Вечные двигатели

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 колеса диаметром 14 футов (около 4 м); по его периметру было размещено 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 perpetuum mobile 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.

Аллесандро Капра из Кремоны (Италия) описал еще один вариант вечного двигателя в виде колеса с грузами. 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 одной стороне колеса, находящиеся по горизонтали на большем расстоянии от оси, чем с другой, должны всегда поворачивать его и заставлять непрерывно вращаться.

Жидкостные вечные двигатели принципиально ничем не отличаются от описанных ранее perpetuum mobile первой группы. Разница состоит только в том, что вместо перемещающихся относительно колеса грузов используется жидкость, переливающаяся при его вращении так, чтобы ее центр тяжести перемещался в нужном направлении.

Все такие двигатели в разных видах развивали идею индийца Бхакскара (1150 г.). По описанию можно представить лишь принципиальную схему двигателя. На окружности колеса под определенным углом к его радиусам закреплены на равных расстояниях замкнутые трубки, создавая таким образом разницу веса в правой и левой частей колеса.

Все последующие проекты механических perpetuum mobile как с жидкими, так и с твердыми грузами, в сущности, повторяли одну и ту же идею: создать так или иначе постоянный перевес одной стороны колеса над другой и тем заставить его непрерывно вращаться.

Большое внимание, которое уделяли изобретатели вечных двигателей 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 века.

В Англии, например, по земельной описи было 5000 водяных мельниц. Но водяное колесо применялось не только в мельницах; постепенно его стали использовать и для привода молота в кузницах, ворота, дробилки, воздуходувных мехов, станков, лесопильных рам и так далее. Однако «водяная энергетика» была привязана к определенным местам рек. Между тем техника требовала двигатель, который мог бы работать везде, где он нужен. Совершенно естественной поэтому была мысль о водяном двигателе не зависимом от реки, действительно половина дела — использовать напор воды — была ясна. Тут накопился достаточный опыт.

Оставалась другая половина — создать такой напор искусственно.

Способы непрерывно подавать воду снизу вверх были известны еще с античных времен. Самым совершенным из нужных для этого устройств был архимедов винт.

Если соединить такой насос с водяным колесом, цикл замкнется. Надо только для начала залить водой бассейн наверху. Вода, стекая из него, будет крутить колесо, а насос, приводимый от него, снова подаст воду вверх. Таким образом, получается гидравлический двигатель, работающий, так сказать, «на самообслуживании». Никакой реки ему не нужно; он сам создаст необходимый напор и одновременно приведет в движение мельницу или станок.

Для инженера того времени, когда понятия об энергии и законе ее сохранения еще не было, в такой идее не было ничего странного. Множество изобретателей работало, пытаясь воплотить ее в жизнь. Только некоторые умы понимали, что это невозможно; одним из первых среди них был универсальный гений — Леонардо да Винчи. В его тетрадях был найден эскиз гидравлического вечного двигателя.

Машина состоит из двух, связанных между собой устройств А и В, между которыми установлена чаша, заполняемая водой. Устройство А представляет собой архимедов винт, подающий воду из нижнего резервуара в чашу.

Устройство В вращается, приводимое в движение водой, сливающейся из чаши, и крутит насос А — архимедов винт; отработавшая вода сливается снова в резервуар.

Отдельно можно рассмотреть мнимые вечные двигатели.

