Ojciec aeronautyki

Francesco Lana de Terzi

8 maja 1654 r. w Regensburgu miało miejsce niezwykłe wydarzenie, którego świadkami byli  najważniejsi dostojnicy cesarscy z samym Ferdynandem III Habsburgiem* na czele. Otóż trzydziestka koni w dwóch grupach po sztuk piętnaście usiłowała rozerwać miedzianą kulę do której zostały zaprzężone. Mimo, iż półmetrowej średnicy kula złożona była z dwóch osobnych, niepołączonych ale ściśle do siebie pasujących półkul, spomiędzy których wypompowano powietrze nie udało się ich rozdzielić. Rzecz niezrozumiała, jako że skazywani czasem na rozdarcie końmi nieszczęśnicy dawali się rozdzielać dość łatwo i to przy mniejszej ilości zwierząt pociągowych. Tymczasem mała kula scalona jedynie ciśnieniem atmosferycznym ani myślała się poddać. Dopiero otwarcie zaworu i wyrównanie ciśnienia pozwoliło bez najmniejszego wysiłku rozebrać ją na dwie połówki.

Autorem eksperymentu i pompy próżniowej, która została w nim użyta był pochodzący z Magdeburga Otto von Guericke. Stąd też zachowane do dzisiaj w Deutsches Museum półkule nazywane są "półkulami magdeburskimi". Zainspirowany przez doświadczenia włoskiego fizyka i matematyka Evangelistę Torricellego (wynalazcy barometru) Guericke zaczął badać zjawisko ciśnienia atmosferycznego, co doprowadziło ostatecznie do skonstruowania wspomnianej pompy próżniowej. Oczywiście większości ludzi tej epoki kwestia ciśnienia, próżni itd w ogóle nie zaprzątała głowy, bo na co dzień mieli z tymi zjawiskami kontakt tyleż naturalny co nieświadomy. Niemniej wielu naukowców dość intensywnie badało owe kwestie. Guericke był bodaj pierwszym, któremu w tak spektakularny sposób udało się zademonstrować zależność ciśnienia i próżni. Podobno sam był zaskoczony, z jaka silą atmosfera może oddziaływać na przedmioty.  Jak obliczono, gdyby jego pompa była w stanie usunąć całe powietrze z kuli teoretycznie do jej rozdzielenia potrzebna byłaby siła ponad 20000 N (czyli jakieś 2,2 tony). Liczby na papierze, jakie by nie były duże, nie mogły się jednak równać z ich wizualizacją w postaci tabunu koni pokonanych przez mała kulę.

Rycina z książki Gaspara Schotta przedstawiająca eksperyment magdeburski

Guericke powtórzył swój eksperyment dwa lata później w rodzinnym Magdeburgu, tym razem wykorzystując dwa, ośmiokonne zespoły. Próbował też ważyć sfery przed i po wypompowaniu powietrza wyznaczając jego ciężar. W 1657 r. cały eksperyment wraz z leżącą u jego podstaw teorią został opisany przez Gaspara Schotta w jego Mechanica Hydraulico-Pneumatica a potem wielokrotnie powtórzony przez różnych naukowców. Jednym z nich był Robert Boyle, który zainspirowany książką Schotta udoskonalił pompę próżniową von Guericke i sformułował w 1662 r. tzw. prawo Boyle'a**:

W stałej temperaturze objętość V danej masy gazu jest odwrotnie proporcjonalna do jego ciśnienia p.

"Bezkonna" forma doświadczenia von Guericke,
pozwalająca wyznaczyć siłę z jaką ciśnienie atmosferyczne
spajało półkule.

Wstęp powyższy sprawiać może wrażenie luźnej dygresji, jednak w istocie potrzebny jest, by zrozumieć koncept stojący za pracami pewnego zdolnego, włoskiego jezuity, nazywanego czasem ojcem aeronautyki. Ale po kolei!

Nasza opowieść zacznie się i skończy w Brescia. Jest to po Mediolanie drugie co do wielkości miasto w Lombardii we Włoszech. Turystom jest ono znane głównie z kopuły nad Nową katedrą z XVIII w, która to kopuła jest trzecią co do wielości po Bazylice św. Piotra i Katedrze Santa Maria del Fiore we Florencji. Można tu też zobaczyć pozostałości Forum Romanum z I w (wpisane na listę Światowego Dziedzictwa UNESCO), bazylikę San Salvatore z VIII w czy Starą katedrę z XII w. Uzupełnia je dwunastowieczny zamek.

