Введение
Простая, безлопастная радиальная паровая турбина
Эолипила, эолипиль или эолипила, от греческого "Αἰόλου πύλη", также известная как двигатель Герона, представляет собой простую, безлопастную радиальную паровую турбину, которая вращается при нагревании центрального резервуара с водой. Крутящий момент создается струями пара, выходящими из турбины. Греческий египетский математик и инженер Герон Александрийский описал это устройство в I веке нашей эры, и многие источники считают его изобретателем. Однако Витрувий первым описал этот прибор в своем труде «De architectura» (ок. 30–20 гг. до н.э.). Эолипила считается первым задокументированным паровым двигателем или реактивной паровой турбиной, но она не является практическим источником энергии и не является прямым предшественником паровых машин, изобретенных во время промышленной революции. Название, происходящее от греческого слова Αἴολος и латинского слова pila, переводится как «шар Эола», поскольку Эол был греческим богом воздуха и ветра. Благодаря использованию пара в качестве рабочего тела, изображение эолипилы (в профиль) было принято в качестве символа специальности котельного техника ВМС США, которая сформировалась из специальностей водонагревателя, котельного мастера и кочегара (использовавших тот же символ).
Физика
Эолипиль обычно состоит из сферического или цилиндрического сосуда с противоположно направленными или изогнутыми соплами, выступающими наружу. Он предназначен для вращения вокруг своей оси. Когда сосуд заполняется паром под давлением, газ выталкивается из сопел, что создает тягу в соответствии с принципом реактивного движения как следствие второго и третьего законов Ньютона. Когда сопла, направленные в разные стороны, создают силы, действующие по разным линиям, перпендикулярным оси подшипников, эти силы суммируются, образуя вращающий момент (крутящий момент), который заставляет сосуд вращаться вокруг своей оси. Аэродинамическое сопротивление и силы трения в подшипниках быстро возрастают с увеличением скорости вращения (об/мин) и поглощают ускоряющий крутящий момент, в конечном итоге компенсируя его и приводя к установившейся скорости. Как правило, и как описал Герон, вода нагревается в простом котле, который является частью подставки для вращающегося сосуда. В этом случае котел соединен с вращающейся камерой двумя трубами, которые также служат опорами для камеры. Альтернативно, вращающаяся камера может сама служить котлом, что значительно упрощает конструкцию осей/подшипников, поскольку им тогда не требуется пропускать пар. Это можно увидеть на иллюстрации учебной модели, представленной здесь.
История
И Герой, и Витрувий опираются на гораздо более ранние работы Ктезибия (285–222 до н.э.), также известного как Ктесибий или Тезибий, который был изобретателем и математиком в Александрии, Птолемеевском Египте. Он написал первые труды о науке о сжатом воздухе и его применении в насосах.
Описание Витрувия
Витрувий (ок. 80 г. до н.э. – ок. 15 г. до н.э.) упоминает эолипилы по имени:
Эолипилы – это полые бронзовые сосуды с небольшим отверстием или горлышком, через которое их можно наполнить водой. До того, как вода нагреется над огнем, ветер выделяется незначительный. Однако, как только вода начинает кипеть, из них вырывается сильный поток воздуха.
Описание героя
Герой (ок. 10–70 гг. н.э.) придерживается более практичного подхода, предоставляя инструкции по изготовлению устройства:
blockquote|No. 50. The Steam Engine. PLACE a cauldron over a fire: a ball shall revolve on a pivot. A fire is ignited under a cauldron, A B, (fig. 50), containing water, and covered at the mouth by the lid C D; with this the bent tube E F G communicates, the extremity of the tube being fitted into a hollow ball, H K. Opposite to the extremity G place a pivot, L M, resting on the lid C D; and let the ball contain two bent pipes, communicating with it at the opposite extremities of a diameter, and bent in opposite directions, the bends being at right angles and across the lines F G, L M. As the cauldron gets hot it will be found that the steam, entering the ball through E F G, passes out through the bent tubes towards the lid, and causes the ball to revolve, as in the case of the dancing figures. Hero's drawing shows a standalone device, and was presumably intended as a "temple wonder", like many of the other devices described in Pneumatica. Vitruvius, on the other hand, mentions use of the aeolipile for demonstrating the physical properties of the weather. He describes them as:
blockquote|brazen æolipylæ, which clearly shew that an attentive examination of human inventions often leads to a knowledge of the general laws of nature. This account was preserved by the royal Spanish archives at Simancas. It is proposed that de Garay used Hero's aeolipile and combined it with the technology used in Roman boats and late medieval galleys.
