Текст книги "Возможен ли вечный двигатель?"
Автор книги: Александр Краснов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 4 страниц)
Александр Краснов
ВОЗМОЖЕН ЛИ ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ?
Введение
На протяжении ряда столетий многие изобретатели пытались построить такую машину, которая совершала бы полезную работу, не потребляя при этом извне какой-либо энергии. Иначе говоря, они стремились создавать энергию из ничего. Такую фантастическую машину назвали вечным двигателем, или перпетуум мобиле, что значит вечное движение.
Работая над созданием вечного двигателя, изобретатели, проявляя смекалку, остроумие, выдумку, пытались использовать самые различные явления природы – силу тяжести, магнетизм и пр.
Действительно, заманчиво иметь машину, которая совершала бы работу, не требуя затрат, например топлива, электрической или механической энергии. Единственное, что понадобилось бы, это периодически её смазывать.
Изобрести вечный двигатель считалось не меньшим счастьем, чем добыть сказочную скатерть-самобранку или найти фантастический кошелёк, из которого можно без конца вытаскивать золотые монеты. В средние века многим казалось, что изобретение вечного двигателя принесёт богатство, откроет неисчерпаемые творческие возможности. Подобное представление о вечном двигателе мастерски показано в произведении А. С. Пушкина «Сцены из рыцарских времён»: «Постой! – говорит Мартын, – ну а если опыт твой тебе удастся и у тебя будет и золота и славы вдоволь, будешь ли ты спокойно наслаждаться жизнию?
– Займусь, – отвечает Бертольд, – ещё одним исследованием: мне кажется, есть средство открыть perpetuum mobile.
– Что такое perpetuum mobile?
– Perpetuum mobile, то есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому… видишь ли, добрый мой Мартын, делать золото – задача заманчивая, открытие может быть любопытное, но найти perpetuum mobile… о!»
Любопытно, что стремление изобрести вечный двигатель возникало словно эпидемия, поражающая постепенно одну страну за другой. В Европе оно, проникнув из Греции, захватило сперва итальянских физиков, учёных и изобретателей. Затем эта «болезнь» распространилась среди учёных и изобретателей Франции, Германии, потом Англии, Америки и России.
По различным документам, чертежам и литературным данным можно установить, что первая попытка изобрести вечный двигатель относится к XIII веку. Впервые модель колёсного вечного двигателя появляется в 1245 году. Его предложил французский архитектор времён Людовика Святого Виллар д’Оннекур.
С XIII по XVII век над изобретением вечного двигателя работали главным образом учёные. Среди них можно встретить довольно крупных для того времени людей науки. Но, начиная с XVII века, учёные постепенно прекратили это бесплодное занятие. Однако над осуществлением этой заманчивой, но бесплодной мечты продолжают, к сожалению, работать ещё и по сей день.
Вечный двигатель пытаются изобрести вот уже более семисот лет. За это время создано множество проектов и моделей. В Британское патентное бюро, например, лишь за вторую половину XIX века было представлено более 500 проектов вечных двигателей, а в России с 1915 по 1916 год только в отдел изобретений Московского Военно-промышленного комитета поступило 28 проектов.
В наше время хотя и редко, но всё же встречаются заблуждающиеся изобретатели вечного двигателя.
Каков же результат упорного труда огромного числа изобретателей, с такой настойчивостью стремившихся создать вечный двигатель на протяжении многих столетий? Не напрасно ли трудились изобретатели? Можно ли изобрести вечный двигатель?
Об этом мы и расскажем в нашей книжке.
1. Колёсные вечные двигатели
В 1245 году французский архитектор Виллар д’Оннекур разработал чертёж, а затем изготовил модель колёсного вечного двигателя. Устройство его несложно (рис. 1).
Рис. 1. Модель колёсного вечного двигателя с откидывающимися грузами Виллара д’Оннекура (XIII век).
На ось, укреплённую в поперечных планках станины, надето свободно вращающееся колесо. К его ободу прикреплены на шарнирах семь стержней, имеющих на концах грузы. Колесо должно вращаться против часовой стрелки. Справа стержни с грузами прилегают к ободу колеса, а слева откидываются и являются продолжением спиц колеса. Таким образом грузы слева находятся значительно дальше от оси вращения колеса, чем грузы справа. На основании этого В. д’Оннекур считал, что равновесие колеса будет постоянно нарушенным и оно должно вращаться вечно, не требуя постороннего подталкивания. Вращение колеса должно поддерживаться непрерывными толчками откидывающихся грузов.
