Пневматические машины

Пневматическая машина, или разрежающий воздушный насос, принадлежит к числу важнейших и необходимейших инструментов в физике. Изобретен около 1650 г. Отто фон Герике; с тех пор подвергался множеству изменений и усовершенствований. Простейшая форма воздушного насоса изображена на рис. 1.

Рис. 1.

СС - латунный цилиндр; внутри его находится поршень К, плотно примыкающий к стенкам; рукой двигают этот поршень то вверх, то вниз. От дна цилиндра внизу отходит вертикальный канал, который через  рубки s, t, р, а и b (последняя кончается отверстием в средине плоской тарелки dd) устанавливает сообщение между цилиндром и тем пространством g, из которого должен быть удален воздух (на рис. 1 таким пространством служит полость стеклянного  колокола, поставленного на тарелку dd; ради плотного соприкосновения края колокола примазываются к тарелке свиным салом или особой замазкой. Под колоколом изображен бароскоп). Поршень А состоит из нескольких частей, а именно: полого, вверху просверленного тела К, сделанного из латуни и с боков обтянутого замшей, и металлического тела L, ввинченного в К снизу; тело L также просверлено насквозь и в верхней своей части снабжено клапаном, сделанным из куска свиного пузыря, запирающего отверстие канала; по сторонам отверстия в клапане имеются два прореза, как показано на рис. 2, изображающем клапан сбоку и сверху.

Рис. 2.

Этот клапан плотно прижимается к отверстию, когда давление воздуха бывает сверху больше, чем снизу; в противном случае он открывается. Если станем тянуть поршень А (находящийся вначале на дне цилиндра) кверху, то под ним образуется разреженное пространство, вследствие чего из-под колокола g часть воздуха перейдет в цилиндр. Доведя поршень до верхнего конца цилиндра, закроем кран r и таким образом прервем сообщение между цилиндром и колоколом и станом надавливать на поршень; воздух, втянутый в цилиндр, не имея прохода через r, будет сгущаться и через несколько времени, достигнув упругости, превышающей упругость атмосферного воздуха, поднимет клапан и станет сквозь него выходить наружу. Как скоро поршень доведен до дна цилиндра, надо снова открыть кран r; повторяя те же манипуляции, мы удалим из пространства g новое количество воздуха и т. д. Так как повторное открывание и закрывание крана r утомительно и замедляет выкачивание, то вместо этого крана снабжают отверстие в дне цилиндра клапаном, подобным вышеописанному.

Рис. 3.

Этот нижний клапан открывается при выдвигании поршня и закрывается при вталкивании его.   Степень достигнутого разрежения воздуха меряется с помощью бароманометра, который у небольших ручных насосов может быть устроен, как показано на рис. 1. Стеклянная трубка b около 80 см  длины нижним концом погружена в чашку с ртутью; вверху она изогнута и с помощью каучуковой трубки соединена с насосом. Если кран n открыт, то ртуть в трубке  действием атмосферного давления подымается тем выше, чем значительнее разрежение. Если бы возможно было осуществить под колоколом насоса совершенную пустоту, то высота ртутного столба, поднявшегося в трубке b, равнялась бы высоте барометра. Однако, это невозможно, во-первых, потому, что при каждом ходе поршня воздух, находящийся в насосе, только разрежается, но никогда не удаляется сполна; во-вторых, потому, что даже при самой совершенной конструкции воздушного насоса между поршнем и дном цилиндра нельзя избежать промежутка, так называемого вредного пространства, в котором всегда остается воздух атмосферной упругости, когда поршень доведен до дна цилиндра. Этот воздух при поднятии поршня распространяется по всему цилиндру, получая уменьшенную упругость, соответствующую занятому объему; и если теперь воздух под колоколом разрежен уже до этой же степени, то всякое дальнейшее качание является бесцельным: воздух из-под колокола не будет переходить в цилиндр.

Рис. 4. Рис. 5.

