Современная классификация вечных двигателей

И первое, и второе начала термодинамики были введены как постулаты после многократного экспериментального подтверждения невозможности создания вечных двигателей. Из этих начал выросли многие физические теории, проверенные множеством экспериментов и наблюдений, и у учёных не остаётся никаких сомнений в том, что данные постулаты верны, и создание вечного двигателя невозможно. В частности, второе начало термодинамики может быть сформулировано как один из следующих (эквивалентных) постулатов:

1. Постулат Кельвина - невозможно создать периодически действующую машину, совершающую механическую работу только за счёт охлаждения теплового резервуара.
2. Постулат Клаузиуса - самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к более горячим невозможен.

История

Попытки исследования места, времени и причины возникновения идеи вечного двигателя - задача весьма сложная. Не менее затруднительно назвать и первого автора подобного замысла. К самым ранним сведениям о Perpetuum mobile относится, по-видимому, упоминание, которое мы находим у индийского поэта, математика и астронома Бхаскары , а также отдельные заметки в арабских рукописях XVI в., хранящихся в Лейдене, Готе и Оксфорде . В настоящее время прародиной первых вечных двигателей по праву считается Индия. Так, Бхаскара в своём стихотворении, датируемом примерно 1150 г., описывает некое колесо с прикреплёнными наискось по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Принцип действия этого первого механического перпетуум мобиле был основан на различии моментов сил тяжести, создаваемых жидкостью, перемещавшейся в сосудах, помещённых на окружности колеса. Бхаскара обосновывает вращение колеса весьма просто: «Наполненное таким образом жидкостью колесо, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе» . Первые проекты вечного двигателя в Европе относятся к эпохе развития механики , приблизительно к XIII веку. К XVI-XVII векам идея вечного двигателя получила особенно широкое распространение. В это время быстро росло количество проектов вечных двигателей, подаваемых на рассмотрение в патентные ведомства европейских стран.

Неудачные конструкции вечных двигателей из истории

На рис. 1 показана одна из древнейших конструкций вечного двигателя. Она представляет зубчатое колесо , в углублениях которого прикреплены откидывающиеся на шарнирах грузы. Геометрия зубьев такова, что грузы в левой части колеса всегда оказываются ближе к оси, чем в правой. По замыслу автора, это, в согласии с законом рычага , должно было бы приводить колесо в постоянное вращение. При вращении грузы откидывались бы справа и сохраняли движущее усилие.

Однако, если такое колесо изготовить, оно останется неподвижным. Причина этого факта заключается в том, что хотя справа грузы имеют более длинный рычаг, слева их больше по количеству. В результате моменты сил справа и слева оказываются равны.

На рис. 2 показано устройство ещё одного двигателя. Автор решил использовать для выработки энергии закон Архимеда . Закон состоит в том, что тела, плотность которых меньше плотности воды, стремятся всплыть на поверхность. Поэтому автор расположил на цепи полые баки и правую половину поместил под воду. Он полагал, что вода будет их выталкивать на поверхность, а цепь с колёсами, таким образом, бесконечно вращаться.

Здесь не учтено следующее: выталкивающая сила - это разница между давлениями воды, действующими на нижнюю и верхнюю части погруженного в воду предмета. В конструкции, приведённой на рисунке, эта разница будет стремиться вытолкнуть те баки, которые находятся под водой в правой части рисунка. Но на самый нижний бак, который затыкает собой отверстие, будет действовать лишь сила давления на его правую поверхность. И она будет уравновешивать или превосходить силу, действующую на остальные баки.

Пример псевдовечного двигателя 2-го рода

Анализ конкретной конструкции вечного двигателя 2-го рода может представлять собой нетривиальную задачу, особенно если речь идёт о конструкции сложной или такой, принцип действия которой на первый взгляд вообще непонятен, либо потоки энергии и их источник неочевидны. Зафиксируем, например, один конец работающей на изгиб биметаллической пластины , а ко второму концу подвесим груз и поместим получившуюся конструкцию на открытый воздух . За счёт колебаний температуры пластина будет изгибаться/распрямляться, а груз подниматься и опускаться, то есть устройство будет совершать работу. Заменив груз на храповой механизм , получим механический привод, способный выполнять полезную работу за счёт извлечения энергии из единственного теплового резервуара - окружающей среды . Но поскольку окружающая среда попеременно выступает в качестве то нагревателя, то охладителя, противоречие со вторым законом термодинамики отсутствует. Таким образом, рассмотренная конструкция представляет собой не вечный, а псевдовечный двигатель 2-го рода .

