Возможно ли создание вечного двигателя?

МОУ Гимназия № 7

Исследовательская работа по физике Возможно ли создание вечного двигателя?

Выполнила: ученица 10 класса «А»

Жук Дарья Руководитель: Добродумова Надежда Петровна учитель по физике

2008 год

Актуальность

Сейчас жизнь человека наполнена различной техникой, облегчающей нашу жизнь. С помощью машин человек обрабатывает землю, добывает нефть, руду, прочие полезные ископаемые, передвигается и т. д. Основным свойством машин является их способность совершать работу. Вечный двигатель — это такой воображаемый механизм, который безостановочно движет сам себя и, кроме того, совершает ещё какую-нибудь полезную работу (например, поднимает груз). Именно поэтому на протяжении многих веков человечество пытается создать вечный двигатель. Но, к сожалению, из-за большого числа заявок изобретателей на выдачу патентов на придуманные ими неработающие вечные двигатели, ряд национальных патентных ведомств и академий наук зарубежных стран, приняли решение вообще не принимать к рассмотрению заявки на изобретения абсолютного двигателя, поскольку это противоречит закону сохранения энергии.

Цель

Изучить возможность создания вечного двигателя, на примерах неработающих моделей вечного двигателя.

Задачи

1)Изучить литературу по выбранной теме

2)Изучить самые известные модели вечного двигателя, выяснить причины их недолговечности

3)Сделать вывод, опираясь на отобранный материал.

Вступление, или значение создания вечного двигателя Что такое вечный двигатель?

Виды моделей вечного двигателя, приемы и их комбинации, на основе которых конструируют вечные двигатели

17 самых известных моделей вечного двигателя и почему эти двигатели не работают Законы природы, исключающих возможность создания перпетуум-мобиле Попытки создания вечного двигателя нередко приводят к плодотворным открытиям Вечный двигатель существование, которого ученые не отрицают Вывод, или моё отношение к поднятой цели Список используемой литературы

Вступление, или значение создания вечного двигателя

Современная жизнь человека невозможна без использования самых разнообразных машин, облегчающих его жизнь. С помощью машин человек обрабатывает землю, добывает нефть, руду, прочие полезные ископаемые, передвигается и т. д. Основным свойством машин является их способность совершать работу.

Вот как писал о значении для человечества вечного двигателя замечательный французский инженер, Сади Карно: «Общее и философское понятие „perpetuum mobile“ содержит в себе не только представление о движении, которое после первого толчка продолжается вечно, но действие прибора или какого-нибудь собрания таковых, способного развивать в неограниченном количестве движущую силу, способного выводить последовательно из покоя все тела природы, если бы они в нём находились, нарушать в них принцип инерции, способного, наконец, черпать из самого себя необходимые силы, чтобы привести в движение всю Вселенную, поддерживать и беспрерывно ускорять её движение. Таково было бы действительно создание движущей силы. Если бы это было возможно, то стало бы бесполезным искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале, мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы бесконечно черпать» .

В XII—XIII вв.еке начались крестовые походы, и европейское общество пришло в движение. Стало быстрее развиваться ремесло и совершенствоваться машины, приводящие в движение механизмы. В основном это были водяные колеса и колеса, приводимые в движение животными (лошадьми, мулами, быками, ходившими по кругу). Вот и возникла идея придумать эффективную машину, приводимую в движение более дешевой энергией. Если энергия берется из ничего, то она ничего не стоит и это крайний частный случай дешевизны — даром.

Еще популярнее идея вечного двигателя стала в XVI—XVII вв.еках, в эпоху перехода к машинному производству. Число известных проектов вечного двигателя перевалило за тысячу. Создать вечный двигатель мечтали не только малообразованные ремесленники, но и некоторые крупные ученые своего времени, так как тогда не существовало принципиального научного запрета на создание такого устройства.

Уже в XV—XVII вв.еке прозорливые естествоиспытатели, такие как Леонардо да Винчи, Джироламо Кардано, Симон Стевин, Галилео Галилей сформулировали принцип: «Создать вечный двигатель невозможно». Симон Стевин был первым, кто на основе этого принципа вывел закон равновесия сил на наклонной плоскости, что привело его, в конце концов, к открытию закона сложения сил по правилу треугольника (сложение векторов).

К середине XVIII века, после многовековых попыток создать вечный двигатель, большинство ученых стали считать, что сделать это невозможно. Это был просто экспериментальный факт.

С 1775 года Французская академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя, хотя и в это время у французских академиков не было твердых научных оснований принципиально отрицать возможность черпать энергию из ничего.

Невозможность получения дополнительной работы из ничего была твердо обоснована лишь с созданием и утверждением как всеобщего и одного из самых фундаментальных законов природы «закона сохранения энергии».

Сначала Готфрид Лейбниц в 1686 году сформулировал закон сохранения механической энергии. А закон сохранения энергии как всеобщий закон природы сформулировали независимо Юлиус Майер (1845), Джеймс Джоуль (1843−50) и Герман Гельмгольц (1847).

Что такое вечный двигатель?

Вечный двигатель (лат. perpetuum mobile) — воображаемый, но неосуществимый двигатель, который после пуска его в ход совершает работу неограниченно долгое время. Каждая машина, действующая без притока энергии извне, по истечении некоторого промежутка времени полностью израсходует имевшийся в ней запас энергии на преодоление сил сопротивления и должна остановиться, так как продолжение работы означало бы получение энергии из ничего.

