Человечество не одно столетие мечтало о создании устройства, которое бы никогда не прекращало свою работу – вечном двигателе. Множество ученых гнались за этой мечтой. Однако невозможность ее достижения стала со временем очевидна.

Экскурс в историю

Одна из самых давних попыток создать вечный двигатель относится к 12 веку. Бхаскар Второй – астроном и математик. Его исследования привели к изобретению колеса со спицами, наполненными ртутью. Конечно же, этот механизм не мог работать всегда. Но в то время он стал причиной развития науки.
Следующим выдающимся изобретением в 1604 году стал Пертпетуум мобиле. Его создателем был Корнелиус Дребль. Человек выдающегося ума, алхимик сделал нечто, поразившее современников. К сожалению, механизм Дребля не сохранился, как и стоящее его описание. Есть лишь некоторые письменные свидетельства его существования и картины Рубенса. Известно, что он напоминал хронометр, который ничем не нужно было приводить в движение. Дребль также известен как создатель подводной лодки.

Роберт Фладд в 17 веке также гнался за идеей вечного двигателя. Он изобрёл «водяной винт», который оказал немалую помощь фермерам. Принцип его действия состоял в движении колеса под воздействием . Это устройство было гениальным. Однако и оно не смогло решить поставленной задачи.
Иоганн Бесслер в 18 веке предпринял очередную попытку осуществить давнюю мечту человечества. Он создал колесо, основываясь на учениях Бхаскара Второго. И весьма преуспел. Колесо вращалось без остановки длительное время в строго охраняемой комнате. Пока он сам его не сломал под действием пристального к себе и своему детищу внимания. Бесслер был чудаком и никому не открыл секрета своего изобретения. И до сегодня ученые пытаются разгадать его загадку.

Было ещё множество ученых, которые гнались за призрачной идеей вечного двигателя. Однако Парижская академия наук в 1775 году решила не принимать больше проекты этого устройства, посколько невозможность его создания очевидна. Многие и сегодня пытаются запатентовать якобы вечно работающие механизмы. Однако научной новизны такие изобретения не представляют. А потому не принимаются.

Содействие развитию науки

Несмотря на многочисленные попытки создать всегда работающее устройство, ученые так и не смогли достичь результата. Но их поиски очень помогли в развитии науки. Таким образом на основании всех этих поисков были сформулированы законы физики равновесия сил на наклонной поверхности, сохранения энергии такими учёными как Симон Стевен и Джеймс Джоуль.
Над созданием Перпетуум мобиле работал также Леонардо да Винчи. Можно сказать, что некоторые его открытия являются побочным результатом от поисков вечного двигателя.

Типы вечного двигателя

Ученые, занимающиеся изобретением данного механизма, выделили два его типа. Вечный двигатель первого рода представляет собой устройство, которое работает без каких-либо энергетических ресурсов. Второго типа – запущенный в работу механизм, который использовал бы для работы тепло, полученное от окружающих тел. При углублении в термодинамику становится понятно, что существование ни первого, ни второго типов вечного двигателя невозможно. Первое и второе начало этой науки основаны на многочисленных экспериментах и доказывают невозможность существования первого и второго типов вечного двигателя соответственно.

И все-таки почему нет?

