Вечный двигатель
Известные «изобретатели» вечных двигателей
Проект вечного двигателя Орфиреуса
Литература
- Вознесенский Н. Н. О машинах вечного движения . М., 1926.
- Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель . М., 1922.
- Кирпичёв В. Л. Беседы по механике . М.: ГИТЛ, 1951.
- Мах Э. Принцип сохранения работы: История и корень его . СПб., 1909.
- Михал С. Вечный двигатель вчера и сегодня / Пер. с чеш. И. Е. Зино; Предисл. А. Т. Григорьяна.. - М .: Мир , 1984. - 256 с. - (В мире науки и техники). - 100 000 экз.
- Орд-Хьюм А. Вечное движение. История одной навязчивой идеи . М.: Знание, 1980.
- Перельман Я. И. Занимательная физика . Кн. 1 и 2. М.: Наука, 1979.
- Петрунин Ю. Почему идея вечного двигателя не существовала в античности? // Петрунин Ю. Ю. Призрак Царьграда: неразрешимые задачи в русской и европейской культуре. - М.: КДУ, 2006, с. 75-82
Примечания
См. также
Литература
- // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
Ссылки
|
|||||||||||||||||
| См. также: Вечный двигатель Мотор-редуктор Резиномотор | |||||||||||||||||
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :НЕВОЗМОЖНОСТЬ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ВВЕДЕНИЕ
Проблема вечного движения волновала человечество с незапамятных времен. Многие выдающиеся умы посвятили огромные усилия созданию механизма, который бы действовал непрерывно, без притока энергии извне, и производил при этом какую-нибудь практически полезную работу. Желание во что бы то ни стало изготовить вечный двигатель (perpetuum mobile) было обусловлено как экономическими, так и научными, даже философскими причинами.
Его изобретение разрушило бы фундаментальный постулат экономики о «неограниченности человеческих потребностей и ограниченности ресурсов, необходимых для их удовлетворения, поскольку такой механизм никаких ресурсов бы не расходовал, помимо тех материалов и сил, которое так же непрерывно изменяется и совершенствуется без притока видимой нам внешней энергии, модель бессмертной природы, созданная человеческим разумом, благодаря которому, как известно, «природа познает самое себя».
Науку же попытки добиться perpetuum mobile обогатили фундаментальными теориями, которые, собственно, и опровергли его возможность, и теперь эмпирические версии такого неработающего механизма служат их наглядным подтверждением. В настоящее работе мы приведем краткий обзор истории таких попыток и обоснуем не только их практическую несостоятельность, но и важную роль в развитии науки.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
История и типы perpetuum mobile
История попыток создать вечный двигатель представляет собой в миниатюре историю совершенствования познаний человека об окружающем мире. С первобытных времен homo sapiens наблюдал вечное движение вокруг себя: восход и закат солнца, смену времен года, ветер, течение рек, приливы и отливы; причин же их и закономерностей он не понимал. Отсюда и обожествление соответствующих явлений природы, и, с другой стороны, уверенность в том, что, коль скоро perpetuum mobile в принципе не просто существует, но всегда окружает человека, то он сможет его воспроизвести.
Отметим, что на ранней стадии работ над вечным двигателем научные и философские побуждения опережали экономически соображения, поскольку такому устройству в древности, средневековье и эпоху Возрождения трудно было подыскать достаточно эффективное применение. Размол муки, вычерпывание воды, вращение гончарного круга или точильного камня, часовой механизм – этим по сути ограничивалась в те времена сфера использования любого двигателя, в том числе гипотетического вечного. Позднее появились станки, лесопилки, самодвижущиеся средства транспорта, электроприборы – круг работ для perpetuum mobile сильно расширился; в наше время незадачливые энтузиасты, как правило, желают сделать его основой электроэнергетики.
Чаще всего для постройки очередного вечного двигателя использовался принцип колеса – величайшего технического изобретения древнего человека. Видимо, один из первых механизмов такого рода описан в санскритской рукописи по астрономии «Сиддахнта Сиромани» (V век н.э.): колесо с двумя рядами отверстий одного диаметра на внешнем ободе, которые зигзагообразно располагались на одинаковом расстоянии друг от друга, были заполнены ртутью и плотно закрыты. Отметим, что эта ранняя конструкция оказалась и базовой: колесо, одна сторона которого должна всегда перевешивать другую, воспроизводится до наших дней; долгое время в разных типах двигателей использовалась и ртуть как более тяжелая, «увесистая» жидкость, чем вода.
Другой тип вечного двигателя был предложен – во всяком случае, зафиксирован в научном труде – только через тысячелетие: Марко Антонио Замара (родился около 1460 г. – умер в 20-х или 30-х годах ХVI века), человек, как водилось в эпоху Возрождения, разнообразных талантов – врач, астроном, философ, алхимик, - описал «вечную ветряную мельницу», лопасти которой должны приводить в действие воздуходувные меха, нагнетающие в свою очередь тот воздух, который вращает лопасти. (Один из последних примеров подобного устройства – модифицированный perpetuum mobile под названием «ветросиловая установка «Урусвати», придуманная неким российским инженером и описанная в популярной московской газете.)
