Вечный двигатель невозможен. Вечный двигатель невозможен
 Скачать 53.09 Kb.
|
|
Вечный двигатель невозможен? Сейчас жизнь человека наполнена различной техникой, облегчающей нашу жизнь. С помощью машин человек обрабатывает землю, добывает нефть, руду, прочие полезные ископаемые, передвигается и т.д. Основным свойством машин является их способность совершать работу. Вечный двигатель - это такой воображаемый механизм, который безостановочно движет сам себя и, кроме того, совершает ещё какую-нибудь полезную работу (например, поднимает груз или перемещает какие-либо тела). Именно поэтому на протяжении многих веков человечество пытается создать вечный двигатель. Но, к сожалению, из-за большого числа заявок изобретателей на выдачу патентов на придуманные ими неработающие вечные двигатели, ряд национальных патентных ведомств и академий наук зарубежных стран, приняли решение вообще не принимать к рассмотрению заявки на изобретения абсолютного двигателя, поскольку это противоречит закону сохранения энергии. Следовательно, необходимо окончательно убедиться в том, что существование вечного двигателя противоречит основным законам физики и предложить альтернативный механизм, наиболее близкий к концепции вечного двигателя. Цель: провести исследование на тему существования вечного двигателя. Задачи: Исследовать научную литературу по заданной теме. Выяснить, что такое вечный двигатель. Изучить и объяснить принцип работы вечного двигателя. Классифицировать наиболее известные модели вечных двигателей. Описать причины неосуществимости создания вечного двигателя в реальном мире. Провести опыт, опровергающий существование вечного двигателя. Разработать практические рекомендации применения альтернативного механизма, схожего с концепцией вечного двигателя. Практическая значимость темы объясняется повышенным интересом к проблеме создания вечного двигателя и созданию альтернативных источников, заменяющих его. Объект исследования: вечный двигатель. Предмет исследования: происхождение вечного двигателя и его концепции. Проблематика: возможно ли создание вечного двигателя. Глава I. 1.1.Введение в понятие вечного двигателя О «вечном двигателе», «вечном движении» часто говорят и в прямом и в переносном смысле слова, но не все отдают себе отчёт, что, собственно, надо подразумевать под этим выражением. Вечный двигатель - это такой воображаемый механизм, который безостановочно движет сам себя и, кроме того, совершает ещё какую-нибудь полезную работу. Такого механизма никто построить не смог, хотя попытки изобрести его делались уже давно. Бесплодность этих попыток привела к твердому убеждению в невозможности вечного двигателя и к установлению закона сохранения энергии - фундаментального утверждения современной науки. Что касается вечного движения, то под этим выражением подразумевается непрекращающееся движение без совершения работы. С психологической точки зрения идея вечного движения всегда была крайне заманчива: ведь практическая реализация искусственно созданного замкнутого энергетического цикла, несомненно, привела бы к эпохальному перевороту в науке и технике с глубокими общественно-экономическими последствиями. Кроме отрицания существа современных физических теорий это означало бы, что построенный вечный двигатель явился бы первой в мире машиной с идеальным рабочим циклом. Его совершенство и максимальная эксплуатационная экономичность оказали бы огромнейшее влияние на развитие мировой экономики. Человечество навсегда избавилось бы от страха перед нехваткой энергии, который неумолимо преследует его сегодня. Тем самым разработка такого реального вечного двигателя затмила бы все сделанные до сих пор изобретения и открытия. “Errare humanum est” (с лат. «человеку свойственно заблуждаться»), - сказал гражданин Груздев оперуполномоченному Шарапову в знаменитом многосерийном фильме. Действительно, свойственно; едва ли не ежедневно мы совершаем массу ошибок, больших и малых, имеющих печальные последствия и не имеющих; мы глубоко убеждены в каких-либо ложных положениях и отрицаем то, что со временем оказывается истиной. Впрочем, без этого наша жизнь вполне могла бы утратить какие-то привлекательные черты: скучно жить в мире, населенном безошибочными, бездушными автоматами. Некоторые из человеческих заблуждений оказались настолько крепкими и долговечными, что даже получили "титул" величайших. Всего их семь. Вот они: квадратура круга, трисекция угла, удвоение куба, подвижность ртути, философский камень, эликсир жизни и вечный двигатель. Первые три - знаменитые геометрические задачи древности - ждали своего решения несколько тысяч лет. Их неразрешимость была доказана окончательно лишь в XIX веке. Ушли в прошлое попытки найти философский камень - средство, позволяющее любые металлы превращать в золото, так как подобный способ был найден современной наукой, но оказался чересчур громоздким и потому нерентабельным. Что же касается вечного двигателя - «perpetuum mobile», - то, несмотря на открытие в середине XIX века закона сохранения энергии, полностью исключающего возможность создания такого устройства, попытки работы в этой области продолжаются и в наши дни. Повышение интереса к проблеме «вечного двигателя» в последнее время не случайно. Оно определяется не только современной ситуацией в энергетике, но и актуальными проблемами экологии, тесно с ней связанными. Против соблазна услышать, что эти проблемы могут быть решены сразу, «под корень», не в силах устоять и некоторые, даже, казалось бы, достаточно образованные люди. Тема вечных двигателей в последнее время очень актуальна. Именно поэтому я и решил провести исследование на эту тему. 1.2.