Но… это предположение изобретателя оказалось неправильным. На самом деле всё происходило иначе: колесо, совершив несколько оборотов, останавливалось. Вращение его прекращалось как только энергия, сообщённая колесу при пуске, оказывалась израсходованной на преодоление трения. Чтобы колесо вращалось, его требовалось вновь и вновь подталкивать, сообщать ему новую порцию энергии через некоторые промежутки времени.
Двумя столетиями позже среди многих был предложен вечный двигатель, показанный на рисунке 2.
Рис. 2. Колёсный вечный двигатель с откидывающимися грузами; колесо на одну треть погружено в воду (XV–XVI век).
Чертёж его обнаружен в записках и набросках знаменитого итальянского художника и учёного Леонардо да Винчи, жившего в 1452–1519 гг. Достоверно известно, что он не занимался изобретательством вечного двигателя. По-видимому, этот чертёж попал к нему на заключение от какого-либо итальянского изобретателя.
В этом проекте неизвестного изобретателя XV–XVI веков повторяется идея конструкции вечного двигателя В. д’Оннекура. Здесь тоже есть колесо с семью откидывающимися грузами. Но изобретатель погрузил одну треть его в воду, обоснованно предполагая, что вес этой части колеса и грузов уменьшится по известному закону Архимеда: тело, погружённое в жидкость, теряет столько в весе, сколько весит вытесненная им жидкость.
Однако это усовершенствование не принесло успеха изобретателю. Нетрудно заметить, что потеря веса колеса, погружённого в жидкость, одинакова как справа от вертикальной линии, проведённой через ось колеса, так и слева. Следовательно, такое усовершенствование не улучшало условий движения колеса.
Этот вечный двигатель, как и предыдущий, вращался лишь до израсходования на преодоление трения энергии, сообщённой ему при пуске. Беспрерывное вращение его было возможно только в том случае, если колесо подталкивали со стороны через некоторые промежутки времени.
На протяжении веков многие изобретатели неоднократно пытались создать вечный двигатель по принципу, впервые предложенному В. д’Ониекуром. Но всё напрасно. Ведь допустить возможность вечного двигателя подобной конструкции значит считать, что тело способно подняться за счёт энергии падения вновь до той высоты, с которой оно упало. «Ни одно тело не может при помощи своего движения, падения вернуться на первоначальную высоту; движение его имеет конец», – писал Леонардо да Винчи. «Искатели вечного движения, какое количество пустейших замыслов пустили вы в мир, идите к искателям золота»…. «О, исследователи вечного движения, сколько суетных планов вы создали при подобных исканиях».
Однако, как и прежде, попытки построить вечный двигатель продолжались.
Но тщетно. Двигатели не работали. Например, итальянский архитектор Александро Капра из Кремоны предложил в 1683 году колёсный вечный двигатель с восемнадцатью откидывающимися грузами. В этом проекте (рис. 3) откидывающихся грузов чётное количество.
Рис. 3. Колёсный вечный двигатель с откидывающимися грузами итальянского архитектора Александро Капра из Кремоны (XVII век).
В остальном конструкция и принцип действия одинаковы с вечным двигателем В. д’Оннекура. Установка чётного количества откидывающихся грузов не принесла успеха изобретателю. И этот двигатель не работал.
Колёсный вечный двигатель с откидывающимися грузами пытались изобрести и в XIX и XX столетиях. В 1869 году француз из Лиона Жан Клюпо получил в Англии патент на колёсный вечный двигатель. Через год на такой же вечный двигатель Вильям Г. Чепер получает американский патент.
Конструкция вечного двигателя Чепера-Жана Клюпо состояла из чётного количества– двенадцати откидывающихся грузов (рис. 4).
Рис. 4. Вечный двигатель, на который, хотя и бездействующий, выдан в Америке патент Вильяму Г. Чеперу (XIX век).
Вращаться он должен, по предположению изобретателя, в отличие от предыдущих, по часовой стрелке. Но это последнее соображение изобретателя – самообман. Стоит зайти с противоположной стороны этого вечного двигателя, как обнаружится, что он вращается против часовой стрелки.
Хотя на этот вечный двигатель и выдано два патента и «изменено» направление его вращения, он всё же не работал.
Подобный же неработающий вечный двигатель, но с восемью откидывающимися грузами предложен русским изобретателем А. Порхуновым в начале XX века.
Потерпев неудачу в конструировании вечных двигателей с откидывающимися грузами, изобретатели предлагали колёсные вечные двигатели с перекатывающимися шариками. Один из первых проектов подобного рода обнаружен в записках и набросках Леонардо да Винчи, попавшего к нему вместе с рассмотренным ранее. Этот проект предложен в XV–XVI веках. Колесо вечного двигателя состоит из двенадцати несколько искривлённых каналов, направленных от ступицы к ободу. В каждом канале имеется свободно перекатывающийся шарик. Изобретатель полагал, что равновесие колеса будет постоянно нарушенным. Колесо станет вращаться беспрерывно – вечно.