Сегодня, по-видимому, уже никто не сомневается, что энергия перемещения масс воздуха, равно как и энергия, определяемая изменениями температуры и барометрического давления, ничего общего не имеет с теми тайными силами, которые, как считалось в прошлом, являлись причиной вечного движения, даже если источником этих сил оказывалась сама природа Земли или целая Вселенная. Естественно, что колебания температуры внешнего воздуха зависят от солнечного излучения; с изменениями этой температуры в свою очередь тесно связаны характер перемещений атмосферных масс и изменения барометрического давления. Однако же все эти процессы происходят лишь благодаря тому, что Солнце постоянно посылает на поверхность Земли все новые и новые порции энергии. Эта энергия (которую мы будем называть латентной, поскольку для многих исследователей прошлого она действительно оставалась тайной) очень часто оказывалась тем источником, к которому сплошь и рядом обращались изобретатели и сторонники perpetuum mobile. Их устройства, черпавшие необходимую для своей работы энергию из этого латентного источника, во многих случаях функционировали достаточно успешно, что побуждало общественное мнение рассматривать эти машины как убедительное доказательство осуществимости вечного движения в условиях Земли. Неправильное понимание, а иногда и просто полное незнание принципов работы этих устройств приводили к новым попыткам решения проблемы perpetuum mobile и постройке дальнейших вариантов этих машин.  
В 1815 году в «Еженедельном вестнике искусств и ремесел королевства Баварии» появилось сообщение о новом perpetuum mobile, автором которого был некий Рамис из Мюнхена. Этот perpetuum mobile, полное описание которого приводит Иоганн фон Поппе в уже упомянутой нами книге, по существу представлял собой электрический маятник, который качался на опоре, помещенной, между сферическими электродами двух электрических элементов Замбони , вставленных внутрь стеклянных столбиков. Верхнее удлиненное плечо маятника оканчивалось стеклянной палочкой с металлическим шариком на конце. При касании сферического электрода одного из элементов на шарик переходила небольшая часть его электрического заряда. Поскольку тела, несущие на себе одноименные заряды, отталкиваются, маятник отклонялся в другую сторону, где шарик притягивался электродом противоположной полярности, который в свою очередь забирал его заряд, и весь процесс повторялся вновь в обратном направлении. С помощью удачных усовершенствований конструкции Рамису удалось использовать этот способ для приведения в действие маятниковых часов, которые благодаря энергии, запасенной в электрических элементах, могли идти очень долгое время.  
После Рамиса созданием аналогичных часов занимался также Карл Стрейциг из Вероны. Отметим, что эти perpetuum mobile не были совершенно оригинальными — как справедливо указывалось в тогдашней литературе, оба они основывались на идее весьма популярного в то время физического прибора-электроскопа, известного со времен самых ранних опытов с электричеством.  
Еще одна значительная часть мнимых perpetuum mobile получала необходимую для своей работы энергию в результате изменений барометрического давления. Одним из самых старых проектов подобного рода был барометрический вечный двигатель англичанина Кокса, относящийся к 70-м годам XVIII в. Внешний вид этого perpetuum mobile , подробно описанного в «Геттингенском вестнике ученых» за 1775 г. Принцип действия этого устройства основывался на известном опыте Торричелли с заполненной ртутью трубкой. Главной частью машины Кокса являлся большой сосуд, в который было налито 200 кг ртути; его подвешивали на цепях и с помощью системы блоков уравновешивали специальным грузом. В этот сосуд с ртутью погружалась длинная стеклянная трубка с запаянным верхним концом, которую изобретатель перед запаиванием также наполнял ртутью до самого верха. При падении барометрического давления уровень ртути в трубке понижался, и часть ее вытекала в сосуд, который, утяжеленный весом вытекшей ртути, начинал опускаться; далее это движение передавалось на заводное колесо пружины часового механизма. Если атмосферное давление повышалось, тогда, наоборот, некоторое количество ртути выталкивалось обратно в трубку и противовес возвращал сосуд в исходное положение. Небольшого изменения давления внешнего воздуха оказывалось достаточно для завода часовой пружины на восьмисуточный запас хода.  
