Добавить в избранное

Почему нельзя создать вечный двигатель. Реферат: История создания вечного двигателя

Введение… 3

1. Исторические попытки создания вечного двигателя… 4

2. Конструкция вечного двигателя… 6

3. Первые проекты вечных двигателей… 10

4. Парадоксальность существования вечного двигателя… 14

Заключение… 16

Список использованной литературы… 17

Введение

О «вечном двигателе», «вечном движении» часто говорят и в прямом и в переносном смысле слова, но не все отдают себе отчёт, что, собственно, надо подразумевать под этим выражением. Вечный двигатель - это такой воображаемый механизм, который безостановочно движет сам себя и, кроме того, совершает ещё какую-нибудь полезную работу. Такого механизма никто построить не смог, хотя попытки изобрести его делались уже давно. Бесплодность этих попыток привела к твердому убеждению в невозможности вечного двигателя и к установлению закона сохранения энергии - фундаментального утверждения современной науки. Что касается вечного движения, то под этим выражением подразумевается непрекращающееся движение без совершения работы.

С психологической точки зрения идея вечного движения всегда была крайне заманчива: ведь практическая реализация искусственно созданного замкнутого энергетического цикла, несомненно, привела бы к эпохальному перевороту в науке и технике с глубокими общественно-экономическими последствиями. Кроме отрицания существа современных физических теорий это означало бы, что построенный вечный двигатель явился бы первой в мире машиной с идеальным рабочим циклом. Его совершенство и максимальная эксплуатационная экономичность оказали бы огромнейшее влияние на развитие мировой экономики. Человечество навсегда избавилось бы от страха перед нехваткой энергии, который неумолимо преследует его сегодня. Тем самым разработка такого реального вечного двигателя затмила бы все сделанные до сих пор изобретения и открытия.

1. Исторические попытки создания вечного двигателя

Если верить историческим документам, древние греки и римляне к идее вечного двигателя относились равнодушно. Римлянам вполне хватало рабов, а греки слишком хорошо разбирались в механике.

Европейские механики заразились идеей вечного двигателя от индусов. В XII веке индийский математик и астроном Бхаскара (Bhaskara) «придумал» первый известный истории вечный двигатель - колесо, по окружности которого под определенным углом крепились емкости, частично заполненные ртутью. По мере вращения колеса ртуть перетекала из одного конца емкости в другой, заставляя колесо совершить очередной оборот. Очевидно, что Бхаскара позаимствовал дизайн своего вечного двигателя у знаменитого круга вечного возвращения и никогда не пытался построить описанное им устройство. Возможно, он даже не задумывался, насколько реальна его конструкция, - для Бхаскары это была всего лишь удобная математическая абстракция.

Однако европейские механики, ознакомившиеся с трудами Бхаскары приняли удачный дизайн. Одним из них был Виллар де Оннекур (Villard de Honnecourt, XIII век). За свою жизнь он сделал много полезного, но в историю вошел как очередной изобретатель perpetuum mobile. Его конструкция практически полностью повторяла вариант Бхаскары, но наряду с использованием ртути Оннекур предлагал еще один способ. По его мнению, эффекта вечного движения можно было добиться, разместив по окружности колеса нечетное количество молоточков. При вращении колеса молоточки будут бить по нему, не давая остановиться, полагал Оннекур.

Проявил недюжинный интерес к этой проблеме и Леонардо да Винчи. Относился он к вечным двигателям весьма скептически, однако не пожалел времени как на обстоятельную критику вариаций на тему колеса Бхаскары, так и на подробный разбор ошибок своего соотечественника Франческо ди Джорджио (Francisco di Georgio). Сложные системы из помп и мельничных колес на бумаге выглядели очень правдоподобно и даже работали, но, увы, не являлись вечными двигателями. Принципиальная невозможность построения такой системы стала общим местом лет через двести после Леонардо, однако в 1950-х гг. идея использовать в качестве источника вечной энергии воду получила второе рождение в работах Виктора Шаубергера (Viktor Schauberger).

Роберт Фладд (Robert Fludd, 1574–1637) - известный философ, мистик и, возможно, член полумифического братства розенкрейцеров - в трактате «De Simila Naturae», сославшись на безымянного итальянского изобретателя, приводит эскиз водяного двигателя, но сомневается, что этот двигатель будет работать. По иронии судьбы Фладда обычно считают сторонником идеи вечного движения, иногда приписывая ему авторство чертежей, которые он помещал в своих книгах.