Блоккоут № 50. Паровая машина. ПОСТАВЬТЕ котел над огнем: шар будет вращаться на оси. Под котел А В (рис. 50), содержащий воду, разводится огонь и он накрывается крышкой С D; с ним соединяется изогнутая трубка E F G, конец которой вставлен в полый шар H K. Напротив конца G поместите ось L M, опирающуюся на крышку C D; и пусть шар содержит две изогнутые трубки, соединенные с ним на противоположных концах диаметра и изогнутые в противоположных направлениях, изгибы расположены под прямым углом к линиям F G и L M. Когда котел нагреется, будет обнаружено, что пар, поступающий в шар через E F G, выходит через изогнутые трубки в сторону крышки и заставляет шар вращаться, как в случае танцующих фигур. Рисунок Геро изображает автономное устройство, которое, вероятно, предназначалось для демонстрации в храме, как и многие другие устройства, описанные в «Pneumatica». Витрувий, с другой стороны, упоминает об использовании эолипила для демонстрации физических свойств воздуха. Он описывает их так:
blockquote|No. 50. The Steam Engine. PLACE a cauldron over a fire: a ball shall revolve on a pivot. A fire is ignited under a cauldron, A B, (fig. 50), containing water, and covered at the mouth by the lid C D; with this the bent tube E F G communicates, the extremity of the tube being fitted into a hollow ball, H K. Opposite to the extremity G place a pivot, L M, resting on the lid C D; and let the ball contain two bent pipes, communicating with it at the opposite extremities of a diameter, and bent in opposite directions, the bends being at right angles and across the lines F G, L M. As the cauldron gets hot it will be found that the steam, entering the ball through E F G, passes out through the bent tubes towards the lid, and causes the ball to revolve, as in the case of the dancing figures. Hero's drawing shows a standalone device, and was presumably intended as a "temple wonder", like many of the other devices described in Pneumatica. Vitruvius, on the other hand, mentions use of the aeolipile for demonstrating the physical properties of the weather. He describes them as:
blockquote|brazen æolipylæ, which clearly shew that an attentive examination of human inventions often leads to a knowledge of the general laws of nature. This account was preserved by the royal Spanish archives at Simancas. It is proposed that de Garay used Hero's aeolipile and combined it with the technology used in Roman boats and late medieval galleys.
Блоккоут «латунные эолипилы, которые наглядно демонстрируют, что внимательное изучение человеческих изобретений часто приводит к познанию общих законов природы». Это описание сохранилось в королевских испанских архивах в Симанкасе. Предполагается, что де Гарай использовал эолипил Геро и объединил его с технологиями, применявшимися в римских лодках и позднесредневековых галерах.
blockquote|No. 50. The Steam Engine. PLACE a cauldron over a fire: a ball shall revolve on a pivot. A fire is ignited under a cauldron, A B, (fig. 50), containing water, and covered at the mouth by the lid C D; with this the bent tube E F G communicates, the extremity of the tube being fitted into a hollow ball, H K. Opposite to the extremity G place a pivot, L M, resting on the lid C D; and let the ball contain two bent pipes, communicating with it at the opposite extremities of a diameter, and bent in opposite directions, the bends being at right angles and across the lines F G, L M. As the cauldron gets hot it will be found that the steam, entering the ball through E F G, passes out through the bent tubes towards the lid, and causes the ball to revolve, as in the case of the dancing figures. Hero's drawing shows a standalone device, and was presumably intended as a "temple wonder", like many of the other devices described in Pneumatica. Vitruvius, on the other hand, mentions use of the aeolipile for demonstrating the physical properties of the weather. He describes them as:
blockquote|brazen æolipylæ, which clearly shew that an attentive examination of human inventions often leads to a knowledge of the general laws of nature. This account was preserved by the royal Spanish archives at Simancas. It is proposed that de Garay used Hero's aeolipile and combined it with the technology used in Roman boats and late medieval galleys.