Известные афоризмы порой имеют явную или неявную связь с конкретным прибором, устройством или механизмом. Всем известное изречение Аристотеля «Природа не терпит пустоты» напрямую связано с изобретением барометра, хотя и было придумано задолго до его появления. Антикварные барометры занимают особое место в мире старинных предметов, объединяя в себе научные достижения прошлых эпох, высокое мастерство изготовления и изысканное оформление, делая каждый такой предмет желанным для музея или частной коллекции. В этой статье мы рассмотрим историю появления антикварных барометров, их основные виды и особенности конструкции, а также коснёмся деталей их корпусов. Когда-то на них посматривали с надеждой на хорошую погоду или её перемену в лучшую сторону. Сейчас же уцелевшие экземпляры прошлых веков представляют значительный интерес для коллекционеров, ценителей антиквариата и любителей классического интерьера.
Антикварный барометр-анемометр
История барометра
Хотя изобретение барометра приписывают Эванджелисте Торричелли в 1643-1644 гг., идея об этом приборе возникала в умах учёных и ранее. Отправной точкой здесь можно считать переписку 1630 года Джованни Баттисты Балиани с Галилео Галилеем, в которой Балиани удивлялся потере работоспособности сифона, поднятого на высоту в два десятка метров. Галилей же посчитал, что в низине воду удерживает сила вакуума, но при наборе высоты количество воды просто становится слишком большим, преодолевая эту силу. Французский ученый и философ Рене Декарт описал конструкцию эксперимента по определению атмосферного давления еще в 1631 году, но нет никаких доказательств, что он построил работающий барометр в то время. В конце 1638 года Физики Гаспаро Берти и его отец Рафаэль Маджиотти провели эксперимент, наполнив водой длинную трубку с закрытым верхом, а затем поставив её в таз с водой. Учёные убедились, что из трубки вытекла только часть воды, оставив в верхнем конце трубки промежуток, где не могло быть воздуха. Казалось бы, это и есть барометр, но полученное устройство нельзя было перемещать и регистрировать переменное давление воздуха.
Принцип действия ртутного барометра
В чём же заслуга Торричелли, как изобретателя? У него на руках были все документы, оставшиеся от Галилея (в том числе, рассуждения о природе давления). Галилей признавал невесомость воздуха как простую истину. Торричелли шагнул дальше, посчитав, что воздух имеет вес, который давит на воду, удерживая часть её в трубке в виде столба. Так было обосновано атмосферное давление. В видении Торричелли он создал прибор, измеряющий вес, поэтому в названии «барометр», позже придуманном ирландским натуралистом Робертом Бойлем, соединились древнегреческие слова βάρος (барос – «вес») и μέτρον (метрон – «мера»). Экспериментировать с водой Торричелли было неудобно: чтобы осуществить опыт, требовалась трубка высотой в десять с половиной метров (столб воды в 10,3 м уравновешивает давление атмосферы). А в то время громоздкие приборы вызывали у обывателей опасение, что их владельцы – колдуны или чародеи. В качестве жидкости тяжелее воды Торричелли выбрал ртуть. Теперь достаточно было взять трубку высотой 80 см. В результате получилась конструкция, которая легла в основу барометров нескольких последующих веков.
Барометр и высотометр в одном устройстве
Блез Паскаль, размышляя о том, какая же сила удерживает часть ртути в трубке и что заполняет пространство над ртутью, провёл первые эксперименты по изучению зависимости атмосферного давления от высоты. Оказалось, что ртутный столбик прибора, доставленного на горный пик Пюи-де-Дом (1460 м) или на вершину колокольни церкви Сен-Жак-де-ла-Бушери (около 50 м), будет меньше аналога, оставшегося внизу. В сентябре 1648 года Перье тщательно и скрупулезно провел такой же эксперимент, подтвердив результаты Паскаля, что на высоте давление меньше: столб ртути опускался по мере того, как барометр поднимался на большую высоту. Поэтому и барометр, и высотометр выросли из одного корня, но нашли себе разное применение. Отто фон Герике 5 декабря 1660 года обнаружил, что атмосферное давление было необычно низким, и предсказал шторм, который и произошел на следующий день. Это дало начало прогнозированию погоды, исходя из перемены атмосферного давления.