Jednak poza ciekawą architekturą Brescia jest też miejscem narodzin człowieka, bez którego pracy trudno byłoby sobie wyobrazić jakikolwiek lot w przestworzach. 10 grudnia 1631 r. przyszedł tu na świat Francesco Lana de Terzi.

Francesco pochodził z tzw. szanowanej rodziny (jego rodzicami byli należący do patrycjuszowskich rodów Bianca i Ghirardo Martinengo) co oznaczało, że miała ona dość pieniędzy, by młodemu człowiekowi zapewnić stosowne wykształcenie. Najprawdopodobniej na jego wczesnym etapie korzystano z prywatnych nauczycieli. Potem 11 listopada 1647 r, Francesco został nowicjuszem zakonu jezuitów i kontynuował naukę - początkowo były to dwa lata tzw. okresu próbnego i rok literatury a od 1650 r. w Collegium Romanum (obecnie mieści się tam Biblioteka Narodowa oraz Liceum E. Q. Viscontiego) dokończył studia literackie i rozpoczął trzyletni kurs filozofii.Szybko okazało się, że Francesco był niezwykle uzdolniony, szczególnie na polu matematyki i fizyki.

Od 1652 r. został uczniem  Athanasiusa Kirchera, badacza egipskich hieroglifów, twórcy teorii o mikroorganizmach przenoszących choroby zakaźne i znawcy kultury Chin, który zwracał szczególną uwagę na rolę eksperymentu w nauce. Lana de Terzi studiował też matematykę pod kierunkiem Paolo Casatiego.

Publikacja z opisem i rysunkiem "nave volante"

Od 1654r. do 1658 r. nasz bohater wykładał literaturę w kolegium jezuickim w Terni. Jeszcze w 1658 r. wezwano go do Rzymu by dokończył studia teologiczne, jednak ostatecznie stało sie to w Parmie w kolegium św. Rocha. Tuż przedtem krótko współpracował z D. Brunaccim przy badaniach mechaniki płynów w kolegium w Macerata.

W kolegium św. Rocha studiował teologię do 1662 r. W 1660 r. uzyskał zgodę na współpracę z F. Simonettą - matematykiem i inżynierem dworu książęcego. Współpraca ta dotyczyła głównie kwestii związanych z budową teleskopów optycznych. Wyświęcony w 1661 r. na księdza został wysłany do kolegium św. Antoniego, gdzie wykładał filozofię studiując równocześnie logikę i fizykę do 1665 r. Wtedy też objął funkcje prefekta akademii dla świeckich przy kolegium jezuickim. Dawało mu to nieco większą swobodę w badaniach naukowych. Wykorzystał ją wykonując szereg eksperymentów związanych z ciśnieniem atmosferycznym z zastosowaniem barometru.

Karta tytułowa Prodromo

Potwierdzenie swoich teorii na temat przyczyn złej pogody znalazł nieoczekiwanie w eksperymentach dokonanych przez członków tzw.: Accademia del Cimento, których wyniki opublikowano w 1667 r.. W 1668 r. wysłał nawet do jej członków list pochwalny (dotarł już po "rozwiązaniu" Accademii), co było o tyle ryzykowne, że jednym z założycieli i aktywnych członków był Galileusz. Nie znaczy to jednak, że de Terzi popierał teorie astronoma. Wręcz przeciwnie - jego stanowisko było sztywne i zgodne z oficjalną nauką Kościoła. Wykonał nawet szereg doświadczeń ze spadaniem swobodnym ciał, mających na celu obalenie koncepcji Galileusza.

Podsumowaniem badań, teorii,  koncepcji i pomysłów Lana de Terzii stała się praca z 1670 r. zatytułowana: Prodromo. Overo saggio di alcune invenzioni nuove premesso all'Arte Maestra, co tłumaczyć można jako "Zwiastun. Esej o niektórych nowych wynalazkach z wizerunkami".