Так все же почему нельзя создать вечный двигатель? Даже не слишком разбираясь в физике можно сообразить, что вечный двигатель невозможен. Ведь для непрекращающейся работы без дополнительных ресурсов необходимо чтобы механизм сам вырабатывал энергию. Однако современная наука основываясь на законе сохранения энергии, гласит, что энергия всегда сохраняется. Она ни создаётся, ни разрушается. Она просто преобразуется из одного состояния в другое. Для постоянного осуществления движения энергия не должна никуда выделяться и быть постоянной. Это невозможно.
Если же всё-таки допустить существование вечного двигателя, то такой механизм должен соответствовать определенным критериям.
У него не должно быть соприкасающихся деталей. От их трения энергия будет теряться. Как известно, не существует идеально гладких поверхностей. То есть трение будет возникать в любом случае.
Механизму для работы нужен вакуум. То есть не должно быть . Поскольку потеря энергии осуществляется именно при трении двигающихся деталей и воздуха.
При работе механизм не должен производить звуков. Поскольку звук также передаёт энергию. То есть энергия при звуке работы двигателя будет утеряна. Работа без звука возможна в вакууме. Даже если создать механизм, удовлетворяющий этим требованиям, он не будет давать энергию. Он будет лишь сохранять ту, что потрачена на приведение его в действие. Об есть цель создания вечного двигателя не будет достигнута. Ведь двигатель нужен для приведения чего-либо в движение.

Продолжение попыток создания вечного двигателя

Несмотря на то, что уже много раз ученые в разное время объясняли почему нельзя создать вечный двигатель, многие не оставляют надежды изобрести совершенный механизм, который работал бы вечно. Основываясь на уже созданных устройствах, ученые стараются их усовершенствовать и получить желаемое. Кто-то пытается разгадать тайну колеса Бесслер, считая его вечным двигателем. Тем не менее до сих пор человечество не сумело осуществить давнюю мечту. Кроме того современные ученые признали это невозможным. Но поиски перпетуум мобиле не так уж и бесполезны. Поскольку на фоне их наука получила развитие.
Конструкции, представленные когда-либо как вечный двигатель немало помогли людям. Поэтому несмотря на невозможность создания такого механизма, его поиски представляют своего рода пользу для развития науки и человечества.

Министерство образования Российской Федерации

Реферат на тему

«Вечный двигатель. Механический вечный двигатель. Анализ. Принцип работы. Что его тормозит? Как его заставить работать?»

Выполнил:

Проверил

Введение

Давно известно, что идея вечного двигателя неосуществима, однако она очень интересна и познавательна с точки зрения истории развития науки и технологий. Ведь в поисках вечного двигателя ученые смогли лучше понять основные физические принципы. Более того, изобретатели вечного двигателя являются яркими примерами для изучения некоторых аспектов человеческой психологии: изобретательности, настойчивости, оптимизма и фанатизма.

Вечный двигатель (perpetuum mobile, perpetual motion machine) – устройство, основанное на механических, химических, электрических или иных физических процессах. Будучи запущенным единожды, он сможет работать вечно и остановится только при воздействии на него извне.

Вечные двигатели делятся на две большие группы.

Вечные двигатели первого рода не извлекают энергию из окружающей среды (например, тепло), при этом физическое и химическое состояние его частей также остается неизменным. Машины такого рода не могут существовать исходя из первого закона термодинамики.

Вечные двигатели второго рода извлекают тепло из окружающей среды и превращают его в энергию механического движения. Такие устройства не могут существовать исходя из второго закона термодинамики.

Сегодня мы уже не можем ограничиваться лишь механикой (ведь есть электричество, магнетизм и т.д.), поэтому появились две категории вечных двигателей. Первые из них являются естественными (perpetuum mobile naturae), а вторые физическими, или искусственными (perpetuum mobile physicae).

Планеты миллиардами лет вращаются вокруг Солнца, являясь примером вечного движения. Это было подмечено еще очень давно. Естественно, ученые хотели повторить эту картину Божьего творения в уменьшенном масштабе, за что часто считались еретиками и становились жертвами инквизиции. В то же время, иезуиты придавали вечному двигателю огромное значение и тайно работали над его созданием.

Механический вечный двигатель.

Археологические изыскания выявили, что в Древней Греции идея бесконечного движения не вызывала особого интереса. Знания греческих инженеров и ученых о механике были довольно обширны, об этом свидетельствуют некоторые находки (например, механизм Герона). Естественных источников силы, как, например, водяных колес и труда рабов, было достаточно для нужд Греции. Конструкторская изобретательность была, в основном, направлена на создание механических игрушек и храмовых автоматов, создающих иллюзию самостоятельного движения. Было найдено всего несколько текстов 2000-летней давности с упоминанием вечного двигателя.

