Вечный двигатель

Каспар Шотт в своем сочинении «Достопримечательности техники» 1664 г. Помимо вполне традиционных проектов вечных двигателей описывает построенный Иоганном Иоахимом Бехером так называемый физико-механический вечный двигатель, специально для которого курфюрст Майнца Ханс Филипп Шенборн в 1660 году приказал возвести отдельную каменную башню. У этого perpetuum mobile циклическое движение шаров не являлось основой для отсчета точных временных промежутков, — просто сами эти шары служили в качестве грузов, обеспечивавших постоянно действующую силу, необходимую для приведения в ход отдельного хронометрического устройства. В зависимости от передаточного отношения системы зубчатых колес ABC такие часы могли идти целые недели или даже месяцы, поскольку колесо D под действием веса каждого шара поворачивалось всего лишь на 1/8 полного оборота. После этого данный шар попадал во вращающийся барабан E, одновременно из верхней части барабана выпускался другой шар, который катился по направляющему желобу, вновь приводя в действие часовой механизм. Весь этот процесс скатывания и возвращения шаров в исходное положение управлялся сложной системой зубчатых колес и рычагов, которые приводились в движение силой падающей с башни воды.

Сам Шотт в комментариях по поводу работы машины Бехера высказывал сомнение, что подобное устройство могло бы работать как perpetuum mobile , утверждая, что в земных условиях вообще невозможно обеспечить вечное движение. То же самое писал о своих опытах и сам Бехер:

«Десять лет я занимался этим безумием, потеряв кучу времени, денег  и погубив свое доброе имя и  славную репутацию — все это  лишь для того, чтобы сегодня с  полной убежденностью сказать вечное движение (motus perpetuus) — неосуществимо»

С механизмами, аналогичными схеме  непрерывного движения шаров по замкнутому пути, мы встречаемся в целом ряде хронометрических устройств. Одну из таких  попыток, хотя и относящуюся к сравнительно недавнему времени. Правда, из-за своей сложности и неуклюжести подобные механизмы производят в целом весьма необычное впечатление, и поэтому не удивительно, что между изобретателями perpetuum mobile такого типа всегда возникала масса споров о приоритете и об оригинальности самой конструкции.

В 60-х годах XVIII века интересный вариант  вечного двигателя с неуравновешенными  шарами предложил некий Ульрих из Гранаха. Из рисунка видно, что для подачи шаров к верхней части ведомого колеса автор использовал архимедов винт, т.е. элемент, с которым мы встречались еще у Леонардо да Винчи.

Вечные двигатели с неуравновешенными  шарами имели много разновидностей в большинстве случаев принцип их действия оказывался по существу одинаковым, а доставка шаров обратно в исходную точку их траектории осуществлялась различными способами.

Авторы большинства механических perpetuum mobile , приводившихся в действие силой тяжести, либо обращали мало внимания, либо вообще пренебрегали влиянием пассивных сил, которые были главной причиной неудач их экспериментов.

В заключение этого краткого обзора наиболее часто встречающихся типов  механических вечных двигателей приведем еще два интересных примера. Принцип  действия первой из этих машин по внешнему виду необычайно прост разница в весе между более длинной частью ремня, проходящей между промежуточными роликами, и его прямой, вертикальной частью, обеспечивает неравенство сил, служащее причиной постоянного движения всей системы. Подобный тип perpetuum mobile был, по-видимому, прежде необычайно популярен, поскольку он часто встречается в литературе во многих вариантах: с ремнями, цепями и т.п.

Еще один perpetuum mobile , состоявший из звездчатого колеса с восемью рычагами имел дополнительно четыре пары взаимно соединенных мехов связь между противоположными мехами осуществлялась с помощью полых трубчатых рычагов, наполовину заполненных ртутью. Прикрепленные к мехам грузы при повороте колеса поочередно сжимали и разжимали меха, при этом ртуть внутри рычагов переливалась так, что возникавшее в результате неравновесие сил приводило всю систему в режим постоянного вращения.

