Вечный двигатель

Вечный двигатель (лат. Perpetuum Mobile) — воображаемое устройство, позволяющее получать полезную работу, большую, чем количество сообщённой ему энергии (КПД больше 100 %).

 Ранняя история развития  науки и техники часто изобиловала  как настоящими изобретениями,  так и подобными мошенничествами.  Однако если для алхимиков  откровенная неудача грозила  потерей имущества, положения  или даже самой жизни, то  для тех, кто хотел изобрести  вечный двигатель, речь шла  только об известности и славе.  Философский камень и вечный  двигатель одновременно оказались  основными целями усилий постепенно  формировавшейся светской науки.  Однако только идея перпетуум мобиле смогла достаточно долго преодолевать те ловушки, которые выставляли на ее пути время и растущие знания человечества. И хотя общество давно смирилось с тем, что философский камень навсегда останется нерешенной проблемой алхимии, мысль о вечном двигателе все еще продолжали волновать сознание людей: тогдашнее увлечение проблемой перпетуум мобиле пронизывало буквально все слои общества — ею интересовались инженеры, физики, философы, священнослужители и даже главы государств. В XVII-XVIII вв., в пору наибольшей популярности этой идеи, не проходило и месяца, чтобы не появлялась новая схема или новая модель вечного двигателя. Земное притяжение, вода, воздух, огонь, магнетизм, даже сверхъестественные силы — все привлекалось для оправдания усилий и трудов исследователей.

 Трудно сказать, кто  и когда впервые разработал  проект вечного двигателя. Считает,  что самое ранее упоминание  о нем  содержится в трактате  индийского математика и астронома  Бхаскары Ачарьи (1114-1185), написанном  около 1150 г. В Европе первый  известный чертеж вечного двигателя  оставил  выдающийся французкий  инженер и архитектор Виллар  де Оненекур в своей «Книге  рисунков» (1235-1240). Не прошло и  40 лет как другой французский  ученый, Пьер де Марикур, сочинил  трактат магнитных явлениях, где предлагал получать вечное движение при помощи системы постоянных магнитов.  Первый вечный двигатель построил Эдуард Сомерсет, прдворный английской короля Карла I. Машина имела вид колеса диаметром более 4 м, а по его окружности размещалось 14 грузов по 25 кг. каждый. Некое устройство сдвигало грузы с одной стороны колеса на 0,3 м. дальше от оси, чем с другой

 Со временем вечные  двигатели становились все сложнее.  Пытались заставить работать  в них воду и ртуть, которые  переливались внутри колеса из  одной емкости в другую, или  тяжелые шары, катавшиеся по желобам.  Возвращались и  к идеям  де Марикура: создавали разнообразные  конструкции с постоянными магнитами.

 Мы окружены океаном  энергии, которая рассеяна в  воздухе и морской воде. Воздух  в тропиках прогревается до 40-500 С. Температура воды морей и  океанов даже зимой и на  самой большой глубине не опускается  до нулевой отметки. Если бы  все их тепло удалось собрать  и пустить в работу, электростанции  оказались бы ненужными: вода  и воздух непрерывно подогреваемые Солнцем, вечно снабжали бы человечество энергией. Устройство, работающее за счет тепла, равномерно рассеянного в природе, стали называть вечным двигателем второго рода (а тот, о котором речь шла выше - соответствено вечным двигателем первого рода).

 Первую конструкцию  подобного типа –«нуль-мотор» создали в Америке в 1880 г. Он представлял собой нечто вроде паровой машины, работающей на жидком аммиаке. При нормальной температуре  аммиак в емкости закипает при давлении 10 атм. Его пар поступает в цилиндр машины с поршнем; там он расширяется, совершая работу, охлаждается, частично сжижается и перекачивается обратно в котел. Так, по мнению изобретателя, за счет тепла атмосферного воздуха можно непрерывно получать механическую работу.

 Двигатели которые работают за счет разности энергий, возникающей во времени и пространстве, появились давно. Считается, что первое подобное устройство изготовил голландец Корнелиус Дреббель (1572-1634), талантливый инженер и физик. В 1598 г. Он запатентовал, а спустя девять лет продемонстрировал английскому королю Якову I «вечные» часы, которые не требовали подзавода: их гири поднимало постоянно меняющееся атмосферное давление.

 В начале 60-х гг. ХХ в. Мировую сенсацию произвела игрушка, получившая в СССР название «вечно пьющая птичка». Тонкая стеклянная колбочка с осью посередине впаяна в небольшую емкость. Свободным концом колбочка почти касается ее дна. В нижнюю часть игрушки налито немного жидкости, а верхняя, пустая, обклеена снаружи тонким слоем ваты. Перед игрушкой ставят стакан с водой и наклоняют ее. И тут происходит нечто удивительное: птичка начинае два три раза в минуту наклонятся и окунать голову в стаканчик. Раз за разом, непрерывно, днем и ночью, пока в стаканчике не кончится вода. Механизм такого явления понятен: жидкость в нижней емкости испаряется под влиянием комнатного тепла, давление растет и вытесняет жидкость в трубочку. Верхняя часть игрушки перевешивает, она наклоняется, и пар уходит в голову птички. Давление выравнивается, жидкость стекает в нижнюю емкость. Теперь уже она перевешивает и возвращает птичку в первоначальное положение. Через некоторое время процесс повторяется.