2. Конструкция вечного двигателя

Интерес европейской науки к магнитам не мог не отразиться и на конструкции вечных двигателей. Известный ученый, первый секретарь Британского Королевского общества епископ Джон Уилкинс (Bishop John Wilkins of Chester, 1614–72) долгие годы отстаивал возможность постройки вечного двигателя на базе магнитов. В качестве доказательства верности своих представлений Уилкинс использовал эскиз двигателя, состоящего из магнита, железного шарика и специальных дорожек, по которым шарик сначала падал вниз под действием гравитации, а потом подтягивался к магниту. И хотя успешный опытный образец построить так и не удалось, Уилкинс до самой смерти полагал, что на основе его любимой конструкции все-таки можно построить вечный двигатель. Нужно только еще немного поработать над этим.

Высшей точки развития механические вечные двигатели достигли благодаря Иоганну Эрнсту Элиасу Бесслеру (Johann Bessler, 1680–1745), известному также как Orffyreus (латинизированная криптограмма Bessler). Жизнь Бесслера, славившегося дурным характером, является хорошей иллюстрацией полезности патентного права. Свой вечный двигатель изобретатель хотел продать за сто тысяч талеров (около двух с половиной миллионов долларов по сегодняшнему курсу) и никому не соглашался раскрыть секрет изобретения до продажи. При малейшем подозрении, при малейшем намеке на то, что секрет хотят похитить, Иоганн Бесслер уничтожал чертежи и прототипы и переезжал в другой город.

В 1719 году Бесслер под псевдонимом Orffyreus публикует трактат «Perpetuum Mobile Triumphans», в котором, в частности, утверждает, что ему удалось создать «мертвую материю, которая не только двигает себя, но может использоваться для поднятия весов и выполнения работы».

Двумя годами раньше прошла самая впечатляющая демонстрация изобретения Бесслера. Вечный двигатель с диаметром вала больше 3,5 м был приведен в действие 17 ноября 1717 года. В этот же день комната, в которой он находился, была заперта, и открыли ее только 4 января 1718 года. Двигатель все еще работал: колесо крутилось с той же скоростью, что и полтора месяца назад.

За семь лет активных экспериментов (1712–19) Бесслер построил более трехсот прототипов двух моделей вечного двигателя. В первых прототипах колесо вращалось только в одну сторону, и, чтобы его остановить, требовалось приложить значительные усилия, в поздних - вал мог крутиться в любом направлении и останавливался довольно легко. Любая из конструкций Бесслера не просто находилась на энергетическом самообеспечении. Энергии хватало и на то, чтобы выполнять какую-нибудь работу: например, поднимать тяжести.

Но ни многочисленные сертификаты, выданные независимыми комиссиями, ни публичные демонстрации не принесли Бесслеру денег, на которые он собирался построить школу для инженеров. Максимум, что он смог получить от власть имущих, - четыре тысячи талеров единовременно и дом в подарок от ландграфа Карла, хозяина замка Вайсенштайн (Weissenstein).

Принципы действия двигателей Бесслера точно не известны. Сегодня мы знаем лишь, что он не использовал напрямую идеи Бхаскары, а также «водяной принцип». Бесслер был опытным часовщиком, и по количеству деталей его двигатели вполне могли сравниться с механическими часами. Возможно, он придумал сложную систему противовесов для сохранения нестабильности системы вкупе с пружинными механизмами, время от времени катализирующими вращение колеса.

До того, как был открыт закон сохранения энергии, в течение столетий упорно делались попытки создать такую машину, которая позволяла бы совершать больше работы, чем затрачивается энергии. Она заранее получила название « perpetuum mobele».

Вечный двигатель - воображаемый, но неосуществимый двигатель, который после пуска его в ход совершает работу неограниченно долгое время

Вот как писал о значении для человечества вечного двигателя замечательный французский инженер Сади Карно: «Общее и философское понятие «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, способного выводить последовательно из покоя все тела природы, если бы они в нём находились, нарушать в них принцип инерции, способного, наконец, черпать из самого себя необходимые силы, чтобы привести в движение всю Вселенную, поддерживать и беспрерывно ускорять её 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».

