Собирающие линзы для добывания огня и история их использования.

Введение

Выпуклая линза для разведения огня

Горящее стекло, или горящая линза, — это большая выпуклая линза, способная концентрировать солнечные лучи в небольшой области, нагревая её и, таким образом, вызывая воспламенение подвергающейся воздействию поверхности. Отражающие зеркала достигают аналогичного эффекта, используя отражающие поверхности для фокусировки света. В химических исследованиях XVIII века их использовали для сжигания материалов в закрытых стеклянных сосудах, чтобы улавливать продукты сгорания для анализа. Горящее стекло было полезным приспособлением до того, как стало легко получать электрическое зажигание.

Историческое развитие: от легенды к науке

Технология фокусировки солнечного света с помощью линз была известна с древности, как описано греческими и римскими писателями, которые зафиксировали использование линз для разжигания огня в различных целях. Плиний Старший упоминал об использовании стеклянных ваз, наполненных водой, для концентрации солнечного света настолько интенсивно, чтобы воспламенить одежду, а также выпуклых линз, которые применялись для прижигания ран. Плутарх упоминает о зеркале, сжигающем солнечные лучи, сделанном из соединенных треугольных металлических зеркал, установленных в храме Весталок. Аристофан упоминает о фокусирующей линзе в своей пьесе «Облака» (424 г. до н.э.). Стрепсиад: «Видели ли вы когда-нибудь красивый, прозрачный камень у аптекаря, с помощью которого можно разжечь огонь?» Говорят, что греческий математик Архимед использовал фокусирующую линзу в качестве оружия в 212 г. до н.э., когда Сиракузы были осаждены Марком Клавдием Марцеллом из Римской республики. Предположительно, римский флот был сожжен, хотя в конечном итоге город был взят, а Архимед убит. Легенда об Архимеде послужила причиной проведения значительного количества исследований фокусирующих зеркал и линз вплоть до конца XVII века. Различные исследователи, от представителей средневекового христианства до исламского мира, работали с фокусирующими линзами, включая Анфемия из Тралла (VI век н.э.), Прокла (VI век; который, по преданию, с помощью этого метода уничтожил флот Виталиана, осаждавшего Константинополь), Ибн Сахла в его труде «О горящих зеркалах и линзах» (X век), Альхазена в его «Книге оптики» (1021), Роджера Бэкона (XIII век), Джамбаттисту делла Порта и его сторонников (XVI век), Афанасия Кирхера и Гаспара Шотта (XVII век) и графа де Бюффона в 1740 году в Париже. В то время как эффект камеры-обскуры был упомянут греческим философом Аристотелем в IV веке до н.э., современные китайские мохисты периода Сражающихся царств, составители трактата «Мо-цзы», описали свои эксперименты с фокусирующими зеркалами и стеновым отверстием. Спустя несколько десятилетий после того, как Альхазен описал камеру-обскуру в Ираке, китайский государственный деятель династии Сун Шэнь Куо тем не менее первым четко описал взаимосвязь фокусной точки вогнутого зеркала, точки горения и стенового отверстия как отдельные явления излучения в своих «Записках у пруда снов» (1088). К концу XV века Леонардо да Винчи первым в Европе сделал подобные наблюдения относительно фокусной точки и стенового отверстия. Фокусирующие линзы использовались в XVIII веке Джозефом Пристли и Антуаном Лавуазье в их экспериментах по получению оксидов, содержащихся в закрытых сосудах при высоких температурах. К ним относятся углекислый газ при сжигании алмаза и оксид ртути при нагревании ртути. Этот тип эксперимента способствовал открытию Пристли «дефлогистизированного воздуха», который позже, после исследований Лавуазье, стал известен как кислород. В 17-й главе книги Уильяма Бейтса «Совершенное зрение без очков» (1920), в которой автор утверждает, что наблюдение за солнцем полезно для людей со слабым зрением, приведена иллюстрация, изображающая человека, «Фокусирующего солнечные лучи на глаз пациента с помощью фокусирующей линзы». Фокусирующая линза Великого герцога Тосканского была использована сэром Хамфри Дэви и Майклом Фарадеем для сжигания алмаза в кислороде 27 марта 1814 года.

Burning glass technology has been known since antiquity, as described by Greek and Roman writers who recorded the use of lenses to start fires for various purposes. Pliny the Elder noted the use of glass vases filled with water to concentrate sunlight heat intensely enough to ignite clothing, as well as convex lenses that were used to cauterize wounds. Plutarch refers to a burning mirror made of joined triangular metal mirrors installed at the temple of the Vestal Virgins. Aristophanes mentions the burning lens in his play The Clouds (424 BC). Strepsiades. Have you ever seen a beautiful, transparent stone at the druggists', with which you may kindle fire? The Hellenistic Greek mathematician Archimedes was said to have used a burning glass as a weapon in 212 BC, when Syracuse was besieged by Marcus Claudius Marcellus of the Roman Republic. The Roman fleet was supposedly incinerated, though eventually the city was taken and Archimedes was slain. The legend of Archimedes gave rise to a considerable amount of research on burning glasses and lenses until the late 17th century. Various researchers from medieval Christendom to the Islamic world worked with burning glasses, including Anthemius of Tralles (6th century AD), Proclus (6th century; who by this means purportedly destroyed the fleet of Vitalian besieging Constantinople), Ibn Sahl in his On Burning Mirrors and Lenses (10th century), Alhazen in his Book of Optics (1021), Roger Bacon (13th century), Giambattista della Porta and his friends (16th century), Athanasius Kircher and Gaspar Schott (17th century), and the Comte de Buffon in 1740 in Paris. While the effects of camera obscura were mentioned by Greek philosopher Aristotle in the 4th century BC, contemporary Chinese Mohists of China's Warring States Period who compiled the Mozi described their experiments with burning mirrors and the pinhole camera. A few decades after Alhazen described camera obscura in Iraq, the Song dynasty Chinese statesman Shen Kuo was nevertheless the first to clearly describe the relationship of the focal point of a concave mirror, the burning point and the pinhole camera as separate radiation phenomena in his Dream Pool Essays (1088). By the late 15th century Leonardo da Vinci would be the first in Europe to make similar observations about the focal point and pinhole. Burning lenses were used in the 18th century by both Joseph Priestley and Antoine Lavoisier in their experiments to obtain oxides contained in closed vessels under high temperatures. These included carbon dioxide by burning diamond, and mercuric oxide by heating mercury. This type of experiment contributed to the discovery of "dephlogisticated air" by Priestley, which became better known as oxygen, following Lavoisier's investigations. Chapter 17 of William Bates' 1920 book Perfect Sight Without Glasses, in which the author argues that observation of the sun is beneficial to those with poor vision, includes a figure of somebody "Focussing the Rays of the Sun Upon the Eye of a Patient by Means of a Burning Glass." The burning lens of the Grand Duke of Tuscany was used by Sir Humphry Davy and Michael Faraday to burn a diamond in oxygen on the 27th March 1814.