Единицы измерения атмосферного давления
Зависимость снижения атмосферного давления от высоты в мм рт. ст. и Паскалях
Взглянув на барометр, мы часто увидим несколько шкал. Зачем они, если в любом случае мы хотим увидеть значение атмосферного давления? Узнав историю экспериментов по измерению давления, нам становится понятным выражение «миллиметры ртутного столба» (англоязычное общество традиционно использует «дюймы ртутного столба»). Это та высота, на которой останавливается ртуть в трубке под текущим давлением воздуха. Поменяется значение давления, изменится и высота ртутного столба. Из уважения к Торричелли единицу «мм рт. ст.» иногда именуют «торр» (Torr), однако это обозначение применяется редко. Физики предпочитают измерять давление в Паскалях, отдавая почести эксперименту этого учёного. Паскаль (Па) – основная единица, входящая в Международную систему единиц (СИ). 1 Па равен давлению, создающему силу в 1 ньютон, равномерно распределённую по площади 1 кв.м. При этом 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па. Метеорологам удобнее вести измерения в гектопаскалях (гПа) или миллибарах (мбар) при равенстве этих единиц друг другу. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли колеблется от 940 до 1040 гПа (мбар). Обилие техники привело к появлению ещё нескольких единиц измерения давления. Например, Физическая атмосфера (атм) основывается на среднем атмосферном давлении на уровне моря: 1 атм = 760 мм рт. ст. = 1013 гПа (мбар), а техническая атмосфера (98 066,5 Па) применялась в некоторых технических системах. Некоторые барометры ещё снабжены шкалой измерения высоты.
Типы барометров
Пример ртутных барометров (слева и справа) и шкала (в центре)
Исходя из распространённой единицы «мм рт. ст.», самую большую известность в ушедшие века получили ртутные барометры. Ртуть в трубке перемещается до тех пор, пока её вес не уравновесит силу атмосферного давления, действующую на резервуар. Высокое атмосферное давление оказывает большее давление на резервуар, поднимая ртуть выше в столбике. Низкое давление позволяет ртути опускаться в столбике, уменьшая силу давления на резервуар. Поскольку более высокие температуры вокруг прибора снижают плотность ртути, шкала для измерения высоты ртути корректируется с учетом этого эффекта. Громоздкость и хрупкость – главные недостатки ртутного барометра. Зато в его достоинствах высокая точность и независимость от внешних факторов. Впрочем, эра ртутных барометров подходит к концу. Ещё в 2007 году ЕС запретил производство приборов, в которые входит ртуть. Компаниям, ранее занятым в этой стезе, пришлось перепрофилироваться или заниматься исключительно ремонтом ранее выпущенных образцов. И всё же на антикварном рынке остаётся значительное число ртутных барометров.
Средневековые опыты с водяными барометрами и барометр Берта Болле в специально выстроенной для него башне
Водяные барометры – другой вид жидкостных барометров, из получивших широкое распространение. Здесь успеха в 1646 году добился всё тот же Паскаль, соорудив уличный барометр в Руане, а в 1860 году аналогичное устройство в Магдебурге создал Отто фон Герике, прославившийся всем известным опытом с магдебургскими полушариями, тоже основанными на давлении. Однако эти барометры достаточно громоздки – более 10 м. Среди наивысших из них двенадцатиметровое устройство, сконструированное в 1987 году хранителем Музея барометров Бертом Болле и установленное в этом самом музее (г. Мартенсдейк, Нидерланды), а затем перевезённое в Австралию. Самым высоким считается барометр Портлендского государственного университета, чей столб высотой 12,4 м, но его заполняет не вода, а масло двойной дистилляции.
Самодельный водяной барометр (в центре) и промышленные версии (слева и справа)
Если мы не гонимся за большой точностью предсказаний, то водяной барометр можно получить и комнатного размера. Его легко сделать самому из пластиковой бутылки со срезанным горлышком и гибкой трубки. При низком давлении уровень подкрашенной для наглядности воды в открытом носике поднимается выше уровня воды в герметичном корпусе, а когда давление высокое, уровень воды в носике опускается ниже уровня воды в корпусе. Немцы часто называют его «барометр Гёте», хотя он не был изобретателем этого типа барометра.
