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.

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.

Человеческая натура такова, что испокон веков люди пытались создать нечто, работающее само по себе, безо всяких воздействий извне. Впоследствии этому устройству дали определение Perpetum Mobile

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

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.

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.

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.

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.

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.

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:

1. 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.
2. 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:

1. Бхаскара Ачарья (1114-1185), поэт, астроном, математик.
2. Виллар де Оннекур (XIII век), архитектор.
3. Николай Кузанский (1401-1464), философ, теолог, церковно-политический деятель.
4. Франческо ди Джорджо (1439-1501), художник, скульптор, архитектор, изобретатель, военный инженер.
5. Леонардо да Винчи (1452-1519), художник, скульптор, архитектор, математик, физик, анатом, естествоиспытатель.
6. Джамбаттиста Порта (1538 - 1615), философ, оптик, астролог, математик, метеоролог.
7. Корнелиус Дреббель (1572 - 1633), физик, изобретатель.
8. Атанасиус Кирхер (1602-1680), физик, лингвист, теолог, математик.
9. Джон Уилкинс (1614-1672), философ, лингвист.
10. Денни Папен (1647-1712), математик, физик, изобретатель.
11. Иоганн Бесслер (1680-1745), инженер-механик, врач, мошенник.
12. Дэвид Брюстер (1781-1868), физик.
13. Вильгельм Фридрих Оствальд (1853-1932), физик, химик, философ-идеалист.
14. 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.

Вечный двигатель уже многие века не дает покоя ученым и инженерам. Еще бы, идея создать устройство, которое будет постоянно работать, не тратя при этом энергии, кажется очень заманчивой. Реально ли его создать, рассказывают ученые.

Что такое вечный двигатель?

Вечный двигатель или Perpetuum Mobile - это устройство воображаемое. Некоторые считают, что теоретически можно создать машину, которая будет бесконечно совершать работу без затрат каких-либо энергетических ресурсов. В то же время, постепенно ученые разочаровывались в этой идее и признавали, что от попыток создать такое устройство лучше отказаться, потому что они бессмысленны. Невозможность создать вечный двигатель постулируется как первое начало термодинамики. Но до сих пор идея вечного двигателя вызывает повышенный интерес.

Идеальный вечный двигатель должен проработать до окончания Большой заморозки (Big Freeze). Сторонники этой теории считают, что до скончания времени Вселенная будет расширяться с очень плавным ускорением. Этот процесс и называется Большой заморозкой, и когда он завершится, наступит конец всего. Когда это произойдет, точно не установлено, но у нас есть еще приблизительно 100 триллионов лет. Так вот, вечный двигатель должен работать как минимум столько же, чтобы считаться настоящим вечным двигателем.

Какими бывают вечные двигатели?

Perpetuum Mobile делятся на двигатели первого рода и второго рода. Двигатели первого рода могли бы функционировать без топлива — и вообще без энергетических затрат, которые возникают, например, при трении деталей механизма друг о друга. Двигатели второго рода могли бы извлекать тепло из более холодных окружающих тел и использовать эту энергию в работе.

Есть много проектов в Интернете, которые утверждают, что работают над конструкцией вечного двигателя. Однако если изучить эти проекты внимательно, становится понятно, что они все очень далеки от идеи вечного двигателя. Но если кому-то удастся сделать такое устройство, последствия будут ошеломляющими. Считается, что мы получим вечный источник энергии - бесплатной энергии.

К сожалению, согласно фундаментальным законам физики нашей Вселенной, создание вечного двигателя невозможно.

Почему создание вечного двигателя невозможно?

Вероятно, есть много людей, которые скажут «никогда не говори «никогда», особенно, если речь идет о науке». В какой-то степени это справедливо. Но если окажется, что вечный двигатель создать возможно, это перевернет физику, которую мы знаем. Окажется, что мы во всем были неправы и ни одно из наших предыдущих наблюдений не имеет никакого смысла.

Первый закон термодинамики -- закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена - она просто переходит из одной формы в другую. Для того, чтобы держать механизм в постоянном движении, приложенная энергия должна остаться в этом механизме без каких-либо потерь. Ровно поэтому создание вечного двигателя невозможно.

Для того, чтобы построить вечный двигатель первого рода, мы должны выполнить несколько условий:

1. У машины не должно быть никаких «трущихся» частей, любые движущиеся части не должны касаться других частей, так как иначе между ними возникнет трение. Это трение в конечном счете приведет к тому, что машина начнет терять энергию. При соприкосновении частей возникает тепло, и именно это тепло и есть энергия, потерянная машиной. Вы скажете, что тогда нужно сделать устройство с гладкой поверхностью, чтобы не возникало трение. Но это невозможно, так как не бывает совершенно гладких объектов.
2. Машина должна работать в вакууме, без воздуха. Это исходит из первого условия. Эксплуатация машины в любом месте заставит ее терять энергию из-за трения между движущимися частями и воздуха. Хотя потери энергии из-за трения воздуха очень малы, для вечного двигателя это серьезная проблема. Если есть хотя бы минимальные потери энергии, машина начнет останавливается и в конце концов остановится совсем из-за этих потерь, даже если это займет очень много времени.
3. Машина не должна издавать никаких звуков. Звук также форма энергии, и если машина издает любой звук, это означает, что она также теряет энергию.

Двигатели второго рода, которые используют теплоту окружающих тел, не противоречат закону сохранения энергии. Однако эти хитрые конструкции бессильны против второго начала термодинамики: в замкнутой системе самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к горячим невозможен. Для этого необходим некий посредник. А для работы посредника необходима энергия из внешнего источника. Кроме того, в природе не существует по-настоящему обратимы

Но самое главное, создание вечного двигателя может оказаться бессмысленным. Люди рассчитывают, что если такое устройство будет сделано, мы получим бесплатный источник энергии. Но так ли это? На самом деле, мы получим ровно столько энергии, сколько направим в этот двигатель. Мы ведь помним, что согласно законам физики, которые пока не опровергнуты, энергия не может быть создана из ничего, она может быть только преобразована. Так что, выходит, вечный двигатель - это бесполезное устройство.