Многочисленные попытки создания вечного двигателя, приводимого  в действие силой тяжести различных  масс в виде откидных рычагов, неуравновешенных шаров и т.п., с самого начала исходили из неверного предположения о том, что для приведения такой машины в непрерывное движение достаточно сместить центр тяжести ее вращающейся части (колеса, рычагов и т.д.) из положения равновесия, т.е. сдвинуть его с оси вращения. Это ошибочное понимание закона тяготения, по всей видимости, имело своими главными причинами несколько консервативный взгляд на статику тел, а также почти полное отсутствие опыта практического применения новых законов динамики, установленных Галилеем.

До сих пор при исследовании эволюции идеи perpetuum mobile мы продвинулись не слишком далеко, сумев подробно рассмотреть лишь механические вечные двигатели, приводившиеся в действие гравитационными эффектами. Колеса, молотки, шары, противовесы, цепи, ремни, рычаги, зубчатые передачи вот главные детали того «конструктора», из которого собирали элементы своих фантастических машин изобретатели тех времен. При этом большинство из них было абсолютно убеждено в глобальной справедливости своей идеи, или же, по крайней мере, проникнуто твердой верой в нее. В самом деле, вряд ли можно найти человека, который занимался бы постройкой какой-нибудь машины, специально задавшись целью доказать ее бессмысленность.

И все же в истории perpetuum mobile такой случай имеется. Член английского Королевского общества механик и астроном Джеймс Фергюсон в качестве протеста против всё умножавшихся проектов новых вечных двигателей, в бессмысленности которых он нисколько не сомневался, построил модель perpetuum mobile. По внешнему виду эта модель мало чем отличалась от описанных выше устройств. Правда, в дополнение к откидывающимся грузам на концах звездообразно расположенных рычагов Фергюсон использовал еще набор грузов, передвигавшихся в особых каретках в направлении касательной к окружности вращения и перпендикулярно соответствующему рычагу. Одновременно перемещение грузов с помощью совокупности специальных блоков и тросов связывалось с движением откидывающихся рычажков; при этом каждый рычажок соединялся тросом с тем грузом, который отстоял от него по окружности на 90° в направлении движения часовой стрелки. С помощью подобной взаимной комбинации исходных элементов Фергюсон намеренно хотел усилить действие исследуемой машины, чтобы, если все попытки привести ее в движение окажутся безуспешными, наглядно показать, что идея perpetuum mobile целиком принадлежит царству фантазии. Весьма вероятно, что модель Фергюсона была не единственным выступлением против самой сущности идеи вечного двигателя, поскольку с критикой разных типов этих машин мы встречаемся и в целом ряде других сочинений того времени.

Отметим, что, пожалуй, никто из изобретателей  вечного двигателя не задавался  более легкой задачей, чем Фергюсон: ведь для своего эксперимента он мог выбрать любую машину своих противников, будучи заранее уверенным, что его попытка доказать невозможность вечного двигателя непременно окажется успешной.

Гидравлические вечные двигатели.

Один из неписаных законов жизни  утверждает, что авторы самых важных открытий и изобретений часто остаются безвестными — время уносит имена этих людей раньше, чем окружающие успевают заметить их свершения. Вот уже тысячи лет вертятся лопатки водяного колеса — замечательнейшей машины давнего прошлого, машины, сопровождавшей развитие цивилизации с самого начала ее зарождения до настоящего времени. Тысячи мельниц, пил и насосов приводил в действие этот двигатель, который наряду с мускульной силой человека и животных столетиями являлся единственным реальным источником их двигательной силы. Правда, несмотря на свою простоту, водяное колесо обладало и существенным недостатком — оно нуждалось в достаточном количестве проточной воды вне зависимости от времени года. Должно быть, именно поэтому большой популярностью пользовалась идея работы водяного колеса в замкнутом цикле, что позволило бы сделать его независимым от изменчивых водяных потоков и тем самым обеспечить более широкое его использование. Слабость же этой идеи заключалась в том, что оставалось неясным, как доставлять воду обратно, к лотку, питающему лопатки водяного колеса.