Суть устройства и принцип действия «Всякое ложное искусство, всякое суемудрие длится лишь положенное ему время, так как, в конце концов, оно разрушает само себя, и высшая точка его развития есть вместе с тем начало его крушения» И. Кант. Приступая к разбору истории вечного двигателя, нужно, по-видимому, начать с того, откуда взялось это понятие и что, собственно, оно означает. Идея об устройстве, которое могло бы приводить в движение машины, не используя ни мускульную силу людей и животных, ни силу ветра и падающей воды, возникла впервые еще в древние времена. Это не было случайностью: универсальный двигатель, способный работать в любом месте, был бы очень полезен человеку во все периоды его существования. Он мог бы приводить в движение кузнечные меха, подававшие воздух в горны и печи, водяные насосы, крутить мельницы, поднимать грузы на стройках. Говоря современным языком, создание такого двигателя позволило бы сделать существенный шаг и в энергетике, и в развитии производительных сил в целом. Средневековая наука не была готова к тому, чтобы хоть как-то помочь этим поискам. Привычных нам представлений, связанных с энергией и законами ее превращений, в то время еще не было. Естественно поэтому, что люди, мечтавшие создать универсальный двигатель, опирались, прежде всего, на то вечное движение, которое они видели в окружающей природе: движение солнца, луны и планет, морские приливы и отливы, течение рек. Такое вечное движение называлось естественное, природное вечное движение. Существование такого природного вечного движения со средневековой точки зрения неопровержимо свидетельствовало о возможности создания и искусственного вечного движения. Надо было только найти способ перенести существующие в природе явления на искусственно созданные машины. Итак, мы выяснили, что вечный двигатель - это воображаемое устройство, способное производить работу в нарушение первого (вечный двигатель первого рода) или второго (вечный двигатель второго рода) законов термодинамики. Принцип действия вечного двигателя сводится к тому, что механизм должен безостановочно двигать самого себя и, кроме того, совершать какую-нибудь полезную работу. Другими словами, устройство должно позволять получать большее количество полезно работы, чем количество сообщенной устройству энергии. Вечные двигатели второго рода используют либо разницу температур, либо разницу давлений в разные времена суток. Но вечные двигатели второго рода немногочисленны. Поэтому я буду проводить исследование возможности существования вечного двигателя на концепции вечного двигателя первого рода. 1.3.История Сейчас трудно установить точно, когда, кем и где был предложен самый первый проект вечного двигателя первого рода. Трудно более кратко и выразительно сказать о значении энергетики для человечества, чем это сделал А.С. Пушкин устами средневекового монаха. Отозвавшись о создании золота как «задаче заманчивой», Бертольд совсем иначе говорит о вечном двигателе: «Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому…» Все, что позже было сказано о роли энергетики, не идёт дальше этих замечательных слов. Может быть, и не с такой предельной ясностью, но эта мысль действительно впервые была сформулирована в «рыцарские времена» — в XIII в. Поистине пророческое высказывание о будущем техники, которое не могло бы возникнуть без понимания значения универсального двигателя, принадлежало средневековому монаху. Это был великий Роджер Бэкон (ок. 1214—1292), названный современниками (удивительный доктор); это, впрочем, не помешало церковникам продержать его почти 20 лет в тюрьме. Вот что он писал: «Прежде всего я расскажу о чудесных творениях человека и природы, чтобы назвать дальше причины и пути их созидания, в которых нет ничего чудодейственного. Ведь можно же создать крупные речные и океанские суда с двигателями и без гребцов, управляемые одним рулевым и передвигающиеся с большей скоростью, чем, если бы они были набиты гребцами. Можно создать и колесницу, передвигающуюся с непостижимой быстротой, не впрягая в нее животных. Можно создать и летательные аппараты, внутри которых усядется человек, заставляющий поворотом того или иного прибора искусственные крылья бить по воздуху, как это делают птицы. Можно построить небольшую машину, поднимающую и опускающую чрезвычайно большие грузы, машину огромной пользы…Наряду с этим можно создать и такие машины, с помощью которых человек станет опускаться на дно рек и морей без ущерба для своего здоровья». Это и прогноз, и призыв: «Ведь можно же!», а не сказочные мечты вроде ковра-самолета или скатерти-самобранки. И главное в этих прогнозах, как отчетливо понимал Бэкон, — это двигатель, без которого самостоятельное движение ни судов, ни колесницы, ни летательных аппаратов невозможно. Отсюда видно, что Роджер Бэкон был, по-видимому, первым, кто, говоря языком современных терминов, достаточно ясно представлял себе первые три из основных функций техники: энергетическую, технологическую и транспортную, и, более того, необходимость обеспечить первую для развития двух остальных. Он не упомянул только логическую функцию, необходимую для помощи при умственной деятельности человека. Первый шаг в этом направлении сделал в том же XIII веке его младший современник, другой монах — Раймун Луллий (1235-1316), сконструировавший первую машину для решения логических задач. При всей гениальности Р. Бэкона[2] и