с плотно привинчивающейся крышкой. Образующийся при кипячении воды пар не может выходить из такого котла наружу, благодаря чему в котле получается очень сильное давление пара, а температура значительно превышает обычную температуру кипящей воды.
Температуру в котле Папен измерял временем, в течение которого испарялась капля воды, помещенная в специальном углублении на крышке котла. Соответственно со скоростью ее испарения он определял силу давления пара в котле. В своих сочинениях Папен указывает, что если, например, капля высыхает за восемь секунд, то это значит, что давление в котле достигает десяти атмосфер.
Такое высокое давление могло разорвать котел, но Папен придумал предохранительное приспособление. Он сделал в крышке котла отверстие, закрывающееся металлической пробкой. Чтобы пар не выбивал пробку, ее прижимал рычаг с грузом на конце. Если давление пара в котле увеличивалось, угрожая взрывом, пробка поднималась под напором изнутри, и пар выходил наружу. Чем выше требовалось давление, тем ближе к свободному концу рычага сдвигался груз.
Этот предохранительный клапан Папена — самое остроумное устройство в его котле. И до настоящего времени такой клапан имеется на каждом паровом котле, хотя и изобретен более двухсот пятидесяти лет назад.
В папеновом котле, где вода нагревается до очень высокой температуры, мясо отстает от костей, а кости развариваются в студень. Сейчас такие котлы и применяются для варки костей.
Папен, показывая свой развариватель членам Королевского общества, угостил их ужином, для которого все блюда приготовил в разваривателе, на глазах у ученых.
Что это было за угощение, можно судить по описанию одного из таких кушаний в книге Папена: «Новый котел для разваривания костей», изданной в 1681 году. Это второй ученый труд Папена.
«Я брал бычьи сырые кости, — пишет он, — и высушивал их долгое время, выбирая из самой твердой части ноги. Положив их в небольшой стеклянный сосуд с водой, я помещал все это в свою машину и доводил огонь до десяти давлений, после чего в сосуде оказывался превосходный студень, без вкуса и цвета. Сдобрив его сахаром и лимонным соком, я ел его с превеликим удовольствием и находил полезным для здоровья».
Это изобретение дало возможность Папену стать членом Королевского общества и приобрести уважение англичан. Но французский изгнанник был вспыльчив, высокомерен и не умел ладить с английскими джентльменами. Из всех сделанных им в это время знакомств осталась прочной только дружба с Лейбницем, немецким философом и ученым, навестившим Бойля во время поездки по Англии. Лейбниц оценил молодого помощника Бойля, а Папен, несмотря на то что Лейбниц был всего на год старше его, отнесся к нему, как к учителю, и в таких отношениях они остались на всю жизнь. Переписка их не прекращалась, и из этой переписки можно видеть, как в затруднительных случаях Папен нередко обращался к своему немецкому другу за помощью и советом и как много идей подсказал ему Лейбниц.
Как только Папен приобрел некоторую известность благодаря своим научным трудам, опытам и изобретениям, он стал получать приглашения от иностранных академий. В Лондоне материальное положение Папена было не так уж хорошо, и он принял приглашение Венецианской академии наук.
Живой, непоседливый, жаждавший новизны и деятельности, молодой академик недолго прожил в Венеции. Одним почетом питаться было невозможно. Маленькое государство бедствовало, лаборатории академии были обставлены плохо, оценить труды Папена никто здесь не мог. Через три года он вернулся в Англию.
Надо сказать, что, как всякая мода, общее увлечение естествознанием уже проходило. Ученым, не владевшим родовыми поместьями, жилось все хуже и хуже. Лорды и графы, имевшие огромные состояния, конечно, могли беззаботно продолжать научные опыты в собственных замках, но Папену, о котором в Англии уже успели позабыть, пришлось прежде всего позаботиться о том, где, как и на что жить.
Подобно своим великим современникам Декарту, Ньютону, Лейбницу, Гюйгенсу, Папен оставался холостяком. Считалось, что научные занятия нельзя совместить с семейной жизнью, с заботами о жене, о детях, о куске хлеба. Однако на ничтожное жалованье, назначенное Папену Королевским обществом за демонстрацию опытов на заседаниях, оказалось трудно жить в Лондоне и одинокому человеку. Нужда не менее, чем деятельная натура, подгоняла Папена, и он с излишней поспешностью представил Королевскому обществу какую-то вновь изобретенную машину.
Демонстрация машины окончилась полнейшей неудачей. Папена высмеяли. Насколько он заслужил это, теперь трудно сказать, так как Папен машину уничтожил, а сведений о ней не сохранилось.
Пораженный своими неудачами в Лондоне, он отправился в Германию и тут, по рекомендации Лейбница, занял кафедру математики в Марбургском университете.
В Марбурге на первых порах, пока еще он из-за своей вспыльчивости, резкости и высокомерия в спорах с людьми, осмелившимися ему возражать, не нажил себе врагов, Папен мог работать довольно спокойно. А так как все мысли его в это время сосредоточивались главным образом на оставленных парижских опытах с пороховой машиной, то он и принялся снова за осуществление своей старой идеи.