На рисунках

представлены старинные, относящиеся  к 1661 г., гравюры, изображающие так называемые сухие водяные мельницы. Подобные мельницы приобрели широкое распространение в конце XVII в., создание их часто связывается с именем Хайне, кузнечных дел мастера из Лемсала. Водяные мельницы Хайне привлекли внимание графа Меллина, составившего подробный обзор этих устройств — «Иллюстрированное описание так называемой сухой водяной мельницы в городе Лемсале в Лифляндии», опубликованный в «Торговой газете» в 1796 году. С аналогичными рисунками и чертежами мы встречаемся и у Каспара Шотта, Атанасия Кирхера, Якобо де Страды и др. Авторы всех этих проектов, взятых из книги Бёклерна «Новый театр машин», изданной в Нюрнберге в 1661 г., использовали для подачи воды в верхний лоток так называемую коклею (водяную спираль), или архимедов винт. К наиболее интересным элементам, изображенным на этих рисунках, относится пропеллерная (лопаточная) турбина, постепенно заменявшая привычное водяное колесо. Предложенный де Страдой в 1629 году проект вечного двигателя, в котором использовалось водяное колесо с верхней подачей воды (по внешнему виду он был аналогичен вечным двигателям, представленным и книги Беклерна), предназначался для привода шлифовальных кругов.

Схемы сухих водяных мельниц, создававшихся по принципу гидравлического perpetuum mobile , так никогда и не были реализованы на практике. Об этом свидетельствует целый ряд проектов, отличающихся друг от друга лишь некоторыми деталями конструкции. В попытках увеличить количество воды, подаваемой к верхнему лотку колеса, авторы подобных проектов часто прибегали к объединению двух или более архимедовых винтов

Гидравлическим perpetuum mobile с архимедовым винтом занимался также английский епископ Джон Уилкинс, подробно описавший его в своем сочинении «Математическая магия», опубликованном в 1648 г. Еще один проект гидравлического вечного двигателя представляет собой нечто среднее между трехступенчатым водяным колесом и турбиной в тройном каскаде, сидящими на общем наклонном валу. Внутри этого вала размещался архимедов винт, поднимавший воду из нижнего резервуара на лопатки самого верхнего колеса.

Чтобы выяснить всю несостоятельность  этих проектов, проанализируем кратко работу водяного колеса и проведем примерную оценку его энергетического баланса. Рассмотрим сначала водяное колесо с подачей воды сверху — этот единственный гидравлический двигатель, в котором непосредственно используется потенциальная энергия падающей воды. Действительно, находящаяся в верхнем лотке вода падает в ковши рабочего колеса и своей тяжестью заставляет их двигаться вниз до тех пор, пока колесо не повернется примерно на пол-оборота и вода не выльется в отводящий канал. Диаметр водяных колес обычно выбирался приблизительно равным высоте используемого перепада уровней. Следовательно, в случае значительных перепадов водяное колесо теряло ряд своих преимуществ, поскольку оно становилось слишком большим и тяжелым. Мощность, развиваемая колесами водяных мельниц и пил, составляла обычно от 3,5 до 11 кВт при перепаде от 3 до 12 м и секундном расходе воды порядка 0,1-0,8м³. При этом колесо всегда располагалось строго над поверхностью воды в отводном канале, с тем чтобы при повышении уровня в нем нижний край колеса не оказывался бы в воде. Именно это обстоятельство не позволяло полностью использовать всю потенциальную энергию воды, определявшуюся теоретически только разностью высот верхнего и нижнего уровней. Общая сумма потерь даже у тщательно изготовленного водяного колеса с верхней подачей воды достигала примерно 20%, так что коэффициент полезного действия такого колеса никогда не превышал 80% В эту цифру не включены, однако, потери энергии в передаточном механизме, представляющем собой необходимый элемент каждого двигателя. Таким образом, после подсчета всех потерь и пассивных сопротивлений собственно колеса и передаточных звеньев коэффициент полезного действия всего устройства падает уже до 50-60%; эффективность же колес с подачей воды на среднем и нижнем уровне оказывается еще более низкой. В случае использования водяного колеса в качестве движущего элемента perpetuum mobile приводимое им в действие перекачивающее устройство должно было доставлять к верхнему лотку ровно такое же количество воды, которое в тот же самый момент вытекало на лопатки самого колеса. Даже если при этом не учитывать потери в перекачивающем насосе, то потребляемая насосом мощность должна в точности соответствовать потенциальной энергии воды, которая определяется упомянутой разностью верхнего и нижнего уровней и которую, как говорилось выше, никакое водяное колесо полностью использовать не может. Это обстоятельство уже само по себе доказывает, почему не может существовать сухая водяная мельница с замкнутым круговоротом воды.