Классический штормгласс (в центре) и его современные версии (слева и справа)
Ещё один вид устройства с жидкостью, предсказывающего погоду – это штормгласс (от «storm» — «буря» и «glass» — «стекло»). К барометрам его ранее причисляли, поскольку предполагалось, что более низкое атмосферное давление приводит к временному пересыщению раствора, из-за чего в нём образуются кристаллы. Однако современные методы склоняются к тому, что роль давления здесь невелика (если вообще есть), а изменения в растворе происходят из-за возмущения геомагнитного поля. Тут чистая вода не подойдёт, поскольку внутрь этого стеклянного барометра заливают раствор из камфоры, хлорида аммония и калийной селитры. Погоду здесь предсказывают не по миллиметрам ртутного столба, а по изменению жидкости. Если она прозрачна, будет солнечно. Иглистые кристаллы предупреждают о заморозках, а нити у поверхности – о сильных ветрах. Если же при ясной погоде в прозрачной жидкости быстро сформируется крупный кристалл, жди грозу. Такое устройство ещё именуют «барометр адмирала Фицроя», поскольку этот офицер подробно описал действие штормгласса во время экспедиции на корабле «Бигль», в составе которой был и Чарльз Дарвин. Данный химический прибор тоже можно создать самому, если следовать инструкции «Загадочная Ампула» из приложения «Для умелых рук» к журналу «Юный техник» (№ 1, 1989 г.).
Ранний морской барометр фирмы Nairne & Blunt
Морские барометры – отдельная история, поскольку при качке ртуть ударялась о верхний конец трубки, и прибор приходил в негодность. Опыты Амонтона, Де Люка, Пассемана, Магеллана и Блондо не привели к существенным результатам. Здесь больше всех преуспел Роберт Гук. В 1668 году его морской барометр, сделанный Генри Хантом, начал новую эру в мореплавании, дав морякам возможность точного прогнозирования. Использование Гуком наполненных водородом контейнеров и цветного миндального масла повысило видимость столбика и чувствительность прибора, который хвалил Эдмунд Галлей при путешествии по Южной Атлантике (1698-1700 гг.). Впрочем, некоторые считают, что данную эру открыл морской барометр, созданный в начале 1700-х гг. Эдвардом Нэрном. Он выбрал прямые, суженные трубки, установленные на досках, в сочетании с карданной подвеской для обеспечения вертикальной ориентации и устойчивости при морской качке. Устройство Нэрна хорошо зарекомендовало себя во время второго путешествия Джеймса Кука в Южный Тихий океан, а также трёхлетнего плавания Мэтью Флиндерса из Новой Голландии в Новый Южный Уэльс. Впоследствии компания Nairne & Blunt задала стандарты морских барометров вплоть до конца XIX века.
Устройство колёсного барометра и его шкала
Разглядывать крохотные деления на небольшой трубке было крайне неудобно. И здесь поворотным моментом стало изобретение колёсных барометров. Главное внимание уделено не шкале с мелкими делениями, а крупным указаниям «Дождь», «Переменная погода», «Сухо» и пр. На примере выше «Шторм» соответствует 28 дюймам ртутного столба, «Дождь» — 29, «Переменная погода» — 29,5 и «Ясная погода» — 30, а также «Великая сушь» — 31. Теперь трубка из стекла пряталась внутри прибора. Она имела форму буквы «J», длинная часть которой герметично закрыта, а в короткую есть доступ воздуха. Над ртутью плавает небольшой стеклянный поплавок, от которого протянута тонкая шёлковая нить, проходящая над колесом и прикреплённая к противовесу в другой стеклянной трубке. Колесо вращает стрелку на передней части барометра. По мере повышения атмосферного давления ртуть перемещается с короткого плеча на длинное, поплавок опускается, и стрелка уходит с прежнего места. Когда давление падает, ртуть возвращается обратно, поднимая поплавок и поворачивая стрелку в другую сторону.
