Как в древности получили огонь?
Первое время огонь вызывал панический страх первобытных людей. Как только в сухое дерево попадала молния, и оно загоралось, древние люди в страхе разбегались так же, как это делают сейчас дикие животные. Однако с течением времени люди поняли, что огонь может быть очень полезен: он согреет и высушит, с его помощью можно приготовить пищу и отпугнуть подкрадывающихся в темноте злобных зверей. Так люди поняли ценность огня.
Приручение стихии
Ещё люди обнаружили, что, сжигая деревья, огонь оставляет невредимыми камни. Камни не горят, следовательно, если окружить костёр камнями, огонь не вырвется за пределы этого ограждения. Так появился первый очаг. Нагретые камни долго сохраняют тепло, и возле них можно греться, даже когда огонь погас.
Добыть искру
Сохранение огня стало важным делом древних женщин, хранительниц очага. Если пламя гасло, жили в темноте и холоде, пока случайная молния не воспламенит дерево или пока соседи не поделятся огнём. Так было до тех пор, пока люди не научились добывать огонь.
Свойства огня
Огонь не только даёт свет и тепло, но и изменяет свойства веществ. Обожжённый конец деревянного копья становится твёрже, а поджаренное на огне мясо — мягче. Обнаружив, что древесина в костре превращается в уголь, оставляющий след на камне, люди стали при свете огня рисовать на стенах пещер — возникла графика, новый жанр изобразительного искусства. В углях стали запекать плоды и коренья, изменяя их вкус, — так зарождалась кулинария, искусство обработки пищи.
Открытие огня первобытными людьми
Дата публикации:
Автор:
Раздел сайта:
Открытие огня, по словам Энгельса, «впервые доставило человеку господство над определенной силой природы и тем окончательно отделило человека от животного царства».
Превращение Дикого огня в Домашний
Полезные свойства огня: его свет, способность согревать и размягчать растительную и животную пищу — заставили первобытных людей позаботиться о его поддерживании. Постоянно подбрасывая в костер дрова и зажигая новый факел от потухающего, люди старались сохранить огонь.
Тем самым «дикий» огонь постепенно превращался в «домашний».
Прошло много времени, пока человек научился не только сохранять, но и добывать его, однако и после этого люди стремились постоянно поддерживать огонь, так как способы добывания его были слишком трудоемкими.
Русский путешественник Н. Н. Миклухо-Маклай, проживший в 1870-х годах несколько лет среди папуасов на северо-восточном берегу острова Новой Гвинеи,
наблюдал, как туземцы поддерживали постоянный огонь в своих жилищах или около них. Они носили его в виде головешек или зажжённых сучьев на свои поля, брали с собой при своих путешествиях по суше и морю.
Способы добывания огня древними людьми
Существовали самые различные способы искусственного добывания огня. Археологические и этнографические материалы дают все основания предполагать, что наиболее древними способами добывания огня являлись:
Орудия для добывания огня трением и сверлением
Выскабливание огня
При выскабливании (или выпахивании) огня деревяшку в виде полена, в которой имеется мелкий желобок или бороздка, слепо оканчивающаяся, удерживали коленом. Затем заостренной деревянной палочкой обеими руками водят по бороздке вперед и назад под углом в 30—35°. При большой скорости движения палочки бороздка выскабливается, в конце ее собираются опилки, которые через некоторое время начинают тлеть. При раздувании они загораются.
Высверливание огня
Наиболее широко во всех частях света применялось высверливание огня. Этот способ состоит в том, что кусок сухого дерева, в котором делается небольшое углубление, кладут горизонтально и поддерживают ногами. Деревянная палочка с несколько закругленным концом вставляется в углубление и затем быстро вращается руками.
В результате трения происходит нагревание, и сухой мох, положенный в углубление, опилки или другой какой-либо загорающийся материал воспламеняется.
Этот способ был постепенно усовершенствован: вместо палочки стали применять лук, ременная тетива которого охватывала петлей вертикальную палочку. Быстрее всего огонь возникал при вращении вертикальной палочки посредством лука или веревки (ремешка), охватывающей ее петлей.