К аналогичному выводу еще в 1724 г  пришел Якоб Леупольд, подробно рассматривавший этот вопрос в своей книге «Всеобщий театр машин», изданной в Лейпциге; свою отрицательную точку зрения на подобные устройства он выразил следующими словами: «Один фунт (т.е. груз) способен удержать другой фунт в равновесии, но никогда не сможет привести его в движение».

На старинном  чертеже из парижского «Журнала ученых», относящемся к 1678 г., показан другой вечный двигатель — гидравлический perpetuum mobile Станислава Сольского, который он демонстрировал при дворе польского короля в 1609-1610 гг. Принцип его работы, по замыслу автора, заключался в следующем. Главными частями этого вечного двигателя являлись водяной насос и колесо mm. По мере опускания груза V ушат P постепенно поднимается вверх. Одновременно с ним поднимается клапан в насосе, и вода начинает поступать в сосуд abcd. Через выпускной канал n она попадает в круглый резервуар g, открывает в нем заслонку и через кран r выливается в ушат P. В результате ушат P под тяжестью воды начинает опускаться, однако в некоторый момент посредством натянувшейся веревки t, прикрепленной с одной его стороны, он наклоняется и опорожняется. Пустой ушат P вновь поднимается наверх, груз V опять начинает опускаться, и вся процедура повторяется заново. Колесо mm в этом случае должно совершать только колебательные движения.

Два следующих perpetuum mobile , описания которых приводятся далее, должны были работать в соответствии с законом Архимеда о подъемной силе в жидкостях. Главной частью первого из них, как ясно из схемы

является вращающийся вокруг горизонтальной оси барабан с наглухо закрытыми торцами. Внутри барабана располагались две взаимно перпендикулярные перекрещивающиеся тяги с насаженными на них большими пробковыми шарами. На внешних концах этих тяг, пропущенных сквозь боковую поверхность барабана через водонепроницаемые вводы, укреплялись металлические грузы. При этом пробковые поплавки должны были отклонять тяги в соответствующем направлении, что обеспечивало бы необходимое неравновесие сил, приводившее барабан в непрерывное и равномерное вращение.

Гораздо более сложный тип гидравлического  вечного двигателя представлен  на следующем чертеже.

В бак с жидкостью погружен ротор, от которого отходят 6 трубчатых рычагов  с пузырями на концах. Сами же рычаги укреплены в специальной обойме, вращающейся на полом валу. При вращении ротора через щель в валу воздух из полости вала последовательно поступает в трубки рычагов. Создание избыточного давления и перекачивание воздуха производятся с помощью специального меха, расположенного под баком и приводимого в действие непосредственно от кривошипа на валу ротора Выпускание воздуха из пузырей обеспечивает обозначенный на рисунке черным кружочком специальный кулачок, находящийся над поверхностью жидкости в баке. Для закрывания заслонки в трубке служит другой кулачок, остающийся ниже поверхности жидкости. Принцип действия этого вечного двигателя вполне очевиден из чертежа.