творческих способностях Р. Луллия, они не смогли бы создать ничего подобного, если бы к этому времени не сформировался определенный уровень представлений о дальнейших потребностях и возможностях развития техники, опирающихся на скромные, но достаточно весомые ее успехи. В частности, уже «витало в воздухе» представление о том, что создание универсального двигателя, пригодного для привода машин, возможно. Потребность в таком двигателе была естественной для ремесленного производства тесного средневекового города, где не хватало рабочих рук. Ответом на эту потребность и были попытки создания вечного двигателя, первые проекты которого появились в том же XIII в., в котором жил и работал Р. Бэкон. Теперь, в XX в., легко критиковать ошибки изобретателей XIII в. Современному школьнику, который «проходил» закон сохранения энергии, очевидно, что путь, на который вступили тогда изобретатели универсального двигателя, был ложным. Однако судить на этом основании с высокомерием и даже с иронией (так бывает) о трудах мастеров и изобретателей «мрачного средневековья» нельзя. У самых гениальных мыслителей, ученых и инженеров античного мира, даже таких, как Архимед (ок. 287-212 до н. э.), нет и намека на идею об универсальном двигателе. Не двинулся в этом направлении и такой инженер, как Герон Александрийский (ок. 1 в.), несмотря на то, что он знал намного больше, чем средневековые мыслители. Даже движущая сила нагретого воздуха и водяного пара была ему хорошо известна. Его «эолопил» (см. Приложение Рис. 1.1.) — прообраз реактивной паровой турбины — был только интересной игрушкой, так же как и устройство, открывавшее двери храма (см. Приложение Рис. 2.2.). Мысль о том, чтобы приспособить его к делу — использовать как двигатель для машин, даже не возникала. Это и понятно: была дешевая рабочая сила многочисленных рабов, домашних животных, наконец, воды и ветра. Вспомним, что в Римской империи на одного рабовладельца приходилось в среднем 10 рабов (а у некоторых патрициев их было даже до 1000), Если принять мощность каждого раба за 0,1 кВт, то (даже не считая работу животных) «энерговооруженность» среднего римлянина превышала 1 кВт, и богатого патриция — 10 кВт. Это примерно соответствует современному уровню! Почему идея создания универсального двигателя, как и первые его проекты в виде вечного двигателя, появилась именно в XIII в.? Это, конечно, не случайность, а результат, исторически обусловленный ходом развития производительных сил средневекового общества; XIII в. занимает в нем особое место. Именно в это время уже в достаточной мере проявились преимущества развитого феодального общества перед рабовладельческим. Рост городов приводил к созданию крупных городских общин с самостоятельным управлением. Бюргерство, поддерживаемое королевской властью, укреплялось в борьбе с феодалами, и влияние его росло. Труд свободного ремесленника, практическое мастерство стали, в отличие от античных времен, занятием, достойным уважения. Объединявшие ремесленников профессиональные корпорации — цехи были достаточно сильны, чтобы отстаивать интересы своих многочисленных членов. В Париже, например, по данным податной переписи 1291 г. было 4159 цеховых мастеров. В этих условиях мастера были заинтересованы в развитии техники и технологии своей области. 1.4.Первые проекты механических, магнитных и гидравлических Вечных двигателей. Сейчас трудно установить точно, когда, кем и где был предложен самый первый проект вечного двигателя. Есть данные о том, что в трактате великого индийского математика и астронома Бхаскара Ачарья (1114-1185 гг.) «Сиддханта Сиромани» (ок. 1150 г.) есть упоминание о вечном двигателе. Об этом же говорится в сочинении араба Фахра ад-дин-Ридваи бен Мохаммеда (ок. 1200 г.). В Европе первые известия о вечном двигателе связаны с именем одного из выдающихся людей XIII в. — Виллара д'Оннекура — французского архитектора и инженера. Как и большинство деятелей того времени, он занимался и интересовался многими делами; строительством соборов, созданием грузоподъемных сооружений, пилы с водяным приводом, военной стенобитной машины и даже… дрессировкой львов. Он оставил дошедшую до наших дней «Книгу рисунков» — альбом с записями и чертежами (около 1235-1240 г.), который хранится в Парижской Национальной библиотеке. Для нас представляет интерес прежде всего то обстоятельство, что в этом альбоме приведены рисунок и описание первого из достоверно известных проектов вечного двигателя. Оригинальный чертеж автора показан на рисунке (см. Приложение Рис. 1.3.(а)). Текст, относящийся к этому чертежу, гласит: «С некоторого времени мастера спорят, как можно было бы заставить колесо вращаться само собой. Данного результата можно достигнугь посредством нечетного числа молоточков или ртути следующим образом» . Д'Оннекур не пишет, сам он придумал двигатель или заимствовал эту идею у другого мастера. Да это и не так важно. Главное — существо дела. Обратим, прежде всего, внимание на то, что автор совершенно не сомневается, что заставить колесо вращаться само собой можно. Вопрос только в том, какэто сделать! В тексте говорится о двух вариантах вечного двигателя — с молоточками и с ртутью. Начнем с первого. Из текста в сочетании с рисунком идею изобретения можно понять. Поскольку число молоточков на ободе колеса нечетное, всегда с одной стороны их будет больше, чем с другой. В данном случае слева будет молоточка, а справа —три. Следовательно, левая сторона колеса будет тяжелее правой и колесо, естественно, повернется по направлению против