Znaczki pocztowe różnych krajów
z wizerunkiem pojazdu de Terzi

W rzeczywistości o owych wynalazkach traktuje jeden ( a np o kryptografii trzy), ale za to fascynujący rozdział. Lana de Terzi daje w nim opis maszyny do szycia, komunikacji dalekodystansowej z użyciem armat, koncepcji pisma dla niewidomych, języka dla głuchoniemych oraz, co nas tu interesuje najbardziej cięższego od powietrza "powietrznego rydwanu" i pojazdu lżejszego od powietrza. Oprócz tego znalazła się tu matematyczno-fizyczna analiza lotu, co było kamieniem milowym w rozwoju aeronautyki. Do tej pory wszelkie próby "latania" (Ikar i Dedal, Józef z Cupertino, mnich Olivier z Malmesbury i inni) miały status legendy a w najlepszym przypadku wyolbrzymionych plotek - prawie na pewno część relacji była wyssana z palca. Lana de Terzi jako pierwszy przeprowadził teoretyczne obliczenia parametrów, jakie spełniać musiałaby machina latająca by swobodnie unieść się w przestworza i de facto udowodnił, że teoretycznie jest to możliwe a znane przykłady nie przeczą prawom fizyki i nie zawierają elementu cudu. W ten sposób stworzone zostały podwaliny aeronautyki, których ranga i znaczenie zostały docenione tak naprawdę dopiero wiele lat później, kiedy pojawiły się techniczne środki realizacji latających pojazdów.

Wspomniana w dziele Lany de Terzi machina - "nave volante" - została przez niego potraktowana ze szczególnym pietyzmem. Jezuita wymyślił dla niej bardzo nietypowy "napęd" bazując na wspomnianych na początku pracach Guericke i Boyla. Pojazd wznosić się miał nie dzięki jakiejś substancji lżejszej od powietrza lecz dzięki pozbyciu się powietrza z miedzianych kul, stanowiących część konstrukcji.

Ten swoisty "balon próżniowy" opierał się na kilku założeniach:

1. powietrze ma wagę (czego dowiódł von Guericke)
2. waga powietrza może zostać wyliczona podobnie jak waga wody
3. powietrze z dowolnej przestrzeni można całkowicie wypompować

4. za Euklidesem można przyjąć, iż objętość kuli (a zatem i masa substancji wewnątrz) zmienia się wraz z sześcianem promienia.

Jeżeli kula osiągnie, dużą średnicę, a zatem i objętość, to jej masa własna może być mniejsza, niż masa powietrza zawartego wewnątrz. Teoretycznie zatem po jego wypompowaniu otrzymamy urządzenie lżejsze od otaczającej go atmosfery, co spowoduje uniesienie całości w powietrze niczym bąbel powietrza w wodzie unoszący się ku powierzchni (zgodnie twierdzeniem Archimedesa, iż cięższe substancje wypierają na powierzchnię lżejsze).

Zaprojektowany przez jezuitę pojazd miał mieć cztery kule z cienkiej blachy miedzianej o średnicy ok. 7,5 m. Pod nimi podwieszony był przypominający łódź kosz dla sześciu pasażerów a całość miała być wyposażona w maszt z żaglem, pozwalający na sterowanie wehikułem. Według obliczeń podana średnica kul powinna wystarczyć, by po wypompowaniu z nich powietrza machina uniosła się w górę - sama kula ważyć miała 180 kg a powietrze w niej zawarte 290 kg. Obniżanie wysokości i lądowanie miało być możliwe dzięki zaworom, które wpuszczałyby stopniowo powietrze do kul. Niepotrzebne byłyby żadne porty ani lądowiska - pojazd mógłby siadać bezpiecznie nawet na łąkach i polach. Przyjecie kuli jako kształtu elementów "nośnych" miało zabezpieczać je przed zgnieceniem (po wypompowaniu z nich powietrza) w atmosferze, podobnie jak kształt jajka zapewnia mu dużą wytrzymałość z racji tego, że ciśnienie rozkłada się równomiernie na jego powierzchni.

Autor wynalazku znał ograniczenia pompy próżniowej Boyle'a - nie pozwalała ona na stuprocentowe wypompowanie powietrza. Pojawiało się też zagrożenie, że machina wznosiłaby się tak długo, aż dostałaby się w obszary gdzie ludzie nie mogliby oddychać. Tu Lana de Terzi zauważył przytomnie, ze wznoszenie ustałoby jednak na takiej wysokości, na której zmniejszona gęstość atmosfery zrównoważyłaby masę statku.

Jednym z kluczowych elementów miała być miedziana folia z której wykonano by kule. Musiała ona być jednocześnie bardzo cienka i sztywna - w przeciwnym razie ciśnienie zewnętrzne łatwo by taką kulę zgniotło. W owych czasach wykonanie folii o stosownych parametrach było technicznie niemożliwe. Teraz w zasadzie też nie...