Более поздним способом высверливания огня явилось применение так называемого насосного сверла. В этом инструменте к нижней части сверлящей палочки прикреплялся маховичок, а с верхнего конца палочки в обе стороны шли короткие шнуры, свободные концы которых соединялись между собой горизонтальной палочкой. Если постепенно начать двигать палочку, то шнуры, предварительно намотанные на сверло, будут сматываться. Палочка начнет быстро вращаться, в результате чего образуется сильное трение. Насосное сверло дает огонь в несколько секунд.
Изобретение сверления
Крупнейшим изобретением этого времени является сверление, применявшееся как для добывания огня, так и для изготовления орудий.
Вначале сверление производилось сверлом, состоявшим из палочки с укрепленным на конце камнем. Для усиления действия сверла использовали песок и воду. Затем человек стал применять для сверления пустотелую кость и, наконец, изобрел специальные сверлильные снаряды.
Выпиливание огня
Древесина бамбука богата кремнеземом, поэтому очень тверда и сильно нагревается от трения, а сердцевина его способна легко воспламеняться.
Высекание огня при ударе камня о железо
Высекание огня при помощи кремня и металла, появившееся значительно позднее других способов добывания огня, продержалось вплоть до появления спичек.
Первоначально руда, серный колчедан (или пирит) заменяли металл (железо).
Для успешного применения этого способа необходимо иметь трут, без которого невозможно уловить искру.
Появление огня – новый этап развития человеческого общества
Использование огня явилось одним из величайших открытий в истории человечества. Оно дало возможность победить тьму, избавило человека от постоянного страха перед мраком, открыло способы борьбы с холодом, улучшило питание, подняло производительность труда и таким образом сильно способствовало развитию общества.
Совместная трудовая деятельность, общее жилище, общий огонь, согревавший его обитателей, — все это с естественной необходимостью сплачивало и объединяло людей. В своей деятельности человек стал применять большое количество простых орудий. С этого времени начался новый этап в развитии человеческого общества, длившийся с 40 до 12 тыс. лет до н.э., т.е. весь поздний палеолит.
Техника этого этапа характеризовалась накоплением простых орудий, которые создавал человек уже современного типа (Homo sapiens).
Каменные орудия труда у первобытных людей
Возникновение земледелия и скотоводства
История открытия меди. Первое применение металла
История открытия железа
Разработка полезных ископаемых в древности
Каменный топор и мотыга – составные орудия труда
История огня детям
Появление огня в жизни человека подняла его на более высокий уровень своего развития. Именно он позволил человечеству расширить сферу своего обитания, освоить холодные широты и кардинально изменил их вкусовые предпочтения, да и готовить пищу на огне изменило и мышление, и гастрономические предпочтения. Но это были начальные изменения, произошедшие с земным человеком, впереди ждал прогресс.
Приручить огонь первобытному человеку было сложно. Процесс занял не один этап эволюции (более 400000 лет назад), но данные не точные, ученые до сих пор не пришли к единому мнению и споры точатся до сих пор. Известно, что первыми людьми, освоившими огонь были жители Восточной Африки, Азии.
История возникновения огня в первобытном строе
Согревающая сила огня
Собираться вокруг костра и готовить на нем мясо и другую еду передалась нам от наших древних предков. Красота и тепло костра сближало всех участников групп. Кроме приготовления пищи, огонь согревал в холодные дни и ночи, и объединяло везде себя не одно племя людей. Огонь научил людей защищать себя и своих родных. Огня боятся многие хищные животные, которые всегда нападали на человека. С освоение силы огня изменилось и поведение. Люди адаптировались к новым условиям жизни. В жареном мясе погибали паразиты и насекомые, ранее отравляющие тело и забирающие жизнь неандертальцев.
Жареное мясо коренным образом изменило рацион питания, люди научились готовить такую пищу. Белок, которого так много в мясе повлиял на развитие телесной структуры людей. Поведение и тело изменились. Древние стали меньше болеть и умирать от голода, от нападения хищных зверей. Исчезала дикость, на смену ей шла цивилизация. Огонь помог людям лучше приспособиться к непредсказуемым условиям окружающей среды. Он стал лучшим помощником, светил и освещал.
В целом, огонь сделал людей сильнее. Как источнику тепла и защиты люди поклонялись ему, приносили жертвоприношения.