На Востоке же идея вечного двигателя была распространена широко. Первое упоминание о вечном двигателе, сконструированным индийским математиком и астрономом Брахмагупта (Brahmagupta) относится к 624 году н.э. В своем труде «Brahmasphutasiddhanta» он описал вечный двигатель так: «Сконструировать из светлых пород дерева колесо с полыми равномерно распределенными спицами, заполнить спицы до половины ртутью и запечатать, поместить колесо на горизонтальную ось. В части спиц ртуть будет подниматься вверх, а в остальных спускаться, обеспечивая непрерывное движение».

Лалла (Lаlla), другой индийский астроном, в 748 году написал трактат «Sisyadhivrddhida Tantra», описывающий схожий механизм, отличающийся только формой полых спиц.

Около 1150 года очередной индийский математик и астроном Баскара (Bhaskara) в труде «Siddhanta Siromani» описал механизм с полыми трубками, расположенными по окружности колеса. Он писал: «Эта машина вращается с большой силой. Потому что ртуть с одной стороны ближе к оси, чем с другой». Очевидно, он думал, что такая конструкция постоянно выводит систему из равновесия, поддерживая вечное движение. Считается, что он так и не испытал свое устройство (как, впрочем, и многие другие изобретатели вечных двигателей).

Начиная с 12 века основные принципы конструкции вечного двигателя модифицировались и объединялись, чтобы в конечном итоге стать частью истории технологий. Даже сегодня некоторые изобретатели обращаются к этим «несбалансированным колесам». Описанные конструкции несли в себе не только технический, но и религиозный, и философский смысл, как бы олицетворяя бесконечную смену времен года и реинкарнацию, поэтому многие храмы использовали эти символы. А сами вечные двигатели такой конструкции получили название индийских (в другой трактовке персидских или арабских).

В Средние века около 1235 года архитектор Виллар де Оннекур (Villard de Honnecourt) заинтересовался идеей вечного двигателя и был озадачен неудачами своих современников. Чтобы показать их невежество, он нарисовал простую, но весьма оригинальную машину. Ее непрерывное движение обеспечивалось за счет нечетного количества подвижных увесистых молотков, прикрепленных к ободу колеса.

Рассуждения Виллара довольно просты. Он ошибочно полагал, что всегда с одной стороны оси будут находится четыре молотка, а с другой три, создавая постоянный дисбаланс. Он не осознавал, что система в целом будет стремиться к статическому равновесию, когда с каждой стороны будут находиться по три молотка и один внизу. Поучительно, что и сегодня некоторые попадаются в эту ловушку.

В эпоху Возрождения интерес к вечному двигателю был поистине огромен. Например, большое количество чертежей с описанием конструкции вечного двигателя было сделано архитектором Франческо ди Джорджио (Francisco di Georgio). Один из довольно неплохих вариантов мы видим на рисунке. Это гидроприводная мельница с дополнительной помпой.

Машина использует непрерывную циркуляцию воды (рециркуляционная мельница). Поскольку извне вода не поступает, то такие механизмы иногда называют aqua morta, то есть «мертвая вода». Падающая вода запускает большое вертикальное колесо, которое посредством зубчатой передачи приводит в движение мельницу. Чтобы поднять воду вверх используются коленчатый вал и два рычага, скрепленных с осью колеса, приводящих в движение две помпы с цилиндрическими поршнями.

Джорджио описал несколько таких конструкций, часть из которых непрактичны, хотя и при воздействии извне могут работать.

В 1618 году английский физик и мистик Роберт Фладд (Robert Fludd) описал рециркуляционную мельницу, которая поднимает воду с помощью цепного насоса. Правда позже, видно поняв свою ошибку, он отказался от своего вечного двигателя, приписав его итальянским изобретателям.