 На первый взгляд  здесь нарушается второе начало  термодинамики: перепад температур  отсутствует, птичка лишь отбирает  тепло из воздуха, т.е. работает  за счет «монотермического источника». Но это только на первый  взгляд. Птичка не зря окунает  голову в стаканчик: вода из  мокрой ваты интенсивно испаряется, охлаждая верхний шарик. Возникает  разность температур верхнего  и нижнего сосудов, за счет которого «живет» птичка. Если испарения прекратиться (высохнет вата или влажность воздуха достигнет точки росы), птичка в полном  согласии со вторым началом термодинамики, двигаться перестанет.

Реферат

Вечные двигатели

1. Механические вечные  двигатели

На предыдущих страницах  сайта мы подробно рассмотрели самые  ранние образцы вечных двигателей Бхаскары, Вийяра, Леонардо да Винчи и других изобретателей. Во всех этих машинах  движущей силой являлась сила земного  тяготения, а принцип их действия основывался на известной теореме  моментов, справедливость которой для  случая рычага была доказана еще Архимедом.

Приведем еще несколько  примеров. Так, 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, он показан на рисунке 14; 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». Схема этого вечного двигателя изображена на рисунке 15. Постоянное движение гномона сн* 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, подобный тому, что представлен на схеме 16. 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 мы уже сталкивались в вечных двигателях Марграфа и Гролье. Несколько иной внешний вид имеет перпетуум мобиле Вильгельма Шреттера, изображенный на рисунке 17. Источником движущей силы здесь является, с одной стороны, совокупность шаров, обращающихся в системе колес K, расположенных в камерах A и B, а с другой -- система трех рычагов X, Y, Z с грузами на концах. Оба этих механизма связаны зубчатой передачей, размещенной в левой части корпуса -- в камере C.

Каспар Шотт в своем  сочинении «Достопримечательности техники» 1664 г. Помимо вполне традиционных проектов вечных двигателей описывает  построенный Иоганном Иоахимом Бехером так называемый физико-механический вечный двигатель, специально для которого курфюрст Майнца Ханс Филипп Шенборн в 1660 году приказал возвести отдельную каменную башню. У этого перпетуум мобиле, схема 18которого воспроизведена по чертежу того времени, циклическое движение шаров не являлось основой для отсчета точных временных промежутков, -- просто сами эти шары служили в качестве грузов, обеспечивавших постоянно действующую силу, необходимую для приведения в ход отдельного хронометрического устройства. В зависимости от передаточного отношения системы зубчатых колес ABC такие часы могли идти целые недели или даже месяцы, поскольку колесо D под действием веса каждого шара поворачивалось всего лишь на 1/8 полного оборота. После этого данный шар попадал во вращающийся барабан E, одновременно из верхней части барабана выпускался другой шар, который катился по направляющему желобу, вновь приводя в действие часовой механизм. Весь этот процесс скатывания и возвращения шаров в исходное положение управлялся сложной системой зубчатых колес и рычагов, которые приводились в движение силой падающей с башни воды. Сам Шотт в комментариях по поводу работы машины Бехера высказывал сомнение, что подобное устройство могло бы работать как перпетуум мобиле, утверждая, что в земных условиях вообще невозможно обеспечить вечное движение. То же самое писал о своих опытах и сам Бехер:

«Десять лет я занимался  этим безумием, потеряв кучу времени, денег и погубив свое доброе имя  и славную репутацию -- все это лишь для того, чтобы сегодня с полной убежденностью сказать вечное движение (motus perpetuus) -- неосуществимо»

С механизмами, аналогичными схеме непрерывного движения шаров  по замкнутому пути, мы встречаемся  в целом ряде хронометрических устройств. Одну из таких попыток, хотя и относящуюся  к сравнительно недавнему времени, иллюстрирует рисунок 19. Правда, из-за своей сложности и неуклюжести  подобные механизмы производят в  целом весьма необычное впечатление, и поэтому не удивительно, что  между изобретателями перпетуум мобиле такого типа всегда возникала масса споров о приоритете и об оригинальности самой конструкции.

В 60-х годах XVIII века интересный вариант вечного двигателя с неуравновешенными шарами предложил некий Ульрих из Гранаха. Из рисунка 20 видно, что для подачи шаров к верхней части ведомого колеса автор использовал архимедов винт, т.е. элемент, с которым мы встречались еще у Леонардо да Винчи.

Вечные двигатели с  неуравновешенными шарами имели  много разновидностей В большинстве случаев принцип их действия оказывался по существу одинаковым, а доставка шаров обратно в исходную точку их траектории осуществлялась различными способами. Так, в перпетуум мобиле, изображенном на рисунке 21, шары поднимаются наверх с помощью бесконечной ленты с черпаками. А согласно схемы 22, где представлена схема вечного двигателя Джорджа Ливтона из Мидлсекса, шары, увенчивающие крутящий момент всей системы, переносятся наверх на концах гибких шарнирно-сочлененных рычагов. При этом перемещение шаров в верхнее положение, как видно из рисунка, осуществляется с помощью самих рычагов.

О том, сколько внимания уделялось  изобретателями печным двигателям с  неуравновешенными шарами, свидетельствуют  рисунки, взятые из иллюстрированного  дополнения к рукописи Ханса Хольтцхамера (1602 г), хранящейся в Государственной  технической библиотеке (рисунки 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31). Авторы большинства  механических перпетуум мобиле, приводившихся в действие силой тяжести, либо обращали мало внимания, либо вообще пренебрегали влиянием пассивных сил, которые были главной причиной неудач их экспериментов. В определенном смысле исключением является схема вечного двигателя, представленная на чертеже 32. Пытаясь устранить нежелательные силы сопротивления, создатель проекта предложил, чтобы из камеры, в которой шар двигался без трения по «идеально» гладкой поверхности, полностью откачивался воздух. Другим важным условием успешной работы этого устройства являлась, по мнению автора, «абсолютная» упругость шара.