Еще одна популярная идея разработчиков вечного двигателя была связана с так называемым архимедовым винтом – стержнем со спиралевидным выступом, опоясывающим его наподобие резьбы винта, по которому вода способна подниматься, пока стержень сохраняет вращение. Например, Роберт Флудд (1574-1637) предложил в 1618 году проект «мельницы замкнутого цикла» с использованием этого нехитрого приспособления: вода перемещается архимедовым винтом из нижнего резервуара в верхний наклонный желоб, по которому стекает на лопасти гребного колеса, вращающего с помощью системы зубчатых колес и этот винт, и мельничный жернов. Идея эта сохраняла популярность довольно долго и была разоблачена в книге «Математическая магия» (1648) ученым, писателем и священнослужителем Уилкинсоном, епископом Честерским, потрудившимся изготовить практическую модель подобного двигателя и убедившимся в его нефункциональности.
Идея же «неуравновешенного» колеса всегда оставалась, как мы упоминали выше, базовой. Леонардо да Винчи (1452-1519) описал шесть конструкций таких perpetuum mobile. Многим знаком «классический» вариант – колесо с откидывающимися рычагами, на конце каждого из которых укреплен тяжелый металлический шар. Вариантами этого устройства были колеса, где шары перекатывались в радиальных прорезях или находились в полном ободе, разделенном перегородками. В качестве противовеса применялась также ртуть, заливаемая в резервуары внутри колеса. Более сложной разновидностью данного типа вечного двигателя была такая, где упомянутые шары находились отдельно от колеса и вращали его, падая сверху на лопасти, а затем должны были с его же помощью «подняться» и опять упасть (двигатель Конрада Шивьера, изготовленный около 1790 года, и ряд других, разрабатываемых вплоть до начала двадцатого столетия).
Существовали проекты perpetuum mobile, в которых также фигурировало колесо, но принцип его вращения создатели хранили в тайне – как правило, здесь мы имеем дело с банальным шарлатанством. «Вечные двигатели» этого сорта, например колесо Орфиреуса (настоящее имя – Иоганн Эрнст Элиас Бесслер, 1680-1745), всегда действовали, производя большой фурор в обществе того времени, и приносили большой доход «изобретателям», но впоследствии подвергались разоблачению: обычно оказывалось, что эти «колеса» вращались замаскированным двигателем или спрятанным поблизости человеком.
Довольно популярной идеей было и применение магнита. Еще в 1269 году некий Пьетро Перегрино, помощник великого ученого Роджера Бэкона, описал колесо с металлическими зубцами, каждый из которого последовательно «отталкивался» от магнита противоположной полярности, обеспечивая тем самым непрерывное движение. Еще более простое устройство было предложено в 1570 году иезуитом Иоганном Тэснериусом – шарик вкатывается по наклонной плоскости, притягиваемый помещенный вверху магнитом, но до того, как «прилипнуть» к нему, проваливается вниз в проделанное на определенной высоте отверстие и скатывается к началу своего сизифова пути. Магнетизм использовался и в уже знакомом нам «неуравновешенном» колесе: вместо привычных шаров и ртути в прорезях колеса, вращавшегося между стационарными магнитами противоположной полярности, - намагниченные железные бруски (конструкции Стефана, 1799).
Еще одной идеей незадачливых изобретателей perpetuum mobile было использование различных свойств жидкостей, а именно: разности их плотностей (эмпирическая разработка великого математика Бернулли, 1667-1748); капиллярного притяжения, заставляющего воду подниматься вверх по пористым материалам, т.е. выполняющего ту же работу, что архимедов винт (устройства семнадцатого века – Роберта Бойля, и даже девятнадцатого – Уильяма Конгрева и ряда других); вытеснение жидкостью погруженного в него тела («поплавковые» двигатели Германа Леонарда, 1865, и Джона Сатклиффа, 1882). Возникало желание использовать и свойства некоторых газов, например аммиака, легко переходить в жидкое состояние и обратно (работа профессора Гэмджи, 1882, США), сжиженный воздух (Чарльз Триплер, 1899), взаимодействие воды и пара (аппарат Гамильтона, 1890).
Ни один из вышеупомянутых вечных двигателей не заработал.
Единственный удачный опыт в этом отношении – т.н. мнимые, или «даровые», вечные двигатели, например часы, изготовленные Джеймсом Коксом в 60-х годах ХVII века и сохранившиеся (хоть и в остановленном состоянии) до наших дней. Источником энергии для их подзавода является сжатие и расширение ртути под воздействием атмосферного давления: по существу это большой барометр, приспособленный для полезной механической работы. Считать его вечным двигателем, опровергающим законы термодинамики, нельзя, т.к. энергия не воспроизводится в нем же самом, а черпается из окружающей среды. Такое устройство не оправдывает и тех экономических надежд, которые возлагало человечество на perpetuum mobile: его промышленная эксплуатация абсолютно невыгодна (даже для приведения в действие маломощного механизма часов Кокса требуется около 150 кг (!) дорогой и экологически опасной ртути). Все это, к сожалению, относится и к другим подобным «даровым» двигателям.
Таким образом, многочисленные и разнообразные попытки создания вечного двигателя на протяжении практически всей истории человечества не увенчались успехом, что подтвердило правоту сформулированных учеными физических теорий, опровергающих возможность perpetuum mobile. Об этих теориях, объясняющих неудачи всех вышеперечисленных экспериментов, и пойдет речь в следующем разделе.
Законы, обуславливающие невозможность вечного движения
Любые попытки построить вечный двигатель по существу сводятся к попытке создать замкнутую систему, которая сама себя, в отсутствие всякого внешнего источника, обеспечивает энергией в достаточном объеме. При этом количество этой энергии, затрачиваемой системой на совершение некоей работы, должно быть равно количеству энергии, которая производится и выделяется при этом (т.е. так или иначе превращается в тепло. Яркий пример энергопотери такого рода – нагревание любого работающего двигателя). Короче говоря, общая конечная сумма энергии всегда равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает сам по себе, а переходит в другую форму.
