Метеорология Глава 8 Часть 1

Глава 8. Изобретение гигрометра

В Главе 1 автор рассказывал о концепции Эмпедокла о природе Вселенной (см. рис.1.1), по которой  во Вселенной есть четыре основных элемента: воздух, земля, огонь и вода, которые ассоциируются с четырьмя основными свойствами природных веществ: теплом, холодом, влажностью и сухостью. Приборам для измерения влажности воздуха – гигрометрам и гигроскопам посвящена Глава 8.

Подробный исторический обзор изменения научных идей о природе воды, и ее химической и физической природе  читатель может прочитать в книге В. Кучина и М. Соловьева «Вода, активированная гиперзвуком», [8.1.]. Там же Владимир Кучин и Михаил Соловьев  рассказывают о своих достижениях в области создания новых физических модификаций воды, путем ее обработки гиперзвуковыми частотами. В связи с этим в Главе 8 автор не будет рассказывать об этапах вышеупомянутого интереснейшего научного поиска, и мы сразу будем считать, что влажность, как свойство вещества, определяется на Земле именно водой.

Считается, что изобретение прообраза гигрометра (гигроскопа) - прибора для измерения влажности - произошло более чем за 150 лет до создания Галилеем  прообраза первого термометра  (см. Главу 7.), и Торричелли первого барометра (см. Главу 6.). Человеком, которому приписывают это изобретение, был  Николай Кузанский (1401-1464), крупнейший немецкий мыслитель 15-го века.
Около 1450 года в сочинении Николая Кузанского «О статических экспериментах» говорится, [8.2.]:
«На чашку больших весов следует положить кусок совершенно сухой шерсти. А на другую – камни, пока не установится равновесие при умеренно влажном воздухе. Если воздух станет сырее, то вес шерсти увеличится; наоборот, он убавится, если воздух будет становиться сухим. Эта разница в весе позволяла бы взвешивать воздух и строить догадки о предстоящих изменениях погоды».

Весьма вероятно, что Николай Кузанский не лично изобрел такой «инструмент», а рассказал об уже существующем способе определения влажности воздуха, т.к. такой «весовой» метод все еще использовался в начале 18-го века.

Одновременно, но независимо от Николая Кузанского, весовое устройство контроля влажности с использованием губки сделал великий итальянский архитектор Леон Баттиста Альберти (1404-1472). В трактате «Десять книг о зодчестве»,  написанном до 1452 года, и опубликованном в 1485 году Альберти пишет, [8.3.]:
«Мы нашли, что губка увлажняемая воздухом, сыреет, и на этом основании сделали весы, посредством которых можно взвешивать влажность и сухость ветров и воздуха».

Первые чертежи двух моделей гигрометра,- с круглой оцифрованной шкалой и в виде весов,- предложил великий итальянский творец Леонардо да Винчи (1452-1519). В трактате «Метеорология», входящем в «Атлантический кодекс» рукописей Леонардо, созданный в 1483-1518 годах, приведены эти чертежи с краткими пояснениями, они представлены на Рис. 8.1, [8.4.]. Леонардо использует в своих гигрометрах в качестве противовеса воск, а в качестве реагирующего вещества – хлопок. Чертежи Леонардо увидели своих читателей гораздо позже даты их создания. Нет никаких сведений и о том сделал ли Леонардо подобные гигрометры, или они так и остались гениальными проектами, опередившими развитие техники во всем мире на 150 лет.
 
Рис. 8.1. Чертежи гигрометров, созданные Леонардо да Винчи, [8.4.].

Новые технические идеи в деле конструирования гигроскопов появились через 130 лет после рукописных идей гениального Леонардо, когда итальянский доктор медицины  Санторио Санторио, знакомый нам по Главе 7 как один из создателей ртутного термоскопа, до 1636 года разработал три модели гигроскопов, в том числе и струнный гигроскоп, использовавший жгутик из кетгута. Кетгут – это хирургический шовным материал, изготовленный из соединительной ткани кишечника крупного рогатого скота, и медик Санторио Санторио, вероятно, был хорошо знаком с его свойствами. Из кетгута делали также и струны для музыкальных инструментов, и музыканты заметили, что высота звука у таких струн зависит от влажности воздуха, и инструменты нужно подстраивать в зависимости от погоды.