Как появился первый огонь у человека
Многие ученые считают, что человек стал человеком во многом благодаря тому, что сумел «укротить» огонь, и научился его использовать себе во благо, прежде всего, проводить термическую обработку пищи.
В те далекие времена, когда человек только-только стал на ноги, огонь на Земле возникал в двух случаях – при попадании молнии в дерево или в процессе извержения вулканической лавы. Как, когда и кому «пришло в голову» впервые попробовать пищу, поджаренную на огне, неизвестно. Но, в процессе своей эволюции, человек сообразил, что, используя огонь, можно значительно улучшить качество своей жизни.
Пока древние люди не нашли способа искусственным путем извлекать огонь, они использовали дары природы, однажды возникший огонь человек бережно оберегал, постоянно поддерживая горение углей.
Недавно испанскими археологами была найдена пещера эпохи начала Четвертичного периода, Плейстоцена Калабрийского яруса (примерно 800 000 лет назад), в которой имеются бесспорные доказательства того, что древние жители пещеры умели искусственным путем добывать огонь. К такому выводу эксперты пришли после исследования 165 камней и 2500 костей, которые попали в костер древних людей. Работы велись на протяжении 5 лет. Геология пещерного жилища и высота столба огня не позволяют думать, что костер разгорелся случайно.
Данная находка подтверждает теорию, согласно которой люди впервые добыли огонь в Африке 1 миллион лет назад. После этого рукотворное пламя разошлось по всему миру. Люди последовательно начали добывать огонь на Ближнем Востоке, а затем и в Европе.
Что такое огонь, и почему он жжёт
Недавно я разжигал на пляже огонь и понял, что я ничего не знаю про огонь и про то, как он работает. К примеру – что определяет его цвет? Поэтому я изучил этот вопрос, и вот что я узнал.
Огонь
Огонь – устойчивая цепная реакция, включающая горение, которое представляет собой экзотермическую реакцию, в которой окислитель, обычно кислород, окисляет горючее, обычно углерод, в результате чего возникают продукты сгорания, такие как диоксид углерода, вода, тепло и свет. Типичный пример – горение метана:
Тепло, возникающее при горении, может использоваться для питания самого горения, и в случае, когда этого достаточно и дополнительной энергии для поддержания горения не требуется, возникает огонь. Чтобы остановить огонь, можно удалить горючее (отключить горелку на плите), окислитель (накрыть огонь специальным материалом), тепло (сбрызнуть огонь водой) или саму реакцию.
Горение, в некотором смысле, противоположно фотосинтезу, эндотермической реакции, в которую вступают свет, вода и диоксид углерода, в результате чего возникает углерод.
Есть искушение предположить, что при сжигании дерева используются углерод, находящийся в целлюлозе. Однако, судя по всему, происходит нечто более сложное. Если подвергнуть дерево воздействию тепла, оно подвергается пиролизу (в отличие от горения, не требующему кислорода), преобразующий её в более горючие вещества, такие, как газы, и именно эти вещества загораются при пожарах.
Если дерево горит достаточно долго, пламя исчезнет, но тление продолжится, и в частности дерево продолжит светиться. Тление – это неполное горение, в результате которого, в отличие от полного горения, возникает монооксид углерода.
Пламя
Пламя – видимая часть огня. С горением возникает сажа (часть которой является продуктом неполного горения, а часть – пиролиза), которая разогревается и производит тепловое излучение. Это один из механизмов, придающих огню цвет. Также при помощи этого механизма огонь разогревает своё окружение.
Тепловое излучение производится из-за движения заряженных частиц: всё вещество положительной температуры состоит из движущихся заряженных частиц, поэтому оно излучает тепло. Более распространённый, но менее точный термин – излучение абсолютно чёрного тела. Это описание относится к объекту, поглощающему всё входящее излучение. Тепловое излучение часто аппроксимируют излучением АЧТ, возможно, помноженным на константу, поскольку у него есть полезное свойство – оно зависит только от температуры. Излучение АЧТ происходит по всем частотам, и при повышении температуры повышается излучение на высоких частотах. Пиковая частота пропорциональна температуре по закону смещения Вина.
Повседневные объекты постоянно излучают тепло, большая часть которого находится в инфракрасном диапазоне. Его длина волны больше, чем у видимого света, поэтому без специальных камер его не увидеть. Огонь достаточно ярок для того, чтобы выдавать видимый свет, хотя и инфракрасного излучения у него хватает.