В этом и заключается сущность фундаментального закона современной науки – закона сохранения энергии. Его частная форма, как раз исключающая возможность perpetuum mobile, получила название первого закона термодинамики. Он гласит, что внутренняя энергия (И) любой системы является суммой потенциальных энергий взаимодействия всех частиц, а также их кинетической энергии. Благодаря И система и способна производить некую работу (А), а также обмениваться теплом (Q) с окружающей средой; при этом запас И будет либо пополняться, либо расходоваться. При этом Q=U2 – U1 + A (I): тепло, полученное системой при переходе из состояния 1 в состояние 2, частично расходуется на совершение А, а частично – на увеличение ее И из расчета U2 – U1. Открытие этого закона связано именно с безуспешными попытками создания т.н. вечного двигателя первого рода, производящего работу «из ничего».
Сущность второго начала термодинамики, сформулированное Р. Клаузисом (1850), сводится к утверждению о том, что тепло не может самопроизвольно переходить от мене нагретого тела к более нагретому – возможен лишь обратный процесс. Математическое отражение этого закона представляет собой т.н. функцию энтропии, которая при самопроизвольных и необратимых процессах в замкнутой системе возрастает, а при обратимости их сохраняет свое значение; это т.н. функция состояния, так что каждому конкретному состоянию системы соответствует ее определенная величина. Таким образом, если первоначальная энтропия системы составляет S, то никакие совершающиеся в системе процессы не могут эту величину уменьшить. Более того: всякий необратимый процесс увеличивает энтропию до максимального значения, достижимого в положении равновесия. Необратимым же процессом следует считать работу, при которой энергия превращается в тепло (посредством трения, нагревания и т.п.), т.е. практически любую возможную деятельность. «Таким образом, процесс, единственным результатом которого было бы полное превращение тепла в работу (вечный двигатель второго рода), невозможен» (формулировка У.Томпсона, 1851 год). Итак, передача тепла необратима полный (некомпенсированный) переход тепла в работу принципиально невозможен.(Согласно теореме Карно, КПД любой тепловой машины не может быть больше КПД обратимого цикла Карно.)
Оба начала термодинамики доказывают несостоятельность каких бы то ни было вариантов вечных двигателей – как первого рода, извлекающих энергию для работы из самоё себя (водяные и воздушные «мельницы замкнутого цикла», «неуравновешенные» колеса с грузами и т.п.), так и второго, использующих тепло, произведенное в результате собственной работы, для совершения ее же самой («аммиачный двигатель» Гэнджи и др.). Опровергнуть эти законы невозможно, как законы природы и аксиомы точных наук вообще, поэтому вечный двигатель может существовать только в одном виде - виде «доказательства от противного», доказательства вышеупомянутых начал термодинамики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы рассмотрели различные типы perpetuum mobile и физически законы, препятствующие их осуществлению. Сделан вывод об объективной невозможности такого устройства. В то же время нельзя признать усилия добросовестных экспериментаторов, среди которых немало выдающихся ученых, антинаучным заблуждением. Следует считать попытки добиться вечного двигателя чрезвычайно важными научными поисками, позволившими сформулировать фундаментальные физически законы, продвинуть вперед важнейшие отрасли науки. Этот процесс был очень плодотворен вплоть до сравнительно недавнего времени (начала нашего века), пока оба начала термодинамики не получили всестороннего теоретического обоснования – немыслимого без рассмотрения причин бездействия всех возможных вариантов вечных двигателей – и многие люди полагали, что данную проблему поможет решить развитие техники.
Сейчас же попытки добиться perpetuum mobile представляют собой удел либо малообразованных, либо попросту психически нездоровых энтузиастов. Возможно, впрочем, что изготовление моделей вечных двигателей полезно для пытливых молодых людей, стремящихся проверить на практике знакомые им лишь эмпирически постулаты физики и математики.
Итак, история «взаимоотношений» человека и мнимого perpetuum mobile – это история прежде всего научного поиска, который дал свои выдающиеся результаты.
Давно установлено, что изобретение вечного двигателя невозможно. В широком смысле, под вечным двигателем подразумевают механизм, безостановочно движущий сам себя. Но это далеко не достаточное определение. Благодаря многовековым бесплодным попыткам создания чудо-машины сегодня можно определить точно само понятие «вечного двигателя» и причины его неосуществимости. Более того, такие попытки оставили значительный след в истории и подтвердили существование важнейших законов физики. Каких, рассмотрим и проанализируем ниже.
Определение и классификация вечных двигателей
Итак, вечный двигатель, как уже известно - устройство воображаемое. По характеру совершаемой работы можно классифицировать следующим образом:
- Вечный двигатель первого рода (физический \ механический, гидравлический, магнитный) - непрерывно действующая машина, которая, будучи запущенной один раз, совершает работу без получения энергии извне. Это устройства механического характера, принцип действия которых основывается на использовании некоторых физических явлений, например, на действии силы тяжести, законе Архимеда, капиллярных явлениях в жидкостях.
- Вечный двигатель второго рода (естественный) - тепловая машина, которая в результате совершения цикла полностью преобразует тепло, получаемое от какого- либо одного «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т. п.), в работу. Связываются с циклически повторяющимися природными явлениями или с принципами небесной механики.
Такая классификация является распространенной и встречается в старой научной литературе. У более поздних исследователей существует еще одно определение. Оно исходит из представления об идеальной машине, работающей без потерь и превращающей всю сообщенную энергию в полезную работу или в какой-либо другой вид энергии.
