quocienscunqu e iteraveris ita semper cuntinget. vel si etiam pilam cum  igne calefeceris idem eveniet, vel etiam si  inposneris pile aquam  calidam.  si  veru  infrigidata fuerit exibit (fig 4)» .

Что можно перевести так (перевод автора):
 «Природа воздуха также смешана с деревом, и поэтому воздух притягивается к нему, как это будет ясно из сказанного. Поэтому пусть свинцовый шар будет внутри полым и вместительным, среднего размера и не слишком тонким.  Да не рвется скоро и не тяжелеет, но пусть хорошо высохнет, чтобы было лучше, чего мы хотим. Затем вверху прокалывается отверстие и ставится изогнутый канал, спускающийся почти до дна, другая головка того же канала также помещается в другой сосуд, полный воды почти до дна, как и в первый, чтобы вода могла течь лучше. Пусть шар будет А, канал В, сосуд G. Поэтому я говорю, что если вы противопоставите шар солнцу, когда он нагрет, часть воздуха, заключенного в канале, выйдет наружу.  И это, очевидно, на мой взгляд, потому что воздух попадет из канала в воду и вспенит ее и сделает много пузырей один за другим. Если же шар поместить в тень или туда, где нет прямого солнечного света, вода будет подниматься по каналу, пока не опустится в шар. Потом, если вы поставите его на солнце, вода вернется в тот сосуд, и теперь, если это будет наоборот, и когда бы вы ни повторяли это, это всегда будет то же самое. Или если вы также нагреете шар огнем, то произойдет то же самое, или даже если вы поставите (вероятно, польете, от автора) на шар горячую воду, если он действительно охлажден, то выйдет наружу, (фиг. 4)».

В латинском фолианте Филона имеется иллюстрация Fig 4 – она приведена на Рис. 7.1.
 
Рис. 7.1. Эксперимент Филона Византийского с шаром, каналом и свинцовым сосудом, [7.1.], фрагмент оригинала рисунка.   

В античный период развития науки вопросы  прямой физической связи тепла, холода, и движения вещества являлись важнейшим элементом в натурфилософских концепциях философов, и в практических работах ученых.

В этот же период  стала общепринятой нормой связь между теплотой и движением, о чем, например, многократно упоминается в поэме  «De rerum natura» - «О природе вещей» гениального древнеримского поэта и философа Тита Лукреция Кара (99-95 до р.Х. – 55-51 до р.Х.), [7.2.]. Приведем один отрывок из этой поэмы (особое внимание нужно обратить на две последние строчки в этом отрывке!):

«Правда, представить себе затруднительно то, что возможно
Что-нибудь в мире найти с безусловною плотностью тела:
Даже сквозь стены домов проникают небесные молньи,
Как голоса или крик; огонь раскаляет железо,
Скалы трещат, рассыпаясь в куски от свирепого жара,
Золото крепость свою теряет, в пылу расплавляясь,
Жидким становится лёд побеждённой пламенем меди,
Сквозь серебро и тепло и пронзительный холод проходят.
То и другое всегда мы чувствуем, взявши, как должно,
Чашу рукою, когда она полнится влагой росистой».

Огромную  работу по использованию движения сжатого воздуха и пара провел знаменитый механик Герон Александрийский (около 10 г. – около 75 г.). В частности, Герон  изобрел паровую машину (рис. 7.2.), в которой был впервые реализован принцип реактивного двигателя, когда пар, бьющий из сопел 4 крутил шар маховика 3, насаженный на центральную ось2 , через которую в этот шар и подавался пар 1 из котла с водой, подогреваемого огнем, [7.3.].

Как мы видим, Филон проводил опыты по воздействию тепла на воздух, Лукреций рассказывал о воздействии пламени и жара на скалы, золото, лед, о воздействии  холода на серебро, Герон применял пар для создания движения. Но кроме измерения холода рукой по методу поэта Лукреция (см. выше в двух последних строчках приведенного отрывка) ни один из них не предлагал научных методов измерения количества тепла.
 
Рис. 7.2. Паровой шар Герона, [7.3.].

В Главе 6 мы рассказали об этапах создания прибора для измерения атмосферного давления – барометра. Однако, параллельно с созданием прибора, измеряющего давление атмосферы, в медицине решали  проблему измерения артериального давления у человека. В 1896 году итальянский врач Шипионе Рива-Роччи (1864-1937) на основе работ ряда предшественников предложил свою технологию, которая легла в основу целой приборостроительной отрасли – производство медицинских тонометров. Массовое измерение артериального давления у населения Земли привели к открытию явления метеорологической зависимости  у человека – метеопатии. К концу 20-го века имелись многочисленные медицинские исследования и «за»  существование метеопатии – т.е. подобного реагирования человеческого организма на атмосферное давление, и в широком смысле «погоду», и «против» существования метеопатии. Одно стало понятно и неоспоримо – человек – это такой же «барометр», как барометр Торричелли – и он может при определенном навыке по своему состоянию отличить повышенное атмосферное давление от пониженного атмосферного давления.

Но, как справедливо указал поэт и философ Лукреций, на температуру предмета все люди реагируют почти одинаково, и природный человеческий «термометр»  значительно более правильный и понятный, чем природный человеческий «барометр». Не случайно первым специалистом, который стал вводить в практику шкалу температуры – стал знаменитый римский врач Гален (129-200 гг.). Общепринято считать, что Гален занимает третье место на «пьедестале» достижений врачей древности, где первые два места отводятся Гиппократу и Авиценне, упоминавшемуся нами в Главе 3. Кстати, на латыни термин «temperare tur» означает «контролироваться должен», что имеет явное медицинское значение.

