Эксперимент франклина с воздушным змеем

Вспоминаем научные достижения американца, сумевшего всего за пять лет внести заметный вклад в понимание природы электричества.

В середине XVIII столетия Америка с точки зрения развития наук чем-то напоминала Россию: находясь на периферии относительно научных центров Европы, она узнавала о новейших достижениях с опозданием иногда в несколько лет. Тем удивительнее успехи, которых удавалось достичь героям-одиночкам, таким как Михайло Ломоносов в нашей стране или Бенджамин Франклин по ту сторону Атлантики. Эти учёные во многом опередили представления не только современников, но и будущих поколений. Ломоносов вошёл в историю физики как основатель молекулярно-кинетической теории. Франклин более известен созданием молниеотвода и опытом с воздушным змеем, что несколько несправедливо, поскольку главным его достижением можно назвать унитарную теорию электричества, положения которой легли впоследствии в основание теории электроники. «Переток» предлагает вспомнить научные достижения выдающегося американца.

Рождение интереса

Удивительно, что у Франклина в его насыщенной событиями жизни вообще хватило времени на эксперименты с электричеством. Один из отцов-основателей США, соавтор Конституции и Декларации независимости этой страны, Франклин уже в зрелом возрасте буквально «заболел» электричеством. Случилось это, как предполагается, в начале 1740-х годов. На тот момент будущему символу стодолларовой купюры США почти исполнилось сорок, он занимал заметную должность почтмейстера Пенсильвании и был состоятельным издателем. В Филадельфию приехал гастролёр, демонстрировавший в числе прочего простейшие фокусы с электричеством, мода на которые в Европе уже начинала спадать. В арсенале фокусника были хорошо известные европейским физикам электростатическая машина и лейденская банка. Но Франклина чрезвычайно заинтересовала таинственная сила, которую, как он полагал, можно было бы, изучив, использовать на благо общества, а не только для эффектных фокусов.

В Америке в это время науки об электричестве как таковой не существовало. Чтобы приступить к исследованиям, Франклину требовался надёжный источник новых знаний в Старом Свете, и он его нашёл. Этим источником стал член Лондонского королевского общества, британский естествоиспытатель Питер Коллинсон. В 1747–1752 годы, которые Франклин почти полностью посвятил исследовательской деятельности, Коллинсон являлся главным адресатом научных писем американца. Именно они потом легли в основание славы Франклина как учёного. С 1753 года у Франклина уже не было времени заниматься наукой всерьёз: он был назначен главным почтмейстером всех колоний Северной Америки, а с началом войны за независимость полностью посвятил себя политической и общественной деятельности. Успех его дипломатической миссии в Европе, когда США удалось заручиться поддержкой Франции в борьбе с англичанами, во многом был обеспечен славой великого учёного, о котором знали европейцы.

В 1746 году Коллинсон прислал в Пенсильванскую библиотеку (основанную Франклином и ставшей первой публичной библиотекой в Новом Свете) «электрическую трубку», то есть электростатический прибор, с подробной инструкцией по эксплуатации. Изучив устройство машины, Франклин немедленно приступил к экспериментам, и в середине следующего года направил Коллинсону ответное письмо, изложив в нём – что поразительно – уже собственную теорию электричества, получившую впоследствии название унитарной и по истечении веков не утратившей своей научной значимости.

Один из опытов, описанных в этом письме Франклина, касался «стекания» электричества по острым предметам и заключался в следующем: на горлышко стеклянной бутылки помещался чугунный шарик, сбоку его касался другой, пробковый, шарик, подвешенный на шёлковой нити к потолку. При электризации чугунного шарика пробковый отклонялся. Поднесение к устройству заострённого лезвия на расстояние пяти дюймов приводило к тому, что «электрический огонь» перетекал в лезвие, а пробковая горошина возвращалась в исходное положение. Использование тупого предмета вместо лезвия давало тот же эффект только при самом близком расположении к наэлектризованному чугунному шарику. Само по себе «стекание» электричества по острым предметам уже было описано русским учёным Георгом Рихманом, правда, Франклин об этом не знал: сказывалась география. Зато помимо очевидного наблюдения за выходом «электрического огня» из одного предмета в другой Франклин делает ещё одно, не столь очевидное и сформулированное впоследствии как закон сохранения заряда.