Двухцилиндровый воздушный насос представлен на рис. 3 в общем виде, на рис. 4 — в разрезе, причем плоскость разреза для левой части прибора проходит чрез средину цилиндра D, а для правой части — чрез средину всего прибора. На рис. 5 показано устройство поршней; здесь виден посредине конический клапан, прижимаемый к отверстию пружиной; он отворяется, если на него производится давление снизу. Самое тело поршня состоит из стопки кожаных кружков и сжимающих их металлических пластинок. Сквозь поршень проходит стержень са (рис. 4), внизу которого находится конический клапан а. Когда поршень поднимается, то с ним поднимается и стержень са; но вскоре насадка с сталкивается с крышкой цилиндра, и тогда поршень движется с некоторым трением вдоль стержня, остающегося на месте. Когда поршень опускается, клапан а входит в коническое отверстие d дна цилиндра, так что верхняя плоскость клапана совпадает с плоскостью дна, и поршень может плотно  прилегать к дну. Таково же устройство поршня в другом цилиндре S. Поршни приводятся в движение колебательным перемещением рычага с помощью зубчатой передачи; один поршень поднимается (всасывая воздух из-под колокола Р, рис. 3), а другой в это время опускается, выдавливая воздух из-под себя через свой клапан наружу. Средина тарелки m (рис. 4) снабжена винтом, к которому можно привинчивать различные приборы. Отсюда идет канал, разветвляющийся потом на две части, ведущие к тому и другому цилиндру. Манометр, имеющий вид укороченного сифонного барометра, помещается в длинном и узком стеклянном колпаке g (рис. 4), который сообщается с каналом машины; сообщение это может быть прекращено с  помощью особого крана. Высота манометра — около 20 см; его закрытое колено все наполнено ртутью, которая начинает падать, когда давление на поверхность ртути в открытом колене понижается приблизительно до ¼  атмосферы. При дальнейшем разрежении разность уровней ртути указывает давление воздуха, остающегося под колоколом. При впускании воздуха в машину ртуть с силой устремляется в закрытое колено; чтобы уменьшить риск разбития манометра, вверху закрытого колена делают перехват, задерживающий течение ртути.

Рис. 6. Рис. 7.

Для уменьшения влияния «вредного пространства» служит кран Бабине (h на рис. 4). Сущность этого приспособления состоит в том, что по достижении известной степени разрежения прекращается сообщение колокола с цилиндром D, а вместо того  устанавливается сообщение цилиндра D с цилиндром 8  через  особое отверстие в дне последнего. После этого уже один только цилиндр S сосет воздух из-под колокола; когда же в S поршень опускается (а в D поднимается), то воздух, находящийся под поршнем в цилиндре не сгущается, а без сгущения перегоняется в цилиндр D; таким образом, когда поршень в цилиндре S достигает дна, то вредное пространство здесь содержит не воздух атмосферной упругости, а лишь весьма разреженный воздух. Когда затем поршень в S начинает подниматься (а в D опускаться), сообщение между обоими цилиндрами прекращается благодаря закрытию донного клапана в D, и воздух, находящийся в D,  через клапан в поршне выгоняется наружу. Устройство крана Бабине изображено на рис. 6 и 7. Он имеет по окружности три канала (в виде буквы Т): один из них ведет к цилиндру 1) (на рисунках — вверху); другой ведет через особую трубку (внизу рисунка) к упомянутому выше отверстию в дне цилиндра S; наконец, третий ведет к колоколу R (слева на рисунках). Покуда кран находится в положении рис. 6 (этому соответствует также изображенное на рис. 4), оба цилиндра находятся в сообщении с колоколом и каждый по очереди сосет оттуда воздух. Как скоро этим путем достигнута такая степень разрежения, что дальнейшее качание уже не сопровождается новым падением манометра, тогда кран h поворачивается на четверть оборота, в положение рис. 7. Этим устанавливается сообщение между обоими цилиндрами, а сообщение между цилиндром D и колоколом Н прерывается. Тогда при дальнейшем выкачивании манометр продолжает падать, покуда не будет достигнут новый предел разрежения. С помощью крана Бабине возможно бывает достигнуть под колоколом упругости воздуха всего в 1 миллиметр. В одноцилиндровом насосе двойного действия воздух из-под колокола всасывается попеременно то в нижнюю, то в верхнюю половину цилиндра, сообразно с тем, идет ни поршень кверху или книзу. Строятся также насосы двойного действия с двумя цилиндрами; они дают весьма быстрое разрежение.

