Вечный двигатель

В 1685 г. в одном из выпусков лондонского  научного журнала «Философские труды» был опубликован предложенный французом Дени Папеном проект гидравлического perpetuum mobile , принцип действия которого должен был опровергнуть известный парадокс гидростатики. Как видно из рисунка ниже, это устройство состояло из сосуда, сужавшегося в трубку в форме буквы C, которая загибалась кверху и своим открытым концом нависала над краем сосуда.

   Автор проекта ошибочно предполагал, что вес воды в более широкой части сосуда обязательно будет превосходить вес жидкости, находящейся в трубке, т.е. в более узкой его части. Это означало, что жидкость своей тяжестью должна была бы выдавливать саму себя из сосуда в трубку, по которой ей вновь приходилось бы возвращаться в сосуд, — тем самым достигалась требуемая непрерывная циркуляция воды в сосуде. К сожалению, Папен не осознавал того, что решающим фактором в данном случае является не разное количество (а с ним и различный вес жидкости в широкой и узкой частях сосуда), а прежде всего свойство, присущее всем без исключения сообщающимся сосудам: давление жидкости в самом сосуде и изогнутой трубке всегда будет одинаковым. Гидростатический парадокс как раз и объясняется особенностями этого по существу своему именно гидростатического давления. Называемый иначе парадоксом Паскаля, он утверждает, что суммарное давление, т.е. сила, с которой жидкость давит на горизонтальное дно сосуда, определяется только весом столба жидкости, находящейся над ним, и совершенно не зависит от формы сосуда (например, от того, сужаются или расширяются его стенки) и, следовательно, от количества жидкости.

На рисунках ниже представлены примеры различных гидравлических perpetuum mobile с водяными колесами, поршневыми насосами и нориями (черпаковыми подъемниками).

Вечный двигатель с двумя  поршневыми насосами.

Гидравлический перпетуум мобиле — горизонтальное крыльчатое колесо, питаемое водой из рабочего лотка, приводит в действие вертикальный лопастный  насос Насос подает воду обратно  к рабочему лотку.

Далее, на последующих  рисунках изображены некоторые типы вечных двигателей с использованием принципа сифона и эффекта капиллярного поднятия в том виде, как они представлялись их конструкторам на рубеже XVI - XVII вв.

Из  того же источника заимствованы изображения  двух perpetuum mobile на следующих рисунках.

Они привлекают наше внимание несколько  необычным решением своих кинематических механизмов. Первый из них  представляет собой вечный двигатель, относящийся  к тому небольшому классу машин, в  которых в качестве рабочего тела использовался сыпучий материал — песок. Ковши, укрепленные на специальных рычагах рабочего колеса, подавали песок в верхний наклонный желоб. Далее по нижнему желобу песок возвращался обратно, в камеры, размещенные между щеками рабочего колеса. По мере вращения колеса камеры поочередно оказывались в крайнем нижнем положении, в этот момент песок из них высыпался и затем снова подхватывался ковшами, в результате чего весь цикл должен был повторяться вновь. На втором рисунке изображен вечный двигатель, который приводился в движение сжатым воздухом, поступавшим к нему от кузнечного меха. При этом работа меха обеспечивалась с помощью неравноплечего рычажного механизма, связанного с кривошипом, который в свою очередь должен был приводиться в действие зубчатой передачей от вала лопастного колеса воздушного мотора.

Анализ  собрания старинных чертежей и рисунков из рукописи Хольтцхамера вновь подтверждает тот факт, что исследование проблемы вечного движения являлось весьма благодарной  темой для ученых и инженеров  эпохи позднего Возрождения и раннего барокко; при этом среди большого количества стандартных технических решений и однотипных идей мы обнаруживаем и такие, которые выделяются известным остроумием и значительной долей оригинальности.

Если  подвергнуть рассмотрению и разбору  проекты всех без исключения гидравлических perpetuum mobile , это заняло бы слишком много места и времени.

Мнимые perpetuum mobile.

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, как показано на схеме ниже, 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. и вновь упомянутого в книге И. фон Поппе, изображен ниже.