К тому моменту в физике существовало несколько разрозненных теорий электричества. Преобладающей была дуалистическая теория, разработанная французским физиком Шарлем Дюфэ по итогам изучения явлений притяжения и отталкивания наэлектризованных тел. Она заключалась в представлении о существовании двух различных по природе видов электричества – «стеклянного» и «смоляного». Тела, наполненные одинаковым видом электричества, отталкивают друг друга, тогда как тело со «стеклянным» электричеством и тело со «смоляным» будут друг друга притягивать. Все имевшиеся в XVIII веке знания об электричестве подтверждали догадку Дюфэ. Но Франклин, проводя собственные эксперименты, пришёл к иному выводу. В частности, он поставил следующий опыт: один человек, стоящий на восковой подставке, натирал стеклянную трубку, затем другой человек, также изолированный от окружающих предметов, проводил по трубке рукой. При этом первый человек отдаёт свой заряд, а второй его получает. Это означает, сделал вывод Франклин, что отдавший заряд человек оказывается отрицательно заряженным, а получивший – положительно заряженным, но совокупное количество «электрического огня» (так на тот момент Франклин именует заряд) остаётся неизменным. В описании опыта в письме Коллинсону Франклин вводит обозначение «–» и «+» для каждого из заряженных тел. Эти символы навсегда вошли в теорию физики (другими устойчивыми терминами, автором которых является Франклин, стали «проводник», «конденсатор», «батарея», «заряд»). Но главным, конечно, стало создание унитарной теории электричества, в дальнейшем лёгшей в основу теории электроники.

Теория конденсатора и первый электродвигатель

Франклин был принципиальным сторонником экспериментального метода в физике, чем отличался от многих своих коллег, полагавшихся на теоретические выкладки и философские представления о природе вещей. Действенность экспериментального подхода была блестяще подкреплена серией опытов с лейденской банкой, позволивших Франклину вывести научно обоснованную теорию конденсаторов, активное применение которых началось лишь столетие спустя.

Как и многие учёные того времени, Франклин широко использовал в своём физическом кабинете недавнее изобретение голландца Питера Мушенбрука из города Лейдена, способное накапливать электрический заряд. Лейденская банка была чрезвычайно популярна и дала толчок многим электротехническим находкам, однако глубоко исследовать принцип её работы до Франклина никто не пытался. Учёного заинтересовало, какой именно элемент в конструкции банки отвечает за скопление «электрического огня» – стеклянная банка, наполняющая её вода или опущенный в воду металлический стержень. В письме Коллинсону от 1749 года Франклин подробно описал последовательность опытов, позволивших ответить на этот вопрос. Для начала экспериментатор вынул из наэлектризованной банки стержень, поднёс к банке руку и получил заряд. Первый вывод – стержень отводит электричество, но не накапливает. Затем Франклин перелил из наэлектризованной банки воду в другой, ненаэлектризованный сосуд. Заряд сохранился в первой банке, так был получен второй вывод: электричество накапливалось и не в воде. Далее учёный заинтересовался вопросом, имеет накопление заряда отношение к материалу лейденской банки или к её форме. Он взял обычное оконное стекло, наэлектризовал его и получил тот самый вывод, который лёг в основу создания конденсаторов: накопление электрического заряда является свойством диэлектриков. Простота и точность экспериментов Франклина покорили многих его современников, признавших в американце учёного первой величины.

Другое открытие Франклина, однако, не получило такого признания, причём не только у научного сообщества, но и у самого экспериментатора. В очередном письме Коллинсону Франклин описал электрическое колесо, способное вращаться под воздействием заряда. На заострённый стержень помещалось легчайшее колёсико с прикреплёнными к нему проволоками, концы которых были наклонены в одну сторону. При подключении устройства к электростатической машине наэлектризованное колесо начинало вращаться в противоположную сторону. Франклин не отнёсся к этому изобретению серьёзно, посчитав его очередным эффектным трюком с электричеством. Позднее «франклиново колесо» было признано первым прототипом электродвигателя.