Рис. 8.

В масляных насосах (наиболее распространенная разновидность носит название Qaryk) воздух из вредного пространства вытесняется особым сортом минерального масла, которое наполнит часть цилиндра; поэтому здесь уже с одним цилиндром и поршнем можно достигать более высоких степеней разрежения, чем с помощью обыкновенных поршневых насосов, а именно до ¼  мм ртутного столба. Масляный насос с двумя цилиндрами, работающими последовательно, позволяет достигнуть разрежения в 0,0002 мм. Весьма распространены в физических кабинетах и лабораториях ртутные лампы. Одни из них — гидростатические — основаны на использовании Торичеллиевой пустоты, как, например, насос Тейлера (или Менделеева), имеющий следующее устройство (рис. 8): от стеклянного резервуара А идет вниз трубка, посредством каучуковой трубки сообщающаяся с сосудом В, содержащим ртуть. Кверху от А отходит другая, тонкая трубка, опущенная концом в ртуть С. Наконец, третья трубка а сообщает резервуар А через О с тем пространством, откуда должен быть выкачан воздух. К этой третьей трубке приделан манометр. Размеры прибора: bd = 78 см; cf = 70 см. Для выкачивания поднимают сосуд В так, чтобы ртуть, вытесняя воздух, заполнила А и частью перелилась в С и d; затем опять опускают В: тогда часть воздуха из выкачиваемого пространства через Оd придет в А; затем те же манипуляции повторяются. Ртуть, выливающуюся в стаканчик d, по временам переливают в В. Другие ртутные насосы — гидродинамические (из них типический — насос Шпренкеля) — основаны на том факте, что ртуть, протекая отдельными каплями по узкой трубке мимо резервуара, содержащего воздух, увлекает этот воздух с собой.

Рис. 9.

Ртутные насосы наиболее совершенных конструкций могут давать разрежение до 9 и даже до 7 миллионных долей мм. Бунзен, заменив ртуть водой, построил «водяно-воздушный», или «водоструйный», насос, который бывает крайне дешев и является очень удобным в случаях, когда не требуется большого разрежения (в выкачиваемом пространстве остаются водяные пары, упругость которых — около 10—15 мм). Одна из разновидностей Бунзенова насоса изображена на рис. 9: вода из водопровода течет по Аn и через В удаляется; трубка DС идет от выкачиваемого пространства. Протекающая струя воды уносит с собой из этого пространства воздух.

Рис. 10.

В новейшее время изобретением насосов, чрезвычайно остроумных, практичных, быстродействующих и дающих весьма совершенное разрежение, прославился немецкий физик Геде (Gaede). Поршневой насос Геде похож на масляные насосы типа Герик, с той разницей, что здесь имеются в одном цилиндре три последовательно соединенных насоса (рис. 10): а, b, с, d — перегородки, их ограничивающие; А, В, С — три поршня на общем стержне В; они не прикреплены к нему, а могут скользить вдоль него; о — клапаны. На шлиф R надевается выкачиваемый прибор; воздух выходит из насоса чрез отверстие q. Проникающие в насос водяные пары, сжимаясь под поршнем, конденсируются и образуют с находящимся в насосе маслом эмульсию; особым приспособлением в верхней части насоса из этой эмульсии удаляется вода, так что в насос возвращается чистое масло. Так как притом количество масла здесь весьма невелико, то упругость выделяющихся из него газов и паров совершенно ничтожна; в течение 1—5 минут насос выкачивает рентгенову трубку; достижимое с помощью его разрежение 1/20000 мм. Насос приводится в действие вручную, вращением колеса; внешний вид его показан на рис. 11.