часовой стрелки. Тогда следующий молоточек повернется в том же направлении и перекинется на левую сторону, снова обеспечивая ее перевес. Таким образом колесо будет постоянно вращаться. Идея колеса с грузами или тяжелой жидкостью, неравномерно распределенными по окружности колеса, оказалась очень живучей. Она разрабатывалась в самых различных вариантах многими изобретателями в течение почти шести веков и породила целый ряд механических вечных двигателей. Анализ этих двигателей мы проведем позже и рассмотрим их совместно, с общей позиции. Обратимся ко второй, не менее интересной идее двигателей, возникшей тоже в XIII в. и также породившей большую серию изобретений. Речь идет о магнитном двигателе, предложенном Петром Пилигримом из Мерикура в 1269 г. В отличие от практика-инженера д'Оннекура Петр Пилигрим все же был больше «теоретиком», хотя занимался и экспериментами; поэтому его проект вечного двигателя (см. Приложение Рис. 1.4.), выглядит скорее как принципиальная схема, чем как чертеж. По мнению Петра, таинственные силы заставляющие магнит притягивать железо, родственны тем, которые заставляют небесные тела двигаться по круговым орбитам вокруг Земли. Следовательно, если дать магниту возможность двигаться по кругу и не мешать ему, то он при соответствующей конструкции реализует эту возможность. Насколько можно судить по схеме, двигатель состоит из двух частей — подвижной в неподвижной. Подвижная часть — это стержень, на одном (внешнем) конце которого закреплен магнит, а другой (внутренний) насажен на неподвижную центральную ось. Таким образом, стержень может двигаться по окружности подобно стрелке часов. Неподвижная часть представляет собой два кольца — наружное а и внутреннее b, между которыми находится магнитный материал с внутренней поверхностью в форме косых зубцов. На подвижном магните, установленном на стержне, написано «северный полюс», на магнитном кольце — «южный полюс». Отметим, кстати, что Перегрин первый установил два вида магнитного взаимодействия — притяжение и отталкивание и ввел обозначения полюсов магнита — северный и южный. Автор, по-видимому, полагал, что магнит, установленный на стержне, будет поочередно притягиваться к зубцам магнитов, установленных в кольцевой части, и таким образом совершать непрерывное движение по окружности. Несмотря на явную неработоспособность такого устройства, сама идеи воспользоваться магнитными силами для создания двигателя была совершенно новой и очень интересной. Она породила в дальнейшем целое семейство магнитных двигателей. В конечном счете, не нужно забывать, что и современный электродвигатель работает на магнитном взаимодействии статора и ротора. Несколько позже появились и вечный двигатель третьего вида — гидравлические. Идеи, положенные в их основу, не были столь новыми; они опирались на опыт античных водоподъемных сооружений и средневековых водяных мельниц. 1.4.1.Механические вечные двигатели. Все механические двигатели средневековья (и многие более поздних времен) основаны на одной и той же идее, идущей от д'Оннекура: создании постоянного неравновесия сил тяжести на колесе или другом постоянно движущемся под их действием устройстве. Это неравновесие должно вращать колесо двигателя, а от него приводить в действие машину, выполняющую полезную работу. Все такие двигатели можно разделить на две группы, отличающиеся видом груза — рабочего тела, К первой группе относятся те, в которых используются грузы из твердого материала (назовем их условно «твердотельными»), ко второй — те, в которых грузом служат жидкости (назовем их «жидкостными»). Количество разных вариантов вечный двигатель в обеих группах огромно. Описывать их здесь нет смысла, так как это уже сделано многими авторами. Мы ограничимся лишь несколькими образцами, на примере которых можно проследить их эволюцию и ход дискуссий о возможности получения работы. Начнем с твердотельных двигателей. Примерами могут служить три варианта вечного двигателя, разработанные в разное время и в разных местах. Итальянский инженер Мариано ди Жакопо из Сиены (недалеко от Флоренции) в рукописи, датируемой 1438 г., описал двигатель, повторяющий по существу идею д'Оннекура, однако здесь дана уже четкая конструктивная проработка (см. Приложение Рис. 1.5.). Грузы, представляющие собой толстые прямоугольные пластины, закреплены так, что могут откидываться только в одну сторону. Число их нечетно; поэтому слева при любом положении колеса всегда будет больше пластин, чем справа (в данном случае 6 против 5). Это и должно вызвать непрерывное вращение колеса в направлении против часовой стрелки. Англичанин Эдуард Соммерсет, тоже разработавший механический двигатель в виде колеса с твердыми грузами и в 1620 г. построивший его, принадлежал, в отличие от своих предшественников, к самым аристократическим кругам общества. Он носил титул маркиза Вустерширского и был придворным короля Карла I. Это не мешало ему серьезно заниматься механикой и разными техническими проектами. Эксперимент по созданию двигателя был поставлен с размахом. Мастера изготовили колесо диаметром 14 футов (около 4 м); по его периметру были размещены 14 грузов по 50 фунтов (около 25 кг) каждый. Испытание машины в лондонском Тауэре прошло с блеском и вызвало восторг у присутствующих, среди которых были такие авторитеты, как сам король, герцог Ричмондский и герцог Гамильтон, К сожалению, чертежи этого вечного двигателя до нас не дошли, так же как и технический отчет об этом испытании; поэтому установить, как оно проходило по