Атмосферные явления также входили в сферу интересов Франклина. Не удивительно, что, наблюдая электрические разряды в лаборатории и молнии в небе, американский учёный пожелал установить, не связаны ли они. Первые выкладки Франклина носили теоретический характер: если электрический заряд способен сохраняться при переходе наэлектризованной воды в состояние пара (это подтвердили лабораторные опыты), то вполне возможно, что облака также способны переносить электрический заряд, который отдают, как только встречают тело с нейтральным или противоположным зарядом. Не имея ещё возможности экспериментально подтвердить это предположение, Франклин между тем сделал важный практический вывод – направленный в небо проводник с заострённым концом способен «снять» заряд, обеспечив безопасность окружающим домам или, если речь о море, кораблям. Лондонское королевское общество, куда Франклин направил соответствующий доклад, встретило идею упирающихся в небо стержней скептически, если не с насмешкой, и отказалось публиковать. Только в 1752 году французский естествоиспытатель Далибар перевёл труд Франклина об атмосферном электричестве, и в нескольких городах были установлены подобные проводники. Правда, и Далибар, и его последователи, поместили стержень на изолированные платформы. Это дало возможность жителям Марли весной 1752 года наблюдать во время грозы удивительное явление – разряды молнии между остриём проводника и землёй.

Сам Франклин провёл свой эксперимент с атмосферным электричеством лишь летом 1752 года. Этот опыт стал классическим и позволил Франклину достичь главной цели – доказать единство природы атмосферного, «естественного» электричества и генерируемых с помощью электростатических машин «искусственных» разрядов. Учёный запустил в предгрозовые облака воздушного змея на шёлковой нити. Заострённая проволока на змее снимала электрический заряд. До начала дождя это приводило к тому, что заряд скапливался на шёлковой бечеве, но как только наэлектризованная нить намокала, она начинала проводить электричество. Франклину удалось зарядить от бечевы лейденскую банку, что доказывало, во-первых, наличие электричества в грозовых облаках, а во-вторых, его тождественность разрядам электростатических машин.

Важным моментом в эксперименте было наличие заземления, а также возможность получить заряд ещё до начала грозовых явлений. Параллельно с американским учёным, но без связи с ним, в России проводили свои опыты с атмосферным электричеством Ломоносов и Рихман. В том же 1752 году они опубликовали результаты экспериментов с «громовой машиной», показавших электрическую природу грома и молний. А в 1753 году Рихман трагически погиб, приняв разряд молнии от незаземлённого проводника на себя. Этот случай был расценён религиозными современниками как кара за неуместное вмешательство в небесные дела. Опыты с атмосферным электричеством на некоторое время прекратились, причём не только в России, но и Европе, где установка молниеотводов даже являлась поводом для судебных исков.

При подготовке материала использованы: Кудрявцев П. С. «Курс истории физики», Радовский М. И. «Бенджамин Франклин: 1706–1790», М. Уилсон «Американские учёные и изобретатели».

Упоминания о воздушном змее появляются во II веке до н. э. в Китае. Это было попыткой воссоздать образ бескрылого дракона — одного из мифических героев. В дальнейшем его стали использовать в Азии в армии как средство передачи сигнала и устрашения врага.

В Европе о воздушном змее узнали в XII веке, но широкого применения он не нашел. Только позднее, в XVIII веке, его начали использовать в научных исследованиях электричества и атмосферных явлений. В дальнейшем их применяли в метеорологии, самолетостроении.

Один из умнейших людей своего времени, свидетель практически всего XVIII века. Он проявил свои способности и знания в политике, литературе, науке. Является одним из отцов-основателей США. Его подпись стоит на важнейших американских документах: Декларации независимости, Конституции и Версальском мирном договоре 1783 года.

Помимо вклада в фундаментальную науку (изучение электричества, оптики, природных явлений), Франклин сделал многих людей счастливее, изобретя кресло-качалку и малогабаритную печь для отопления домов. Кроме того, по настоянию Франклина моряки, объединив усилия, создали первую карту Гольфстрима.

Портрет Франклина знаком каждому, ведь именно он изображен на 100-долларовой купюре.

Столь эффектная мантия недвусмысленно говорит о том, что Франклин представлен в образе бога-громовержца, то есть Зевса. Могучий, бородатый, зрелый мужчина с благородными чертами лица — таким Зевса традиционно изображали художники и скульпторы. Согласно античной мифологии, он заведовал всем миром и карал своих врагов ударами молний.