Этот барометрический perpetuum mobile привлек пристальное внимание английского ученого Фергюсона. Так, еще в 1774 г. он писал об этом устройстве:  
«Я осмотрел вышеописанные часы, которые приводятся в непрерывное движение подъемом и опусканием ртути в своеобразно устроенном барометре. Нет основания полагать, что они когда-нибудь остановятся, поскольку накопляющаяся в них двигательная сила могла бы обеспечивать их ход в течение целого года даже после полного устранения барометра. Должен сказать со всей откровенностью, что, как показывает детальное знакомство с этими часами, по своей идее и исполнению они являются самым замечательным механизмом, какой мне когда-либо случалось видеть».  
В так называемых автодинамических часах, сконструированных во второй половине прошлого столетия австрийским инженером Лёсслем, принцип работы «вечного» приводного устройства заключался в следующем. Автор соединил два металлических меха, выполненные в форме цилиндров, с толстостенным резервуаром, вмещавшим 500 литров воздуха. При изменениях атмосферного давления эти меха растягивались или сжимались — максимальное же изменение длины мехов достигало 12 см. Этого изменения длины оказывалось достаточно, чтобы обеспечить завод пружины довольно крупных часов для непрерывного их хода в течение 80 дней.  
В 1751 г. известный французский часовщик Ле-Плат из Нанси построил оригинальные «вечные» часы: он взял обычные маятниковые часы и повесил их на стену со скрытым в ней воздушным каналом, сообщавшимся с комнатой через специальное отверстие. Когда двери в комнату открывались, более теплый, а потому и более легкий воздух из комнаты начинал проходить через канал в стене, выталкиваемый более холодным и более тяжелым наружным воздухом. На пути протекающего в канале воздуха Ле-Плат установил небольшую крыльчатку, приводившую во вращение передаточный механизм, который в свою очередь обеспечивал поднятие свинцовой гири часов.  
Завод пружин хронометрических устройств с помощью протекающего воздуха, как это описал в 1755 г. Ле-Плат в своем «Трактате о часовом деле», являлся излюбленным приемом того времени, привлекавшим внимание многих исследователей. Подобные часы, построенные по принципу «сквозняка» (их, кстати, тоже часто принимали за perpetuum mobile), устанавливались во многих общественных местах, например, на Северном вокзале в Брюсселе.  
К несколько иному способу прибегнул в 1682 г. Иоганн Иоахим Бехер: для завода часового механизма он использовал дождевую воду, стекавшую по крыше его дома. Через год он построил еще один самодвижущийся механизм, непрерывно работавший за счет изменений температуры окружающего воздуха. Об этом устройстве Бехер писал: «...своим термоскопом я могу заводить небольшие маятниковые часы, причем они будут идти так долго, пока у них что-нибудь не сломается...».  
При чтении раздела о мнимых вечных двигателях, естественно, может возникнуть вопрос, не выгодно ли создавать по этому принципу крупные машины, которые можно было бы использовать, например, в промышленном производстве. И хотя совершенно ясно, что речь идет не о «настоящих» вечных двигателях, в современных условиях острой нехватки энергетических ресурсов энергия, полученная таким способом из окружающей среды, могла бы оказаться ценным подспорьем для человечества. В связи с этим попробуем хотя бы приблизительно подсчитать экономичность работы такой машины и затраты, связанные с ее изготовлением. Из опыта известно, что для суточного завода обычных ручных часов требуется работа, равная примерно 0,4Дж, что составляет около 5.10-6 Дж на каждую секунду хода часов. А поскольку 1кВт равняется 1000Дж/с, то мощность пружины нашего часового механизма составляет всего 5.10-9 кВт. Если расходы на изготовление основных частей описанного выше устройства, действующего по принципу теплового расширения, принять равными 0,01 рубля, то за машину мощностью 1кВт нам пришлось бы заплатить 2 млн. рублей. Конечно же, создание и использование таких дорогих источников энергии в широком масштабе абсолютно нерентабельно.  