Другой механизм возникновения цвета у огня – спектр излучения сжигаемого объекта. В отличие от излучения АЧТ, спектр излучения имеет дискретные частоты. Это происходит благодаря тому, что электроны порождают фотоны на определённых частотах, переходя из высокоэнергетического в низкоэнергетическое состояние. Эти частоты можно использовать для определения присутствующих в пробе элементов. Схожая идея (использующая спектр поглощения) используется для определения состава звёзд. Спектр излучения также отвечает за цвет фейерверков и цветного огня.
Форма пламени на Земле зависит от гравитации. Когда огонь разогревает окружающий воздух, происходит конвекция: горячий воздух, содержащий, помимо прочего, горячую золу, поднимается, а холодный (содержащий кислород), опускается, поддерживая огонь и придавая пламени его форму. При низкой гравитации, к примеру, на космической станции, этого не происходит. Огонь питается диффузией кислорода, поэтому горит медленнее и в виде сферы (поскольку горение происходит только там, где огонь соприкасается с содержащим кислород воздухом. Внутри сферы кислорода не остаётся).
Излучение абсолютно чёрного тела
Излучение АЧТ описывает формула Планка, относящаяся к квантовой механике. Исторически она была одной из первых применений квантовой механики. Её можно вывести из квантовой статистической механики следующем образом.
Мы подсчитываем распределение частот в фотонном газе при температуре T. То, что оно совпадает с распределением частот фотонов, испускаемых абсолютно чёрным телом той же температуры, следует из закона излучения Кирхгофа. Идея в том, что АЧТ можно привести в температурное равновесие с фотонным газом (поскольку у них одинаковая температура). Фотонный газ поглощается ЧТ, также испускающим фотоны, так что для равновесия необходимо, чтобы для каждой частоты, на которой ЧТ испускает излучение, оно и поглощало бы его с той же скоростью, что определяется распределением частот в газе.
В статистической механике вероятность нахождения системы в микросостоянии s, если оно находится в тепловом равновесии при температуре T, пропорциональна
где Es — энергия состояния s, а β = 1 / kBT, или термодинамическая бета (Т – температура, kB — постоянная Больцмана). Это распределение Больцмана. Одно из объяснений этого дано в блогпосте Теренса Тао. Это значит, что вероятность равна
где Z(β) – нормализующая константа
называющаяся статистической суммой. Отметим, что вероятности не меняются, если Es изменить на ± константу (что в результате умножает статистическую сумму на константу). Отличаются только энергии разных состояний.
Стандартное наблюдение указывает, что статистическая сумма с точностью до постоянного множителя содержит ту же информацию, что и распределение Больцмана, поэтому всё, что можно посчитать на основе распределения Больцмана, можно посчитать и из статистической суммы. К примеру, моменты случайной величины для энергии описываются
k > = (1/Z) * ∑s E k s * e — β Es = ( (-1) k / Z ) * ∂ k / ∂ β k * Z
и, вплоть до решения задачи моментов, это описывает распределение Больцмана. В частности, средняя энергия будет равна
Распределение Больцмана можно использовать как определение температуры. Оно говорит, что в некотором смысле, β – более фундаментальная величина, так как она может быть нулевой (что означает равную вероятность всех микросостояний; это соответствует «бесконечной температуре») или отрицательной (в этом случае более вероятны микросостояния с высокими энергиями; это соответствует «отрицательной абсолютной температуре»).