Надо заметить, что опыты Папена не преследовали никаких практических целей. Ученый лишь хотел доказать всему миру, как он прав, утверждая, что при помощи атмосферного давления можно заставить поршень совершать полезную работу в цилиндре. То было время экспериментальной физики, когда ученые изучали природу и ее законы, производя всевозможные опыты. Прежние наивные религиозные верования сменялись научным знанием законов физики, а знания давались опытом и размышлениями.
Да и откуда, каким образом могла прийти Папену мысль о практическом назначении задуманной им машины?
Жизнь шла неторопливо, потребности у людей того времени ограничивались самым необходимым. Земледельцы зимой становились ремесленниками, а ремесленники не бросали земли. Городское население было малочисленно. Фабрик и заводов не существовало. Прядильщики, ткачи, кузнецы, кожевники, гончары, сапожники, мастера всякого рода работали дома, обходясь силой своих рук. Тяжелый мельничный жернов вращали ветряные крылья и водяные колеса. Для других тяжелых работ, например у доменных печей для приведения в действие мехов, подающих воздух в домну, также использовали силу падающей воды.
О каких бы то ни было новых источниках движущей силы никто пока и не думал.
Возвратившись к идее пороховой машины, Папен построил цилиндр с клапаном, через который мог бы выходить избыток газов. Клапан помог делу, и вот, к удовольствию упрямого конструктора, пороховая машина начала работать.
Но что это была за машина! Она состояла из железного цилиндра с отвинчивающимся дном и дырочкой в стенке для фитиля. В цилиндре свободно двигался поршень со штоком. Чтобы привести машину в действие, Папен насыпал на дно цилиндра горсточку пороха, опускал на него поршень, а затем фитилем, выведенным наружу, поджигал порох.
От сгорания пороха образовывались горячие газы, как в пушке, и они подбрасывали поршень вверх; тут поршень удерживала задвижка. Через некоторое время газы, наполнявшие цилиндр, вследствие охлаждения значительно уменьшались в объеме, давление их падало намного ниже атмосферного, и тогда Папен убирал задвижку. Под действием атмосферного давления и собственного веса поршень опускался вниз и при этом поднимал некоторый груз, висевший на веревке, перекинутой через блоки и привязанной другим концом к штоку поршня.
Хотя Папен и убедился в своей правоте, но без особенной радости. Зарядка цилиндра была чрезвычайно сложной; разрежение газа под поршнем получалось незначительное, и машина поднимала совсем не такой большой груз, как рассчитывал изобретатель.
Он не решился демонстрировать ученым собратьям свою «машину для нового применения пороха», как он ее назвал. От старой пушки она отличалась только тем, что круглое ядро заменялось плоским поршнем и поршень не вылетал вовсе из цилиндра, как ядро, а возвращался обратно под влиянием атмосферного давления и собственной тяжести.
Однако сообщение о машине Папен все-таки сделал. В «Лейпцигских ученых трудах» за 1688 год он напечатал отчет, где честно указал, что, «несмотря на все принятые меры предосторожности, в цилиндре оставалось еще не менее пятой части воздуха, и, вместо того чтобы поднимать груз в триста фунтов, можно было поднять только сто пятьдесят».
В те времена еще не знали о существовании различных газов, и поэтому Папен называл воздухом продукты сгорания.
«Но, может быть, возможно найти какой-нибудь другой, более совершенный способ производить под поршнем пустоту?» — думал Папен.
В поисках этого способа, как видно из переписки Папена с Лейбницем, марбургский профессор произвел немало опытов и провел, размышляя, не одну бессонную ночь. В конце концов, перебирая в уме все известные виды «воздуха», Папен вспомнил о водяном паре, который тогда также называли воздухом.
Это была гениальная находка!
Водяной пар, как установили ученые незадолго до того, превращаясь в воду, или, как говорят, конденсируясь, уменьшается в объеме почти в две тысячи раз. Если через сосуд с отверстием пропускать некоторое время водяной пар, то пар вытеснит оттуда воздух и сам займет его место. Закрыв отверстие такого наполненного паром сосуда и облив его стенки холодной водой, легко добиться внутри его быстрой конденсации пара, а значит, получить ту «пустоту», тот вакуум, который так долго не давался Папену.
Теперь, когда новый способ производить «совершенную пустоту» был найден, оставалось только построить машину, чтобы заставить атмосферное давление производить работу. Папену не пришлось долго думать о технической форме для машины: цилиндр и поршень вполне годились для нее.
Вместо пороха Папен налил на дно цилиндра немного воды и опустил поршень до ее поверхности. Затем при помощи жаровни с углями он нагрел дно цилиндра. Вода обратилась в пар, и давление этого пара оказалось достаточным, чтобы поднять поршень до крайнего верхнего положения. В этом положении его удерживала задвижка. Убрав жаровню, Папен охладил цилиндр, облив его водой. Как только пар осел на стенках цилиндра капельками воды и под поршнем образовался вакуум, изобретатель отодвинул задвижку: поршень под влиянием атмосферного давления опустился вниз, поднимая груз, подвешенный к веревке, как и в опыте с пороховым цилиндром.