К этим определениям ученые разных времен шли долгим путем. Они подвергали их обстоятельному анализу и были единодушны далеко не всегда. Проблема заключалась в том, можно ли считать вечным двигателем только ту машину, которая, будучи собрана полностью, немедленно начнет работать сама по тебе, или допустимо сообщить устройству начальный двигательный импульс. Спор велся и о том, относится ли к основным признакам вечного двигателя условие, чтобы он, будучи приведен в движение, одновременно совершал некоторую полезную работу.
Причины возникновения идеи создания
Первое упоминание о вечном двигателе относится к 1150 г. Но означает ли это, что античные механики не интересовались вечным движением? Наоборот, это являлось одной из тех традиционных проблем, которым в связи с исследованием физических явлений наука уделяла много внимания. Но при исследовании условий, определяющих круговое движение тел, греки пришли к выводам, теоретически исключающим всякую возможность существования на Земле искусственно созданного вечного движения. Например, Аристотель утверждал, что движение тел ускоряется по направлению к ее центру. О телах с действительно круговым движением он пишет: «Они не могут быть ни тяжелыми, ни легкими, так как не способны приближаться к центру или удаляться от него естественным или вынужденным образом». Такому условию удовлетворяют только небесные тела.
Но родоначальником идеи вечного двигателя считают индийского поэта, математика и астронома Бхаскара Ачарью (1114-1185), описавшего в своем стихотворении некое вечно двигающееся колесо. Заметим, что за основу взято тело круглой формы. Согласно древнеиндийской философии, регулярно повторяющиеся события, составляющие круговой цикл, являются для него символом вечности и совершенства. То есть прародители идеи вечного движения были мотивированы не практическими, а религиозными потребностями. Своего апогея идея вечного двигателя достигает в средние века в Европе, в период интенсивного строительства храмов, кафедральных соборов и княжеских дворцов, и тогда уже создателей, конечно, интересует практическое применение машины.
Некоторые модели вечных двигателей первого рода
Колесо с неуравновешенными грузами
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Вот модель вечного двигателя Бхаскары (Рис. №1) с прикрепленными наискось по внутренней стороне окружности длинными узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Бхаскара обосновывает вращение колеса следующим образом: «Наполненное так жидкостью колесо, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе».
Еще две модели, аналогичные по принципу действия, изобретенные в средневековой Европе. Роль сосудов, частично наполненных ртутью, играют выпукловогнутые секторы внутри колеса, внутри которых находятся тяжелые шары (Рис. №2) или подвижно закрепленные на внешней части колеса стержни с грузами на концах (Рис. №3).
Принцип действия данных двигателей заключается в создании постоянного неравновесия сил тяжести на колесе, вследствие которого колесо должно вращаться. Рассмотрим, почему этот расчет не оправдывается на примере обычного колеса. Здесь предполагается, что работу совершает сила тяжести, то есть в нормальных условиях (при небольших расстояниях и вблизи поверхности Земли) она постоянна и направлена всегда в одну и ту же сторону.
Рисунок 4
F T - вес груза, F P - сила, с которой рычаг воздействует на шарнир (компенсируется силой реакции опоры), F B - поворачивающая сила, R - расстояние от шарнира (оси поворота) до траектории центра масс груза.
Когда рычаг стоит строго вертикально вверх, вес груза передается на шарнир и компенсируется реакцией опоры. Сила направлена по нормали к окружности, тангенциальная составляющая
отсутствует, значит, момент сил равен нулю. Это положение называется верхней мёртвой точкой (ВМТ). Если рычаг отклоняется, реакция опоры уже не компенсирует вес, появляется тангенциальная составляющая силы, а нормальная начинает уменьшаться. Так будет продолжаться только до тех пор, пока рычаг не примет горизонтальное положение. Когда момент сил достигнет максимального значения, рычаг снова начнет действовать на груз, нормальная сила поменяет свой знак относительно рычага. Тангенциальная сила начнёт уменьшаться, до момента, когда рычаг не окажется в положении вертикально вниз (нижняя мёртвая точка (НМТ)).
Таким образом, как видно из Рис. №4, половину рабочего цикла груз ускоряется, двигаясь из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ), и половину - замедляется. Сделав несколько оборотов, колесо с неуравновешенными грузами достигнет состояния равновесия.
Цепь на наклонной плоскости
Рисунок 5
Еще один тип механических вечных двигателей - тяжелая цепь, переброшенная более длинной стороной через систему блоков. Теоретически предполагалось, что часть, на которой находится большее количество звеньев, начнет соскальзывать с наклонной плоскости, вследствие чего замкнутая цепь будет беспрерывно двигаться. Однако известно, что цепь будет покоиться. Этот тип двигателей интересен в первую очередь тем, что из невозможности его вечного движения инженер, механик и математик Симон Стевин (1548-1620) доказал закон равновесия тела на наклонной плоскости. Одна цепь тяжелее другой во столько же раз, во сколько раз большая грань (АВ на Рис.№5) призмы длиннее короткой (ВС на Рис.№5). Отсюда следует, что два связанных груза уравновешивают друг друга на наклонных плоскостях, если их массы пропорциональны длинам этих плоскостей.
Похожий по принципу механизм (Рис. №6): тяжелая цепь перекинута через колеса так, что правая ее половина всегда длиннее левой. Следовательно, она должна падать вниз, приводя цепь во вращение. Но цепь в левой части натянута отвесно, а правая - под некоторым углом и изогнуто. Аналогично вечное движение и этого механизма невозможно.