Патенты и авторские свидетельства на вечный двигатель

В 1775 году Парижская академия наук приняла решение не рассматривать проекты вечного двигателя из-за очевидной невозможности их создания . Патентное ведомство США не выдаёт патенты на perpetuum mobile уже более ста лет . Тем не менее, в Международной патентной классификации сохраняются разделы для гидродинамических (раздел F03B 17/04) и электродинамических (раздел H02K 53/00) вечных двигателей.

Известные «изобретатели» вечных двигателей

См. также

Примечания

Литература

• Александров Н. Е., Богданов А. И., Костин К. И. и др. Основы теории тепловых процессов и машин. Часть II / Под ред. Н. И. Прокопенко. - 4-е изд. (электронное). - М. : Бином. Лаборатория знаний, 2012. - 572 с. - ISBN 978-5-9963-0834-7 .
• Бродянский В. М. Вечный двигатель - прежде и теперь. От утопии - к науке, от науки - к утопии . - М. : Энергоатомиздат , 1989. - 256 с. - (Научно-популярная библиотека школьника). - ISBN 5-283-00058-3 .
• Вознесенский Н. Н. О машинах вечного движения . М., 1926.
• Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель . М., 1922.
• Кирпичёв В. Л. Беседы по механике . М.: ГИТЛ, 1951.

Большое внимание, которое уделяли изобретатели вечных двигателей попыткам использовать для них гидравлику, конечно, не случайно.

Хорошо известно, что гидравлические двигатели были широко распространены в средневековой Европе. Водяное колесо служило, по существу, основной базой энергетики средневекового производства вплоть до XVIII века.

В Англии, например, по земельной описи было 5000 водяных мельниц. Но водяное колесо применялось не только в мельницах; постепенно его стали использовать и для привода молота в кузницах, ворота, дробилки, воздуходувных мехов, станков, лесопильных рам и так далее. Однако «водяная энергетика» была привязана к определенным местам рек. Между тем техника требовала двигатель, который мог бы работать везде, где он нужен. Совершенно естественной поэтому была мысль о водяном двигателе не зависимом от реки, действительно половина дела -- использовать напор воды -- была ясна. Тут накопился достаточный опыт. Оставалась другая половина -- создать такой напор искусственно.

Способы непрерывно подавать воду снизу вверх были известны еще с античных времен. Самым совершенным из нужных для этого устройств был архимедов винт. Если соединить такой насос с водяным колесом, цикл замкнется. Надо только для начала залить водой бассейн наверху. Вода, стекая из него, будет крутить колесо, а насос, приводимый от него, снова подаст воду вверх. Таким образом, получается гидравлический двигатель, работающий, так сказать, «на самообслуживании». Никакой реки ему не нужно; он сам создаст необходимый напор и одновременно приведет в движение мельницу или станок.

Для инженера того времени, когда понятия об энергии и законе ее сохранения еще не было, в такой идее не было ничего странного. Множество изобретателей работало, пытаясь воплотить ее в жизнь. Только некоторые умы понимали, что это невозможно; одним из первых среди них был универсальный гений -- Леонардо да Винчи. В его тетрадях был найден эскиз гидравлического вечного двигателя. Машина состоит йз двух, связанных между собой устройств А и В, между которыми установлена чаша, заполняемая водой. Устройство А представляет собой архимедов винт, подающий воду из нижнего резервуара в чашу. Устройство В вращается, приводимое в движение водой, сливающейся из чаши, и крутит насос А -- архимедов винт; отработавшая вода сливается снова в резервуар.