существу, нельзя. Известно только, что в дальнейшем маркиз этим двигателем больше не занимался, а перешел к другим проектам. Александро Капра из Кремоны (Италия) описал еще один вариант двигателя в виде колеса с грузами. Из чертежа (см. Приложение Рис. 1.6.) видно, что двигатель представлял собой колесо с 18 расположенными по окружности равными грузами. Каждый рычаг, на котором закреплен груз, снабжен опорной деталью, установленной под углом 90° к рычагу. Поэтому грузы на левой стороне колеса, находящиеся по горизонтали на большем расстоянии от оси, чем справа, должны всегда поворачивать его по часовой стрелке и заставлять непрерывно вращаться. Заманчивая идея использовать силу тяжести для создания простого и надежного двигателя оказалась чрезвычайно живучей. Может показаться невероятным, но она не потеряла привлекательности для изобретателей и благополучно дожила до XX века. Как пример, можно привести такой «двигатель, использующий силу тяжести», запатентованный во Франции в 1972 г. неким Ж. Леландэ. Его изобретение не только по идее, но и по конструкции точно повторяет «двигатель» Александре Капра, показанный рисунке (см. Приложение Рис. 1.6.). Разница состоит только в том, что грузы представляют собой не шары, а прямоугольные бруски, и подвешены не прямо к колесу, а на висящей на нем цепи. В официальном описании изобретения сказано «двигатель вырабатывает энергию… снимаемую с его оси без всякого расхода топлива или толчка извне… Автоматическая система «цепь-грузы» надета на зубчатое колесо, вращающееся в подшипнике»… Описание заканчивается так. «Энергия, вырабатываемая патентуемым двигателем, может заменить дорогостоящую энергию, вырабатываемую сложными двигателями, использующими дорогое топливо, энергию тепловых и атомных электростанций, гидростанций». Из этого описания видно сразу, что изобретение сделано в наше просвещенное время, а не в каком-то мрачном средневековье, когда электростанций вообще не было. Вопрос о несостоятельности механических вечных двигателях с колесами и грузами был теоретически решен, хотя еще долгое время его понимание не стало общим достоянием. Должна ли «работать» эта разница в весе или нет? Теорию, которая позволила решить этот вопрос, разработал еще раньше замечательный голландский математик, механик и инженер Симон Стевин (1548-1620 гг.). Эта теория относится к равновесию тел, находящихся на наклонной плоскости, но выводы из нее имеют и более общее значение. Самое интересное в ходе рассуждений Стевина то, что он даже не считает необходимым доказывать невозможность создания вечный двигатель; он считает это истиной, не требующей доказательства, — аксиомой. Стевин, исходя из невозможности вечного движения, утверждает, что никакого чуда нет и два шара совершенно «законно» уравновешивают четыре. Он выводит теорему: «Тело на наклонной плоскости удерживается в равновесии силой, которая действует в направлении наклонной плоскости и во столько меньше его веса, во сколько длина наклонной плоскости больше высоты ее». Если взять два груза G1и G2 (см. Приложение Рис. 1.7.(а)), то условие их равновесия для данных задачи Стевина запишется так: G1 / G2 = ab / bc = 1/2. Четыре шара весят как раз вдвое больше, чем два. Пользуясь современной терминологией, можно выразить эту теорему в более удобной форме (см. Приложение Рис. 1.7.(б)): сила F’ удерживающая груз на наклонной плоскости и равная по значению противоположно направленной силе F, стремящейся его сдвинуть, определяется (если пренебречь трением) произведением его веса G на синус угла а наклона плоскости к горизонтали: F= Gsin α. Если плоскость вертикальна, то α= 90° и sin α = 1, тогда F= G; если плоскость горизонтальна, то α= 0 и F = 0. Стевин уверенно, опираясь на бесчисленные практические данные, вывел один из важнейших законов статики. Применяя этот закон к проектам вечного двигателя вроде показанного на рисунке (см. Приложение Рис. 1.8.) и аналогичных ему, легко видеть, что вес наклонных частей тяжелого ремня (или грузов), висящих по диагонали, нельзя считать равным силе, с которой они поворачивают колеса двигателей. Нужно учитывать, что эта сила тем меньше, чем больше отклоняется ремень (или цепь с грузами) от вертикали. Если в каждом конкретном случае произвести соответствующий расчет, то выяснится, что силы, действующие с обеих сторон на колесо (или колеса) двигателя, будут неизбежно в точности одинаковы. Таким образом, Стевин создал научную базу, позволяющую показать нереализуемость любого механического вечного двигателя. Тем не менее отсутствие общей теории, показывающей неосуществимость вечного двигателя, оставляло возможности поиска как новых решений вечного двигателя, так и обоснований возможности его существования. вечными двигателямивечный двигатель. Наука о магнитах, в отличие от механики, была в самом зачаточном состоянии; поэтому и дискуссия вокруг них велась, главным образом, в общефилософском плане. 1.4.2.