Рис. 11.

Вращающийся ртутный насос Геде по устройству несколько похож на газовые часы (см. газ светильный); но только в газовых часах вращение прибора является следствием движения газа, здесь же газ движется вследствие вращения прибора.

Рис. 12.

Разрез этого насоса (в главнейших чертах) изображен на рис. 12: GG — чугунный корпус; внутри его находится вращающийся фарфоровый или металлический барабан из трех отделений; М, Z₁, Z₂ — стенки этого барабана. Более половины прибора наполнено ртутью (QQ). Когда нужно образовать пустоту в каком-нибудь пространстве, то сообщают это пространство с вращающимся насосом, а этот последний, в свою очередь, сообщают с вспомогательным насосом, разрежающим до 10—20 мм  (например, водоструйным). Сначала пускают в ход вспомогательный насос, образующий предварительное разрежение в насосе Геде и в выкачиваемом пространстве. Затем приводят во вращение барабан (вручную или  небольшим мотором). Вращение барабана происходит против часовой стрелки. Тогда пространство камеры W₁ будет увеличиваться; сюда будет входить через отверстие L₁ воздух из не показанной на рисунке запасной камеры и   из выкачиваемого прибора. Когда же камера W₁ имеет положение W₂, то отверстие L₁ придет в L₂ и будет закрыто ртутью; воздух, всосанный камерой W₁ будет выдавливаться отсюда ртутью через спиральный ход на окружности барабана и попадет в пространство между барабаном и корпусом; отсюда он забирается вспомогательным насосом. Значение вспомогательного насоса заключается в том, что разности уровней ртути внутри барабана и вне его при полном выкачивании не превышает 20 мм, тогда как если бы вращающийся насос сообщался прямо с атмосферой, то при тех же условиях мы имели бы разность уровней в 760 мм, что повлекло бы за собой необходимость дать насосу огромные размеры. В действительности он имеет всего 30 см  высоты и может дать в течение 15 минут разрежение до 1/100000 мм.

Рис. 13.

В качестве вспомогательного насоса Геде рекомендует им же по строенный вращающийся «капсюльный» насос, изображенный на рис. 13: цилиндр А вращается около своей оси внутри цилиндрической же (эксцентричной) полости корпуса G. В А имеются две радиально расположенные задвижки, которые, отталкиваясь друг от друга пружиной, прижимаются к стенкам полости. При вращении А по направлению, указанному стрелкой, задвижки черпают воздух, приходящий из пространства, сообщенного с С, и переносят его через клапан D в не изображенную на рисунке запасную камеру, откуда он выходит через отверстие I. Сам по себе этот насос дает разрежение до 0,01 мм.

Рис. 14.

Из насосов, построенных Геде, особенно замечателен т. н. молекулярный насос. Принцип, на котором он основан, совершенно нов и заключается в следующем. Пусть А (рис. 14) будет цилиндр, вращающийся на оси а и заключенный в полости корпуса В. Полость имеет выемку, простирающуюся от n до m. Если А вращается по стрелке, то воздух в выемке будет, вследствие внутреннего трения, уноситься от n к m. Поэтому, если соединить отверстия n и m с манометром М, то получится некоторая разность давлений: ртуть манометра будет стоять в левом колене у р, в правом — у о. Разность давлений будет тем более, чем быстрее вращается цилиндр А и чем больше внутреннее трение газа. Но по закону Максвелла внутреннее трение газа при постоянной температуре в широких пределах не зависит от давления.  Поэтому если мы при известной скорости вращения цилиндра А имеем в m давление 760 мм, а в n — 750 мм, то, разредив воздух в нашей полости так, чтобы в m было давление 50 мм, мы получим в n — 40 мм; и если бы закон Максвелла оставался верным при всяких разрежениях, то, разредив воздух в полости до такой степени, чтобы давление в m было 10 мм, мы получили бы у n 0 мм, т. е. идеальную пустоту. Отсюда видно, что для получения высоких разрежений по новому принципу необходимо произвести предварительное выкачивание вспомогательным насосом.

