Eolipil

En eolipil, også kjent som Herons eolipil, er en enkel dampturbin uten skovler som roterer når dens dampkjele fyres opp. Dreiemoment blir produsert av dampens jetvirkning når denne går ut av turbinens dyser. På 100-tallet (etter Kristi fødsel) beskrev Heron av Alexandria denne innretningen i Romersk Egypt, og mange kilder tilskriver han denne oppfinnelsen.^[1]

Den eolipilen som Hero beskrevet regnes for å være den første omtalte dampmaskinen, eller dampturbin som fungerer etter reaksjonsprinsippet.^[2] Navnet er avledet fra det greske ordet Αἴολος og latinske ordet pila, som oversatt betyr "ballen til Aeolus", den greske guden for luft og vind.

Før Heron gjorde sin nedtegnelser, ble en enhet kalt eolipil beskrevet allerede i det 1. århundre før Kristi fødsel av Vitruvius i sin avhandling om arkitektur. Den romerske forfatteren, arkitekten og ingeniøren Vitruvius beskrev denne i sin avhandling De architectura. Imidlertid er det uklart om det Vitruvius beskriver er en lik konstruksjon eller en tidligere utgave, dette fordi han ikke nevner roterende deler.^[3]

En eolipil består av en roterende del, for eksempel en kule eller en sylinder, som er satt opp for å rotere om sin egen akse. Den har motsatt bøyd eller buede dyser montert på periferien. Når beholderen er trykksatt med damp vil denne stråle ut gjennom dysene, noe som er årsak til en skyvekraft etter rakettprinsippet.^[4] Som en konsekvens av Newtons bevegelseslover (2. og 3. lov) vil dysene produsere hver sin kraft langs forskjellige linjer vinkelrett på aksen til den roterende delens opplagringer. Kreftene som oppstår resultere i et roterende moment (mekanisk par), eller dreiemoment. Dette får kulen eller sylinderen til å spinne rundt sin egen akse. Luftmotstand og friksjonskrefter i lagrene øker raskt med økende omdreiningshastighet, slik at alt akselererende dreiemoment brukes til å motvirke friksjonen. Dermed oppstår en konstant jevn rotasjon.

Vanligvis, sier Heron, blir vannet oppvarmet i en enkel dampkjele som utgjør den faste delen som holder på plass den roterende enheten. Kjelen er koblet til den roterende delen med et par rør som også tjener som opplagring for den roterende delen. Alternativt kan den roterende delen i seg selv fungere som dampkjele, noe som forenkler ordningen for opplagring, som de da ikke trenger å lede damp til kulen eller sylinderen. Dette siste kan sees på bildet av klasserommodellen i illustrasjonen.

Både Heron og Vitruvius baserer seg på det mye tidligere arbeidet til den greske ingeniøren og matematikeren Ktesibios (285–222 før Kristi fødsel), som levde i Alexandria, Ptolemeiske Egypt. Han skrev den første vitenskapelige teksten om komprimert luft og dens bruk i pumper.

Vitruvius (født rundt år 80 før Kristi fødsel og død rundt år 15 etter Kristi fødsel) nevner eolipil ved navn:

Eolipil er hule kar av messing som har en åpning eller munningen med liten størrelse, som gjør at de kan fylles med vann. Før vannet blir oppvarmet over bålet, avgis lite vind. Så snart vannet begynner å koke, en kraftig vind strømmer ut.^[3]

Heron (levde i årene rundt 10–70 før Kristi fødsel) gjør en mer praktisk tilnærming, i det han gir instruksjoner om hvordan en eolipil kan lages:

№ 50. Dampmaskinen.

PLASER en kjele over en ild: en ball skal dreie om et dreiepunt. En ild lyser under en stor kjele, A B, (figur 50), som inneholder vann og er dekket med lokket C D; Med dette er det en forbindelse gjennom det bøyde røret E F G, i rørets ytre ende er montert i en hul kule, H K. Motsatt til ytterenden G plasses et dreiepunt, L M, som hviler på lokket C D; og la kulen inneholde to bøyde rør, som har sammenheng med den på motsatte ytre sider av dets periferi, og bøyes i motsatte retninger, bøyene er i rette vinkler og over linjene F G, L M. Når kjelen blir varm vil den bli fylt at dampen, som kommer inn i ballen gjennom EFG, passerer ut gjennom de bøyde rørene mot lokket, og får ballen til å dreie seg, som dansende figurer.^[5]

Det er ikke kjent om eolipil ble anvendt til praktiske formål i eldre tider, om den ble sett på som noe med pragmatisk nytte, en lunefull oppfinnelse, om en viste den ærbødighet, eller noe helt annet. Herons tegningen viser en frittstående enhet, og var antagelig ment som et «tempelmirakel», som mange av de andre enhetene som er beskrevet i Pneumatica.^[5]

Vitruvius på den annen side nevner bruk av eolipil for utprøving av fysiske egenskaper for været. Han beskriver eolipil slik:

…en vitenskapelig oppfinnelse for å oppdage en guddommelig sannhet som lurer i himmelens lover.^[3]

Etter å ha beskrevet enhetens konstruksjon (se ovenfor) konkluderer han:

…Således fra dette lille og svært korte eksperimentet kan vi forstå og dømme himmelens mektige og fantastiske lover og vindens natur.^[3]

• Rakettmotor