Одним из современных примеров мнимых perpetuum mobile являлась популярная в послевоенные годы игрушка — стилизованная фигурка пьющей утки . Туловищем утки служила стеклянная трубочка, верхний конец которой заканчивался шариком в виде утиной головы с клювом. Нижний конец трубочки был погружен в небольшой запаянный сосуд, наполненный эфиром. При этом эфир выбирался потому, что он легко испаряется уже при комнатной температуре и, кроме того, с изменением температуры резко меняется давление его насыщенных паров. Для того чтобы «оживить» утку, следовало лишь слегка смочить ее головку и поставить игрушку перед стаканом с водой. При этом утка, наклоняясь вперед, погружала свой клюв в воду, потом откидывалась назад, в вертикальное положение, снова наклонялась, окуная клюв в воду, и т.д.  
Секрет действия этой игрушки легко понять, если посмотреть, как ведут себя пары эфира в двух местах — в трубочке с головкой и в нижнем сосуде. Так, если увлажнить головку утки водой, то вследствие испарения температура головки упадет ниже температуры окружающего воздуха. Для усиления этого эффекта на головке обычно укрепляется кусочек какого-либо пористого материала, например, ваты, который хорошо впитывает воду и интенсивно ее испаряет. В результате охлаждения головки давление насыщенных эфирных паров в ней падает, и эфир под действием паров в нижней части трубочки поднимается вверх. При этом центр тяжести фигурки перемещается по направлению к голове, и утка постепенно наклоняется вперед. В то же время при горизонтальном положении туловища-трубочки происходят два независимых процесса. Во-первых, утка опускает клюв в воду, так что ватный хохолок на ее головке вновь увлажняется. Во-вторых, насыщенные пары из верхней и нижней частей смешиваются, давление их выравнивается, и жидкий эфир под действием собственного веса вновь вытекает в нижний сосуд, в результате чего тело утки опять начинает выпрямляться. Весь цикл качаний этой игрушки будет повторяться до тех пор, пока головка утки будет увлажняться и пока окружающий воздух сам не окажется слишком влажным, с тем чтобы вода из хохолка могла нормально испаряться и охлаждать головку утки. Понятно, однако, что и в этом случае речь идет вовсе не о реальном perpetuum mobile , поскольку постоянные качания утки происходят только благодаря тому, что в процессе этих качаний она отбирает тепло из окружающего воздуха.  
Из приведенных примеров видно, что некоторые явления природы, по крайней мере внешне, оказываются в противоречии с повседневным опытом человека, — именно это обстоятельство являлось одной из причин возникновения иллюзий о возможности использования при создании вечных двигателей скрытых природных сил. Например, опыты с различными видами радиоактивных излучений, получившие широкое распространение в конце прошлого столетия, взбудоражив фантазию многих изобретателей, послужили мощным импульсом к созданию многочисленных проектов perpetuum mobile, приводившихся в действие этими невидимыми лучами. Отметим, что в небольших масштабах для этих же целей некоторыми изобретателями использовалась энергия солнечного излучения.  
В заключение о мнимых perpetuum mobile упомянем еще об одном устройстве — о так называемом радиоскопе или радиометре, представлявшем собой маленькую лопастную мельницу, помещенную внутрь стеклянной колбы, из которой выкачивался воздух — давление понижалось до 0,02 мм рт.ст. (=2,7 паскаля). Главную часть мельницы составляли четыре небольшие слюдяные лопатки, одна сторона которых была зачернена, а другая оставалась незачерненной; при этом сами лопатки могли вращаться вокруг вертикальной оси. Если лучи света, несущие тепловую энергию, попадали внутрь колбы, то зачерненные поверхности лопаток нагревались больше, нежели блестящие, так что немногие молекулы разреженного воздуха, остававшиеся в колбе, отлетали от них с большей скоростью. В результате зачерненной стороне лопаток передавался больший импульс, что и приводило всю мельницу во вращение.  
Перечисленные примеры мнимых вечных двигателей показывают, что подобные устройства почти с самого начала сопровождали «настоящие» вечные двигатели. Незнание основных физических законов, вполне оправданное в XVII-XVIII вв., т.е. до открытия законов сохранения массы и энергии, приводило к тому, что изобретатели «предэнергетической» эпохи совершенно не представляли себе, что их машины черпают свою энергию не из какого-то таинственного «нутра», а из колоссальных природных источников Земли или Вселенной.  
В истории же техники мнимые perpetuum mobile так и остались игрушками, радующими глаз любителей курьезов, или даже источниками новых, подчас еще не раскрытых возможностей науки, в то же время абсолютно не оправдав ожиданий тех, кто с их помощью все-таки надеялся раскрыть тайну вечного движения.  
 