Вечные двигатели обычно конструируют на основе использования следующих приёмов или их комбинаций:

Подъём воды с помощью архимедова винта;

Подъём воды с помощью капилляров;

Использование колеса с неуравновешивающимися грузами;

Природные магниты;

Электромагнетизм;

Пар или сжатый воздух.

Идея вечного движения была очень популярна в средние века. Обладание таким секретом такого двигателя казалось более заманчивым, чем даже искусство делать золото из недрагоценных металлов. Множество людей занималось этой неразрешимой проблемой. Среди них были даже люди с неплохим по тем временам образованием. Известно, что множество трудов Ньютона содержат конструкции вечного двигателя. В записях Леонардо да Винчи тоже были найдены несколько набросков perpetuum mobile.

Сравнительно мало предпринималось попыток создания вечных двигателей второго рода. Для работы обычного теплового двигателя необходимо иметь нагреватель и холодильник. Очень заманчивой кажется задача создания тепловой машины, которая могла бы совершать механическую работу с использованием нагревателя.

Двигатели, которые работают за счёт разности энергий, возникающей во времени и пространстве, появились давно. Часть из них действует по очень простому и вполне ясному принципу. Но есть и такие, которые можно принять за вечный двигатель второго рода: разобраться, почему они работают, совсем непросто.

3. Первые проекты вечных двигателей

Сейчас трудно установить, когда, где и кем был предложен первый проект вечного двигателя. Есть данные о том, что в трактате великого индийского математика Бхаскара Ачарья (1114-1185 гг.) «Сиддханта Сиромани» (ок. 1150 г.)есть упоминание о perpetuum mobile. Об этом же говорится в сочинении араба Фахра ад-дин-Ридваи бен Мохаммеда (ок. 1200 г.). В Европе первые известия о perpetuum mobile связаны с именем одного извыдающихся людей XIII века - Виллара д’Оннекура - французского архитектора и инженера.

Как и большинство деятелей того времени, он занимался и интересовался многими делами: строительством соборов, созданием грузоподъемных сооружений, пилы с водяным приводом, военной стенобитной машины и даже. дрессировкой львов. Он оставил дошедшую до наших дней «Книгу рисунков» - альбом с записями и чертежами (ок. 1235-1240 гг.), которая хранится в парижской национальной библиотеке.

Все механические вечные двигатели средневековья основаны на одной и той же идее, идущей от д"Онекура: создании постоянного неравновесия сил тяжести на колесе или другом постоянно движущемся под их действием устройстве. Это неравновесие должно вращать колесо двигателя, а от него приводить в действие машину, выполняющую полезную работу.

Все такие двигатели можно разделить на две группы, отличающиеся видом груза- рабочего тела. К первой группе относятся тем, в которых используются грузы из твердого материала, ко второй - те, в которых грузом служат жидкости.

Количество разных вариантов perpetuum mobile в обеих группах огромно.

Начнем с двигателей первой группы. Итальянский инженер Мариано ди Жакопо из Сиены (недалеко от Флоренции) в рукописи, датируемой 1438 годом, описал двигатель, повторяющий по существу идею д"Онекура. Грузы, представляющие собой толстые прямоугольные пластины, закреплены так, что могут откидываться только в одну сторону. Число их нечетно; поэтому с одной стороны при любом положении их будет больше, чем с другой. Это и должно вызвать непрерывное вращение колеса.

Англичанин Эдуард Соммерсет, тоже разработавший механический вечный двигатель в виде колеса с твердыми грузами и в 1620 году построивший его, принадлежал в отличие от своих предшественников к самым аристократическим кругам общества.

Он носил титул маркиза Вустерширского и был придворным короля Карла I. это не мешало ему серьезно заниматься механикой и разными техническими проектами.

Эксперимент по созданию двигателя был поставлен с размахом. Мастера изготовили 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.

4. 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

1. Вознесенский Н. Н. О машинах вечного движения. М., 1996.

2. Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель. М., 1999.

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

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

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

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

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

Могилевский М. Леонардо да Винчи и принцип невозможности вечного двигателя //Квант. - 1999. - № 5. - С. 14-18.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Представление о невозможности вечного двигателя является одним из самых важных положений физики, которые школа надежно вкладывает в учащихся. И у многих создается внутренняя убежденность, что тот, кто пытается построить вечный двигатель, - или неграмотный, или сумасшедший. При таком подходе мы незаслуженно принижаем роль в развитии науки и техники многих поколений средневековых ученых.