Машины Джорджио, несомненно, были известны Леонардо да Винчи, интересовавшимся всеми механизмами, в том числе и движущимися бесконечно. До наших дней дошли часть его чертежей с изображением рециркуляционных мельниц с архимедовыми винтами. Он также описал сложные механизмы с заполненными ртутью полостями. В Немецком музее (Deutsches Museum) в Мюнхене имеется реконструкция его машины. Не смотря на то, что во времена да Винчи закон сохранения еще не был известен, гениальный изобретатель очень близко подошел к его идее. Он писал: «Падающая вода может поднять такое же количество воды… но мы должны учесть и потери силы на трение». Известны и наброски чисто механических вечных двигателей да Винчи, приводимых в движение катящимися шариками.

Несмотря на больной интерес да Винчи к самой идее вечного двигателя, он весьма скептически относился к мысли о практическом применении существующих конструкций. В одной из тетрадей великого изобретателя мы видим подтверждения невозможности вечного движения несбалансированного колеса.

Чертеж показывает, что ученый прекрасно понимал раскладку сил и вращающих моментов. Он считал, что попытка реализации вечного двигателя сродни поиску философского камня.

Стоит сказать об инженере Агостино Рамелли (Agostino Ramelli)(1531-1608), идеи которого актуальны и по сей день. В своем труде «Le diverse et artificiose machine» он описал механизмы, которые использовались уже после смерти их создателя, например, вентилятор. Рамелли был практиком, а потому не увлекся идеей вечного двигателя, поэтому он почти не упоминал о нем в своих трудах.

В конструкции придуманной им мельницы есть устройство, оптимизирующее ее работу. И этим устройством является несбалансированное колесо. Однако ниже написано: «Стоит упомянуть, что внутренняя часть колеса сделана мной лишь по просьбе джентльменов, решивших, что водяной поток не слишком быстрый, и это колесо должно помочь».

Известный механик середины XVII века Эдуард Сомерсет, маркиз Вустерширский, в свои пятьдесят лет решил на удивление всем заняться постройкой перпетуум мобиле доселе невиданных размеров. Честолюбивые намерения этого достопочтенного и преданного короне дворянина нашли полную поддержку у его государя Карла I. Старый лондонский Тауэр стал свидетелем грандиозных приготовлений. Вместе со своими помощниками маркиз соорудил огромное колесо диаметром более 4 метра с размещенными по его периметру 14 грузами весом по 50 фунтов каждый. К сожалению, в сообщениях об этом широко разрекламированном опыте, при котором присутствовал сам король со своим двором, о результатах экспериментов подробно не говорится. Известно лишь, что к этому своему опыту Сомерсет никогда более не возвращался; позднее он занимался строительством парусного экипажа и другими смелыми по тому времени проектами.

Некоторое видоизменение машины Сомерсета представляет собой перпетуум мобиле; откидывающиеся грузы заменены в нем шарами, свободно перекатывающимися в клиновидных камерах, прикрепленных к ступице колеса. Автор проекта исходил из предположения, что шары, подкатившиеся к внешнему краю колеса, будут обладать большим силовым моментом, чем шары, находящиеся в суженной части камер вблизи его оси.

Примерно в то же самое время, в первой половине XVII в., известный астроном и член ордена иезуитов Христофор Шейнер сделал важное открытие - он обнаружил пятна на поверхности Солнца. Однако для нас более интересным представляется его сочинение «Комментарий к основаниям гномоники», изданное в Ингольштадте в 1616 г. В нем автор описывает оригинальную идею еще одного перпетуум мобиле, которому он дал громкое название «шейнеров гномон в центре мира».

Постоянное движение гномона Шейнер обосновывал следующим образом. Произвольная точка, выбранная в качестве центра мира, одновременно будет являться и центром гравитации. Если раскрутить рычаг с перпендикулярно установленным на одном его конце гномоном так, чтобы свободный конец рычага проходил через этот центр гравитации, вся система придет в непрерывное вращение, потому что сила, притягивающая гномон с рычагом к центру гравитации, будет одинаковой во всех точках траектории.