Многие изобретатели пытались построить машину — вечный двигатель, способную совершать полезную работу без каких-либо изменений внутри машины. Все эти попытки заканчивались неудачей. Перпетуум-мобиле — это магическая идея воспроизвести это вечное движение в искусственном сооружении и заставить его работать как джина, выпущенного из бутылки. Ничего удивительного, что идея вечного двигателя обладает магической притягательностью и в наши дни. Проекты вечного двигателя кажутся обычному человеку внутренне очевидными, особенно если он сам их придумал.

Виды моделей вечного двигателя, приемы и их комбинации, на основе которых конструируют вечные двигатели.

Вечный двигатель первого рода — воображаемая, непрерывно действующая машина, которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне. Вечный двигатель 1-го рода противоречит закону сохранения и превращения энергии и поэтому неосуществим.

Вечный двигатель второго рода воображаемая тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т. п.), в работу. Действие вечного двигателя 2-го рода не противоречит закону сохранения и превращения энергии, но нарушает второе начало термодинамики, и поэтому такой двигатель неосуществим. Можно подсчитать, что при охлаждении мирового океана только на один градус можно получить энергию, достаточную для обеспечения всех потребностей человечества при современном уровне её потребления на 14 000 лет.

Вечный двигатель «третьего рода». Научного термина «вечный двигатель третьего рода» не существует (это шутка), но существуют до сих пор изобретатели, которые хотят извлечь энергию из «ничего». Или почти из ничего. Теперь «ничего» получило название «физический вакуум», и они хотят извлекать неограниченное количество энергии из «физического вакуума». Их проекты по простоте и наивности не уступают проектам их предшественников, живших столетия назад. Новые вечные двигатели получили название «Вакуумно-энергетические установки»; изобретатели сообщают фантастические КПД подобных двигателей — 400%, 3000%! Их пытаются создать сейчас, к сожалению, в уважаемых конструкторских бюро, что говорит о недостаточной подготовке современных инженеров в области физики. Обсуждение того, почему так происходит, выходит за рамки нашего плаката. Но эти инженеры хотя бы добросовестно заблуждаются. К сожалению, существует другая категория создателей вечных двигателей. Это — мистификаторы, хитрецы и жулики. Приведем только два примера:

1. Леонардо да Винчи был не только великим художником, но и инженером, устроителем праздников, увеселительных аттракционов. Он тоже несколько лет упорно пытался создать вечный двигатель и пришел к выводу, что это невозможно. Вот его слова, очень важные для понимания проблемы вечного двигателя, сказанные в конце XV века: «Поиск конструкции вечного колеса — источника вечного движения — можно назвать одним из наиболее бессмысленных заблуждений человека. В течение веков все, кто имел дело с гидравликой, военными машинами и прочим, тратили много времени и денег на поиски вечного двигателя. Но со всеми ними случалось то же, что с искателями золота (алхимиками): всегда находилась какая-нибудь мелочь, которая мешала успеху. Моя небольшая работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив обещания». Несмотря на такое ясное понимание невозможности создать вечный двигатель, в записных книжках Леонардо есть строки, которые говорят, что он был готов представить публике якобы «работающую модель» вечного двигателя. В комментарии к рисунку мнимого вечного двигателя Леонардо написал: «Сделай модель под большим секретом и широко объяви о ее демонстрации». Этот вечный двигатель был основан на законе Архимеда и, зная, что двигатель работать не будет, Леонардо намеревался организовать незаметный поток «живой воды» (то есть приводить в движение двигатель незаметно организованным внешним потоком воды). Историки строят догадки, почему Леонардо да Винчи прибегал к мистификации, но факт остается фактом. Даже крупными естествоиспытателями часто движут не научные мотивы. Что же говорить об обычных инженерах, которые, беззаветно веря своей догадке, втягиваются в опасную игру с сильными мира сего, пытаясь получить от них средства на разработку своих, в данном случае нереальных, устройств. Часто они должны «спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив обещания».

2. Вот история с Петром Первым, который чуть не купил за огромные деньги якобы вечный двигатель. Петр I был выдающимся организатором промышленного производства и кораблестроения. Он вникал в технические детали большинства проектов и, естественно, его тоже волновала проблема вечного двигателя. В 1715−22 годах Петр потратил много усилий, чтобы купить вечный двигатель доктора Орфиреуса. «Самодвижущимся колесо» Орфиреуса было, вероятно, самой успешной мистификацией вечного двигателя. Изобретатель соглашался продать свою машину лишь за 100 тысяч ефимков (талеров), что составляло тогда огромную сумму. В начале 1725 г. царь хотел лично осмотреть вечный двигатель в Германии, но вскоре Петр умер. Вот типичный путь успешного инженера, ставшего, хочется верить в силу обстоятельств, жуликом. Орфиреус родился в Германии в 1680 г., изучал богословие, медицину, живопись и, наконец, занялся изобретением «вечного» двигателя. До смерти в 1745 г. он жил на приличные доходы, которые получал, показывая свою машину сначала на ярмарках, а потом у могущественных покровителей, таких как польский король и ландграф Гессен-Кассельский. Ландграф Гессен-Кассельский устраивал серьезные испытания вечному двигателю Орфиреуса. Двигатель закрыли в комнате и запустили, а затем комнату заперли, опечатали и поставили охрану. Через две недели комнату вскрыли, а колесо все еще вращалось «с неослабевающей быстротой». Тогда ландграф устроил еще одно испытание. Машину запустили снова, и теперь в течение сорока дней в комнату никто не входил. После вскрытия комнаты машина продолжала работать. Изобретатель-жулик получил от ландграфа бумагу, где говорилось, что «вечный двигатель» делает 50 оборотов в минуту, способен поднять 16 кг на высоту 1,5 м, а также может приводить в действие кузнечный мех и точильный станок. Поэтому Петр Первый и заинтересовался чудесной машиной. Но не все верили Орфиреусу. Тому, кто уличит его в жульничестве, предлагалась очень крупная премия в 1000 марок. Но, как это часто бывает, Орфиреус стал жертвой домашней склоки. Он поссорился с женой и ее служанкой, которые знали тайну «вечного двигателя». Оказывается, «вечный двигатель» действительно приводился в движение людьми, незаметно дергавшими за тонкий шнурок. Этими людьми были брат изобретателя и его служанка. Орфиреус был действительно очень хорошим изобретателем и рискованным человеком, если смог прятать в закрытой комнате ландграфа Гессен-Кассельского этих людей несколько недель. Ведь они должны были, не только что-то есть, но и просто ходить в туалет. Характерно, что Орфиреус упорно утверждал, что жена и прислуга донесли на него по злобе: «весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно». Посланец Петра Первого библиотекарь и ученый Шумахер, который занимался подготовкой сделки с Орфиреусом, писал Петру, что французские и английские ученые «ни во что почитают все оные перепетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических». Это говорит о том, что уже за сто тридцать лет до формулировки закона сохранения энергии большинство ученых были убеждены, что вечный двигатель создать невозможно.