Между тем мотивы попыток построения вечного двигателя вполне понятны. Во-первых, создание эффективных и недорогих машин и источников энергии есть одна из важнейших задач общества. (Интересно отметить, что идей и попыток разработки вечного двигателя не было в Античном мире, несмотря на существование развитых научных школ. Причина проста: широкое использование дешевой рабочей силы - рабов.) Первые изобретения в этой области отмечаются в различных странах в XII - XIII веках в связи с потребностями ремесленного производства. Во-вторых, имеется очень сильный психологический фактор - тот, кому удастся решить эту проблему, облагодетельствует человечество, и его имя останется в веках. И наконец, в- третьих, каждый может наблюдать вечные, безостановочные движения в природе: движение Луны, планет, течение рек. Если такое движение имеет место в природе, неужели же человек с техническим опытом и научными знаниями не сможет создать искусственный, рукотворный вечный двигатель? Если твоя модель не работает, попытайся внести усовершенствования. Такие мысли, возможно, подвигали многих людей, связанных с наукой и техникой, к активным поискам конструкции вечного двигателя.

Предшественники

Считается, что первая схема вечного двигателя была предложена индийцем Бхаскара около 1150 года. Как показано на рисунке 1,а, устройство должно было представлять колесо с набором трубок с тяжелой жидкостью (ртутью), закрепленных под некоторым углом к радиусу. По мнению изобретателя, перетекание жидкости в трубках должно было создать несимметрию в распределении грузов, которая и обеспечивала бы вечное вращение. Известный французский архитектор и инженер Виллар д"Оннекур примерно через сто лет предложил аналогичную схему вечного двигателя, показанную на рисунке 1,б. Предполагалось, что нечетное число грузов на колесе обеспечит несимметрию и будет причиной вечного движения. По-видимому, попытки сделать двигатель именно в виде «вечного колеса» опирались на наиболее распространенный в средневековой Европе двигатель - водяное колесо. Одна из модификаций схемы (рис. 1,в) была предложена в 1438 году Мариано ди Жакопо из Сиены (город недалеко от Флоренции - родины Леонардо да Винчи).

Рис. 1. Различные схемы «вечного колеса»

Работа Леонардо над проблемой вечного двигателя

Было бы удивительно, если бы Леонардо да Винчи (1452 - 1519) оказался в стороне от такой важнейшей проблемы, как создание вечного двигателя. И он, неизменно добивавшийся успешного понимания практически любых явлений, за которые брался, действительно неоднократно обращался к ней. Сохранившиеся трактаты и записные книжки Леонардо позволяют увидеть последовательное нарастание уровня его проникновения в эту сложнейшую проблему.

Первый уровень - изучение известных или слегка измененных схем вечного двигателя типа колеса с грузами . Леонардо неоднократно бывал в крупнейших университетских центрах Италии - Болонье, Парме, Пизе, Риме, работал в библиотеках, активно общался с коллегами. Не исключено, что он изготавливал и исследовал модели различных известных двигателей. Однако ни один из них почему-то не работал. «Препятствия не могут согнуть меня. Любое препятствие вызывает усилие », - и Леонардо пошел дальше.

Второй уровень - существенные изменения в схеме колеса . Внутренняя убежденность в возможности разработки конструкции для получения вечного движения заставила Леонардо да Винчи попытаться добиться положительного результата посредством разумных существенных модификаций известных схем «вечного колеса». «Следы» таких попыток можно найти в его записях, из которых легко понять общую идею - добиться несимметрии вращающего момента с помощью введения дополнительного физического эффекта. Так, в схеме, изображенной на рисунке 2, нижняя часть колеса погружалась в воду, и выталкивающие силы, действующие на полые коробки, должны были бы создать дополнительные усилия, обеспечивающие вращение колеса.