Рис. 15.

Действительное устройство молекулярного насоса показано на рис. 15 (разрез перпендикулярно оси вращения) и 16 (разрез через ось вращения). А — вращающийся цилиндр; В — боковая поверхность корпуса; КК — его стенки; через них проходит ось вращения d. Выемки, или желобки, D врезаны в цилиндре А. В них входят пластинки С, прикрепленные к внутренней поверхности корпуса. F — резервуары, наполненные маслом, которое, между прочим, служит для того, чтобы не дать наружному воздуху проникнуть в полость прибора. G — установочное приспособление, которое предохраняет поверхность желобков от соприкосновения с пластинками С. Н — шкив для ремня. Если А вращается по стрелке, то при m газ сгущается, при n разрежается. На В находится плотно пригнанная насадка К.  В ней находятся каналы, соединяющие желобки цилиндра А «последовательно», т. е. так, что место сгущения газа в одном желобке соединяется с местом разрежения в следующем желобке; действия отдельных желобков, благодаря этому, суммируются. Место наибольшего разрежения приходится посредине цилиндра; сюда приделана широкая трубка, соединяемая с выкачиваемым пространством. Места наибольшей плотности газа соответствуют концам цилиндра и посредством трубки Т соединяются с вспомогательным насосом.

Рис. 16.

Рис. 17.

На рис. 17 показан внешний вид насоса (он находится с левой стороны). Каучуковая трубка идет от него к вспомогательному насосу. Молекулярный насос приводится в действие мотором в 1/3 силы; мотор и насос укреплены на общей доске. Производительность молекулярного насоса указывается следующими цифрами: по истечении 2 минут действия он дает разрежение до 0,0003 мм; в 3 мин. — 0,00001 мм, в 4 мин. — 0,000002 мм. Он дает возможность получить разрежение в 0,0000002 мм, недостижимое никаким другим насосом. Одно из важных его преимуществ состоит в том, что он одинаково легко откачивает как газы, так и пары; таким образом, при работе с ним осушающие средства являются излишними.  Последнее изобретение Геде представляет диффузионный насос. Принцип его опять-таки является вполне новым и, состоит в следующем. В пространстве А, сообщенном, с одной стороны, с вспомогательным насосом, разрежающим до 0,1 мм, а с другой — с выкачиваемым прибором, находится некоторое количество ртути; эту ртуть нагревают горелкой, причем из нее выделяются пары. Чтобы эти пары не попадали ни в выкачиваемый прибор, ни в вспомогательный насос, пространство А с обоих концов охватывается двумя холодильниками. Сообщение пространства А с выкачиваемым прибором имеет место посредством очень узкой щели, чрез которую воздух посредством диффузии переходит в А; затем этот воздух удаляется вспомогательным насосом. Диффузионный насос дает разрежение до 1/100000 мм. Скорость выкачивания такая же, как у вращающегося ртутного насоса. Насос может служить для выкачивания всяких паров, за исключением ртутных. Он имеет то преимущество, что благодаря отсутствию движущихся частей не дает никаких сотрясений; он дешев и отличается простотой устройства. Для сгущения воздуха в каком-нибудь пространстве служат нагнетательные насосы. Нагнетательный насос можно получить из разрежающего насоса с клапанами, если переделать в нем клапаны так, чтобы они открывались в обратную сторону (таков например, велосипедный насос). Капсюльный насос Гедо может служить, как нагнетательный: пространство, где надо сгустить воздух, сообщается тогда с соплом I.

А. Бачинский.