Существо из античной мифологии, неизменный спутник Афродиты, известный под именами Эрос, Амур, Эрот. Символизировал любовное влечение и олицетворял ресурс продолжения жизни. В искусстве его изображают и как ребенка, и как юношу.

Участие купидонов в электрическом эксперименте сложно объяснить. Вероятно, Уэст хотел с их помощью усилить античное настроение и созидательную силу науки, просвещения как божества Нового времени.

15 июня 1752 года Бенджамин Франклин в ходе эксперимента продемонстрировал, что молния имеет электрическую природу и каждый человек при определенной сноровке (и громоотводе) может вызвать разряд без риска для жизни. То есть молния теряла сакральное значение (как божья кара и проч.) и приобретала статус природного регулярно повторяющегося явления.

Для эксперимента Франклин укрепил на воздушном змее медный стержень. К противоположному концу троса привязал металлический ключ. Ученый запустил змея в сторону грозовой тучи. После удара молнии заряд прошел по мокрому тросу, а на ключе можно было увидеть разряд. Это доказывало электрическую природу молнии.

«Бенджамин Франклин ловит молнию» (1816) Бенджамин Уэст

Работая над портретом своего друга Бенджамина Франклина, одного из умнейших людей XVIII века, Бенджамин Уэст обратился к античной стилистике, представив ученого как бога, управляющего природой. В помощниках у него, проводящего опыт, который доказывает электрическую природу молнии, — купидоны, олицетворяющие невидимые простому человеку силы.

Бенджамин Франклин (1706-1790) – американский общественный деятель, политик, дипломат, писатель, изобретатель, который внес большой вклад в обретение независимости от Англии. Он оказался единственным среди отцов-основателей США кто поставил свою подпись под всеми тремя документами, лежащими в основе создания государства. Франклин стал первым американцем, который стал иностранным членом Российской академии наук.

Бенжамин Франклин (Benjamin Franklin)

Портрет Франклина изображен на 100-долларовой купюре. По этой причине, многие думают, что он был президентом США, однако это не так.

Бенджамин Франклин никогда не был президентом США, но тем не менее, за выдающиеся заслуги, его портрет изображен на купюре в 100 долларов

Критики — наши друзья: они указывают нам на наши ошибки.

В каком бы положении люди ни находились, они всегда могут найти удобства и неудобства.

Понуждай сам свою работу; не жди, чтобы она тебя понуждала.

Лучше красиво делать, чем красиво говорить.

Трудное детство

Бенджамин Франклин появился на свет 17 января 1706 года в Бостоне в многодетной семье. Он был 15 ребенком своего отца Джозайи, который приехал за океан из Англии, занимаясь производством мыла и свечей. Непростое финансовое положение не позволяло родителям обеспечить детям хорошее образование, но для пытливого ума Бенджамина, это не стало серьезной преградой. Он самостоятельно освоил школьный курс, параллельно трудясь подмастерьем в типографии. Детские впечатления, полученные на работе, на всю жизнь привьют любовь к печатному делу.

В юношеские годы будущий политик стал печататься в газете, издаваемой его братом. Но свои статьи писал под псевдонимом «миссис Сайленс Дугуд», так как он не давал добро на публикации. В 1728 году Франклин создает небольшой дискуссионный кружок «Клуб кожаных фартуков», спустя 20 лет превратившийся в Американское философское общество. В его работе принимали участие многие известные ученые, в том числе и российские.

В 1730-х годах Франклин становится весьма популярной личностью, чему способствовало написание «Альманаха Бедного Ричарда». Это одна из наиболее важных частей литературного наследия Бенджамина, где он представляет модальную личность, в которой угадываются национальные черты американцев. Автор акцентирует внимание читателя на значимости индивидуального успеха.

В эти годы Франклин издает собственную газету «The Pennsylvania Gazette», а также создал добровольческую пожарную команду и открыл первую в стране публичную библиотеку. В ней обслуживались все желающие, и чтобы облегчить труд библиотекарей, он придумал деревянный шест со специальным захватом на конце, помогавший снимать книги с верхних стеллажей.

Экземпляр газеты The Pennsylvania Gazette от 6 декабря 1745 года

Печь Франклина

Наряду с активной общественно-политической деятельностью, журналистикой, писательством и дипломатией Бенджамин навсегда остался в памяти как талантливый изобретатель и ученый, который внес немалый вклад в развитие науки.