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

1). подъём воды с помощью архимедова винта;

2). подъём воды с помощью капилляров;

3). использование колеса с неуравновешивающимися грузами;

4). природные магниты;

5). электромагнетизм;

6). пар или сжатый воздух.

17 самых известных моделей вечного двигателя и почему эти двигатели не работают

Проект 1. Колесо с перекатывающимися шарами

Идея изобретателя: Колесо с перекатывающимися в нем тяжелыми шариками. При любом положении колеса грузы на правой его стороне будут находиться дальше от центра, чем грузы на левой половине. Поэтому правая половина должна всегда перетягивать левую и заставлять колесо вращаться. Значит, колесо должно вращаться вечно.

Почему двигатель не работает: Хотя грузы на правой стороне всегда дальше от центра, чем грузы на левой стороне, число этих грузов меньше ровно настолько, чтобы сумма сил тяжестей грузов, умноженных на проекцию радиусов, перпендикулярную к направлению силы тяжести, справа и слева были равны (FiLi = FjLj).

Проект 2. Цепочка шаров на треугольной призме

Идея изобретателя: Через трехгранную призму перекинута цепь из 14 одинаковых шаров. Слева четыре шара, справа — два. Остальные восемь шаров уравновешивают друг друга. Следовательно, цепь придет в вечное движение против часовой стрелки.

Почему двигатель не работает: Грузы приводит в движение только составляющая силы тяжести, параллельная наклонной поверхности. На более длинной поверхности больше грузов, но и угол наклона поверхности пропорционально меньше. Поэтому сила тяжести грузов справа, умноженная на синус угла, равна силе тяжести грузов слева, умноженной на синус другого угла.

Проект 3. «Птичка Хоттабыча»

Идея изобретателя: Тонкая стеклянная колбочка с горизонтальной осью посередине впаяна в небольшую емкость. Свободным концом колбочка почти касается ее дна. В нижнюю часть игрушки налито немного эфира, а верхняя, пустая, обклеена снаружи тонким слоем ваты. Перед игрушкой ставят стаканчик с водой и наклоняют ее, заставляя «попить». Птичка начинает два-три раза в минуту наклоняться и окунать головку в стаканчик. Раз за разом, непрерывно, днем и ночью кланяется птичка, пока в стаканчике не кончится вода.

Почему это не вечный двигатель: Голова и клюв птички покрыты ватой. Когда птичка «пьет воду», вата пропитывается водой. При испарении воды температура головы птички снижается. В нижнюю часть туловища птички налит эфир, над которым находятся пары эфира (воздух откачан). При охлаждении головы птички давление паров в верхней части снижается. Но давление в нижней части остается тем же. Избыточное давление паров эфира в нижней части поднимает жидкий эфир по трубочке вверх, голова птички тяжелеет и наклоняется к стакану.

Как только жидкий эфир дотечет до конца трубочки, пары теплого эфира из нижней части попадут в верхнюю, давление паров сравняется и жидкий эфир потечет вниз, а птичка снова поднимет клюв, при этом захватив воду из стакана. Испарение воды начинается снова, голова охлаждается и всё повторяется. Если бы вода не испарялась, то птичка бы и не двигалась. Для испарения из окружающего пространства потребляется энергия (сосредоточенная в воде и окружающем воздухе).

«Настоящий» вечный двигатель должен работать без затраты внешней энергии. Поэтому птичка Хоттабыча в действительности не является вечным двигателем.

Проект 4. Цепочка поплавков

Идея изобретателя: Высокая башня наполнена водой. Через шкивы, установленные вверху и внизу башни, перекинут канат с 14 полыми кубическими ящиками со стороной 1 метр. Ящики, находящиеся в воде, под действием силы Архимеда, направленной вверх, должны последовательно всплывать на поверхность жидкости, увлекая за собой всю цепь, а находящиеся слева ящики спускаются вниз под действием силы тяжести. Таким образом, ящики попадают попеременно из воздуха в жидкость и наоборот.

Почему двигатель не работает: Ящики, входящие в жидкость, встречают весьма сильное противодействие со стороны жидкости, причем работа на проталкивание их в жидкость не меньше работы, совершаемой силой Архимеда при всплывании ящиков на поверхность.