Магнитные вечные двигатели. Первым известным магнитным вечным двигателем была машина Петра Пилигрима (1269 г.), уже описанная в пункте о первых механических, магнитных и гидравлических магнитных двигателях (см. Приложение Рис. 1.4.). Новые виды магнитных вечных двигателей, появившиеся позже, основывались, так же как и первый, на аналогии между силой тяжести и силой притяжения магнита. Более интересный и оригинальный магнитный вечный двигатель описал в своей книге «Сотня изобретений» (1649 г.) уже известный нам Джон Уилкинс. Схема этого двигателя представлена на рисунке (см. Приложение Рис. 1.9.). К шаровому магниту, расположенному на стойке, ведут два наклонных желоба: один (А) прямой, установленный выше, и другой (Б) изогнутый, установленный ниже. Изобретатель считал, что железный шарик, помещенный на верхний желоб, покатится вверх, притягиваемый магнитом. Но так как перед магнитом в верхнем желобе сделано отверстие, шарик провалится в него, скатится по нижнему желобу и через его изогнутую часть снова выскочит наверх и двинется к магниту и т. д. до бесконечности. Уилкинс, который, как мы уже видели, хорошо разобрался в принципиальных вопросах механических вечных двигателей, оказался на высоте и в этом случае. Закончив описание этой конструкции, он пишет: «Хотя это изобретение на первый взгляд кажется возможным, детальное обсуждение покажет его несостоятельность». Основная мысль Уилкинса в этом обсуждении сводится к тому, что если даже магнит достаточно силен, чтобы притянуть шарик от нижней точки, то он тем более не даст ему провалиться через отверстие, расположенное совсем рядом. Если же, наоборот, сила притяжения будет недостаточна, то шарик просто не будет притягиваться. В принципе объяснение Уилкинса правильно; характерно, что он четко представляет себе, как быстро уменьшается сила притяжения магнита с увеличением расстояния до него. Возможно, Уилкинс учел и взгляды знаменитого Уильяма Гильберта (1544-1603 гг.) — придворного врача королевы Елизаветы Английской, который тоже не поддержал идею этого двигателя. В книге Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» (1600 г.) не только дана сводка уже известных к тому времени сведений о магнетизме, но и описаны новые результаты, полученные в многочисленных экспериментах. В предисловии к книге Гильберт писал: «В открытии тайн и исследовании скрытых причин вещей от точных опытов и доказанных положений получаются более прочные выводы, нежели от непонятных догадок и мнений рутинных философов». Как далека эта четкая позиция от рассуждений философа-архиепископа Теснериуса! В дальнейшем были предложены и многие другие магнитные вечные двигатели, в том числе и довольно замысловатые, некоторые из них были построены, но их постигла та же судьба, что и остальные. Идея одного из таких построенных магнитных двигателей была выдвинута уже в конце XVIII в. Некий шотландский сапожный мастер по фамилии Спенс нашел такое вещество, которое экранировало притягивающую и отталкивающую силу магнита. Известно даже, что оно было черного цвета. С помощью этого вещества Спенс обеспечил работу двух изготовленных им магнитных вечных двигателей. Дальше, как обычно, никаких «актов о внедрении» не последовало. Нужно отметить, что в части открытия вещества, экранирующего магнитное поле, Спенс ничего особенного не сделал и его «черный порошок» для этого не нужен. Хорошо известно, что для этого достаточно листа железа, которым можно заслонить магнитное поле. Другое дело создать таким путем вечный двигатель, поскольку для движения листа, экранирующего магнитное поле, нужно в лучшем случае затратить столько же работы, сколько даст магнитный двигатель. Общее количество магнитных двигателей все же было меньше, чем механических и особенно гидравлических. К последним мы и перейдем. 1.4.3.Гидравлические вечные двигатели Большое внимание, которое уделяли изобретатели вечного двигателя попыткам использовать для них гидравлику, конечно, не случайно. Хорошо известно, что гидравлические двигатели были широко распространены в средневековой Европе. Водяное колесо служило, по существу, основной базой энергетики средневекового производства вплоть до XVIII в. Классическим примером гидравлического вечного двигателя может служить машина (см. Приложение Рис. 1.10.). Этот двигатель, предназначенный для вращения точильного камня, был предложен итальянцем Якобом де Страда в 1575 г. (по другим источникам — в 1629 г.). Из нижнего водоема Sвинтовой насос Ошестерней, приводимой в движение от зубчатого колеса R, перекачивает воду в верхний лоток. Отсюда она сливается на колесо С, приводящее через вал Dв движение точильный камень. Через сложную систему передач (червяк и зубчатые колеса Е, G, Lи К) колесо С приводит в движение и насос О. Для равномерности движения на вертикальном валу установлен маховик К. Автор настолько уверен, что в поток Авода подается с избытком и ее хватит на все нужды, что через трубку Рсливает часть ее на смачивание точильного камня, у которого работает мастер. Здесь сделано все, что может предусмотреть опытный конструктор. Но в машине, которую он назвал «искусство верчения и кручения с двойной передачей», не учтено только одно обстоятельство: насос никогда не сможет поднять наверх столько воды, сколько нужно для рабочего колеса. Опыт каждый раз именно это и показывал. Одно из ухищрений, призванных обойти трудности, состояло в том, чтобы заставить воду подниматься и сливаться в меньшем перепаде высот. Для этого предусматривалась каскадная система из нескольких последовательно соединенных насосов и рабочих колес. Такая машина, описанная в книге уже известного нам Д. Уилкинса (см. Приложение Рис. 1.11.). Подъем воды осуществляется винтовым насосом, состоящим из наклонной трубы АВ, в которой вращается ротор LM, показанный внизу отдельно. Он приводится в движение тремя рабочими колесами H, I, К, вода на которые подается из трех расположенных каскадом сосудов Е, F, G. В оценке этого двигателя Уилкинс, как и в описанных ранее случаях, оказался на высоте. Он не только отверг этот двигатель из общих соображений, но даже подсчитал, что для вращения спирали «нужно втрое