В 1660-е годы англичанин Роберт Гук, которого мы помним по Главе 6 как создателя своего барометра, занимался и конструированием гигрометров, что отражено в его манускрипте «Микрография», [8.5.].
 
Рис. 8.2. Гигрометр Роберта Гука, сделанный из волокон овсюга, [8.5.].
Первоначально англичанин Гук как и итальянец Санторио, экспериментировал с кетгутом, но затем стал использовать в гигрометре в качестве чувствительного элемента пучок высушенных скрученных волокон полевого сорняка – овсюга – дикого овса, который был для английских фермеров истинной головной болью, потому что поля пораженные овсюгом были очень трудны в прополке, и приготовить настоящую английскую овсянку становилось не просто.
Конструкция Роберта Гука была настольной,  Рис. 8.2.  Скрученный пучок овсюга a e одним концом a был прочно укреплен к основанию B B хорошо вентилируемой коробки, пропущен через отверстие в центре циферблата на верхней части A A этой коробки, и вторым концом e соединен со стрелкой из бумаги g f. Когда пучок овсюга a e скручивался или раскручивался в зависимости от того сухой воздух или более влажный, стрелка g f указывала на различные деления на циферблате «овсюгового» гигрометра.

В 1673 году английский естествоиспытатель Роберт Бойль, известный нам по Главе 6 как автор термина «барометр», в своей статье, [8.6.], наряду с другими вопросами обозначил шесть важных случаев бытового использования гигроскопа, перевод автора:
«1. Знать различные изменения погоды в один и тот же месяц, день и час.
2. Знать, насколько один год и время года суше или влажнее другого.
3. Обнаружить и сравнить изменения температуры воздуха, производимые ветрами, сильными или слабыми; морозной, снежной и другой погодой.
4. Сравнить температуру в разных домах и в разных комнатах одного и того же дома.
5. Наблюдать в помещении последствия наличия или отсутствия огня в дымоходе или печи.
6. Поддерживать в помещении ту же степень или заданную степень сухости».

К этому времени Бойль уже был крупным авторитетом в европейской науке, все его статьи изучались, а мнения учитывались. Короткий список Бойля точно обозначил – зачем же нужен такой инструмент как гигроскоп, дело было за малым – создать действительно хороший гигроскоп, а ждать этого пришлось более 100 лет. Нелишним будет напомнить, что хотя своих моделей гигроскопа Роберт Бойль не разработал, но даже великий изобретатель Роберт Гук был у Бойля помощником, и физик-теоретик Бойль был прекрасно знаком и с его идеями, и с его техническими достижениями.

В 1676 году свои конструкции  двух гигроскопов, см. рис. 8.3., представил лондонский аптекарь Джон Коньерс (1633-1694), оставшийся в английской истории как первый собиратель лондонских археологических находок, [8.7.].
 
Рис. 8.3. Гигроскопы Джона Коньерса, [8.7.].

Гигроскопы Джона Коньерса были крупногабаритными – сторона АА у рамки АААА достигала длины 3-х футов (см. Fig. I, Рис 8.3.). Идея Коньерса состояла в использовании свойства древесины деревьев хвойных пород, в частности сосны, расширяться во влажном состоянии, и сокращаться в сухом состоянии. Расширение и сужение рамки АААА из «хвойной» древесины передавалось на указательную стрелку С, настройка положения которой в среднем положении шкалы (цифра 8 Fig. I) при средней влажности воздуха велась с помощью механической системы из груза, подвешенного на веревку у ролика D, и уравновешенного тяжестью свободно подвешенной мелкой серебряной цепочки, у которой можно было менять точку подвеса передвижением звеньев цепочки на ролике Е. Еще более сложным по конструкции и методам настройки был второй гигроскоп Джона Коньерса, показанный на Fig. II, Fig. III, но идея использования хвойной древесины и создания «нулевой» точки у стрелки путем уравновешивания усилий от двух роликов с грузом и серебряной цепочкой, насаженных на общую ось

Джон Коньерс провел опыты со своими гигроскопами во все сезоны: весной, летом, осенью, зимой, выработал определенные рекомендации по настройке, но применения его гигроскопы не нашли, вероятно, потому что  кроме самого изобретателя такую сложную и капризную в настройке измерительную конструкцию никто повторить не сумел.