Колёсный барометр и его шкала крупным планом
В 1810 году начинается широкое распространение этого прибора. Из-за простоты показаний колёсные барометры стали невероятно популярными среди фермеров в первой половине XIX века. На примере выше видно, что шкала на циферблате вторична, ведь её сделали даже не с десятичными делениями: между «28» и «29» их всего 18, зато между «29» и «30» — уже 22, а между «30» и «31» их число сокращается до 20. Это означало, что на шкалу особо внимания не обращают. Главным было, на какую из надписей указывает стрелка. Чем больше сделать диаметр циферблата, тем шире будет дуга перемещения стрелки, поэтому показания уличных барометров были видны издалека.
Антикварный барометр-анероид
Следующий виток эволюции был за механическими барометрами или анероидами. В их основе герметичный металлический цилиндр с гофрированными тонкими стенками, внутри которого воздух максимально разрежен. Сверху к нему крепится гибкая пружина. При повышении атмосферного давления гофры капсулы сжимаются и тянут пружину на себя. При понижении капсула, наоборот, раздувается и толкает пружину. Пружина, в свою очередь, через систему рычагов передает сокращения на стрелку, расположенную на циферблате. Помимо основной стрелки, которая постоянно в движении, анероиду придают ещё одну, чтобы запомнить прежнее значение для фиксации изменений.
Устройство барометра-анероида. 1 - герметичный металлический цилиндр, 2 - система рычагов, 3 - нить, 4 - стрелка с обозначенной осью вращения, 5 - циферблат со шкалами, 6 - корпус, 7 - стекло
Цилиндр обычно делают из сплава бериллия и меди Устройство очень удобно, но надо учитывать поправки на температуру (упругие свойства цилиндра зависят от температуры) и на износ (упругость цилиндра и пружины меняется со временем). Анероидные барометры также имеют механическую регулировку зависимости от высоты: циферблат поворачивается так, чтобы отображалось текущее атмосферное давление от известного точного барометра. Принцип действия анероидного барометра описал ещё около 1700 года Лейбниц, но впервые его в 1844 году продемонстрировал французский физик Люсьен Види, увлечённый паровыми и часовыми механизмами. Поэтому анероиды на его родине частенько именуют «Капсула Види».
Барограф и его цилиндры крупным планом
В свою очередь анероиды породили барографы для непрерывной регистрации атмосферного давления. Правда, англичане утверждают, что первый такой прибор ещё в 1760-х гг. создал часовщик и механик Александр Камминг, чья анероидная капсула придумана задолго до изобретения Види. Австрийцы же приводят в пример их Карла Крейля, описавшего подобную машину за год до появления анероида Види. Однако обычно фиксируется не задумка, а результат, нашедший успешное и стойкое применение. Здесь в 1845 году проявил себя почетный директор обсерватории Кью сэр Фрэнсис Рональдс. Его барограф был ртутным, но именно анероиды доказали преимущество на этой стезе. В барографе одна или несколько анероидных ячеек через зубчатую передачу или рычаг приводят в движение записывающий рычаг, на конце которого находится либо пишущая головка, либо перо. Пишущая головка записывает данные на закопченной фольге, а перо — на бумаге чернилами, удерживаемыми в наконечнике. Записывающий материал устанавливается на цилиндрический барабан, который медленно вращается с помощью часового механизма. Скорость вращения задаётся пользователем (например, один оборот в день, в неделю или в месяц).
Смартфон Galaxy Nexus и часы Timex Expedition WS4 со встроенным барометром
Современный мир собрал множество разноплановых устройств (портативный компьютер, телевизор, магнитофон, часы, видеокамеру и пр.) в корпус смартфона. Было бы удивительно, если бы кому-то в голову не пришла идея добавить к этой большой команде ещё и барометр. MEMS-барометры – это микроэлектромеханические системы размером от 1 до 100 микрометров. Они вставлены в ряд моделей Samsung Galaxy, Motorola Xoom и iPhone. Отыскать их можно и в умных часах Timex Expedition WS4. Работают они на технологиях MEMS и пьезорезистивного измерения давления.