Для описания состояния фотонного газа нужно знать что-то по поводу квантового поведения фотонов. При стандартном квантовании электромагнитного поля поле можно рассматривать как набор квантовых гармонических осцилляций, каждая из которых осциллирует с разными угловыми частотами ω. Энергии собственных состояний гармонического осциллятора обозначаются неотрицательным целым n ∈ ℤ ≥ 0, которое можно интерпретировать, как количество фотонов частоты ω. Энергии собственных состояний (с точностью до константы):
где ℏ — это редуцированная постоянная Планка. То, что нам нужно отслеживать только количество фотонов, следует из того, что фотоны относятся к бозонам. Соответственно, для постоянной ω нормализующая константа будет
Отступление: неправильный классический ответ
Предположение что n, или, эквивалентно, энергия En = n ℏ ω, должно быть целым, известно, как гипотеза Планка, и исторически это, возможно, было первым квантованием (в применении к квантовой механике) в физике. Без этого предположения, с использованием классических гармонических осцилляторов, сумма выше превращается в интеграл (где n пропорционально квадрату амплитуды), и мы получаем «классическую» нормализующую константу:
Z кл ω (β) = ∫[0; ∞] e — n β ℏ ω dn = 1 / βℏω
Две этих нормализующих константы выдают очень разные предсказания, хотя квантовая приближается к классической, когда βℏω → 0. В частности, средняя энергия всех фотонов частоты ω, подсчитанная через квантовую нормализующую константу, получается
-βℏω ) = ℏω / ( e βℏω — 1 )
А средняя энергия, подсчитанная через классическую нормализующую константу, будет
кл ω = — d/dβ * log(1/βℏω) = 1/ β = kBT
Квантовый ответ приближается к классическому при ℏω → 0 (на малых частотах), а классический ответ соответствует теореме о равнораспределении в классической статистической механике, но совершенно расходится с опытами. Она предсказывает, что средняя энергия излучения АЧТ на частоте ω будет константой, независимой от ω, и поскольку излучение может происходить на частотах любой высоты, получается, что АЧТ излучает бесконечное количество энергии на любой частоте, что, конечно же, не так. Это и есть т.н. «ультрафиолетовая катастрофа».
В свою очередь, квантовая нормализующая константа предсказывает, что на низких частотах (относительно температуры) классический ответ приблизительно верен, но на высоких средняя энергия экспоненциально падает, при этом падение получается большим при меньших температурах. Это происходит потому, что на высоких частотах и низких температурах квантовый гармонический осциллятор большую часть времени проводит в основном состоянии, и не переходит так легко на следующий уровень, что вероятность чего экспоненциально ниже. Физики говорят, что большая часть этой степени свободы (свободы осциллятора колебаться на определённой частоте) «замораживается».
Плотность состояний и формула Планка
Теперь, зная, что происходит на определённой частоте ω, необходимо просуммировать по всем возможным частотам. Эта часть вычислений классическая и никаких квантовых поправок делать не надо.
Мы используем стандартное упрощение, что фотонный газ заключён в объём со стороной длиной в L с периодическими граничными условиями (то есть, реально это будет плоский тор T = ℝ 3 / L ℤ 3 ). Возможные частоты классифицируются по решениям уравнения электромагнитных волн для стоячих волн в объёме с указанными граничными условиями, которые, в свою очередь, соответствуют, с точностью до множителя, собственным значениям лапласиану Δ. Точнее, если Δ υ = λ υ, где υ(x) – гладкая функция T → ℝ, тогда соответствующее решение уравнения электромагнитной волны для стоячей волны будет
и поэтому, учитывая, что λ обычно отрицательная, и значит, √λ обычно мнимый, соответствующая частота будет равна
Такая частота встречается dim Vλ раз, где Vλ — λ-собственное значение лапласиана.
Упрощаем мы условия при помощи объёма с периодическими граничными условиями потому, что в этом случае очень просто записать все собственные функции лапласиана. Если использовать для простоты комплексные числа, то они определяются, как
Соответствующей частотой будет
и соответствующей энергией (одного фотона этой частоты)
Здесь мы аппроксимируем вероятностное распределение по возможным частотам ωk, которые, строго говоря, дискретны, непрерывным вероятностным распределением, и подсчитываем соответствующую плотность состояний g(ω). Идея в том, что g(ω) dω должна соответствовать количеству доступных состояний с частотами в диапазоне от ω до ω + dω. Затем мы проинтегрируем плотность состояний и получим окончательную нормализующую константу.
Почему эта аппроксимация разумна? Полную нормализующую константу можно описать следующим образом. Для каждого волнового числа k ∈ 2 π / L * ℤ 3 существует число nk ∈ ℤ≥0, описывающее количество фотонов с таким волновым числом. Общее количество фотонов n = ∑ nk конечно. Каждый фотон добавляет к энергии ℏ ωk = ℏ c |k|, из чего следует, что
по всем волновым числам k, следовательно, его логарифм записывается, как сумма
и эту сумму мы хотим аппроксимировать интегралом. Оказывается, что для разумных температур и больших объёмов подынтегральное выражение меняется очень медленно с изменением k, поэтому такая аппроксимация будет весьма близкой. Она перестаёт работать только при сверхнизких температурах, где возникает конденсат Бозе-Эйнштейна.