Леонардо вместо известного в то время водяного насоса употребил водяную турбину, сделав мимоходом одно из своих изобретений. Эта турбина В -- обращенный насос -- архимедов винт. Леонардо понял, что если лить на него воду, то он будет вращаться сам, превратившись из водяного насоса в турбину.

В отличие от современных ему и будущих изобретателей гидравлических вечных двигателей такого типа (водяной двигатель + водяной насос) Леонардо знал, что он работать не сможет. Воду, в которой нет разности уровней, он назвал очень образно и точно «мертвой водой» (aqua morta). Он понимал, что падающая вода может в идеальном случае поднять то же воды на прежний уровень и только; никакой дополнительной работы она произвести не может. Для реальных условий проведенные им же исследования трения дали основание считать, что и этого не будет, так как «от усилия машины надо отнять то, что теряется от трения в опорах». И Леонардо выносит окончательный приговор: «невозможно привести мельницы в движение посредством мертвой воды».

Эта идея о невозможности получения мертвой воды «из ничего» была развита потом Р. Декартом и другими мыслителями; в конечном итоге она привела к установлению всеобщего закона сохранения энергии. Но все это произошло намного позже. Пока же изобретатели гидравлических perpetuum mobile разрабатывали все новые их варианты, объясняя каждый раз свои неудачи теми или иными частными недоработками.

Одно из ухищрений, призванных обойти трудности конструирования гидравлического вечного двигателя, состояло в том, чтобы заставить воду подниматься (или сливаться) в меньшем перепаде высот. Для этого предусматривалась каскадная система из нескольких последовательно соединенных насосов и рабочих колес. Такая машина описана в книге уже известного нам Д. Уилкинса. Подъем воды осуществляется винтовым насосом, состоящим из наклонной трубы, в которой вращается ротор. Он приводится в движение тремя рабочими колесами, вода на которые подается из трех расположенных каскадом сосудов. В оценке этого двигателя Уилкинс, как и в описанных ранее случаях, оказался на высоте. Он не только отверг этот двигатель из общих соображений, но даже подсчитал, что для вращения спирали нужно «втрое больше воды для вращения, чем то количество, которое она подает наверх».

Отметим, что Уилкинс, как и многие его современники, начал заниматься механикой и гидравликой с попыток изобрести вечный двигатель. Еще один пример стимулирующего действия perpetuum mobile -1 на науку того времени.

Уилкинс также дал первую классификацию способов построения вечных двигателей:

• 1). С помощью химической экстракции (эти проекты до нас не дошли);
• 2). С помощью свойств магнита;
• 3). С помощью сил тяжести

Гидравлические вечные двигатели он относил к третьей группе.

В итоге Уилкинс написал четко и однозначно: «Я пришел к выводу, что это устройство не способно работать». Этот любитель науки дал в XVII веке достойный пример того, как надо преодолевать заблуждения и находить истину.

Среди других гидравлических вечных двигателей следует отметить машину польского иезуита Станислава Сольского, который для приведения в движение рабочего колеса использовал ведро с водой. В верхней точке насос наполнял ведро, оно опускалось, вращая колесо, в нижней точке опрокидывалось и пустое поднималось вверх; затем процесс повторялся. Королю Казимиру эта машина, когда Станислав Сольский ее демонстрировал в Варшаве (1661 г.), очень понравилась. Однако даже светские успехи титулованных изобретателей не могли скрыть того факта, что гидравлические вечные двигатели системы «насос -- водяное колесо» на практике не работали. Нужны были новые идеи, используя которые, можно было бы поднять воду с нижнего уровня на верхний без затраты работы, не применяя механический насос. И такие идеи появились -- как на основе использованных уже известных явлений, так и в связи с новыми физическими открытиями.