Рисунок 6
Гидравлический вечный двигатель с винтом Архимеда
В подавляющем большинстве вечных гидравлических двигателей изобретатели пытались использовать известный со времен Древней Греции механизм - винт Архимеда - полую трубку со спиралевидной плоскостью внутри, предназначенную для подъема воды из сосуда в сосуд наибольшей высоты.
Рисунок 7
Жидкость из сосуда, поднимается фитилями сначала в верхний сосуд, оттуда другими фитилями еще выше, верхний сосуд имеет желоб для стока, которое падает на лопатки колеса, приводя его во вращение. Оказавшаяся в нижнем ярусе жидкость снова поднимается по фитилям до верхнего сосуда. Таким образом, струя, стекающая по желобу на колесо, не прерывается, и колесо вечно должно находиться в движении (Рис. №7).
Только колесо этой машины никогда не станет вращаться, поскольку в верхнем сосуде не окажется воды. Это произойдет потому, что капиллярные силы вызванные искривлением поверхности жидкости, хотя и позволяют преодолеть силу тяжести, поднимая жидкость в ткани фитиля, но они и удерживают ее в порах ткани, не позволяя ей вытечь из них.
Сосуд Денни Папена
Рисунок 8
Проект гидравлического вечного двигателя Денни Папена - сосуд, сужающийся в трубку и загнутый таким образом, что свободный конец трубки с меньшим радиусом расположен в пределах большого «горла» сосуда (Рис. №8). Автор предполагал, что вес воды в более широкой части сосуда будет превосходить вес жидкости, находящейся в трубке, в более узкой части. Таким образом, должна была происходить циркуляция жидкости за счет разности давлений. На самом деле в данном случае работает основной закон гидростатики: давление, оказываемое на жидкость, передается без изменения по всем направлениям. Поверхность жидкости в тонкой трубке установится на том же уровне, что и в сосуде, как в любых сообщающихся сосудах.
Ранее это двигателя были предложены похожие сосуды, иначе ориентированные в пространстве. В них за основу брался принцип действия сифона: в нем (в изогнутой трубке с коленами разной длины, по которой жидкость поступает из сосуда с более высоким в сосуд с более низким уровнем жидкости) работа, затрачиваемая на подъем жидкости, производится атмосферным давлением. В то же время, чтобы жидкость могла протекать через сифон, максимальная высота его изгиба не должна превосходить высоту столба жидкости, уравновешиваемого давлением внешнего воздуха. Для воды эта высота при нормальном барометрическом давлении составляет примерно 10 м. - этот факт не учитывался и приводил к неверным выводам о вечном движении такого двигателя.
Другие гидравлические двигатели
Рисунок 9
Среди множества проектов вечного двигателя было немало основанных на законе Архимеда. Один из таких проектов выглядит следующим образом: высокий сосуд (20 м), наполненный водой, имеет расположенные на одной грани в разных ее концах шкивы, через которые перекинут прочный бесконечный канат с четырнадцатью закрепленными полыми ящиками кубической формы. Ящики одинаковы, равноудалены, водонепроницаемы и имеют стороны в 1 м (Рис. №9).
Действительно, ящики, находящиеся в воде, будут стремиться всплыть вверх. На них действует сила, равная весу воды, вытесняемой ящиками.
Но даже при условии, что данный канат бесконечен, эффект не оправдывается, потому что чтобы канат вращался, ящики должны входить в сосуд именно со дна, а для этого они должны преодолеть давление столба воды, которое окажется значительно больше силы Архимеда.
Рисунок 10
Упрощенный вариант вечного двигателя гидравлического типа (Рис.№10), идея которого исходит из грубого нарушения толкования закона Архимеда. Погруженная в воду часть деревянного барабана, согласно закону Архимеда, подвергается действию выталкивающей силы. Конечно, колесо вращаться не будет, потому что сила будет направлена не вверх (как предполагалось изобретателем), а к центру колеса.
Магнитный вечный двигатель
Рисунок 11
Несложная, но оригинальная модель вечного двигателя с магнитами. К шаровому магниту, расположенному на стойке, ведут два наклонных желоба: один прямой, установленный выше, другой изогнутый (Рис. №11). Железный шарик, помещенный на верхний желоб, будет притягиваться магнитом, затем на пути он попадет в отверстие, скатится по нижнему желобу и снова перейдет на верхний желоб.
Однако, если магнит достаточно силен, чтобы притянуть шарик от нижней точки, то он не даст ему провалиться через отверстие, расположенное совсем рядом. Если же, наоборот, сила притяжения будет недостаточна, то шарик не притянется вовсе.
Вечный двигатель первого рода в противоречии с законом сохранения энергии
Окончательное утверждение закона сохранения энергии в 40-70 годы XIX века произошло на основе работ Сади Карно, Роберта Майера, Джеймса Джоуля и Германа Гельмгольца, которые показали связь между различными формами энергии (механической, тепловой, электрической и др.). Закон сохранения энергии формулируется в следующем виде: в изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но общее количество ее остается постоянным.
Как правило, невозможность вечного двигателя рассматривают как следствие закона сохранения энергии. Рассуждения Майера и опыты Джоуля доказали эквивалентность механической работы и теплоты, показав, что количество выделяемой теплоты равно совершенной работе и наоборот, формулировку же в точных терминах закону сохранению энергии первым дал Гельмгольц. В отличие от своих предшественников, он связывал закон сохранения энергии с невозможностью существования вечных двигателей. Принцип невозможности вечного двигателя был положен Майером и Гельмгольцем в основу анализа различных превращений энергии. Макс Планк в работе «Принцип сохранения энергии» сделал специальный акцент на эквивалентности (а не причинно-следственной связи) принципа невозможности вечного двигателя и принципа сохранения энергии.