Рис.2. Схема вечного двигателя с дополнительной несимметрией за счет выталкивающей силы

Третий уровень - разработка принципиально новых схем для получения вечного движения . На рисунке 3 показана страница из записной книжки Леонардо, датируемой 1487 годом, - здесь предложены модификации вечного двигателя с винтом Архимеда. Предполагалось, что вода будет подниматься первым винтом малого диаметра на некоторую высоту, сливаться в чашу, а затем возвращаться по второму винту (или вращая колесо, как показано на нижней схеме слева) на исходный уровень. Существенной особенностью этих модификаций двигателя является больший радиус возвращающего воду винта (что действительно должно было создать больший вращающий момент, чем на первом колесе, но отнюдь не большую работу за цикл). Комментарий к чертежу - «вода по винту... возвращается на первый винт и повторяет этот процесс неограниченно долго » - свидетельствует, что в то время Леонардо не сомневался в возможности осуществления вечного двигателя.

Рис.3. Схемы вечного двигателя на основе винта Архимеда

Четвертый уровень - анализ распределения нагрузок в схеме «вечного колеса» . Многочисленные неудачи в попытках получения вечного движения, несмотря на различные способы усовершенствования схемы, заставили Леонардо да Винчи остановиться и попытаться найти причину неудач. Трудность решения такой задачи современному читателю станет более ясной, если напомнить, что на рубеже XIV - XV веков еще даже не было таких физических понятий, как работа и энергия. И все же Леонардо смог показать, почему не может работать наиболее популярный вечный двигатель в виде колеса с несимметричным распределением грузов. В его записных книжках сохранились рисунки, свидетельствующие, что для анализа поведения колеса при повороте Леонардо внимательно изучил, как изменяется причина вращения - несимметрия распределения грузов относительно оси (т.е. вращающий момент) в более простых для анализа системах из небольшого числа грузов для разных вариантов колеса. В таких упрощенных схемах ученый смог заметить, что определяющим является не избыток числа грузов с одной стороны относительно оси, а их расстояние до оси, т.е. положение центра масс.

На рисунке 4 представлен знаменитый чертеж колеса с вычислениями положения центра масс. Здесь показано, что горизонтальная координата центра масс системы грузов совпадает с положением оси (справа от оси центр масс 4 грузов находится на расстоянии 7 интервалов, слева - центр масс 7 грузов на расстоянии 4 интервалов от оси). Следовательно, вместо ожидавшегося perpetuum mobile схема представляет собой perpetuum stabile .

Рис.4. Расчет положения центра масс колеса с откидывающимися грузами

Пятый уровень - заключение о невозможности вечного двигателя . Итак, Леонардо да Винчи в течение нескольких лет пытался создать непрерывно работающий двигатель, проводя существенные улучшения известных конструкций и изобретая принципиально новые схемы. Затем он детально разобрался во внутренних причинах, запрещающих работу наиболее типичного двигателя в форме колеса с откидывающимися грузами (возможно также и с некоторыми другими схемами с использованием воды). И вот теперь он, не считая более необходимым детально разбираться в причинах, мешающих работе других двигателей, формулирует в жесткой форме заключение о невозможности реализации непрерывного движения в схеме любого типа, т.е. впервые формулирует принцип невозможности создания вечного двигателя:

«Я пришел к выводу о невозможности нахождения непрерывного движения, а также вечного колеса. Поиск конструкции вечного колеса - источника вечного движения - можно назвать одним из наиболее бессмысленных заблуждений человека. В течение веков все, кто имел дело с гидравликой, военными машинами и прочим, тратили много времени и денег на поиски вечного двигателя. Но со всеми ними случалось то же, что с искателями золота <алхимиками>: всегда находилась какая-либо мелочь, которая мешала успеху. Моя небольшая работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив обещания».

Далее следует довольно пространное упоминание о, по-видимому, хорошо известном в то время скандале, связанном с попыткой построить в Венеции установку, работающую на неподвижной воде. В комментарии по тому же поводу, написанном позднее сбоку мелким почерком, вода названа дословно «спокойной, на уровне моря ». В основном тексте и в других местах Леонардо употребляет образный термин «мертвая вода » («aqua morta »).

Запись о неработающем двигателе на «мертвой воде » неупомянутой схемы (поскольку теперь уже для Леонардо это не имеет значения) есть свидетельство его убежденности в общности сделанного вывода.