Первая из идей, о которой нужно вспомнить, -- использование сифона. Это устройство, известное еще с античных времен (оно упоминается у Герона Александрийского), использовалось для переливания жидкости из сосуда, расположенного выше, в другой, расположенный ниже. Принцип работы его такой: два сосуда, находящихся на разных уровнях, соединяют трубкой, состоящей из двух колен, одно из которых (верхнее) меньше другого (нижнего). Преимущество такого простого устройства, используемого и до сих пор, заключается в том, что можно отбирать жидкость из верхнего сосуда сверху, не делая отверстия в его дне или стенке. Единственное условие работы сифона -- полное предварительное заполнение трубки жидкостью. Поскольку между верхним и нижним сосудом существует разность уровней, жидкость будет самотеком переливаться из верхнего сосуда в нижний.

Возникает вопрос -- как же можно использовать сифон для подъема воды, если его назначение обратное -- слив воды? Однако именно такая парадоксальная идея была выдвинута около 1600 г. и описана в книге «Новый театр машин и сооружений» (1607 г.) городским архитектором города Падуи (Италия) Витторио Зонка. Она заключалась в том, чтобы сделать короткое верхнее колено сифона толще -- больше по диаметру (D >> d). В этом случае, считал Зонка, вода в левом, толстом колене несмотря на его меньшую высоту перевесит воду в тонком колене и сифон потянет ее в противоположном направлении -- из нижнего сосуда в верхний. Он писал: «Сила, которая проявляется в толстом колене, будет тянуть то, что входит через более узкое колено». На этом принципе и должен был работать вечный двигатель Зонки. Сифон забирал воду из нижнего водоема в узкую трубу; вода из широкой трубы сливалась в сосуд, расположенный выше водоема, откуда она подавалась на водяное колесо и сливалась снова в водоем. Колесо через вал вращало мельничий жернов.

Эта оригинальная машина, естественно, работать не могла, так как по законам гидравлики направление движения жидкости в сифоне зависит только от высот столбов жидкости и не зависит от их диаметра. Однако во времена Зонки об этом четкого представления у практиков не было, хотя уже в работах Стевина по гидравлике вопрос о давлении в жидкости был решен. Он показал (1586 г.) «гидростатический парадокс» -- давление жидкости зависит только от высоты ее столба, а не от ее количества. Широко известным это положение стало позже, когда аналогичные опыты были вновь и более широко поставлены Блезом Паскалем (1623-1662 гг.), но и они не были поняты многими инженерами и учеными, по-прежнему считавшими, что чем шире сосуд, тем больше давление содержащейся в нем жидкости. Жертвами подобных заблуждений были иногда даже люди, работавшие на самом переднем крае современной им науки и техники. Примером может служить Дени Папин (1647-1714 гг.) -- изобретатель не только «папинова котла» и предохранительного клапана, но и центробежного насоса, а главное первых перовых машин с цилиндром и поршнем. Папин даже установил зависимость давления пара о температуры и показал, как получать на основе ее вакуум, и повышенное давление. Он был учеником Гюйгенса, переписывался с Лейбницем и другими крупными учеными своего времени, состоял членом английского Королевского общества и Академии наук в Неаполе. И вот такой человек, который по праву считается крупным физиком и одним из основоположником современной теплоэнергетики, работает над вечным двигателем! Более того, он предлагает такой perpetuum mobile , ошибочность принципа которого была совершенно очевидна и современной ему науке. Он публикует этот проект в журнале «Философские труды» (Лондон, 1685 г.).

Идея вечного двигателя Папина очень проста -- это по существу перевернутая «вверх ногами» труба Зонки. Из широкого сосуда выходит тонкая трубка, конец которой расположен сверху над сосудом. Папин полагал, что, поскольку в широком сосуде вес воды больше, его сила должна превосходить силу веса узкого столба в тонкой трубке, вода будет постоянно сливаться из конца тонкой трубки в широкий сосуд. Остается только подставить под струю водяное колесо и вечный двигатель готов!

Очевидно, что на самом деле так не получится; поверхность жидкости в тонкой трубке установится на том же уровне, что и в сосуде, как в любых сообщающихся сосудах.

Судьба этой идеи Папина была той же, что и других вариантов гидравлических вечных двигателей. Автор к ней больше не возвращался, занявшись более полезным делом -- паровой машиной.