Остаётся вычислить объём региона фазового пространства для всех волновых векторов k с частотами ωk = c |k| в диапазоне от ω до ω + dω. Это сферическая оболочка толщиной dω/c и радиусом ω/c, поэтому её объём
Поэтому плотность состояний для фотона
g(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω
На самом деле эта формула в два раза занижена: мы забыли учесть поляризацию фотонов (или, что эквивалентно, спин фотона), которая удваивает количество состояний для данного волнового числа. Правильная плотность:
g(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω
То, что плотность состояний линейна в объёме V работает не только в плоском торе. Это свойство собственных значений лапласиана по закону Вейла. Это значит, что логарифм нормализующей константы
log Z = V / π 2 c 3 ∫[0; ∞] ω 2 log 1 / ( 1 — e — βℏω ) dω
Производная по β даёт среднюю энергию фотонного газа
= — ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫[0; ∞] ℏω 3 / ( e βℏω — 1 ) dω
Но для нас важно подынтегральное выражение, дающее «плотность энергий»
E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / ( e βℏω — 1 ) dω
описывающее количество энергии фотонного газа, происходящее от фотонов с частотами из диапазона от ω до ω + dω. В итоге получилась форма формулы Планка, хотя с ней нужно немного поиграть, чтобы превратить в формулу, относящуюся к АЧТ, а не к фотонным газам (нужно поделить на V, чтобы получить плотность в единице объёма, и проделать ещё кое-что, чтобы получить меру излучения).
У формулы Планка есть два ограничения. В случае, когда βℏω → 0, знаменатель стремится к βℏω, и мы получаем
E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V kB T ω 2 / π 2 c 3 dω
Это вариант закона Рэлея — Джинса, классического предсказания по излучению АЧТ. Он примерно выполняется на низких частотах, но на высоких расходится с реальностью.
E(ω) dω ≈ V ℏ / π 2 c 3 * ω 3 / e βℏω dω
Это вариант приближения Вина. Он примерно выполняется на высоких частотах.
Оба этих ограничения исторически возникли раньше самой формулы Планка.
Закон смещения Вина
Такого вида формулы Планка достаточно, чтобы узнать, на какой частоте энергия E(ω) максимальна при температуре T (и, следовательно, какого примерно цвета будет АЧТ при температуре Т). Мы берём производную по ω и находим, что необходимо решить следующее:
d/dω ω 3 / (e βℏω — 1) = 0
или, что то же самое (беря логарифмическую производную)
3/ω = βℏe βℏω / (e βℏω — 1)
Пусть ζ = βℏω, тогда перепишем уравнение
С такой формой уравнения легко показать существование уникального положительного решения ζ = 2,821…, поэтому, учитывая, что ζ = βℏω и максимальная частота
Это закон смещения Вина для частот. Перепишем с использованием длин волн l = 2πc/ ωmax
2πc/ ωmax = 2πcℏ / ζ kB T = b/T
что примерно равно 4,965. Это даёт нам максимальную длину волны
Это закон смещения Вина для длин волн.
У горящего дерева температура равна примерно 1000 К, и если мы подставим это значение, то получим длину волны
Для сравнения, длины волн видимого света находятся в диапазоне от 750 нм для красного до 380 нм для фиолетового. Оба подсчёта говорят о том, что большая часть излучения от дерева происходит в инфракрасном диапазоне, это излучение греет, но не светит.
А вот температура поверхности солнца составляет порядка 5800 К, и подставив её в уравнения, получим
что говорит о том, что Солнце излучает много света во всём видимом диапазоне (и потому кажется белым). В некотором смысле этот аргумент работает задом наперёд: возможно, видимый спектр в ходе эволюции стал таким, поскольку на определённых частотах Солнце излучает больше всего света.
А теперь более серьёзное вычисление. Температура ядерного взрыва достигает 10 7 К, что сравнимо с температурой внутри Солнца. Подставим эти данные и получим