Проект 5. Архимедов винт и водяное колесо

Идея изобретателя: Архимедов винт, вращаясь, поднимает воду в верхний бак, откуда она вытекает из лотка струей, попадающей на лопатки водяного колеса. Водяное колесо вращает точильный камень и одновременно двигает, с помощью ряда зубчатых колес, тот самый Архимедов винт, который поднимает воду в верхний бак. Винт поворачивает колесо, а колесо — винт! Этот проект, изобретенный еще в 1575 году итальянским механиком Страдою Старшим, затем повторялся в многочисленных вариациях.

Почему двигатель не работает: Большая часть проектов вечных двигателей действительно могла бы работать, если бы не существование силы трения. Если это двигатель — должны быть и движущиеся части, значит, недостаточно двигателю вращать самого себя: нужно вырабатывать еще и избыточную энергию для преодоления силы трения, которую никак не уберешь.

Проект 6. Основанный на Броуновском движение молекул газа.

Идея изобретателя: Храповое колесо насажено на вал, и к нему пружиной прижимается маленькая защелка (собачка). На другом конце вала насажены четыре лопасти, которые находятся в сосуде с газом. Подразумевается, что устройство очень маленькое, молекулярного масштаба, из области нанотехнологии. Молекулы газа непрерывно и хаотически бомбардируют лопасти, заставляя вал дергаться то в одну, то в другую сторону. Но храповик может повернуться только в одну сторону, так как собачка не дает ему повернуться в другую сторону. Выходит, колесо будет постоянно вращаться из-за Броуновского движения молекул газа. Этот вечный двигатель не нарушает закон сохранения энергии. Он просто использует энергию теплового движения молекул.

Почему двигатель не работает: нарушает второй закон термодинамики.

Проект 7. Магнит и желоба

Идея изобретателя: Сильный магнит помещается на подставке. К ней прислонены два наклонных желоба, один под другим, причем верхний желоб имеет небольшое отверстие в своей верхней части, а нижний на конце изогнут. Если, рассуждал изобретатель, на верхний желоб положить небольшой железный шарик B, то вследствие притяжения магнитом A шарик покатится вверх; однако, дойдя до отверстия, он провалится в нижний желоб N, покатится по нему вниз, взбежит по закруглению D этого желоба и попадет на верхний желоб M; отсюда, притягиваемый магнитом, он снова покатится вверх, снова провалится через отверстие, вновь покатится вниз и опять очутится на верхнем желобе, чтобы снова начать движение сначала. Таким образом, шарик безостановочно будет бегать взад и вперед, осуществляя «вечное движение». Проект этого магнитного perpetuum mobile описал в XVII веке английский епископ Джон Вилкенс.

Почему двигатель не работает: Изобретатель думал, что шарик, скатившись по желобу N до его нижнего конца, будет еще обладать скоростью, достаточной для поднятия его вверх по закруглению D. Так было бы, если бы шарик катился под действием одной лишь силы тяжести: тогда бы он катился ускоренно. Но наш шарик находится под действием двух сил: тяжести и магнитно притяжения. Последнее по предположению настолько значительно, что может заставить шарик подняться от положения B до C. Поэтому по желобу N шарик будет скатываться не ускоренно, а замедленно, и если даже достигнет нижнего конца, то, во всяком случае, не накопит скорости, необходимой для поднятия по закруглению D.

Проект 8. «Вечный водопровод»

Идея изобретателя: Давление воды в большом баке должно постоянно выжимать воду по трубе в верхнюю емкость.

Почему двигатель не работает: Автор проекта не понимал, что гидростатический парадокс в том и состоит, что уровень воды в трубе всегда остается таким же, как в баке.

Проект 9. Автоматический подзавод часов

Идея изобретателя: Основа устройства — ртутный барометр крупных размеров: чаша с ртутью, подвешенная в раме, и опрокинутая над ней горлышком вниз большая колба с ртутью. Сосуды укреплены подвижно один относительно другого; при увеличении атмосферного давления колба опускается и чаша поднимается, при уменьшении же давления — наоборот. Оба движения заставляют вращаться небольшое зубчатое колесо всегда в одну сторону и через систему зубчатых колес поднимают гири часов.

Почему это не вечный двигатель: Необходимая для работы часов энергия «черпается» из окружающей среды. По сути это мало чем отличается от ветряного двигателя — разве что исключительно малой мощностью.

Проект 10. Масло, поднимающееся по фитилям

Идея изобретателя: Жидкость, налитая в нижний сосуд, поднимается фитилями в верхний сосуд, имеющий желоб для стока жидкости. По стоку жидкость падает на лопатки колеса, приводя его во вращение. Далее стекшее вниз масло снова поднимается по фитилям до верхнего сосуда. Таким образом, струя масла, стекающая по желобу на колесо, ни на секунду не прерывается, и колесо вечно должно находиться в движении.

Почему двигатель не работает: С верхней, загнутой части фитиля жидкость стекать вниз не будет. Капиллярное притяжение, преодолев силу тяжести, подняло жидкость вверх по фитилю — но ведь та же причина удерживает жидкость в порах намокшего фитиля, не давая ей капать с него.

Проект 11. Колесо с откидывающимися грузами

Идея изобретателя: Идея основана на применении колеса с неуравновешенными грузами. К краям колеса прикреплены откидные палочки с грузами на концах. При всяком положении колеса грузы на правой стороне будут откинуты дальше от центра, нежели на левой; эта половина, следовательно, должна перетягивать левую и тем самым заставлять колесо вращаться. Значит, колесо будет вращаться вечно, по крайней мере, до тех пор, пока не перетрется ось.