«Какая-либо мелочь (!)» - этими словами Леонардо да Винчи декларирует, что в любой известной схеме вечного двигателя и в любой схеме, которая может быть предложена в будущем, существуют некоторые внутренне присущие эффекты, накладывающие вето на вечный двигатель. На современном языке физики слова «какая-либо мелочь» могут означать разные виды неучтенных потерь или превращений энергии - таких, как тепловая энергия (нагревание, плавление, испарение), возбуждение механических и электромагнитных волн и т.п. вплоть до излучения нейтрино в ядерных процессах.

Комментарий 1

Как сам Леонардо оценивал значение вывода о невозможности вечного двигателя

Карло Педретти - крупнейший специалист по работам Леонардо да Винчи - считает, что запись о невозможности построения вечного двигателя, находящаяся в составленном Леонардо Мадридском кодексе , датируется 1493 годом. К этому же времени относится заметка из другого сборника, аналогичная по силе утверждения, но с менее общим утверждением об обязательном присутствии эффектов, мешающих успеху:

«Какие бы грузы ни были приложены к колесу, когда они приведут к вращению, вне всякого сомнения центр тяжести окажется ниже оси вращения; и ни в каком инструменте, придуманном человеком для вращения, этот эффект не может быть устранен».

Применял ли Леонардо да Винчи сформулированный им важнейший закон природы - принцип невозможности вечного двигателя - в своих исследованиях? Многочисленные сохранившиеся записи позволяют дать утвердительный ответ:

«Невозможно, чтобы груз, который опускается, мог поднять в течение какого бы то ни было времени другой, ему равный, на ту высоту, с какой он ушел».

«Если колесо движет машину, невозможно ему приводить в движение две, не употребляя вдвое больше времени, то есть сделать столько же в час, сколько делает оно двумя машинами тоже в час. Таким образом, одно колесо может вращать бесконечное число машин, но в течение бесконечно долгого времени они сделают не более, чем одна в час».

Следует отметить также запись Леонардо о создании работающей модели вечного двигателя. Вернемся к рисунку 2, на котором показана схема с нижней частью колеса, погруженной в воду. Любопытен комментарий к этому рисунку: «сделай модель под большим секретом и широко объяви об ее демонстрации ». В чем же состоит секрет модели? Из последующих пояснений становится ясно, что поскольку «мертвая вод а» не может заставить машину работать, Леонардо намеревается организовать незаметный поток «живой воды » («aqua viva »), который закрутит колесо. На рисунке показан один из возможных вариантов секретного решения: наличие отверстия в стенке сосуда (справа). Осуществил ли Леонардо да Винчи этот замысел? Видимо, да, поскольку в круг служебных обязанностей Леонардо при княжеском дворе входила организация различных празднеств и развлечений, к тому же это соответствовало бы его репутации талантливого ученого и инженера. Но какова была цель демонстрации? Попытка показать свое всемогущество? Исключено, ему не нужна была мистическая поддержка репутации ученого. Но тогда остается лишь альтернативное объяснение: привлечение внимания к модели работающего вечного двигателя, а затем объяснение секрета и пропаганда крупного научного достижения - вывода о невозможности построения вечного двигателя.

Комментарий 2

Последователи

Из ближайших после Леонардо да Винчи ученых, выступавших против возможности создания вечного двигателя, называют обычно итальянского математика и врача Джероламо Кардано (150А -1576), нидерландского математика и инженера Симона Стевина (1548-1620) и Галилео Галилея (1564-1642). Кардано заявил о невозможности сделать часы, которые заводились бы сами собою и сами поднимали бы гири, двигающие механизм. Стевин получил на основании аргумента о невозможности вечного двигателя условие равновесия тел на гладких наклонных плоскостях: тело удерживается в равновесии силой, которая действует в направлении наклонной плоскости и во столько раз меньше его веса, во сколько длина наклонной плоскости больше ее высоты. Галилео заявлял: «Машины не создают силу; они только ее превращают. Кто надеется на противоположное, тот ничего не понимает в механике».

Следует отметить существенное различие между отношением Леонардо да Винчи и его ближайших последователей к обсуждаемой проблеме. Леонардо пытается понять, почему двигатели различных систем не работают, утверждает неотвратимость существования каких-либо внутренне присущих и мешающих работе эффектов. Кардано, Стевин и Галилей используют принцип невозможности вечного двигателя, уже как твердо установленный закон природы, при анализе частных проблем.