5. Парадоксальность существования вечного двигателя

Нельзя получить энергии одного вида больше, чем другого при любых превращениях энергии, т.к. это противоречит закону сохранения энергии. В связи с этим нельзя создать вечный двигатель, т.е. такой двигатель, в котором в результате превращения энергии одного вида ее получается больше, чем было.

Так называемый вечный двигатель занимает в истории науки и техники особое и очень заметное место, несмотря на то, что он не существует и существовать не может. Этот парадоксальный факт объясняется прежде всего тем, что поиски изобретателей вечного двигателя, продолжающиеся более 800 лет, связаны с формированием представлений о фундаментальном понятии физики — энергии. Более того, борьба с заблуждениями изобретателей вечных двигателей и их ученых защитников в значительной степени способствовала развитию и становлению науки о превращениях энергии — термодинамики. У всех без исключения авторов, писавших о вечном двигателе, основное внимание уделялось так называемому вечному двигателю первого рода, которым занимались изобретатели прежних времен.

Вечные двигатели второго рода, которые пытаются создать теперешние изобретатели, почти не рассматриваются. Между тем именно здесь находится центральный пункт полемики, связанной с предложениями о создании «инверсионных» энергетических устройств, могущих, якобы, обеспечить человечество энергией навечно и без расходования каких-либо возобновляемых и не возобновляемых ресурсов.

Вот как писал о значении для человечества вечного двигателя французский инженер Сади Карно: «Общее и философское “perpetuum mobile” содержит в себе не только представление о движении, которое после первого толчка продолжается вечно, но действие прибора или какого-нибудь собрания таковых, способного развивать в неограниченном количестве движущую силу, способную выводить последовательно из покоя все тела природы, если бы они в нем находились, нарушать в них принцип инерции, способного, наконец, черпать из самого себя необходимые силы, чтобы привести в движение всю Вселенную, поддерживать и беспрерывно ускорять ее движение. Таково было бы действительно создание движущей силы. Если бы это было возможно, то стало бы бесполезным искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале, мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы бесконечно черпать.»

Действительно, положение о невозможности осуществления вечного двигателя первого рода очевидно для современного человека, который со школьных лет знает закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии был сформулирован еще в 1748 году М.В. Ломоносовым, который писал: «так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому телу, которое от него движение получает.»

При рассмотрении идеи вечного двигателя второго рода нужно не только выявить противоречие с законом природы, но и убедить в незыблемости самого этого закона. Однако второй закон термодинамики далеко не так очевиден, как закон сохранения энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Вечный двигатель — воображаемое устройство, позволяющее получать полезную работу, большую, чем количество сообщённой ему энергии (КПД больше 100 %).

Существует несколько видов вечных двигателей. Вечный двигатель первого рода — воображаемое устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Невозможность вечного двигателя первого рода постулируется в термодинамике как первое начало термодинамики.

Вечный двигатель второго рода — воображаемая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.

И первое, и второе начала термодинамики были введены как постулаты после многократного экспериментального подтверждения невозможности создания вечных двигателей. Из этих начал выросли многие физические теории, проверенные множеством экспериментов и наблюдений, и у учёных не остается никаких сомнений в том, что данные постулаты верны и создание вечного двигателя невозможно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

Вознесенский Н. Н. “О машинах вечного движения.” М., 1996.

 

Ихак-Рубинер Ф. “Вечный двигатель.” М., 1999.

 

Кирпичёв В. Л. “Беседы по механике.” М.: ГИТЛ, 2006.

 

Мах Э. Принцип сохранения работы: История и корень его. СПб.,2007.

 

Михал С. “Вечный двигатель вчера и сегодня.” М.: Мир, 1984.

 

Орд-Хьюм А. Вечное движение. История одной навязчивой идеи. М.: Знание, 1980.

 

Перельман Я. И. Занимательная физика. Кн. 1 и 2. М.: Наука, 2009.