больше воды для вращения, чем-то количество, которое она подает наверх». Отметим, что Уилкинс, как и многие его современники, начал заниматься механикой и гидравликой с попыток изобрести вечный двигатель. «В первый раз, когда я подумал об этом изобретении, я с трудом удержался от того, чтобы подобно Архимеду не закричать «эврика». Казалось, что, наконец, найдено легкое средство реализовать вечный двигатель», — писал он в 1684 г., вспоминая свои попытки создать гидравлический вечный двигатель из водяного колеса и винта Архимеда для подъема воды. Однако под влиянием экспериментальных неудач он нашел в себе силы провести теоретический анализ и перейти от беспочвенных фантазий к научному анализу. Уилкинс дал первую классификацию способов построения вечных двигателей: 1) с помощью химической экстракции (эти проекты до нас не дошли); 2) с помощью свойств магнита; 3) с помощью сил тяжести. Гидравлические вечные двигатели он относил к третьей группе. В итоге Уилкинс написал четко и однозначно: «Я пришел к выводу, что это устройство не способно работать». Этот любитель науки — епископ — дал в XVII в. достойный пример того, как надо преодолевать заблуждения и находить истину. Если бы ему следовали дипломированные изобретатели вечных двигателей XX в.! Среди других гидравлических вечных двигателей следует отметить машину польского иезуита Станислава Сольского, который для приведения в движение рабочего колеса использовал ведро с водой. В верхней точке насос наполнял ведро, оно опускалось, вращая колесо, в нижней точке опрокидывалось и пустое поднималось вверх; затем процесс повторялся. Королю Казимиру эта машина, которую патер демонстрировал в Варшаве (1661 г.), очень понравилась. Однако даже светские успехи титулованных изобретателей не могли скрыть того факта, что гидравлические вечные двигатели системы «насос — водяное колесо» на практике не работали. Нужны были новые идеи, используя которые, можно было бы поднять воду с нижнего уровня на верхний без затраты работы, не применяя механический насос. И такие идеи появились — как на основе использования уже известных явлений, так и в связи с новыми физическими открытиями. Первая из идей, о которой нужно вспомнить, — использование сифона. Это устройство, известное еще с античных времен (оно упоминается у Герона Александрийского), использовалось для переливания воды или масла из сосуда, расположенного выше, в другой, расположенный ниже (см. Приложение Рис 1.12.(а)). Преимущество такого простого устройства, используемого и до сих пор, заключается в том, что можно отбирать жидкость из верхнего сосуда сверху, не делая отверстия в его дне или стенке. Единственное условие работы сифона — полное предварительное заполнение трубки жидкостью. Поскольку между верхним и нижним сосудами существует разность уровней, высота столба жидкости в длинном колене трубки больше, чем в коротком, на величину Н. Естественно, что жидкость будет самотеком переливаться из верхнего сосуда в нижний. Возникает вопрос — как же можно использовать сифон для подъемаводы, если его назначение обратное — сливводы? Однако именно такая парадоксальная идея была выдвинута около 1600 г. и описана в книге «Новый театр машин и сооружений» (1607 г.) городским архитектором Падуи (Италия) Витторио Зонка. Она заключалась в том, чтобы сделать верхнее, короткое колено сифона толще — больше по диаметру (D»d),как показано на втором рисунке (см. Приложение Рис. 1.12.(б)). В этом случае, считал Зонка, вода в левом, толстом колене, несмотря на его меньшую, высоту перевесит воду в тонком колене и сифон потянет ее в противоположном направлении — из нижнего сосуда в верхний. Он писал: «Сила, которая проявляется в толстом колене, будет тянуть то, что входит через более узкое колено». На этом принципе и должен был работать вечный двигатель Зонки (см. Приложение Рис. 1.13.). Сифон забирал воду из, нижнего водоема справа в узкую трубу (правое колено сифона); вода из широкой трубы (левое колено сифона) сливалась в сосуд, расположенный выше водоема, откуда она подавалась на водяное колесо и сливалась снова в водоем. Колесо через вал вращало мельничный жернов. Эта оригинальная машина, естественно, работать не смогла, так как по законам гидравлики направление движения жидкости в сифоне зависит только от высот столбов жидкостии не зависит от их диаметра. Однако во времена Зонки об этом четкого представления у практиков не было, хотя уже в работах Стевина по гидравлике вопрос о давлении в жидкости был решен. Он продемонстрировал (1586 г.) «гидростатический парадокс» — давление в жидкости зависит только от высоты ее столба, а не от ее количества. Широко известным это положение стало позже, когда аналогичные опыты были вновь и более широко поставлены Блезом Паскалем (1623-1662 гг.). Но и они не были поняты многими инженерами и учеными, по-прежнему считавшими, что чем шире сосуд, тем больше давление содержащейся в нем жидкости. В заключение этого параграфа рассмотрим еще один, весьма оригинальный вечный двигатель, предложенный выдающимся человеком — математиком Иоганном Бернулли (1667-1748 гг.), одним из трех знаменитых ученых, принадлежавших к этой фамилии. Идея двигателя основана на использовании явления осмоса. Осмос (по-гречески «толчок, давление») возникает, когда две разные жидкости разделены так называемой полупроницаемойперегородкой. Такие перегородки проницаемы для одного вещества, но непроницаемы для другого. Они известны с очень давних времен. Животный пузырь, например, пропускает воду, но не пропускает соль или сахар. Если собрать устройство (см. Приложение Рис. 1.14.