В дальнейшем было предложено еще много гидравлических вечных двигателей и с другими способами подъема воды, в частности капиллярных и фитильных. В них предлагалось жидкость поднимать из нижнего сосуда в верхний по смачиваемому капилляру. Действительно, поднять жидкость на определенную высоту таким путем можно, но те же силы поверхностного натяжения, которые обусловили подъем, не дадут жидкости стекать с капилляра в верхний сосуд.

Возможно ли создание вечного двигателя? Какая сила будет при этом работать? Возможно ли вообще создание источника энергии, который бы не использовал обычные энергоносители? Эти вопросы были актуальны во все времена.

Что такое вечный двигатель?

Прежде чем мы перейдем к обсуждению вопроса о том, как сделать вечный двигатель своими руками, надо сначала определить, что означает этот термин. Итак, что такое вечный двигатель, и почему никому до сих пор это чудо техники сделать не удалось?

На протяжении тысяч лет человек пытался изобрести вечный двигатель. Это должен быть механизм, который использовал бы энергию, не задействуя обычные энергоносители. При этом они должны вырабатывать энергии больше, чем потреблять. Иными словами, это должны быть такие энергетические устройства, у которых КПД больше 100%.

Виды вечных двигателей

Все вечные двигатели условно делятся на две группы: физические и естественные. Первые - это механические устройства, вторые - приборы, которые проектируются на основе небесной механики.

Требования к вечным двигателям

Так как такие устройства должны работать постоянно, то и требования к ним должны предъявляться особые:

• полное сохранение движения;
• идеальная прочность деталей;
• обладание исключительной износостойкостью.

Вечный двигатель с научной точки зрения

Что говорит по этому поводу наука? Она не отрицает возможность создания такого двигателя, который будет работать на принципе использования энергии совокупного гравитационного поля. Она же - энергия вакуума или эфира. В чем должен заключаться принцип работы такого двигателя? В том, что это должна быть машина, в которой непрерывно действует сила, вызывающая движение без участия внешнего влияния.

Гравитационный вечный двигатель

Вся наша Вселенная равномерно заполнена звездными скоплениями, именуемыми галактиками. Они находятся при этом во взаимном силовом равновесии, которое стремится к покою. Если понизить плотность какого-нибудь участка звездного пространства, уменьшив количество вещества, которое в ней содержится, то вся Вселенная обязательно придет в движение, стараясь выровнять среднюю плотность до уровня остальной. В разреженную полость устремятся массы, выравнивая плотность системы.

При увеличении количества вещества будет иметь место разлет масс из рассматриваемой области. Но когда-нибудь общая плотность все равно будет одинакова. И не суть важно, понизится плотность данной области или повысится, важно, что тела придут в движение, сравняв среднюю плотность до уровня плотности остальной Вселенной.

Если же на микродолю замедлится динамика разлета наблюдаемой части Вселенной, а энергию от этого процесса использовать, мы и получим нужный эффект бесплатного вечного источника энергии. А двигатель, запитанный от него, станет вечным, так как нельзя будет зафиксировать потребления самой энергии, пользуясь физическими концепциями. Внутрисистемный наблюдатель не сможет уловить логическую связь между разлетами части Вселенной и потреблением энергии конкретным двигателем.

Очевидней будет картина для наблюдателя извне: наличие источника энергии, измененная динамикой область и само потребление энергии конкретным устройством. Но это все иллюзорно и нематериально. Попробуем построить вечный двигатель своими руками.

Магнитно-гравитационный вечный двигатель

Магнитный вечный двигатель своими руками можно сделать на основании современного постоянного магнита. Принцип работы заключается в попеременном перемещении вокруг основного статорного магнита вспомогательных, а также грузов. При этом магниты взаимодействуют силовыми полями, а грузы то приближаются к оси вращения мотора в зоне действия одного полюса, то отталкиваются в зоне действия другого полюса от центра вращения.

Двигатели второго рода - машины, уменьшающие тепловую энергию резервуара и полностью превращающие ее в работу без изменений в окружающей среде. Их применение нарушило бы второе начало термодинамики.