Антикварные барометры в интерьере
Колёсный барометр эпохи Георга II производства Джона Холлифакса из Барнсли
Поначалу барометр оставался далёким от жизни обычных людей. Поэтому любителей антиквариата призывают забыть о покупках барометров XVII и большей части XVIII века. Например, на торгах Аукционного дома Christie's экземпляр эпохи королевы Анны работы Даниэля Куэра ушёл за 20 000 фунтов стерлингов без учета НДС. Но внезапно всё изменилось. Большому количеству более поздних устройств на рынке древностей мы обязаны поветрию моды. Во второй половине XVIII столетия барометры, предсказывающие погоду, неожиданно получили огромную популярность в качестве интерьерного и уличного украшения. При этом домашний прибор мог и не хвастать особой точностью показаний: главным была его эстетика. Облачение ртутных трубок в исполнении великих краснодеревщиков того времени потрясало. Казалось, традиционные напольные и настенные часы с богатой отделкой вот-вот отправятся в кладовые, а их место займут не менее впечатляющие барометры.
Барометры Луиджи Поцци (слева) и Ортелли (справа) на фоне нижней и верхней части стержневого барометра Ортелли
На Британских островах произошло интересное столкновение итальянской и местных школ. Сначала здесь главенствовали итальянцы, с подачи которых барометры и появились массово в Соединённом Королевстве (до этого прибор могли увидеть разве что в руках учёного или в его лаборатории). Однако вскоре британские мастера придумали эффектный ход: трубки заключали в изящные деревянные корпуса, что защищало ртуть от излишнего нагрева, а стекло – от случайного удара. В ранних моделях трубку видно было только в прорезь, рядом с которой расчерчивали шкалу (обычно от 28 до 31 дюйма). Иногда к ней добавляли ещё одну – скользящую и более мелкую (нониус или верньер), позволяющую отмечать перемещение ртутного столбика на сотые доли дюйма. Для защиты шкалы служили стеклянная дверца, а сам барометр венчал внушительный фронтон. Искусная резьба и отделка из редких пород делали барометр настоящим сокровищем. Для примера стержневых барометров мы взяли изделия мастерских Luigi Pozzi и Ortelli & Co.
Примеры «барометров-банджо»
Расцвет этих устройств пришёлся на эру колёсных барометров, чья круглая шкала требовала широты, и этот участок выделялся на фоне других, более узких. Мастера придали футляру гармоничный плавный переход, из-за чего такие приборы получили прозвище «банджо-барометры». Их ртутный резервуар и круглая шкала находились в нижней (широкой) части корпуса, а наверху, в зауженный «гриф» обычно встраивали термометр. Надо заметить, что многие эксперты по антиквариату сильно раздражаются, услышав термин «барометр-банджо». Еженедельник 1816 года писал: «Барометры стали очень модным предметом мебели от самых великолепных зданий до самых убогой лачуги. И все же мало кто использует их для чего-либо, кроме как для проверки высоты или понижения ртути и выражения удивления по поводу наблюдаемых показаний». Домовладельцы решительно меняли старые модели на новые, поэтому стержневые барометры конца XVIII и начала XIX веков, как правило, стоят дороже колёсных.
Примеры фронтонов: круглый верх (слева), разорванный треугольник (справа сверху), с завитками (справа снизу)
Колёсные барометры обычно подразделяют по фронтону корпуса, диаметру циферблата и количеству содержащихся в них устройств (порой такой предмет – это компактная метеорологическая станция). Среди фронтонов изначально преобладал круглый верх, который в 1810-е гг. уступил популярность разорванному. Проще всего его описать треугольником с выемкой в центре, из-за чего фигура теряет вершину. Для красоты в разрыв обычно вставляют латунный элемент – навершие. Ему на смену пришёл фронтон с завитками, который часто именовали «лебединые шеи», а после в моду снова вошёл треугольник и для ртутных приборов, и для анероидов. Кроме этих типов распространение получили фронтоны с верхом-луковкой и фронтоны с элементами, напоминающими свиток с закруглёнными концами.