(а)) и во внутренний сосуд, погруженный в воду, налить раствор, например, соли, то вода будет просачиваться во внутренний сосуд. Уровень в трубке будет повышаться до тех пор, пока давление раствора на дне трубки не станет равным так называемому осмотическому давлению. Это давление, определенное для каждого раствора, препятствует дальнейшему проникновению воды через перегородку; в трубке устанавливается определенный уровень h. В этом и проявляется осмос. Именно он определяет разбухание семян, погруженных в воду, подъем воды из почвы по стволам деревьев и многие другие биологические процессы. Бернулли считал, что осмотическое давление можно использовать для непрерывного поднятия воды с нижнего уровня на верхний. Он основывался на своей теории происхождения речной воды из морской. По его мнению, соленая морская вода, проходя через слои земли, пропускающие воду (но не пропускающие соль), превращается в пресную, поднимается наверх и снова стекает в море в виде рек. Такая постоянная циркуляция воды представляла собой явный вечный двигатель, поэтому совершенно естественна была мысль создать соответствующий выдуманный вечный двигатель. Таким образом, говоря современным языком, Бернулли считал верхний слой земли полупроницаемой перегородкой; но даже если бы он обладал этим свойством, то пресная вода просачивалась бы в море, а не наоборот. (Морская вода, как известно, опресняется путем испарения и попадает в реки через атмосферу в виде осадков.) Легко показать, что осмотическое давление нельзя использовать для подъема воды в гидравлическом вечном двигателе. Сделаем так, как предлагал Бернулли: срежем трубку внутреннего сосуда на высоте h1<h(т. е. ниже того уровня h, который обеспечивается осмотическим давлением). Тогда вода действительно будет стекать с верхнего уровня на нижний (см. Приложение Рис. 1.14.()). Казалось бы, цель достигнута — вода будет вытекать вечно. Но радоваться рано — струя стекающей жидкости постепенно уменьшается и через некоторое время иссякает совсем. Объясняется это очень просто — ведь сливается не чистая вода, а раствор соли! Постепенно во внутреннем сосуде раствор будет разбавляться поступающей через перегородку чистой водой, а во внешнем — засоляться. Когда концентрации раствора с обеих сторон перегородки сравняются, вся система придет в равновесие и процесс прекратится; соляной раствор станет такой же «мертвой водой», как та, о которой писал Леонардо да Винчи. Чтобы возобновился процесс осмоса, нужно раствор во внутреннем сосуде все время солить, а во внешнем, напротив, опреснять. Но тогда это уже будет не вечный двигатель, а своеобразный «солевой двигатель», который постоянно надо питать солью и пресной водой (так же, как тепловой двигатель топливом и воздухом). Заключение Мы кратко рассмотрели историческую обстановку, определившую название и развитие идеи вечного двигателя, основные виды вечных двигателей, а также дискуссию между их сторонниками и противниками. Все это относится к тому периоду, когда представление об энергии и ее сохранении или вообще отсутствовало, или только формировалось применительно к механике. 17 и 18 века характерны тем, что многие даже достаточно серьезные ученые верили, в то, что вечный двигатель можно создать. Даже постоянные неудачи многочисленных изобретателей не могли поколебать их веру в вечный двигатель, несмотря на труды Стевина, Галилея, Герике, Торричелли, Паскаля, Бойля, Ньютона и Лейбница, которые уверенно отрицали возможность его создания. Теоретики иногда оказывались даже позади некоторых практиков, которых собственный опыт приводил к мысли о бесперспективности работы над вечным двигателем. Дело было в том, что положение о невозможности вечного двигателя, которое высказывали ведущие физики и философы, не подкреплялось никаким общим физическим законом, действовавшим в любойобласти. Пользуясь частными законами — моментов сил или равновесия тел на наклонной плоскости, можно было показать неработоспособность конкретного механического ppm. Законы гидравлики тоже позволяли доказать, что такой-то определенный гидравлический двигатель действовать не будет. Дело мало менялось от того, что многие великие умы от Декарта до Ломоносова постепенно подготавливали фундамент общего закона природы, вообще запрещающего вечного двигателя. А пока всегда оставалась надежда «просочиться» в щель между частными законами, найти такие явления и конструкции, где они не действуют. Только единый закон, распространяющийся на всеявления природы, мог создать сплошной научный фронт, непроницаемый для любого вечного двигателя. Таким законом стал в XIX в. закон сохранения энергии. Когда он утвердился, «доэнергетическая» физика кончилась и с ней пришел конец вечному двигателю. Становление закона сохранения энергии и самого понятия «энергия» проходило долго и с трудом. Борьба — именно борьба, и очень тяжелая — за утверждение этого закона проходила по разным направлениям, но с непременным участием вечного двигателя. Список литературы https://yourtutor.info/почему-вечный-двигатель-невозможен В.М. Бродянский. Вечный двигатель: прежде и теперь. Пушкин А.С. Полное собрание сочинений. Т. XI. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949. С. 434. Ихак-Рубинер Ф.Вечный двигатель (perpetuum mobile). М.: ГИЗ, 1925. С. 190. Краснов А.И.Возможен ли вечный двигатель? М.: Гостехиздат, 1956. С. 64. DaulA. Das perpetuum mobile. Wien. Hartleben.1900. Муслин Е.Машины XX века. М.: Машиностроение, 1971. |