Идея Шейнера сразу ж вызвала многочисленные возражения современников. Так, собрат Шейнера по ордену иезуитов астроном Джиованни Баптиста Риччиоли утверждал, что гномон моментально упадет в центр гравитации по наикратчайшему пути. Другой математик того времени Марио Беттино не без иронии заявил:

«Да, это будет перпетуум, но не мобиле, а покоя!»

Хотя Галилей и не был приверженцем идеи перпетуум мобиле, один из его учеников - Клеменс Септимус попытался построить вечный двигатель.

У этого устройства вместо обычных грузов в плотно закрытом с концов цилиндрическом барабане вращалась плоская непроницаемая лопатка, разделявшая два вещества различной плотности. Одна половина цилиндра, FAG, наполнялась ртутью или водой, другая, FBG, - маслом или воздухом (т.е. более легким веществом). Работа этого устройства предполагалась следующей. Поскольку на CA действует больший вес ртути, то плечо рычага перейдет в положение DE, а центр тяжести окажется в некоторой точке D, лежащей между A и C. Так как ртуть несжимаема и вместе с тем она не может проникнуть в другую половину цилиндра, то весь барабан начнет вращаться в направлении C. Но вследствие этого движения центр тяжести системы опять переместится в исходное положение, и все повторится сначала. На основе построенной таким образом функциональной схемы Клеменс пришел к выводу, что данный перпетуум мобиле сразу же после его изготовления должен прийти во вращательное движение и оставаться в этом состоянии вечно без какого-либо подвода энергии извне.

Против ошибочных взглядов Клеменса Септимуса выступил его друг итальянский физик Альфонсо Борелли. В опубликованном в 1670 г трактате «О естественном движении и подвешенных грузах» он подробно описывает машину Клеменса, категорически отрицая возможность ее работы с циклическим движением шаров по замкнутому пути.

В следующем примере, заимствованном из того же источника, движущим элементом перпетуум мобиле вновь является сила тяжести.

Правда, при первом взгляде вам не может не показаться, что этот вечный двигатель несколько великоват: ведь главная его часть - это вся наша Земля с просверленным насквозь от полюса к полюсу прямым каналом, герметически закрытым с обоих концов. По представлению изобретателя, массивный шар, изготовленный из достаточно плотного материала, должен колебаться от одного конца канала к другому сколь угодно долго.

В заключение этого краткого обзора наиболее часто встречающихся типов механических вечных двигателей приведем еще два интересных примера. Принцип действия первой из этих машин схема 34 по внешнему виду необычайно прост разница в весе между более длинной частью ремня, проходящей между промежуточными роликами, и его прямой, вертикальной частью, обеспечивает неравенство сил, служащее причиной постоянного движения всей системы. Подобный тип перпетуум мобиле был, по-видимому, прежде необычайно популярен, поскольку он часто встречается в литературе во многих вариантах: с ремнями, цепями и т.п.

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

Член английского Королевского общества механик и астроном Джеймс Фергюсон в качестве протеста против всё умножавшихся проектов новых вечных двигателей, в бессмысленности которых он нисколько не сомневался, построил модель перпетуум мобиле, показанную на рисунке.

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

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

Невозможность создания вечного двигателя

Попытаемся рассказать о законах природы, исключающих возможность создания перпетуум-мобиле.

Постройте машину, которая совершала бы работу большую, чем сообщенная ей энергия, и вы решите проблему вечного движения.

Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен вырабатывать ее в достаточном количестве, не имея ни какого внешнего источника. Представьте, что нужно рассчитать баланс энергии, затрачиваемой на совершение того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера, или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае количество затраченной энергии всегда должно быть равно количеству энергии произведенной или выделившейся в результате совершения работы. Энергия, которую мы не совсем точно называем потерянной, на самом деле не изчезает. Просто она переходит в иную форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так получается оттого, что в результате трения происходит нагревание и часть энергии выделяется в виде тепла. И это вообще говоря справедливо для потерь любого вида энергии, ибо они в конечном счете всегда превращаются в тепло.