Koncepcja Lana de Terzi spotkała się z dość szerokim odzewem wśród innych uczonych. Jego obliczenia sprawdził sam Wilhelm Leibnitz, który w 1710 r. uznał, że budowa podobnych kul jest niemożliwa (głównie z przyczyn materiałowych - zasadniczej idei nie zanegował). Mniej więcej w tym samym czasie projekt swej Passaroli inspirowanej pojazdem de Terzii przedstawił brazylijski mnich Bartolomeu Lourenço de Gusmão. Navis Aeria trafiła nawet do poezji, stając się bohaterem poematu Berbardo Zamagi pod tym samym tytułem.

Niezwykle dalekowzroczny okazał się Lana de Terzi przy teoretycznym omawianiu zastosowań swojego wynalazku. Uznał on, że byłby to idealny sposób na zrzucanie na głowy przeciwników bomb, kamieni i innych zabójczych przedmiotów. Pisał tak:

...Bóg z pewnością nigdy nie pozwoli, by taka machina powstała, jako że spowodowałaby wiele zamieszania w życiu ludzi i polityce rządów całej ludzkości. Który człowiek wskaże miasto bezpieczne przed kaprysem wroga, gdy nad jego domami i placami unosiłyby się takie statki? Fortece i miasta jednako mogłyby zostać zniszczone a powietrzne statki ujść bezkarnie zrzucając żelazo, kule ogniste i bomby z dużej wysokości.

Pewność, że Bóg nie dopuści do sukcesu przedsięwzięcia była jedną z przyczyn, dla których wynalazca nie próbował nawet zbudować swojej machiny. Była jednak i druga, znacznie bardziej trywialna:

Chętnie zbudowałbym taki pojazd, gdyby nie śluby ubóstwa, które nie pozwalają mi posiadać 100 dukatów, potrzebnych do zaspokojenia ciekawości.

Przykład zastosowania alfabet Lana de Terzii dla niewidomych

Francesco Lana de Terzi pozostawił po sobie jeszcze jeden wynalazek. Opracował on pismo dla niewidomych, w których litery zamieniono na specjalne symbole, rozpoznawane dotykiem jednego palca. Podobny system opracował znacznie później Louis Braille. Pomysł de Terzii nie odniósł sukcesu, jako że opierał się na symbolach złożonych z kresek i kropek, co nie było zbyt dobrym pomysłem - dotyk lepiej rozpoznaje same kropki. Taki z kolei system zaproponował Braille i stąd pismo dla niewidomych znane jest jako alfabet Braille'a a nie Lany de Terzi.

Alfabet Lana de Terzii dla niewidomych

Opus Magnum de Terzi miało stanowić dwunastotomowe dzieło Magisterium naturae et artis. Opus physico-mathematicum… in quo occultiora naturalis philosophiae principia manifestantur et multiplici tum experimentorum tum demostrationum serie comprobantur, ac demum tam antiqua pene omnia artis inventa, - rodzaj encyklopedii fizycznej, której pierwszy tom wydano w 1684 r. a kolejne dwa w 1686 i pośmiertnie w 1692 r.

Prodromo Lana de Terzii zostało w 1690 r. przetłumaczone przez fizyka, Roberta Hooke i rozpowszechniło się w Europie, wywołując szeroką dyskusję i inspirując wielu pionierów latania.  Sam wynalazca tego nie doczekał. Zmarł 26 lutego 1687 r. w rodzinnym mieście. Jednak dzięki zaprezentowanym w publikacji matematycznym i fizycznym podstawom teorii lotu genialny jezuita wszedł na stałe do historii aeronautyki.

---

* - jako ciekawostka pełna tytulatura tego władcy to: Ferdynand, z Bożej łaski uświęcony i wybrany cesarz rzymski, po wieki August, król Niemiec, Węgier, Czech, Dalmacji, Chorwacji, Slawonii, etc. etc. arcyksiążę Austrii, książę Burgundii, Brabancji, Styrii, Karyntii, Karnioli, margrabia Moraw, książę Luksemburga, Górnego i Dolnego Śląska, Wirtembergii, Teck etc. książę Szwabii, hrabia Habsburga, Tyrolu, Ferreti, Kyburga, Gorycji etc. landgraf Alzacji, margrabia Świętego Cesarstwa Rzymskiego, Burgau, Górnych i Dolnych Łużyc etc. pan Marchii Wendyjskiej, Salin, Port Naon etc. etc. etc.

** - Francuzi (ach, jakżeby mogło być inaczej) nazywają je prawem Mariotte'a. Edme Mariotte - francuski fizyk sformułował je niezależnie od Boyla w 1676 r., czyli, bagatela, czternaście lat później.