Хотя за прошедшие века были изобретены тысячи всевозможных вариантов рассматриваемого прибора, остается вопрос о том, как сделать вечный двигатель. И все же надо понимать, что такой механизм должен полностью находится в изоляции от внешней энергии. И еще. Всякая вечная работа любой конструкции осуществляется при направлении этой работы в одну сторону.

Это позволяет избежать затрат на возвращение в исходное положение. И последнее. Ничего вечного на этом свете не бывает. И все эти так называемые вечные двигатели, работающие и на энергии земного притяжения, и на энергиях воды и воздуха, и на энергии постоянных магнитов, не будут функционировать постоянно. Всему приходит конец.

Среди множества проектов «вечного двигателя» было немало и таких, которые основаны на всплывании тел в воде. Высокая башня в 20 м высоты наполнена водой. Наверху и внизу башни установлены шкивы, через которые перекинут прочный канат в виде бесконечного ремня. К канату прикреплено 14 полых кубических ящиков в метр высоты, склепанных из железных листов так, что внутрь ящиков вода проникнуть не может. Наши рисдва рисунка изображают внешний вид такой башни и ее продольный разрез.

Уcтpoйствo башни предыдущего рисунка.

Как же действует эта установка? Каждый, знакомый с законом Архимеда, сообразит, что ящики, находясь в воде, будут стремиться всплыть вверх. Их увлекает вверх сила, равная весу воды, вытесняемой ящиками, т. е. весу одного кубического метра воды, повторенному столько раз, сколько ящиков погружено в воду. Из рисунков видно, что в воде оказывается всегда шесть ящиков. Значит, сила, увлекающая погруженные ящики вверх, равна весу 6 м 3 воды, т. е. 6 тоннам. Вниз же их тянет собственный вес ящиков, который, однако, уравновешивается грузом из шести ящиков, свободно свисающих на наружной стороне каната.

Итак, канат, перекинутый указанным образом, будет всегда подвержен тяге в 6 тонн, приложенной к одной его стороне и направленной вверх. Ясно, что сила эта заставит канат безостановочно вращаться, скользя по шкивам, и при каждом обороте совершать работу в 6000 * 20 = 120 000 кгм.

Теперь понятно, что если усеять страну такими башнями, то мы сможем получать от них безграничное количество работы, достаточное для покрытия всех нужд народного хозяйства. Башни будут вращать якоря динамомашин и давать электрическую энергию в любом количестве.

Однако если разобраться внимательно в этом проекте, то легко убедиться, что ожидаемого движения каната происходить вовсе не должно.

Чтобы бесконечный канат вращался, ящики должны входить в водяной бассейн башни снизу и покидать его сверху. Но ведь, вступая в бассейн, ящик должен преодолеть давление столба воды в 20 м высотой! Это давление на квадратный метр площади ящика равно ни много, ни мало двадцати тоннам (весу 20 м 3 воды). Тяга же вверх составляет всего только 6 тонн, т. е. явно недостаточна, чтобы втащить ящик в бассейн.

Среди многочисленных образчиков водяных «вечных» двигателей, сотни которых придуманы были изобретателями-неудачниками, можно найти очень простые и остроумные варианты.

Взгляните на рисунок. Часть деревянного барабана, укрепленного на оси, все время погружена в воду. Если справедлив закон Архимеда, то погруженная в воду часть должна всплывать и, коль скоро выталкивающая сила больше силы трения на оси барабана, вращение никогда не прекратится…

Не спешите с постройкой этого «вечного» двигателя! Вас непременно постигнет неудача: барабан не сдвинется с места. В чем же дело, в чем ошибка наших рассуждений? Оказывается, мы не учли направления действующих сил. А направлены они будут всегда по перпендикуляру к поверхности барабана, т. е. по радиусу к оси. Из повседневного опыта каждый знает, что невозможно заставить колесо вращаться, прикладывая усилия вдоль радиуса колеса. Чтобы вызвать вращение, надо приложить усилие перпендикулярно к радиусу, т. е. по касательной к окружности колеса. Теперь уже нетрудно понять, почему и в этом случае закончится неудачей попытка осуществить «вечное» движение.