Однако и этот вечный двигатель… останавливался, израсходовав запас энергии, полученной в момент толчка. Сам же он не начинал вращаться.
У второго вечного двигателя с перекатывающимися шариками судьба значительно интереснее. Этот вечный двигатель (рис. 5) построен в Англии Эдвардом Сомерсетом, маркизом Вочестерским, жившим в 1601–1667 годах.
Рис. 5. Колёсный вечный двигатель с перекатывающимися шариками; якобы построен Эдвардом Сомерсетом – маркизом Вочестерским в первой половине XVII века.
От того, что этот вечный двигатель построил маркиз, успех не был достигнут. Он так же бездействовал, как и все предыдущие. Однако этот вечный двигатель принёс изобретателю и почёт и милость короля Англии.
Существует предание, что этот вечный двигатель, или «самая невероятная вещь во всём мире», как его назвал Э. Сомерсет, был показан с блеском и помпой в лондонском королевском замке – Тауэре королю и всему двору. Это изобретение вызвало величайший восторг тех, кто осматривал его. Но в пространных сообщениях, рассказывающих об этом, очень мало говорится о самом вечном двигателе. Имеются сведения лишь о том, что это было колесо диаметром 14 футов (4,27 м), а приводилось оно в движение четырнадцатью грузами по 50 фунтов (22,7 кг). В книге Э. Сомерсета, переизданной неким Партингтоном, имеется рисунок этого вечного двигателя, подобный представленному на рисунке 5. Вечный двигатель Э. Сомерсета имеет полнейшее сходство по числу перекатывающихся шариков с предыдущим вечным двигателем, который был предложен более чем на двести лет ранее.
Оригинальный колёсный вечный двигатель с перекатывающимися шариками был предложен и в XX столетии. В 1915 году его предложил москвич, имя которого не сохранилось. Изготовленная им модель вечного двигателя состояла из колеса около метра в диаметре и шести шариков. На колесе имелся спиральный канал, в котором всегда находилось пять шариков (рис. 6).
Рис. 6. Вечный двигатель с перекатывающимися шариками; предложен москвичом, имя которого не сохранилось (1915 год).
Шестой, провалившись в отверстие, имеющееся у края колеса, перекатывался по специальному изогнутому ходу под спиральным каналом к отверстию у центра. Отсюда он попадал в начало – «центр» спирального канала, а в это время другой шарик попадал в изогнутый канал.
Сила тяжести шариков приложена к колесу несколько левее оси вращения колеса. Поэтому, перекатываясь по спирали, как по наклонной плоскости, они должны, по мысли изобретателя, явиться причиной вращения колеса.
Но и этого изобретателя постигла неудача. Колесо вращалось до тех пор, пока не иссякла энергия, сообщённая ему в момент пуска этого вечного двигателя.
Некоторые изобретатели предлагали вечные двигатели, в которых вместо перекатывающихся шариков была ртуть.
В XVIII веке было предложено два таких двигателя. На рисунке 7 представлен колёсный вечный двигатель, состоящий из двух частично заполненных ртутью стеклянных трубок, накрест соединённых между собой и закреплённых на валу.
Рис. 7. Вечный двигатель с переливающейся ртутью в стеклянных трубках (XVIII век).
Сила тяжести ртути, находящейся в левом конце трубки 1–3, как указано на рисунке 7, потянет её вниз. Колесо повернётся на четверть оборота против часовой стрелки.
Когда эта трубка достигнет положения Б-Г, конец трубки 2 займёт положение В. Из него ртуть перетечёт в противоположный конец трубки 4, находящийся в точке А. Снова сила тяжести ртути потянет трубку вниз, и так бесконечно, как полагал изобретатель.
А вот другой вечный двигатель с переливающейся в нём ртутью (рис. 8).
Рис. 8. Вечный двигатель с переливающейся ртутью и с мехами (XVIII век).
Он состоит из скреплённых между собой, как спицы колеса, четырёх труб. На обоих концах каждой трубы прикреплены кожаные камеры в виде кузнечного меха. На каждой верхней крышке меха имеется груз.
По предположению изобретателя, этот вечный двигатель должен был действовать следующим образом: ртуть, скопившаяся в мехах А, Б, В, нарушает равновесие, и колесо вращается по часовой стрелке. Лишь мех Г, наполненный ртутью, противодействует этому движению. Но как только труба Г-З достигнет положения I–II, груз, нажимая на мех Г, выдавливает ртуть в мех З; нарушение равновесия продолжается, как продолжается и беспрерывное вращение.