Одно из самых известных его творений – Печь Франклина («Пенсильванский камин»). Это экономичное обогревательное устройство предназначено для использования в жилых помещениях. Причиной ее создания стала низкая эффективность распространенных в американских колониях английских печей. Они изначально предназначалась для более мягкого климата – дымоход выводился с внешней стороны дома, что приводило к критично высоким теплопотерям.

Свою печь изобретатель изготовил из чугуна, обладающего хорошей теплоотдачей. Она находилась в центральной части помещения, а ее дымоход был дополнительным источником тепла, так как располагался внутри дома. Внесенные конструктивные изменения позволили сократить расход топлива. В результате устройство, потребляя на 2/3 меньше дров, давало в два раза больше тепла, нежели английские аналоги.

Печь Франклина («Пенсильванский камин»)

Воздух для горения подавался в печь снаружи по специально созданному каналу («холодный дымоход»), что позволяло максимально сохранять в помещении теплый воздух. В последующем первый вариант печи, созданный в 1742 году, был доработан Д. Ритернхаусом, оснастившим изделие угловыми панелями и L-образным дымоходом.

Чтобы увеличить продажи своих печей, Франклин в 1744 году пишет большую статью, в которой подробно излагает их преимущества и принцип действия. Ему поступает предложение запатентовать свое изобретение, но Бенджамин отказался, чтобы печью смогли пользоваться все, кто хочет.

Изучение природного электричества. Изобретение молниеотвода

До середины XVIII века электрическая природа молнии оставалась за пределами научных изысканий, так как это явление связывали с некими естественными причинами. Одним из первых усомнился в этом именно Франклин, который провел ставший знаменитым опыт с воздушным змеем.

В мае 1752 года он вместе с сыном во время грозы запустил воздушного змея, основу которого составлял деревянный каркас, обтянутый шелком. На его конце находился маленький металлический штырь (проводник). Устройство было привязано бичевкой, соединенной у земли с ключом от замка. Он использовался в качестве предмета с заостренными участками, на которых проходил визуальный коронный разряд. В ходе эксперимента Франклин планировал спровоцировать удар молнии в стержень, который должен передать часть заряда по мокрой веревке ключу у земли. Ударившая в змея молния создала вокруг ключа ореол, что стало прямым доказательством электрической природы явления.

Эксперимент Франклина с воздушным змеем. Металлический замочный ключ был предназначен для того, чтобы между ним и землей возник электрический разряд

Проведенный опыт был очень рискован, но Франклину удалось остаться целым и невредимым – помогли прочные знания в области электричества. В ходе эксперимента он находился за окном своего дома, отгородив себя от зоны поражения. Результаты исследования легли в основу изобретения громоотвода – одного из самых распространенных ныне устройств. Свои размышления на эту тему Франклин направил британским ученым, которые вызвали лишь отторжение с их стороны. Поддержали изобретателя только во Франции, где переводчик его трудов Т.-Ф. Делиба успешно установил конструкцию по схемам Бенджамина.

Сам Франклин поместил молниеотвод на крыше своего филадельфийского дома. Он представлял собой металлический остроконечный стержень высотой в 9 футов, который соединялся с колодцем железной проволокой. Она была проведена через жилую комнату и соединялась со звонком, который подавал сигнал в случае удара. Постепенно громоотводы стали устанавливать во многих домах США.

Молниеотвод 1856 года — в нём применен остроконечный шпиль предложенный Франклином. На фото хорошо видна трещина появившаяся в результате попадания молнии

Франклин выдвинул идею электродвигателя и показал действие электростатического колеса. Колесо Франклина представляет собой устройство, которое вращается под влиянием электростатических сил. Оно функционирует на основе силы отталкивания, возникающей вокруг заряженного проводника. В сильном поле рядом с его острием происходит поляризация молекул, которые притягиваются в эту область, что вызывает эффект электрического ветра.

Также ученый первым использовал электрическую искру для взрыва пороховой массы и сумел объяснить принцип действия лейденской банки. Последняя является первым конденсатором, который разработал голландский изобретатель Питер ван Мушенбрук. Франклин установил, что ключевую роль в ней выполняет диэлектрик, разделяющий проводящие обкладки.