Почему двигатель не работает: Грузы на правой стороне всегда дальше от центра, однако, неизбежно такое положение колеса, при котором число этих грузов меньше, чем на левой. Тогда система уравновешивается — следовательно, колесо не будет вращаться, а, сделав несколько качаний, остановится.

Проект 12. Установка инженера Потапова

Идея изобретателя: Гидродинамическая тепловая установка Потапова с КПД, превышающим 400%. Электродвигатель (ЭД) приводит в движение насос (НС), заставляющий циркулировать воду по контуру (показано стрелками). Контур содержит цилиндрическую колонку (ОК) и батарею отопления (БТ). Окончание трубы 3 можно подключить к колонке (ОК) двумя способами: 1) к центру колонки; 2) по касательной к окружности, образующей стенку цилиндрической колонки. При подключении по способу 1 количество тепла, отдаваемое воде, равно (с учетом потерь) количеству тепла, излучаемому батареей (БТ) в окружающее пространство. Но как только происходит подключение трубы по способу 2, количество излучаемого батареей (БТ) тепла увеличивается в 4 раза! Измерения, проведенные нашими и зарубежными специалистами, показали, что при подводе 1 кВт к электродвигателю (ЭД) батарея (БТ) дает столько тепла, сколько должно было бы получаться при затрате 4 кВт. При подключении трубы по способу 2 вода в колонке (ОК) получает вращательное движение, и именно этот процесс приводит к увеличению количества отдаваемого батареей (БТ) тепла.

Почему двигатель не работает: Описанная установка действительно была собрана в НПО «Энергия» и, по утверждению авторов, работала. Изобретатели не ставили под сомнение правильность закона сохранения энергии, но утверждали, что двигатель черпает энергию из «физического вакуума». Что невозможно, т. к. физический вакуум имеет самый низкий из возможных уровней энергии и черпать из него энергию нельзя.

Наиболее вероятным представляется более прозаическое объяснение: имеет место неравномерный нагрев жидкости по сечению трубы и из-за этого возникают ошибки в измерении температуры. Не исключено также, что энергия помимо воли изобретателей «закачивается» в установку из электрической цепи.

Проект 13. Соединения динамо-машины с электромотором

Идея изобретателя: Шкивы электромотора и динамо-машины соединены приводным ремнем, а провода от динамо подвести к мотору. Если динамо-машине дать первоначальный импульс, то порожденный ею ток, поступая в мотор, приведет его в движение; энергия же движения мотора будет передаваться ремнем шкиву динамо-машины и приведет ее в движение. Таким образом, — полагают, изобретатели, — машины станут двигать одна другую, и движение это никогда не прекратиться, пока обе машины не износятся.

Почему двигатель не работает: Даже если бы каждая из соединенных машин обладала стопроцентным коэффициентом полезного действия, мы могли бы заставить их указанным образом безостановочно двигаться только при полном отсутствии трения. Соединение названных машин (их «агрегат», выражаясь языком инженеров) представляет собою в сущности одну машину, которая сама себя приводит в движение. При отсутствии трения агрегат, как и любой шкив, двигался бы вечно, но пользы от такого движения нельзя было бы извлечь никакой: стоило бы заставить «двигатель» совершать внешнюю работу, и он немедленно остановился бы. Перед нами было бы вечное движение, но не вечный двигатель. При наличие же трения агрегат не двигался бы вовсе.

Проект 14.Основанный на архимедовом винте

Идея изобретателя: деталь LM представляет собой деревянный цилиндр, в котором вырезан спиральный желоб. В устройстве этот цилиндр закрывается жестяными пластинами AB. Три водяных колеса отмечены буквами H, I, K, а расположенный внизу резервуар с водой — буквами CD. При вращении цилиндра вся вода, которая поднимается им из резервуара вверх, будет поступать в сосуд E, а из этого сосуда выливаться на колесо H и, следовательно, вращать колесо и весь винт в целом. Если же для вращения винта количество воды, падающее на колесо H, окажется недостаточным, тогда можно будет использовать воду, стекающую с этого колеса в сосуд F и попадающую далее на колесо I. В результате этого сила действия воды удвоится. Если же и этого окажется недостаточно, тогда вода, поступающая на второе колесо I, может быть направлена в сосуд G и на третье колесо K. Этот каскад можно продолжить, установив такое количество дополнительных колес, какое позволяют размеры всего устройства.

Почему двигатель не работает: Устройство не будет работать по двум причинам. Во-первых, вода, которая подымается наверх, не образует сколько-нибудь значительного потока, устремляющего затем вниз. Во-вторых, этот поток, даже в виде каскада, не способен вращать винт.

Проект 15.Основаннный на законе Архимеда

Идея изобретателя: 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 прекратиться…

Почему двигатель не работает: Барабан не сдвинется с места. Направление действующих сил 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 проложить усилие перпендикулярно к радиусу, т. е. по касательной к окружности колеса. Теперь уже нетрудно понять, почему и в этом случае закончиться неудачей попытка осуществить «вечное» движение.

Проект 16.Основанный на притягивание магнитов

Идея изобретателя: Стальной шар C постоянно притягивается к магниту B, который расположен так, что под его влиянием вращается колесо со щелями на ободе. (см. рис.) Пока шар движется, вращается и колесо.

Почему двигатель не работает: сила тяжести и магнитное притяжение уравновешивают друг друга.