А) Барометрический вечный двигатель  Кокса — по рисунку Фергюсона.                                Б)  Схема работы барометрического вечного двигателя, предложенного англичанином Коксом в 1880-1890 гг. 

  А)                                        Б)     

В то же время из его упрощенной схемы, показанной на чертеже рядом, легко видеть, что 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».

Так представлены другие часы, основанные на том же принципе, — современные часы модели «Атмос», выпускаемые в Швейцарии.

 В отличие от устройства  Кокса они не имеют ртутного манометра; его роль играет плоский цилиндрический барабан, наполненный хлористым этилом — веществом, которое начинает испаряться уже при 12°С. В барабане помещается составленный из круговых мембран металлический мех, который растянут скрытой внутри его сильной стальной пружиной. Если температура воздуха в помещении повышается, расширяющиеся пары хлористого этила сдавливают мех. В случае понижения температуры пружина возвращает мембранный мех в исходное положение. При этом перемещение меха, по мысли швейцарских конструкторов, с помощью специальной цепи передается непосредственно на вал заводного механизма обычных пружинных часов. Изменения температуры окружающего воздуха на 1° C оказывается достаточным, чтобы обеспечить завод пружины на 28 часов хода часового механизма. Впрочем, если бы мы поместили эти часы в термостат со строго поддерживаемой постоянной температурой, то запаса энергии полностью заведенной пружины хватило бы для непрерывной работы этого хронометрического устройства в течение целых ста дней.

Аналогичная, хотя и несколько менее совершенная, идея использовалась в так называемых автодинамических часах, сконструированных  во второй половине прошлого столетия австрийским инженером Лёсслем. Принцип работы его «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, схематически изображенные на схеме ниже.

Для своего опыта 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.

Следующим физическим явлением, на которое  обратили внимание изобретатели мнимых perpetuum mobile , было явление теплового расширения материалов. Один из наиболее старых анонимных проектов perpetuum mobile , представленный на чертеже ниже, знакомит нас с несколько тяжеловесной схемой «вечных» часов с непрерывным ходом.

Главной частью их заводного механизма  являются два стержня T₁ и T₂, упирающиеся в зубья храповиков k₁ и k₂, прочно скрепленных с рабочим колесом k. Стержни изготовлены из особого сплава с большим коэффициентом теплового расширения. Работа этого устройства осуществляется следующим образом. Если температура воздуха повышается, стержень T₁ начинает поворачивать колесо k против часовой стрелки; другой стержень T₂ вращает колесо k в том же направлении при уменьшении своей длины, т.е. в случае охлаждения окружающего воздуха. По мере вращения колеса k равномерно расположенные по его периметру небольшие черпаки постепенно заполняются ртутью и подают ее наверх к рабочему лотку, откуда ртуть самотеком поступает на лопастное колесо k₃, непосредственно связанное с пружиной часов или барабаном, на который наматывается веревка гирьки-противовеса.

Гораздо более простой является данная схема.

 Автором ее был Пьер Жак Дроз, живший в середине XVIII в. в небольшом швейцарском городке Шо-де-Фон. Дрозу было хорошо известно, что коэффициенты теплового расширения различных металлов, например, стали и латуни, могут сильно различаться между собой. Поэтому он использовал в своем устройстве две прочно скрепленные полоски из этих металлов, зная, что изменения температуры могут вызвать в такой биметаллической полоске силы расширения, вполне достаточные для завода часовой пружины.

Другим примером мнимого perpetuum mobile являются так называемые глицериновые часы, схема работы которых показана на данном рисунке.

Главную роль в этом устройстве играет глицерин, заполняющий спиральную стеклянную трубку и часть цилиндра под поршнем. При повышении температуры окружающего воздуха цилиндр нагревается, глицерин увеличивается в объеме и, перемещая поршень, совершает работу по подъему груза-противовеса. Поскольку глицерин затвердевает при -30°С, это устройство может надежно работать лишь в том случае, если температура окружающей среды будет не слишком низкой. В то же время для непрерывной работы часов оказывается вполне достаточно малых колебаний температуры в пределах 2°С.

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.