В термодинамике исторически закон сохранения формулируется в виде первого начала термодинамики: изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданного системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход, т. е. Q = ΔU + A. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
Вечные двигатели второго рода
Классический вечный двигатель второго рода предусматривает возможность накопления тепла за счет работы, затраты которой меньше полученного тепла, и использования части этого тепла для повторного совершения работы в новом цикле. Таким образом, должен образоваться избыток работы. Другой вариант этого двигателя подразумевает упорядочение хаотического теплового движения молекул, в результате чего возникает направленное движение вещества, сопровождаемое понижением его термодинамической температуры. Широко известных проектов таких двигателей изобретено не так много, как, например, двигателей первого рода, и информация о них не достаточна для описания. Подавляющее большинство идей таких машин являются абсурдными и противоречивыми, либо относятся к классу мнимых вечных двигателей (по сути, не являются вечными), обладают низким КПД.
Сформулированное Рудольфом Клаузиусом второе начало термодинамики однозначно утверждает: невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Что также означает, что в замкнутой системе энтропия при любом реальном процессе либо возрастает, либо остается неизменной (т. е. ΔS ≥ 0). Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.
Возможность использования энергии теплового движения частиц тела (теплового резервуара) для получения механической работы (без изменения состояния других тел) означала бы возможность реализации вечного двигателя второго рода, работа которого не противоречила бы закону сохранения энергии. Например, работа двигателя корабля за счет охлаждения воды океана (доступного и практически неисчерпаемого резервуара внутренней энергии) не противоречит закону сохранения энергии, но если, кроме охлаждения воды, нигде других изменений нет, то работа такого двигателя противоречит второму началу термодинамики. В реальном тепловом двигателе процесс превращения теплоты в работу сопряжен с передачей определенного количества теплоты внешней среде. В результате тепловой резервуар двигателя охлаждается, а более холодная внешняя среда нагревается, что находится в согласии со вторым началом термодинамики.
Мнимый вечный двигатель
Рисунок 12
В 60-х гг. XX в. мировую сенсацию произвела игрушка, получившая в СССР название «вечно пьющая птичка» или «птичка Хоттабыча». Тонкая стеклянная колба с горизонтальной осью посередине впаяна в небольшую емкость. Свободным концом колбочка почти касается ее дна. В колбе находится определенное количество эфира (в нижней части), верхняя пустая часть колбы обклеена снаружи тонким слоем ваты. Перед игрушкой ставят сосуд с водой и наклоняют ее, заставляя «попить» (Рис.№12). Затем механизм работает самостоятельно: несколько раз в минуту наклоняется к сосуду с водой, пока вода не кончится.
Механизм такого явления понятен: жидкость в нижней полости испаряется под влиянием комнатного тепла, давление растет и вытесняет жидкость в трубочку. Верхняя часть конструкции перевешивает, наклоняется, пар перемещается в верхний шарик. Давление выравнивается, жидкость возвращается в нижний объем, который перевешивает и возвращает «птичку» в первоначальное положение.
На первый взгляд здесь нарушается второе начало термодинамики: перепад температур отсутствует, машина только забирает тепло из воздуха. Но когда колба достигает сосуда с водой, вода из мокрой ваты интенсивно испаряется, охлаждая верхний шарик. Возникает разность температур верхнего и нижнего сосудов, за счёт которой и происходит движение. Если испарение прекратится (высохнет вата или влажность воздуха достигнет точки росы, то есть температуры, до которой должен охладиться воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться в росу), машина в полном согласии со вторым началом термодинамики перестанет двигаться. Мощность такого двигателя очень низка из-за незначительной разности температур и давлений, при котором «птичка» работает.
Вечные двигатели как коммерческие проекты
Вечные двигатели, с древнейших времен окутанные тайной изобретения и действия, несомненно, создавались не только для использования в практическом плане. Во все времена были мошенники и фантазеры, намеревавшиеся извлечь не только энергию большую, чем 100%.
Одна из самых известных «афер века» - вечный двигатель Иоганна Бесслера (1680-1745).
Рисунок 13
Рисунок 14
Под псевдонимом Орфиреус этот саксонский инженер 17 ноября 1717 года в присутствии известных физиков продемонстрировал машину с диаметром вала больше 3,5 м. Двигатель пустили в ход и заперли в комнате, а проверив через полтора месяца, убедились, что колесо двигателя вращается с прежней скоростью.
Когда то же самое произошло еще через два месяца, слава Бесслера прогремела по всей Европе. Изобретатель соглашался продать машину Петру I , но этого не произошло. Однако это не помешало жить Бесслеру безбедно на средства, полученные путем демонстрации двигателя. Двигатель представляет собой большое колесо, вращающееся и поднимающее при этом тяжелый груз на значительную высоту (Рис. №13).
Изобретение вызвало множество споров и нерешенных вопросов. Самый главный из них - принцип действия - не был известен широкой публике. Поэтому недоверчивые скептики заключили, что секрет заключается в том, что искусно спрятанный человек тянет за веревку, намотанную, незаметно для наблюдателя, на скрытой части оси колеса. И их ожидания оправдались: вскоре служанка Бесслера раскрыла тайну:
двигатель действительно работал только с помощью третьих лиц (Рис. №14).
Еще один известный случай использования вечного двигателя «не по назначению»: в одном из городов с целью привлечения клиентов у одного кафе было установлено «вечно» вращающееся колесо, которое, конечно, запускалось с помощью механизма.