Проект 17. Радивые часы

Эти «радиевые часы» были продемонстрированы публике в 1903 году Джоном Уильямом Стреттом (лорд Рэлей). Через год он получил Нобелевскую премию по физике.

Идея изобретателя: Небольшое количество соли радия помещено в стеклянной трубке (A), которая снаружи покрыта проводящим материалом. В конце трубки имеется латунный колпачок, с которого висят пара золотых лепестков. Все это находится в стеклянной колбочке, из которой выкачан воздух. Внутренняя поверхность колбочки покрыта проводящей фольгой (B), которая заземлена через проводом ©.

Отрицательные электроны (бета-лучи), которые излучает радий, проходят через стекло, оставляя центральную часть положительно заряженной. В результате золотые лепестки, отталкиваясь друг от друга, расходятся. Когда они коснутся фольги, произойдет разряд, лепестки опускаются и цикл начинается снова. Период полураспада радия 1620 лет. Поэтому такие часы могут работать многие и многие столетия без видимых изменении.

В свое время радиевые часы были настоящим перпетуум-мобиле, так как природа ядерной энергии не была известна, и было непонятно, откуда берется энергия. С развитием науки стало ясно, что закон сохранения энергии все равно торжествует, и ядерная энергия также подчиняется этому закону, как все другие формы энергии.

Почему двигатель не используют: Мощность этого двигателя, совершаемая им в секунду, так ничтожна, что никакой механизм не может приводиться в действие. Чтобы достичь сколько-нибудь осязательных результатов, необходимо располагать гораздо большим запасом радия. Если вспомним, что радий — чрезвычайно редкий и дорогой элемент, то согласимся, что даровой двигатель подобного рода оказался бы чересчур разорительным.

Законы природы, исключающие возможность создания перпетуум-мобиле

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 исчезает. 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 энергии, 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. Но вскоре было сформулировано еще общее положение, получившее название второго начала термодинамики. Это начало, говоря несколько упрощенно, гласит, что тепло не может увеличиваться самопроизвольно; иными словами, если более нагретое тело привести в контакт с менее нагретым, то будет наблюдаться выравнивание температур, а не увеличение их разности. Это явление (выравнивание температур) долгое время не имело никакого теоретического объяснения. Впервые сформулированное немецким физиком Рудольфом Юлиусом Эммануэлем Клаузисом (1822−1888), второе начало термодинамики носило чисто эмпирический характер. Правда, указывалось на аналогию между изменением температуры контактируемых тел и потоком воды, текущей вниз под действием собственной тяжести, но ситуация осложнялась тем, что не удавалось установить, какие же внешние силы управляют этим тепловым процессом. Поэтому, хотя эксперимент всегда обнаруживал уменьшение температуры, вплоть до последней четверти прошлого столетия высказывались сомнения относительно всеобщности второго начала термодинамики. Более того, некоторые ученые пытались доказать, что существуют случаи, нарушающие справедливость этого начала. В 1875 году вышла в свет знаменитая «Теория теплоты» Максвелла, в которой утверждалось, что характер действия второго начала термодинамики может быть уточнен следующим мысленным экспериментом. Если представить себе некое устройство, которое сортировало бы молекулы по их скорости, то можно было бы без затраты работы и не нарушая закона сохранения энергии нагревать одну половину некоторого объема газа и охлаждать вторую. Результатом этого мысленного эксперимента и будет увеличение тепла в одной части сосуда с газом и уменьшение в другой. Видоизмененное таким образом второе начало термодинамики приобрело вероятностный, а не детерминированный характер. В конце прошлого столетия физики Больцман и Планк заложили научные основы этого вопроса. Больцман, в частности, показал, что самопроизвольное выравнивание температур двух тел есть результат перехода молекул этих тел из менее вероятного в более вероятное состояние. Гипотетическая передача тепла в направлении от менее нагретого тела к более нагретому в свете этого доказательства возможна, но маловероятна. Это положение можно проиллюстрировать простым примером. Закон диффузии газов очень близок к закону теплопереноса, поскольку в процессе диффузии молекулы газов распределить равномерно. Если на газ не воздействовать извне, то будет наблюдаться тенденция к выравниванию его плотности. Было бы по меньшей мере, странно, если бы газ, первоначально обладавший равномерной плотностью, вдруг стал бы скапливаться в одной части сосуда, оставляя при этом незаполненное пространство в другой его части. Аналогичное весьма маловероятное явление происходило бы с теплом, переходящим от менее нагретого к более нагретому телу. Давайте теперь предположим, что существует крохотный сосуд, вмещающий всего две молекулы, по одной в каждой половине сосуда. Молекулы эти находятся в непрерывном движении, ударяясь о стенки и беспорядочно проскакивая вперед и назад из одной части сосуда в другую. При этом очевидно, существуют четыре возможных варианта расположение молекул в пространстве:

A—B, A—A, AB<—0, 0—>AB.