Можно с достаточным основанием говорить о влиянии Леонардо да Винчи по крайней мере в отношении Кардано. Его дядя Фацио Кардано - миланский юрист и естествоиспытатель - был другом Леонардо и, конечно же, был информирован о важнейших результатах ученого. После смерти Леонардо его рукописи по завещанию перешли Франческо Мельци, который в 1523 году вернулся в Милан и посвятил долгие годы (умер Мельци около 1570 г.) систематизации работ учителя и, в частности, подготовил к печати Трактат о живописи. Джероламо Кардано сам мог изучать рукописи Леонардо да Винчи в собрании Мельци, тем более что среди них находились известные трактаты по анатомии и физиологии, представлявшие профессиональный интерес для врача Кардано.

В 1775 году Французская Академия приняла решение не рассматривать предложения вечных двигателей: «(1*) Построение вечного двигателя абсолютно невозможно: (2*) если даже трение и сопротивление среды не уменьшат длительность Бездействия действующей силы, она не сможет произвести равный эффект. Причина следующая: если мы хотим получить эффект конечной силы за бесконечное время, эффект должен быть бесконечно мал. Предположим, что тело, которому сообщили движение, при отсутствии трения и сопротивления способно сохранить это движение постоянно; но при этом не идет речь о других телах. Это вечное движение... было бы совершенно бесполезно по отношению к другим объектам, предлагаемым обычно творцами вечного движения... (3*) Такие работы слишком расточительны: они уже разрушили очень много семей. Часты случаи, когда механик, который мог бы занять достойное место, растрачивал на это свою славу, время и талант.

Таковы принципы, на которых основано решение Академии: постановляя, что она больше не будет заниматься этими вопросами, Академия заявляет о своем мнении об их бесполезности... (4*) Часто говорят, что, занимаясь химерическими проблемами, люди открывали полезные истины. Такая точка зрения была бы обоснована в те времена, когда метод поиска истины был неизвестен во всех областях. В настоящее время, когда он известен, наиболее верный способ поиска истины - искать ее».

Сравнение этого текста с приведенной выше формулировкой Леонардо принципа невозможности вечного двигателя позволяет отметить поразительную близость между ними по существу и порядку акцентов: сначала дается жесткая формулировка невозможности построения вечного двигателя (1*); затем (2*) - попытка «обоснования» (наличие в любой схеме какой-либо мелочи, т.е. каких-то потерь, - у Леонардо и более ограниченная по существу формулировка Академии, сводящая возможные потери лишь к трению и сопротивлению среды); и наконец, (3*) - тезис о незавидной судьбе изобретателей (не очень обязательный в научном документе) и (4*) - тезис о том, что верный путь поиска истины известен (кажется не очень убедительным).

Такое совпадение едва ли можно считать случайным. Французские академики, несомненно, имели возможность познакомиться с работами Леонардо да Винчи, которые ценились высоко и с начала XVII века уже имелись в крупных и вполне доступных библиотеках. Можно отметить, что через 20 лет после того решения Французской Академии, в 1795 году, когда Наполеон ненадолго стал королем Италии, 12 кодексов Леонардо были вывезены из Милана в Париж и лишь Атлантический кодекс был позднее, в 1815 году, возвращен в Миланскую библиотеку Амброзиана. Что касается Мадридского кодекса, он с начала XVIII века находился в дворцовой библиотеке Испанских королей, затем был утерян в 1830 году, т.е. значительно позже даты заседания Французской Академии, и вновь найден лишь через 135 лет. По-видимому, именно выпадением из поля зрения ученых Мадридского кодекса, с четкой формулировкой невозможности вечного двигателя, и доступностью лишь кратких заявлений, типа цитированных выше, объясняется недооценка роли Леонардо да Винчи в обосновании фундаментального закона природы - принципа сохранения энергии.

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.

Человеческая натура такова, что испокон веков люди пытались создать нечто, работающее само по себе, безо всяких воздействий извне. Впоследствии этому устройству дали определение Perpetuum Mobile или . Многие знаменитые ученые разных времен безуспешно пытались его создать, включая и великого Леонардо да Винчи. Он потратил несколько лет на создание вечного двигателя, как путем усовершенствования уже имеющихся моделей, так и пытаясь создать что-то принципиально новое. В конце концов разобравшись, почему же ничего не работает, он первым сформулировал заключение о невозможности создания подобного механизма. Однако изобретателей его формулировка не убедила, и они до сих пор пытаются создать невозможное.