Некоторые разработчики идей вечных двигателей в хронологическом порядке:
- Бхаскара Ачарья (1114-1185), поэт, астроном, математик.
- Виллар де Оннекур (XIII век), архитектор.
- Николай Кузанский (1401-1464), философ, теолог, церковно-политический деятель.
- Франческо ди Джорджо (1439-1501), художник, скульптор, архитектор, изобретатель, военный инженер.
- Леонардо да Винчи (1452-1519), художник, скульптор, архитектор, математик, физик, анатом, естествоиспытатель.
- Джамбаттиста Порта (1538 - 1615), философ, оптик, астролог, математик, метеоролог.
- Корнелиус Дреббель (1572 - 1633), физик, изобретатель.
- Атанасиус Кирхер (1602-1680), физик, лингвист, теолог, математик.
- Джон Уилкинс (1614-1672), философ, лингвист.
- Денни Папен (1647-1712), математик, физик, изобретатель.
- Иоганн Бесслер (1680-1745), инженер-механик, врач, мошенник.
- Дэвид Брюстер (1781-1868), физик.
- Вильгельм Фридрих Оствальд (1853-1932), физик, химик, философ-идеалист.
- Виктор Шаубергер (1885-1958), изобретатель.
Заключение
В 1775 году Французская Академия приняла решение не рассматривать предложения вечных двигателей, выдвинув окончательный вердикт: построение вечного двигателя абсолютно невозможно. За всю историю вечного двигателя было изобретено более 600 проектов, причем большинство из них пришлось на время, когда стали известны законы термодинамики и сохранения энергии.
Конечно, усилия многочисленных создателей вечных двигателей не пропали даром. Пытаясь сконструировать невозможное, они нашли немало любопытных технических решений, придумали механизмы и устройства, которые до сих пор применяются в машиностроении. В бесплодных поисках вечного движения родились основы инженерной науки и подтвердились законы, отрицающие его существование.
Первый закон термодинамики и невозможность создания вечного двигателя первого рода
Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии применительно к тепловым процессам. Этот закон утверждает невозможность создания вечного двигателя первого рода, который бы производил работу без подведения энергии. Этот закон утверждает, что тепловая энергия, подведенная к замкнутой системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и работу, производимую против внешних сил.
Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы, при которых полная энергия системы остается постоянной. Например, превращение тепловой энергии полностью в механическую не связано с нарушением первого закона термодинамики, но тем не менее оно невозможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможности процессов превращения.
Второй закон термодинамики утверждает, что не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменений в окружающих телах. То есть в природе не может быть процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу. Этот закон утверждает, что во всех явлениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой отклонения системы от статического равновесия.
Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон, согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это положение касается только изолированных систем.
Второй закон термодинамики говорит о том, что в замкнутой системе при отсутствии каких-либо процессов не может сама по себе возникнуть разность температур, т.е. теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей к более горячим.
Согласно второму закону термодинамики, любые замкнутые системы должны перейти в более вероятное состояние, характеризуемое термодинамическим равновесием с наименьшей свободной энергией и с наибольшей величиной энтропии. Поэтому явление спонтанного (самопроизвольного) перехода вещества из симметричного состояния в асимметричное, сопровождаемое повышением упорядоченности и энергетического уровня системы и понижением ее энтропии, кажется просто нереальным. Однако трудности термодинамического характера в вопросе происхождения жизни до сих пор не определены. Решения пока нет.
ПРИНЦИП МИНИМУМА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ
В мировом процессе развития принцип минимума диссипации энергии играет особую роль. Суть его: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и принципами, а также связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому соответствует минимальное рассеивание энергии, или, что то же самое, минимальный рост энтропии («рыба ищет, где глубже, а человек – где лучше»).
Принцип минимума диссипации энергии является частным случаем более общего принципа «экономии энтропии». В природе все время возникают структуры, в которых энтропия не только не растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие открытые системы, в том числе и живые, где за счет притока извне вещества и энергии возникают так называемые квазистационарные (стабильные) состояния.
Таким образом, если в данных конкретных условиях возможны несколько типов организации материи, согласующихся с другими принципами отбора, то реализуется та структура, которой соответствует минимальный рост энтропии. Так как убывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии, то реализуются те из возможных форм организации материи, которые способны в максимальной форме поглощать энергию.
Область применения принципа минимума диссипации энергии непрерывно расширяется. На протяжении всей истории человечества стремление овладеть источниками энергии и вещества было одним из важнейших стимулов развития и устремления человеческих интересов И поэтому всегда было источником разнообразных конфликтов.
По мере развертывания научно-технического прогресса, истощения природных ресурсов возникает тенденция к экономному расходованию этих ресурсов, возникновению безотходных технологий, развитию производства, требующего небольших энергозатрат и материалов.
Если говорить об иерархии принципов отбора, то он играет роль как бы завершающего, замыкающего принципа: когда другие принципы не выделяют единственного устойчивого состояния, а определяют целое их множество, то этот принцип служит дополнительным принципом отбора. Проблема экономии энтропии, этой меры разрушения организации и необратимого рассеяния энергии, решается в мире живой природы. Существует теорема о минимуме воспроизводства энтропии, которая утверждает, что производство энтропии системой, находящейся в стационарном состоянии, достаточно близком к равновесному состоянию, минимально. Этот принцип можно рассматривать в качестве универсального. В живом веществе он проявляется не как закон, а как тенденция. В живой природе противоречие между тенденцией к локальной стабильности и стремлением в максимальной степени использовать внешнюю энергию и материю является одним из важнейших факторов создания новых форм организации материального мира.