В двух вариантах из четырех в одной половине сосуда возникает вакуум. Следовательно, вероятность такого события равна ½, и можно ожидать, что половину времени одна часть сосуда будет пустой. С увеличением числа молекул вероятность появления вакуума резко падает. При общем числе молекул, равном n, вероятность того, что половина сосуда окажется пустой, составит (½)n-1. Практически число молекул огромно, поэтому вероятность такого события близка к нулю. Так, для реального случая, когда разница давлений в двух половинах одного кубического сантиметра газа не превышает одного процента, вероятность возникновения вакуума в какой либо половине этого кубика ничтожна, мала; такое событие может произойти один раз за 101 016 лет! И хотя эти рассуждения выглядят довольно впечатляющими, одно обстоятельство все же необходимо пояснить. Не следует думать, что если возникновение вакуума — событие настолько редкое, то нам действительно придется ждать его появления многие миллионы лет. Вакуум может создаться и через минуту! Более того, вакуум может возникнуть дважды в течение минуты, но на очень короткое время. Доктор Хейл из бюро стандартов США предположил, что подобная система доказательств могла бы привести нас к аналогичному заключению о возможности самопроизвольного появления заметной разницы температур в некоем объеме газа. Известно, что температура определяется скоростью движения его молекул. При температуре, которая считается постоянной, скорости отдельных молекул газа далеко не одинаковы. Однако все они статистически распределены около той средней величины, которая всегда остается неизменной. Давайте вновь рассмотрим микроскопический сосуд, в котором находится всего четыре молекулы. Пусть на этот раз две молекулы F1 и F2 быстрые, а две другие молекулы S1 и S2 медленные. Допуская, что изменений в плотности газа нет, мы получим шесть различных вариантов расположения молекул в сосуде:

F1S1 — F2S2F2S1 — F1S2F1S2 — F2S1F2S2 — F1S1S2S1 — F1F2F1F2 — S1S2

Первые четыре случая — это случаи, когда в обеих половинах сосудатемпература газа одинакова, поскольку современные измерительные приборы дают ее усредненное значение. В двух последних вариантах наблюдается разница температур; вероятность их возникновения для четырех молекул равна 1/3.

С увеличением числа молекул вероятность появления сколько-нибудь заметной разницы температур в двух частях нашего гипотетического сосуда резко уменьшается. Следует также иметь в виду, что в любом объеме газа, температуру которого мы в состоянии измерить или проконтролировать, температура каждой отдельной весьма малой его части постоянно колеблется относительно градировочной кривой прибора, и в целом газ столь же не однороден по температуре, как и поверхность океана не является абсолютно ровной.

Итак, вероятность появления заметной разницы температур в газе очень мала. Но все же она существует, и, значит, следует не только признать возможность перехода тепла от менее нагретого тела к более нагретому, но и согласится с тем, что такой переход непрерывно осуществляется, правда, в столь незначительных масштабах, что мы вряд ли сможем его наблюдать. Поэтому, как утверждал немецкий философ Карл Христиан Планк (1819−1880), существует вероятность, хотя и очень незначительная, что в чайнике, помещенным над огнем, замерзнет вода.

Признание учеными возможности, во-первых, перехода тепла от менее нагретого тела к более нагретому и, во-вторых, возникновения при этом незначительного, но все же заметного изменения температуры и плотности послужило основанием для дальнейших рассуждений. Возник вопрос о том, нельзя ли создать устройство, в котором в результате подобных изменений постепенно увеличивался бы перепад температур, за счет которого можно было бы в дальнейшем совершать полезную работу? Вопрос этот возник лет восемьдесят назад, а само это гипотетическое устройство вошло в науку под названием вечного двигателя второго рода. Такое название оно получило потому, что должно было совершать работу, не вырабатывая энергии и вопреки второму началу термодинамики.

Проект устройства был сперва предложен парижанином Липпманом в 1900 году, а затем в 1907 году Сведбергом из города Упсала (Швеция). В 1912 году Смолуховский опубликовал развернутое теоретическое обсуждение данной проблемы. Он показал, что вряд ли стоит надеяться, будто с помощью устройства, содержащего молекулы газа, удастся накапливать эти столь редкие «отступления» от второго начала, поскольку любое подобное устройство само по себе будет подвержено изменениям на молекулярном уровне. Постоянно происходящее перераспределение скоростей движения молекул уничтожит все перепады температуры, которые предполагалось накапливать в устройстве и, которые принципиально необходимы для его работы.

Это доказательство представляется весьма убедительным, хотя и обескураживающим. Замечателен вывод, вытекающий из него: второе начало термодинамики для больших промежутков времени справедливо лишь в статистическом смысле.

Интересно, что тринадцать лет спустя, в марте 1925 года, выступая перед сотрудниками американского бюро стандартов, профессор Дебай заявил: для согласования явления интерференции света с квантовой теорией необходимо допустить, что закон сохранения энергии верен только в статистическом смысле. По его мнению, в очень короткие промежутки времени энергия может создаваться, а на протяжении длительного времени ее среднее значение будет оставаться неизменным. В предположении Дебая содержится скрытый намек на то, что вечное движение первого рода, то есть истинное создания энергии, представляет собой некую «научную вероятность» и даже «возможность» .

Попытки создания вечного двигателя нередко приводят к плодотворным открытиям

Прекрасным примером может служить тот способ, с помощью которого Стевин, замечательный голландский учёный конца XVI и начала XVII века, открыл закон равновесия сил на наклонной плоскости. Этот математик заслуживает гораздо большей известности, нежели та, какая выпала на его долю, потому что он сделал много важных открытий, которыми мы теперь постоянно пользуемся: изобрёл десятичные дроби, ввёл в алгебру употребление показателей, открыл гидростатический закон, впоследствии вновь открытый Паскалем.

Закон равновесия сил на наклонной плоскости он открыл, не опираясь на правило параллелограмма сил, единственно лишь с помощью чертежа, который здесь воспроизведён.

