На последнем рисунке изображена схема школьной установки для демонстрации картин сверхзвукового обтекания. Установка работает от водяного насоса, дающего давление 2,5–3 атм., а в городах для ее работы достаточно давления водопровода. Изучаемый предмет располагается в сверхзвуковом участке — расширяющейся части сопла. Но поскольку процесс необходимо наблюдать, сопло в этом месте нужно сделать прозрачным и плоским. (Такие сопла впервые применил великий немецкий аэрогидромеханик Людвиг Прандтль (1875–1953). Возникающие при обтекании ударные волны можно увидеть в теневой проекции, освещая сопло лампочкой от карманного фонаря в абажуре из черной бумаги.

Запускается установка следующим образом. Сначала получим на экране или белой стене теневую проекцию прозрачного сопла. После этого откройте кран и плавно увеличьте подачу воды. Постепенно вы увидите, что в сопле образовался пар, и в определенный момент в его расширяющейся части появится четкая тень скачка уплотнения. После этого можно при помощи куска проволоки ввести в сопло пробное тело и увидеть появление на нем ударных волн.

Установка для демонстрации спектров сверхзвукового обтекания:

_{1 — сужающийся канал; 2 — плоское сопло Лаваля; 3 — изучаемое тело; 4 — точечный источник света.}

А. ИЛЬИН

Если вы разбирали свой велосипедный насос, то заметили, что он очень прост. Но это лишь потому, что мощность его мала. А вообще-то насосы, как правило, очень сложны.

Часто вместо поршня цилиндрической формы в них применяются вытеснительные устройства, выполняющие ту же роль. Их придумано превеликое множество, и каждый месяц в мире патентуются десятки новых. Но вместе с тем изобретатели не теряют надежды создать насос предельно простой, вообще без движущихся элементов. Вот какой опыт поставил в 1661 г. маркиз Ворчестер (Англия). Пушечный ствол он наполнил водой на три четверти и заклепал. После этого развел под этой пушкой огонь… «По прошествии 24 часов она лопнула со страшным треском… я увидел, как вода била постоянным фонтаном в 40 футов высотой», — написал маркиз в своих дневниках. Опыт маркиза нетрудно повторить, использовав вместо пушки металлический пенал от лекарства. Заткните его пробкой, пропустив через нее тонкую трубочку. Если налить в пенал немного воды и подержать над огнем, то очень скоро вода закипит и из трубки начнет бить фонтан.

Маркизу Ворчестеру повезло, что он остался жив, и вы будьте осторожны. Вода в фонтане может быть горячей. Заранее наденьте защитные очки и вообще работайте лучше с учителем.

Рис. 1. Каких только насосов не придумало человечество!

Как вы убедились, тепло позволяет поднимать воду на значительную высоту. Но как поднять таким способом холодную воду, например, из подвала или шахты?

На протяжении веков водоподъемные машины работали на мускульной силе людей и животных. Лишь через 40 лет после опыта маркиза Ворчестера появилась первая водоподъемная машина, работавшая от тепла сгорания топлива. Создал ее англичанин Томас Сэвери.

Проделаем простой опыт.

Нальем в пластиковую бутылку горячую воду, завинтим пробку и быстро обольем холодной водой. Бутылка тотчас сомнется, а на стенках ее появятся капельки сконденсировавшегося пара. В бутылке возникло разрежение, и она была смята атмосферным давлением.

Теперь превратим эту бутылку в водоподъемную машину. Для этого сделаем в пробке отверстие и герметично закрепим в нем при помощи пластилина пластиковую трубочку.

Залейте бутылку горячей водой примерно на одну треть. Заверните крышку, а другой конец гибкой трубочки опустите в воду и поскорее облейте бутылку холодной водой. В ней тотчас образуется вакуум, и через трубочку в бутылку потечет струя воды.

Так примерно работали первые водоподъемные машины Сэвери. Одна из них в 1707 году была выписана императором Петром I из Англии и установлена в Летнем саду, где проработала много лет.

К сожалению, такие машины могли поднимать воду не более чем на 10 метров. Ведь подъем воды в них происходил, в сущности, под действием атмосферного давления.

Между тем имелось множество шахт, где нужно было откачивать воду с глубины 30 м и более. Можно, конечно, было поставить целую цепочку таких машин, но это сложно.

Рис. 2. Повторяем опыт маркиза Ворчестера.

Принципиально по-иному за это дело взялся в том же году Д. Папен. Он построил водоподъемную машину, в которой холодную воду из сосуда вытеснял пар, полученный в отдельном паровом котле. Теоретически, имея достаточно высокое давление, ее можно было бы поднять на очень большую высоту. Но необходимое для этого давление пара еще получать не умели, поскольку не умели делать достаточно прочные паровые котлы.

К этой идее вернулся в 1871 г. американец Генри Холл, создавший «пульсометр» — насос, состоящий из двух камер, в которые поочередно подавался то пар, то сжатый воздух. Поток его управлялся клапанами и поочередно выдавливал из них воду. Пульсометры отличались надежностью, работая без присмотра десятками лет.

Нередко сжатый воздух в пульсометры давали компрессоры, работавшие от двигателей внутреннего сгорания. При этом топливо сгорало в цилиндрах двигателя и создавало давление, которое двигало его поршень. Далее эта сила через механизмы двигателя и компрессора передавалась на поршень, сжимавший воздух. На всех этих этапах возникали громадные потери. Неудивительно, что англичанину Л.Н.Гемфри пришла мысль создать насос, в котором давление вспышки топлива непосредственно действовало на воду. В нем вода, подобно поршню ДВС, совершала возвратно-поступательное движение и сжимала смесь топлива с воздухом. Ее поджигали электрической искрой, и происходил взрыв.

Рис. 3. Охлажденная бутылка способна поднимать воду на значительную высоту.

Рис. 4. Пульсометр мог работать десятки лет без присмотра.

Насосы Гемфри обладали дешевизной, простотой и надежностью, но имели слишком большой расход топлива и поэтому не прижились.

В начале 1980-х годов советский инженер Г.П. Примов раскрыл причину низкого КПД насосов Гемфри. Она заключалась в очень низкой степени сжатия горючей смеси. Из-за этого она при расширении отдавала в форме механической работы лишь незначительную часть своего тепла.

Изобретатель понял, что повысить степень сжатия насоса Гемфри невозможно, и пошел иным путем. К прочному стальному баллону объемом около кубометра он присоединил необходимую арматуру и примерно на 6/7 наполнил его водой. В оставшуюся седьмую часть он закачал от обычного компрессора смесь воздуха и топлива под давлением 7 атм. После этого он при помощи свечи зажигания воспламенил эту смесь. Когда она сгорела, давление в баллоне поднялось до 30 атм, изобретатель открыл кран брандспойта, и из него вырвалась струя длиною около 1 км. Мощность ее примерно в 10 раз превышала мощность компрессора и составляла около 500 л.с.

Для того чтобы получить такую струю при помощи насосов, работающих от дизеля, понадобилась бы установка весом около 20 т. Бак Примова можно было увезти на небольшом грузовичке. Компрессор же был самый обыкновенный, который мы часто видим при ремонте дорог. Вот так завершилась более чем трехсотлетняя эпопея создания водяного насоса без подвижных частей.