Эту же мысль можно выразить и иными словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или совсем бесполезную. Например, тепло, выделяемое в двигателе внутреннего сгорания, - ненужный и, тем не менее, неизбежный продукт превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но сделаем мы это или не сделаем - все равно часть работы, совершаемой двигателем, будет тратиться на тепловые потери.

Все, о чем говорилось выше, и представляет собой суть важнейшего закона природы - закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики.

Мы уже говорили, что вечный двигатель должен совершать полезную работу, не имея никаких внешних источников энергии. Проще сказать, в нем не должно сжигаться топливо и к нему не должны прикладываться механические усилия. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализуемой машины заложили фундамент механики как науки. Великие ученные прошлого приняли как аксиому невозможность создания перпетуум-мобиле и тем помогли пробиться росткам новой науки.

Порой легко доказать негодность того или иного проекта вечного двигателя и тем самым показать, что данный конкретный способ его реализации не приведет к желаемому результату. Но это вовсе не означает, что автоматически исключается возможность построения перпетуум-мобиле другими средствами. Поэтому, до тех пор, пока не был четко сформулирован закон сохранения энергиги, невозможность создания механического вечного двигателя, установленная многовековым опытом, вовсе не означала невозможность создания, скажем двигателя химического. Конечно, бесплодность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных "машин вечного движения". Тщательное рассмотрение очередного проекта всегда обнаруживало какие-нибудь теоретические ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались несостоятельными.

В разработку общепринятого ныне критерия неосуществимости вечного движения, провозглашающего невозможность создания энергии из ничего, внесли свой вклад философы, математики, инженеры. Закон сохранения энергии стал неизбежным препятствием для изобретателей перпетуум-мобиле. И все попытки преодолеть это препятствие кончались крахом.

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.

Когда речь заходит о вечном двигателе, главная проблема — путаница в формулировках. Почему-то некоторые считают, что вечный двигатель – это машина, которая движется постоянно, что она никогда не останавливается. Эта правда, но лишь отчасти.

Действительно, если вы однажды установили и запустили вечный двигатель, он должен будет работать до «скончания времён». Назвать срок работы двигателя «долгим» или «продолжительным» – значит сильно преуменьшить его возможности. Однако, ни для кого не секрет, что вечного двигателя в природе нет и не может существовать.

Но как же быть с планетами, звездами и галактиками? Ведь все эти объекты находятся в постоянном движении, и это движение будет существовать постоянно, до тех пор пока существует Вселенная, пока не наступит время вечной, бесконечной, абсолютной темноты. Это ли не вечный двигатель?

Именно при ответе на этот вопрос и вскрывается та путаница в формулировках, о которой мы говорили в начале. Вечное движение не есть вечный двигатель! Само по себе движение во Вселенной «вечно». Движение будет существовать до тех пор, пока существует Вселенная. Но так называемый вечный двигатель — это устройство, которое не просто движется бесконечно, оно еще и вырабатывает энергию в процессе своего движения. Поэтому верно то определение, которое даёт Википедия :

В интернете можно найти множество проектов, которые предлагают модели вечных двигателей. Глядя на эти конструкции, можно подумать, что они способны работать без остановки, постоянно вырабатывая энергию. Если бы нам действительно удалось спроектировать вечный двигатель, последствия были бы ошеломляющими. Это был бы вечный источник энергии, более того, бесплатной энергии. К сожалению, из-за фундаментальных законов физики нашей Вселенной, создание вечных двигателей невозможно. Разберёмся, почему это так.