Барометр с тремя стёклами
Барометр не вытеснил из гостиных и спален часы в том числе и по причине, что часовой механизм начали встраивать в тот же корпус. А ведь тут частенько уже присутствовал термометр. И это был далеко не полный комплект, поскольку сюда же могли добавить гигрометр и уровень. На древних барометрах обычно встречаются часы-фузея, внутри которых есть специальное устройство для выравнивания крутящего момента. Даже после того, как английский часовщик Томас Мьюидж предложил механизм со свободным анкерным ходом, фузеи долгое время считались традицией, от которой не следует отказываться (в морских хронометрах фузеи широко применялись вплоть до 1970-х гг.). Каждому из устройств многофункционального барометра отводилась своя дверца с окошком, снабжённым плоским или выпуклым стёклышком. От этого элемента возник термин «glass» («стекло»). Поэтому, наряду с привычным «барометр с тремя циферблатами», можно нередко услышать «барометр с тремя стёклами».
Примеры барометров в стиле Sheraton
Интересно также распределять барометры по величине их циферблата. Джин Гуд (Jean Hood), потратившая много времени на изучение царства барометров, выделяет устройства, которые массово закупались компанией Sheraton для размещения в отелях этой сети. Она замечает, что благодаря этому восьмидюймовые циферблаты стали практически стандартом и ориентиром для прочих мастеров. В изящных английских барометрах эпохи Регентства (определяется периодом с 1811 по 1820, а порой и до 1830 г.) распространены десятидюймовые циферблаты, всё же уступая первенство восьмидюймовым. Более громоздкие барометры встречаются куда реже, но можно вспомнить о выпуске барометров с пятнадцатидюймовыми циферблатами для вместительных общественных зданий (например, вокзал).
Инкрустация
Материал для корпуса практически целиком зависел от моды на мебель, ведь барометр должен гармонично вписаться в прочую обстановку. Джин Гуд отмечает, что в XVII веке доминировала мебель из дуба, но в конце этого столетия и начале следующего в моду вошёл орех. После 1730 года на рынке появилось импортное красное дерево, не только красивое, но и устойчивое к древесным жукам. Мода на мебель из красного дерева держалась более века, пока при королеве Виктории англичане снова не увлеклись орехом и дубом. В отделке применялись различные методы, среди которых поперечные полосы, шпонирование, линейная и прочие виды инкрустации. Очень интересное сочетание здесь даёт тёмный палисандр и переливы перламутровых пластинок. Однако встречается и латунные элементы. Сочетание методов позволяло создавать на корпусах привлекательные мозаичные картины.
Циферблат с указанием фирмы-изготовителя и места производства
Цена антикварных барометров часто зависит не только от привлекательности их внешнего вида и степени сохранности, но и от мастера. Обычно на барометрах проставляли не только изготовителя, но и адрес его мастерской, а там могла работать целая команда. Хотя перед именем порой и значится «fecit» («он сделал» на латыни), это ещё не означает, что барометр вышел именно из рук данного мастера. В справочнике Эдвина Банфилда насчитывается более трёх тысяч идентифицированных имён, однако часть из них принадлежит либо пунктам сборки барометров из запчастей, либо розничным торговцам. Имя и адрес могут относиться к разным лицам, поскольку имя обычно ассоциировалось с изготовителем, а вот в качестве адреса часто фигурировал конкретный розничный магазин. Идентификация происхождения барометра затрудняется ещё и тем, что различные этапы изготовления его элементов отдавали разным мастерам или мастерским.
Антикварный барометр-анемометр
Казалось бы, сейчас комнатные барометры – полный анахронизм. Однако и ныне этот прибор порой включают в механические часы и электронные устройства. Да, он уже не требуется для предсказания погоды, поскольку над расчётом её изменений сейчас трудятся мощнейшие компьютеры, а высчитанные ими прогнозы мы узнаём из сервисов интернета. И всё же антикварные барометры остаются подлинными свидетелями своей эпохи, являя удивительное сочетание инженерного мастерства, художественной ценности, а также исторического наследия. И в наши дни такие предметы сохраняют свою эстетическую привлекательность, а цена на них со временем лишь растёт. Любой из них передаёт будущим поколениям человечества накопленный ранее опыт, заключённый в каждом собранном механизме за прозрачной дверцей и каждой его детали.