Человечество не одно столетие мечтало о создании устройства, которое бы никогда не прекращало свою работу – вечном двигателе. Множество ученых гнались за этой мечтой. Однако невозможность ее достижения стала со временем очевидна.
Экскурс в историю
Одна из самых давних попыток создать вечный двигатель относится к 12 веку. Бхаскар Второй – астроном и математик. Его исследования привели к изобретению колеса со спицами, наполненными ртутью. Конечно же, этот механизм не мог работать всегда. Но в то время он стал причиной развития науки.
Следующим выдающимся изобретением в 1604 году стал Пертпетуум мобиле. Его создателем был Корнелиус Дребль. Человек выдающегося ума, алхимик сделал нечто, поразившее современников. К сожалению, механизм Дребля не сохранился, как и стоящее его описание. Есть лишь некоторые письменные свидетельства его существования и картины Рубенса. Известно, что он напоминал хронометр, который ничем не нужно было приводить в движение. Дребль также известен как создатель подводной лодки.
Роберт Фладд в 17 веке также гнался за идеей вечного двигателя. Он изобрёл «водяной винт», который оказал немалую помощь фермерам. Принцип его действия состоял в движении колеса под воздействием . Это устройство было гениальным. Однако и оно не смогло решить поставленной задачи.
Иоганн Бесслер в 18 веке предпринял очередную попытку осуществить давнюю мечту человечества. Он создал колесо, основываясь на учениях Бхаскара Второго. И весьма преуспел. Колесо вращалось без остановки длительное время в строго охраняемой комнате. Пока он сам его не сломал под действием пристального к себе и своему детищу внимания. Бесслер был чудаком и никому не открыл секрета своего изобретения. И до сегодня ученые пытаются разгадать его загадку.
Было ещё множество ученых, которые гнались за призрачной идеей вечного двигателя. Однако Парижская академия наук в 1775 году решила не принимать больше проекты этого устройства, посколько невозможность его создания очевидна. Многие и сегодня пытаются запатентовать якобы вечно работающие механизмы. Однако научной новизны такие изобретения не представляют. А потому не принимаются.
Содействие развитию науки
Несмотря на многочисленные попытки создать всегда работающее устройство, ученые так и не смогли достичь результата. Но их поиски очень помогли в развитии науки. Таким образом на основании всех этих поисков были сформулированы законы физики равновесия сил на наклонной поверхности, сохранения энергии такими учёными как Симон Стевен и Джеймс Джоуль.
Над созданием Перпетуум мобиле работал также Леонардо да Винчи. Можно сказать, что некоторые его открытия являются побочным результатом от поисков вечного двигателя.
Типы вечного двигателя
Ученые, занимающиеся изобретением данного механизма, выделили два его типа. Вечный двигатель первого рода представляет собой устройство, которое работает без каких-либо энергетических ресурсов. Второго типа – запущенный в работу механизм, который использовал бы для работы тепло, полученное от окружающих тел. При углублении в термодинамику становится понятно, что существование ни первого, ни второго типов вечного двигателя невозможно. Первое и второе начало этой науки основаны на многочисленных экспериментах и доказывают невозможность существования первого и второго типов вечного двигателя соответственно.
И все-таки почему нет?
Так все же почему нельзя создать вечный двигатель? Даже не слишком разбираясь в физике можно сообразить, что вечный двигатель невозможен. Ведь для непрекращающейся работы без дополнительных ресурсов необходимо чтобы механизм сам вырабатывал энергию. Однако современная наука основываясь на законе сохранения энергии, гласит, что энергия всегда сохраняется. Она ни создаётся, ни разрушается. Она просто преобразуется из одного состояния в другое. Для постоянного осуществления движения энергия не должна никуда выделяться и быть постоянной. Это невозможно.
Если же всё-таки допустить существование вечного двигателя, то такой механизм должен соответствовать определенным критериям.
У него не должно быть соприкасающихся деталей. От их трения энергия будет теряться. Как известно, не существует идеально гладких поверхностей. То есть трение будет возникать в любом случае.
Механизму для работы нужен вакуум. То есть не должно быть . Поскольку потеря энергии осуществляется именно при трении двигающихся деталей и воздуха.
При работе механизм не должен производить звуков. Поскольку звук также передаёт энергию. То есть энергия при звуке работы двигателя будет утеряна. Работа без звука возможна в вакууме. Даже если создать механизм, удовлетворяющий этим требованиям, он не будет давать энергию. Он будет лишь сохранять ту, что потрачена на приведение его в действие. Об есть цель создания вечного двигателя не будет достигнута. Ведь двигатель нужен для приведения чего-либо в движение.
Продолжение попыток создания вечного двигателя
Несмотря на то, что уже много раз ученые в разное время объясняли почему нельзя создать вечный двигатель, многие не оставляют надежды изобрести совершенный механизм, который работал бы вечно. Основываясь на уже созданных устройствах, ученые стараются их усовершенствовать и получить желаемое. Кто-то пытается разгадать тайну колеса Бесслер, считая его вечным двигателем. Тем не менее до сих пор человечество не сумело осуществить давнюю мечту. Кроме того современные ученые признали это невозможным. Но поиски перпетуум мобиле не так уж и бесполезны. Поскольку на фоне их наука получила развитие.
Конструкции, представленные когда-либо как вечный двигатель немало помогли людям. Поэтому несмотря на невозможность создания такого механизма, его поиски представляют своего рода пользу для развития науки и человечества.