Через трёхгранную призму перекинута цепь из 14 одинаковых шаров. Что произойдёт с этой цепью? Нижняя часть, свисающая гирляндой, уравновешивается сама собой. Но остальные две части цепи — уравновешивают ли друг друга? Иными словами: правые два шара уравновешиваются ли левыми четырьмя? Конечно, да, — иначе цепь сама собой вечно бежала бы справа налево, потому что на место соскользнувших шаров всякий раз помещались бы другие, и равновесие никогда бы не восстановилось. Но так как мы знаем, что цепь, перекинутая указанным образом, вовсе не движется сама собой, то, очевидно, два правых шара действительно уравновешиваются четырьмя левыми. Получается словно чудо: два шара тянут с такой же силой, как и четыре.

Из этого мнимого чуда Стевин вывел важный закон механики. Он рассуждал так. Обе цепи — и длинная и короткая — весят различно: одна цепь тяжелее другой во столько же раз, во сколько раз длинная грань призмы длиннее короткой. Отсюда вытекает, что и вообще два груза, связанных шнуром, уравновешивают друг друга на наклонных плоскостях, если веса их пропорциональны длинам этих плоскостей.

В частном случае, когда короткая плоскость отвесна, мы получаем известный закон механики: чтобы удержать тело на наклонной плоскости, надо действовать в направлении этой плоскости силой, которая во столько раз меньше веса тела, во сколько раз длина плоскости больше её высоты.

Так, исходя из мысли о невозможности вечного двигателя, сделано было важное открытие в механике. Кроме этого, Симон Стевин сделал много глубоких, пионерских работ в физике и математике. Он обосновал и ввел в оборот в Европе десятичные дроби, отрицательные корни уравнений, сформулировал условия существования корня в данном интервале и предложил способ его приближенного вычисления. Стевин был, наверное, первым прикладным математиком, который доводил свои вычисления до числа. Для решения конкретных практических задач он постоянно развивал прикладные вычисления. К ним Стевин относил и бухгалтерию, как науку о рациональном хозяйствовании, то есть он стоял у истоков математических методов в экономике. Стевин считал, что «цель бухгалтерского учета — определение всего народного богатства страны». Он был суперинтендантом по военным и финансовым вопросам у великого полководца, создателя современной регулярной армии Морица Оранского. Его должность в современных терминах — «заместитель командующего по тылу».

Живет в Самаре интереснейший человек — изобретатель Александр Степанович Фабристов, которому ныне перевалило за 80 лет. Еще в молодости он увлекся идеей вечного двигателя, много сочинил его конструкций, создал много образцов, но все неудачно. И только лет 10 назад создал, наконец, устройство, которое он называет «вечный двигатель», и которое, как он убежден, способно вырабатывать «бесплатную» энергию только за счет сил гравитации. Его устройство не так уж хитро по конструкции и состоит из 8 металлических «стаканов», укрепленных на крестовине, из свинцовых уголков, храповиков и двух шестеренчатых дуг. «Стакан», прикрепленный к крестовине, движется по кругу, проходит через одну дугу — угольник внутри перемещается и силовое плечо становится больше. Проходит через другую — угольник встает на прежнее место. Так, что получается, что у четырех «стаканов» с одной стороны масса значительно больше, чем у стаканов с другой, из-за действия сил гравитации. К сожалению его «вечный двигатель» не запатентован, и не апробирован, так как и наш российский институт патентной экспертизы не принимает к рассмотрению проекты таких двигателей. Создать же опытный образец изобретателю — одиночке не под силу, а промышленным предприятиям вроде бы и неприлично заниматься разными выдумками. А ведь, по идее, это экологически чистый двигатель, не портящий ландшафт и природу, не загрязняющий атмосферу.

Прослеживая историю, можно заметить, что одни изобретатели и ученые горячо верили в возможность создания вечного двигателя, другие — упорно сопротивлялись этому, отыскивая все новые истины. Галилео Галилей, доказывая, что любое имеющее тяжесть тело не может подняться выше того уровня, с которого оно упало, открыл закон инерции. Таким образом, польза для науки шла как со стороны верующих, так неверующих. Известный физик, академик Виталий Лазаревич Гинзбург считал, что По-существу, идея вечного двигателя была научной. Плохо ли, хорошо ли, но она готовила благодатную почву грядущим естествоиспытателям для постижения более высоких истин. Как хорошо сказал томский профессор, философ А. К. Сухотин: «…неуклонно подогревая интерес, идея вечного двигателя стала своего рода идейным двигателем вечного сгорания, подбрасывающим свежие поленья в топки, ищущей мысли» .

Тем временем, из-за большого числа заявок изобретателей на выдачу патентов на придуманные ими вечные двигатели, ряд национальных патентных ведомств и академий наук зарубежных стран (в частности, Парижская академия наук приняла запрет еще в 17-м веке), приняли решение вообще не принимать к рассмотрению заявки на изобретения абсолютного двигателя, поскольку это противоречит закону сохранения энергии.

Всемирно известный в области механики советский академик Борис Викторович Раушенбах считает такие решения научных организаций ошибочными и вредными для дальнейшего развития науки. Он утверждает, что наука должна глубоко исследовать, доказывать и терпеливо разъяснять, а не пресекать и, тем более, не запрещать любые изобретения («не накидывать уздечку на исследовательскую активность, куда бы она не расходовалась»). Понятно, что принцип сохранения энергии никакими конструкциями вечных двигателей не поколебать, но возможны уточнения, выяснение сфер его применения и пересечения с другими физическими принципами. Открылось же, например, что этот закон комбинируется с законом сохранения массы и такое проявление пошло на пользу более глубокого осмысления этих двух законов.