Галеном была сделана количественная оценка горячего и холодного по ощущениям человека. За нулевую точку он предложил считать смесь льда и кипящей воды в равных пропорциях и назвал эту смесь «нейтральным теплом», которое было, по ощущениям Галена, ни горячим, ни холодным. Таким образом, больной с более высокой температурой будет считать нейтральное тепло более холодным, а больной  с более низкой температурой будет считать нейтральное тепло более горячим. Врач также всегда будет иметь возможность сравнить свои ощущения температуры тела у больного, опираясь на изготовленное по методу Галена «нейтральное тепло». Понятно, что «нейтральное тепло» по Галену имело температуру около +50;С. Более того, Гален считал человека за природный термометр, т.к. тело человека сокращается под действием холода и разрежается (расширяется) под действием тепла. В фолианте «О назначении частей человеческого тела» Гален пишет, [7.4.]:

«Ведь холод сокращает, сгущает, сжимает тела и препятствует выделениям; тепло, напротив, разрежает их, растапливает, изнуряет и побуждает к выделениям».

На основе идей Галена арабские и латинские врачи, вероятно уже после 800-1000 года, разработали ступенчатые шкалы. На латыни это пишется как «gradus scalae», и переводиться как «ступеньки лестницы», но закрепилось в русском языке как «градусные шкалы», либо просто как «шкалы с градусами».  Наиболее популярной из таких шкал была шкала от 0 до 4 градусов тепла. Предполагалось, что лекарственные препараты для лечения разных заболеваний обладают чем-то подобным эффекту нагревания и охлаждения, и поэтому им отводилось свое место на шкале градусов. К 16-му веку более распространенной стала шкала в 8 градусов (ступеней), и хотя человеческие ощущения  были единственным средством оценки значения температуры, понятие «градусы» уже было прочно установлено.
 
Рис.7.3. Таблица 9 ступеней и 90 градусов Хаслеруса, [7.5.].

В конце 16-го века стали появляться и более сложные градусные шкалы температур. Это иллюстрирует таблица «PROBLEMA 1», см. рис. 7.3.,  из фолианта «De Logistica Medica problematis novem», изданного в 1578 году  физиком и теологом Йоханнисом Хаслером, известным как  Хаслерус (1548  - 1602), уроженцем Берна, работавшим в Германии, Литве, Австрии и Швейцарии. «Проблема 1» у Хаслеруса звучит так: «Найти естественную степень температуры каждого человека, определяемую его возрастом, временем года, высотой полюса (т.е. географической широтой)  и другими факторами». При этом Хаслерус  считал, что температура тела у жителей  южных широт выше, чем температура тела у жителей северных широт. Он показал это с помощью данной выше сложной таблицы, в которой обозначены два варианта «девяти - номерных» групп (на таблице на латыни - «numerue») температурных пространств: «1-2-3-4-5-6-7-8-9», «4-3-2-1-0-1-2-3-4», и параллельная этим группам шкала из 90 градусов, от 0 до 90 (на таблице на латыни - «gradus corlestus», что можно перевести  как «сердечные градусы»). При этом номер «0» в группах температурных пространств соответствует 45-50 градусам. Отсюда следует, что 90-градусная шкала швейцарца Хаслеруса точно соответствовала понятию «нейтрального тепла» древнеримского врача Галена, а градусы – или сердечные градусы в трактовке Хаслеруса в 1578 году имели медицинское значение.

Из Главы 6 мы знаем, что честь создания первого барометра принадлежит ученику Галилея Торричелли. Произошло это в 1644 году. Но задолго до этого сам Галилей, как общепринято считать, изобрел прообраз термометра. В 1592-1610 годах Галилей был профессором математики в университете Падуи, и считается, что в этот период, наиболее вероятно в 1593-1597 гг., он изготовил водный индикатор тепла – термоскоп и демонстрировал его на своих знаменитых публичных лекциях.

В сочинениях Галилея нет описания этого прибора, что само по себе странно, и все свидетельства об его достижении в создании термометра (термоскопа) датируются более поздними датами, и сообщениями других людей, которые были лично знакомы с Галилеем, были его учениками, либо состояли с ним в переписке. Ученики Галилея Вивиани и Нелли свидетельствовали, что уже в 1597 году Галилей сконструировал нечто типа водного термо-бароскопа. Другая дата создания прибора (термоскопа) следует из  письма от 20 сентября 1638 года, написанного отцом Кастелли монсеньору Чезарини, в котором Кастелли сообщает, что Галилей использовал свой прибор на публичных лекциях тридцать пять лет тому назад, т.е. в 1603 году.  В подтверждение этого Кастелли дает следующее описание прибора Галилея, [7.6.]:

 
Рис.7.4. Прибор (термоскоп) Галилея, на основе [7.6.], работа автора.

 «Галилей взял стеклянную колбу размером с куриное яйцо, прикрепленную к трубке толщиной  с соломинку (менее четверти дюйма = 6 мм) и длиной около двух пядей (2 пяди = 16 дюймов = 40 см); он нагрел стеклянную колбу в руках и перевернул весь сосуд вверх дном так, чтобы трубка, погруженная в воду, находилась в другом сосуде; после этого вода поднялась в трубке на высоту пяди (8 дюймов = 20 см) над уровнем в воды сосуде; этот прибор он использовал для исследования степени тепла и холода».

Графических свидетельств вида прибора Галилея для исследования степени тепла и холода не сохранилось, поэтому воспользуемся письмом Кастелли и создадим возможный вид первого термоскопа – термометра, рис. 7.4.