Война: с легенды Архимеда

Первая история, схожая с историей о фокусировке солнечного света с помощью стекла, связана с Архимедом и относится к 212 году до нашей эры, когда он использовал это в военных целях. Во время осады Сиракуз Марком Клавдием Марцеллом, римский флот, как утверждается, был уничтожен не стеклом, а вогнутым зеркалом из латуни, концентрирующим солнечный свет. Независимо от того, произошло это на самом деле или нет, город в конечном итоге был взят, а Архимед убит. В 1796 году, во время Французской революции и через три года после объявления войны между Францией и Великобританией, физик Этьен Гаспар Роберт предложил французскому правительству использовать зеркала для поджога кораблей британского королевского флота. Правительство отклонило его предложение.

Домашнее использование: примитивное приготовление огня

Горящие очки (часто называемые огневыми линзами) до сих пор используются для разведения огня в полевых и примитивных условиях. Большие горящие линзы иногда изготавливаются в виде линз Френеля, подобных линзам маяков, включая их использование в солнечных печах. Солнечные печи применяются в промышленности для получения экстремально высоких температур без использования топлива или больших запасов электроэнергии. В некоторых установках для фокусировки света до высокой интенсивности используется большой параболический массив зеркал, достигающий нескольких этажей в высоту.

Религия: священный огонь

В различных религиозных обрядах увеличительное стекло используется для получения священного огня. Со VII по XVI века христиане использовали увеличительное стекло для зажигания пасхального огня во время пасхальной заутрени. Так, святой Бонифаций объяснил папе Захарию, что он добывал новый огонь Страстной субботы с помощью хрустальной линзы, фокусирующей солнечные лучи. Этот процесс упоминался в литургических книгах вплоть до Римского Понтификала 1561 года. В Камбодже увеличительное стекло также использовалось с древних времен для кремации королей, и недавно – на похоронах короля Сианука. Крематорий короля традиционно подготавливают брахманы Бакуса из Королевского дворца в последний день недельного траура. Под увеличительное стекло помещают небольшие кусочки ароматного агарового дерева, пока оно не воспламенится. Раскалённым деревом зажигают свечи и передают огонь присутствующим, которые обычно забирают горящие свечи домой.

Спорт: зажигание олимпийского факела

Олимпийский факел, который проносят по стране, принимающей Олимпийские игры, зажигается с помощью солнечных лучей, сфокусированных зеркалом, на территории древней Олимпии в Греции.

Популярная культура: попытки проверки

За столетия было проведено несколько реальных испытаний для оценки достоверности легенды об Архимеде, описанной выше, включая тест графа де Буффона (около 1747 года), задокументированный в работе под названием "Invention De Miroirs Ardens, Pour Brusler a Une Grande Distance", и эксперимент Джона Скотта, описанный в статье 1867 года. В 1973 году греческий ученый д-р Иоаннис Саккас, стремясь выяснить, мог ли Архимед действительно использовать «горящее стекло» для уничтожения римского флота в 212 году до н.э., выстроил около 60 греческих моряков, каждый из которых держал продолговатое зеркало, наклоненное для отражения солнечных лучей на деревянный корабль, находившийся на расстоянии 49 метров. Корабль немедленно загорелся. После эксперимента Саккас заявил, что не сомневается в том, что великий изобретатель мог использовать бронзовые зеркала для уничтожения римских кораблей. Однако, учитывая условия боя, такое оружие представляется непрактичным, что подтверждается современными тестами, опровергающими подобные утверждения. В 2005 году эксперимент был проведен группой из Массачусетского технологического института. В нем было заключено, что, хотя теория верна для неподвижных объектов, зеркала вряд ли смогли бы сконцентрировать достаточно солнечной энергии, чтобы поджечь корабль в боевой обстановке. Похожие эксперименты были проведены в популярном научно-популярном телешоу «Разрушители мифов» в 2004, 2006 и 2010 годах, которые пришли к аналогичным выводам, основанным на предпосылке спорного мифа. Однако в одном из эпизодов программы Ричарда Хаммонда «Инженерные связи», посвященном обсерватории Кека (зеркало-рефлектор которой основано на зеркале Архимеда), удалось успешно использовать гораздо меньшее вогнутое зеркало для воспламенения деревянной модели, хотя уменьшенная модель была изготовлена из материалов, отличающихся по качеству от тех, что использовались в «Разрушителях мифов».