Колесо Бхаскара и подобные проекты вечных двигателей

Доподлинно неизвестно, кто и когда первый попытался создать вечный двигатель, но первое упоминание о нем в рукописях датируется XII веком. Рукописи принадлежат индийскому математику Бхаскаре. В них в стихотворной форме описывается некое колесо, с прикрепленными к нему по периметру трубками, наполовину заполненными ртутью. Считалось, что за счет перетекания жидкости, колесо будет само по себе вращаться бесконечно. Примерно на том же принципе было сделано еще несколько попыток создать вечный двигатель. Как обычно, безуспешно.

Модели, построенные по принципу колеса Бхаскара

Вечный двигатель из цепочки поплавков

Другой прототип вечного двигателя основывается на использовании закона Архимеда. В теории считалось, что цепь, состоящая из полых резервуаров, за счет выталкивающей силы станет вращаться. Не было учтено лишь одно – давление водяного столба на самый нижний бак будет компенсировать выталкивающую силу.

Вечный двигатель, работающий по закону Архимеда

Еще одним изобретателем вечного двигателя является нидерландский математик Симон Стевин. По его теории цепочка из 14 шаров, перекинутая через треугольную призму, должна прийти в движение, потому что с левой стороны шаров в два раза больше, чем с правой, а нижние шары уравновешивают друг друга. Но и тут коварные законы физики помешали планам изобретателя. Несмотря на то, что четыре шара в два раза тяжелее, чем два, они катятся по более пологой поверхности, следовательно, сила тяжести, действующая на шары справа, уравновешивается силой тяжести, действующей на шары слева, и система остается в равновесии.

Модель вечного двигателя Стевина и его реализация с цепью

Вечный двигатель на постоянных магнитах

С появлением постоянных (и особенно неодимовых) магнитов, изобретатели вечных двигателей вновь активизировались. Существует множество вариаций электрогенераторов на основе магнитов, а один из первых их изобретателей, Майкл Брэди, в 90-х годах прошлого века даже запатентовал эту идею.

Майкл Брэди работает над вечным двигателем на постоянных магнитах в 2002 году

А на видео ниже представлена довольно простая конструкция, которую каждый может сделать у себя дома (если наберете достаточное количество магнитов). Неизвестно, насколько долго будет крутится эта штука, но даже если не учитывать потери энергии от трения, этот двигатель можно считать лишь условно вечным, потому что мощность магнитов со временем ослабевает. Но все равно, зрелище завораживает.

Конечно, мы рассказали далеко не о всех вариантах вечных двигателей, потому что людская фантазия, если и не бесконечна, то весьма изобретательна. Однако все существующие модели вечных двигателей объединяет одно – они не вечны. Именно поэтому Парижская академия наук с 1775 года решила не рассматривать проекты вечных двигателей, а Патентное ведомство США не выдает подобные патенты уже более ста лет. И все же в Международной патентной классификации до сих пор остаются разделы для некоторых разновидностей вечных двигателей. Но это касается лишь новизны конструкторских решений.

Подводя итог, можно сказать лишь одно: несмотря на то, что до сих пор считается, что создание действительно вечного двигателя невозможно, никто не запрещает стараться, изобретать и верить в неосуществимое.

Человеческая натура такова, что испокон веков люди пытались создать нечто, работающее само по себе, безо всяких воздействий извне. Впоследствии этому устройству дали определение Perpetuum Mobile или Вечный двигатель. Многие знаменитые ученые разных времен безуспешно пытались его создать, включая и великого Леонардо да Винчи. Он потратил несколько лет на создание вечного двигателя, как путем усовершенствования уже имеющихся моделей, так и пытаясь создать что-то принципиально новое. В конце концов разобравшись, почему же ничего не работает, он первым сформулировал заключение о невозможности создания подобного механизма. Однако изобретателей его формулировка не убедила, и они до сих пор пытаются создать невозможное.

Колесо Бхаскара и подобные проекты вечных двигателей

Вечный двигатель из цепочки поплавков

Вечный двигатель на постоянных магнитах

КАТЕГОРИИ