Физика работы вечного двигателя

В нашей Вселенной безраздельно властвует закон сохранения энергии . Согласно этому закону, энергия всегда сохраняется. Это означает, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена. Вместо этого она просто переходит из одного состояния в другое. Чтобы движение осуществлялось постоянно, энергия системы должна всегда оставаться постоянной и никуда не выделяться. Из одного этого факта следует, что вечный двигатель построить нельзя.

Почему? Чтобы поддерживать постоянное движение, мы должны соблюсти много требований к нашему устройству:

1. Машина не должна иметь каких-либо «трущихся» частей. Любая движущаяся часть не должна касаться других деталей. Трение, которое будет создано между деталями, в конечном счете приведёт к тому, что двигатель потеряет свою энергию. Создание гладкой поверхности недостаточно, так как не существует идеально гладких объектов. Тепло всегда будет генерироваться при трении двух частей (образование тепла требует энергетических затрат, поэтому двигатель будет терять энергию).
2. Машина должна работать в вакууме (без воздуха). Этот пункт напрямую связан с причиной, указанной в предыдущем пункте. Эксплуатация машины не в вакууме приведет к потере ее энергии за счет трения между движущимися частями и воздухом. Хотя потеря энергии из-за трения деталей двигателя о воздух очень мала, помните, что мы говорим о вечных двигателях. То есть, если существует малейший механизм потерь, то двигатель в конце концов потеряет свою энергию (даже если это займет очень много времени).
3. Двигатель не должен воспроизводить звук. Звук также является формой передачи энергии. Если машина издает какие-либо звуки, это ведёт к потере энергии. Хотя эта проблема исчезнет, если двигатель будет работать в вакууме, поскольку в вакууме звук распространяться не может.

И даже если предположить, что когда-нибудь мы сможем соблюсти все эти условия и построить такое устройство, которое будет двигаться вечно. Сможем ли мы получать из него энергию? Да, но только ту энергию, которая использовалась для приведения этого устройства в движение. Вечный двигатель в реальной жизни будет просто хранить изначально переданную ему энергию. Мы должны помнить, что энергия не может быть создана; она всегда лишь преобразуется из одной формы в другую. Так что, если вам удастся построить идеальную машину, способную двигаться вечно, вам понадобится энергия, чтобы запустить её. Это единственная энергия, которую вы сможете в конечном итоге получить обратно.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Вечный двигатель - устройство, совершающее полезную работу без приложения механических усилий и сжигания топлива: история, неудачные конструкции; патенты и авторские свидетельства; известные изобретатели. Значение вечного двигателя как источника энергии.

презентация , добавлен 23.09.2012


Источники энергии Древнего мира, раннего Средневековья и Нового времени. Технологии, используемые в процессе получения, передачи и использования энергии. Тепловые двигатели, двигатели внутреннего сгорания, электрогенераторы. Развитие ядерной энергетики.

презентация , добавлен 15.05.2014


Механическая характеристика рабочей машины, приведённой к угловой скорости вала электродвигателя. Передаточное число передачи электродвигателя к рабочей машине. Продолжительность пуска электродвигателя с нагрузкой. Потери энергии в асинхронном двигателе.

контрольная работа , добавлен 27.10.2010


Использование разности температур воды и построение схемы ОТЭС, работающей по замкнутому и открытому циклу. Применение перепада температур океан-атмосфера. Прямое преобразование тепловой энергии. Преобразователи и баланс возобновляемой энергии волн.

курсовая работа , добавлен 27.10.2011


Производство электрической и тепловой энергии. Гидравлические электрические станции. Использование альтернативных источников энергии. Распределение электрических нагрузок между электростанциями. Передача и потребление электрической и тепловой энергии.

учебное пособие , добавлен 19.04.2012


Гидравлические машины как устройства, служащие для преобразования механической энергии двигателя в энергию перемещаемой жидкости или для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию, методика расчета ее параметров.

курсовая работа , добавлен 09.05.2014


История создания тепловых двигателей и общий принцип их действия. Виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Использование современных альтернативных источников энергии.