Изобретения в области оптики

Имя Франклина хорошо известно в профессиональной среде офтальмологов благодаря бифокальным очкам, которые до сих пор широко применяются в оптометрии. Бенджамина натолкнула на мысль о создании новинки поломка собственных очков, что позволило ему провести ряд экспериментов. Сам изобретатель страдал пресбиопией и дальнозоркостью. Таким пациентам как раз показаны бифокальные очки либо необходимо пользоваться сразу двумя парами, что не всегда удобно.

Конструктивно бифокальные очки выполняются из двух частей – нижняя обеспечивает фокус на близкое расстояние, а верхняя позволяет смотреть вдаль. Их используют как для чтения, так и с целью выполнения работы на близком расстоянии.

Бифокальные очки изобретенные Франклином

Стеклянная гармоника

Музыкальные инструменты издревле изготавливали из различных материалов, но практически никогда не принимали во внимание стекло. В 1757 году в британскую столицу с дипломатическим визитом прибыл Франклин. Ряд исследователей утверждают, что идея изобретения пришла к Бенджамину после концерта Э. Дэлэйвела и австрийского композитора Глюка, выступавшего с большим успехом по всей Европе с «музыкальными стаканчиками», которые сконструировал некто Р. Пакрич.

Франклин решил усовершенствовать приспособление, чтобы на нем могли играть любые люди, а не только специально обученные. Его гармоника состояла из ряда стеклянных полусфер, которые были нанизаны на специальный металлический вал. Он вращался от ножного рычага, при этом нижняя часть полусфер погружалась в воду. Исполнитель прикладывал пальцы на различные полусферы, создавая мелодичный звук. Расположение импровизированных клавиш было аналогичным классическому роялю. Франклин вместе со своим изобретением дал несколько концертов в Европе. Успех был фантастическим, зрители принимали инструмент на ура, а гармоника в ближайший век будет неотъемлемой частью симфонического оркестра. Ряд выдающихся композиторов (Берлиоз, Бетховен, Рубинштейн, Чайковский) писали свои опусы специально для «звучащего стекла».

В видео ниже можно услышать, как звучит стеклянная гармоника при исполнении фрагмента из Щелкунчика «Танец феи Драже» (П. И. Чайковский).

Другие изобретения и предложения

Франклину принадлежал патент на изобретение кресла-коляски. Как это часто бывало с ним, изобретение произошло довольно случайно. Однажды направляясь домой, он увидел, как мать укачивала малыша и захотел вернуться в детство. Бенджамин соединил обычный стул с изогнутыми полозьями, что превратило его в очень удобное приспособление.

Американец был очень занятым человеком, которому катастрофически не хватало времени. Чтобы не быть рабом обстоятельств, он решил управлять временем, придумав собственную систему. Ее реализация позволила стать гораздо эффективнее любого среднестатистического человека. Главная идея модели Франклина – планирование деятельности, направленной на выполнение поставленной цели. Для этого она подразделяется на отдельные задачи – от краткосрочных тактических до долговременных стратегических. Ученый предложил при планировании на день дифференцировать дела по трем основаниям – первоочередные, второстепенные и малозначительные. Таким образом правильно расставляются приоритеты и время используется максимально продуктивно.

Франклину принадлежит серия исследований, связанных со штормовыми ветрами — он выдвинув теорию, объясняющую их появление. Франклин участвовал в изучении Гольфстрима и дал название этому теплому течению, поспособствовав его нанесению на физическую карту. Это случилось во время работы на почте. Наблюдательный американец заметил, что почтовые рассылки доставляются в Нью-Йорк значительно дольше, нежели в Ньюпорт. По его инициативе моряки стали наносить результаты на карту, обозначая траекторию теплого течения.

Бенджамину принадлежит идея перехода на летнее время и страхования собранного урожая. Плодовитый американец был причастен к созданию одометра, с помощью которого измеряется количество оборотов колеса и, таким образом, вычисляется пройденное расстояние.

Бенджамин Франклин умер 17 апреля 1790 года в Филадельфии. На церемонии прощания с выдающимся соотечественником присутствовали порядка 20 тысяч человек, при этом тогда в городе проживало всего 33 тысячи.