Но этот вечный двигатель, как и предыдущий, к огорчению изобретателей, вращался лишь некоторое время. Израсходовав энергию, затраченную на его пуск, он останавливался.
Три десятилетия назад в витринах многих часовых мастерских находились прекрасно отделанные часы, подобные изображённым на рисунке 9.
Рис. 9. Вечные «самозаводящиеся» часы (XX век).
Это устройство представляло комбинацию часового механизма с вечным двигателем, состоящим из: верхней площадки для запаса шариков; колеса, которое вращается под действием силы тяжести шариков, падающих на него с лотка верхней площадки; сборника шариков и транспортёра, подающего их наверх.
По предположению изобретателя, колесо, приводимое в движение энергией падения шариков, сообщает движение шестерням часового механизма и транспортеру, поднимающему такое же количество шариков, какое упало.
Но движение этого механизма возможно лишь в том случае, если количество шариков, действующих на колесо, будет больше поднимаемых транспортёром. Ведь нужно преодолеть ещё и силы трепня в механизме. В данном случае количество падающих и поднимаемых шариков одинаково. Поэтому на поднятие избыточного числа их надо затрачивать дополнительную энергию. А у вечного двигателя её нет. Значит её надо подводить извне. Какой же это вечный двигатель, если для поднимания лишних шариков надо затрачивать дополнительную энергию? Понятно, что вечно часы работать не будут.
О том, что самозаводящиеся часы, поднимающие вверх гири, движущие их механизм, создать невозможно, говорил итальянский учёный Джероламо Кардано ещё в XVI веке (1501–1576 гг.). Но на это разумное предостережение изобретатели вечного двигателя не обращали внимания.
Все только что описанные проекты и бездействующие модели вечных двигателей относятся к одной группе колёсных, или механических вечных двигателей. Принципиальная схема их устройства проста. Грузы, размещённые с одной стороны оси вращения, постоянно, как предполагали изобретатели, действуют с большим усилием, чем с другой. Следовательно, рассуждали они, при таком распределении грузов равновесие колеса беспрерывно нарушается, и двигатель будет совершать работу вечно, не требуя дополнительной энергии. К огорчению изобретателей, несмотря на массу выдумки и остроумия, проявленную ими, этого не получалось – двигатели не работали.
Среди изобретателей вечных двигателей встречались сомневающиеся в их осуществлении. Свои сомнения одни довольно убедительно высказывали, другие к тому же научно обосновывали их, подкрепляя расчётами.
В конце XVII и начале XVIII века механик Яков Лейпольд простым вычислением доказал неосуществимость, невозможность колёсных вечных двигателей. Рассмотрим эти его вычисления на «изобретении» В. Чепера (рис. 4) и Жана Клюпо. Это наиболее характерная конструкция колёсного вечного двигателя, которую изобретатели много раз на протяжении более семисот лет повторяли, изменяя в ней лишь количество откидывающихся стержней с грузами.
Я. Лейпольд решал задачу следующим образом. От центра каждого груза и от центра оси вращения колеса вечного двигателя он провёл перпендикуляры на горизонтальную линию АБ (рис. 10).
Рис. 10. Расчеты Я. Лейпольда, доказывающие невозможность колёсного вечного двигателя (XVII–XVIII века).
Далее для простоты решения Я. Лейпольд рассматривал эту линию АБ как рычаг, опирающийся в точке О, то есть в точке пересечения перпендикуляра, опущенного на линию АБ от центра оси колеса. Грузы же, приложенные к воображаемому рычагу, он рассматривал как силы, стремящиеся повернуть колесо по часовой стрелке с правой стороны, а с левой – против часовой стрелки.
Чтобы разобраться в дальнейших действиях Я. Лейпольда, обратимся к одному из правил механики о моменте силы.
Момент силы – это произведение силы на плечо.
Под действием силы 8 кг, например, приложенной к плечу длиной 750 мм от оси вращения (рис. 10 внизу), возникает момент силы: 8 X 750 = 6000 кгмм. Под действием этого момента рычаг ВД должен вращаться вокруг точки Г. В расчёте Я. Лейпольда момент сил, действующих на рычаг АБ слева от опоры О на отрезке АО, можно выразить следующими цифрами (рис. 10): 5 кг X 350 мм + 5 кг X 340 мм + 5 кг X 275 мм + 5 кг X 240 мм + 5 кг X 190 мм + 5 кг X 120 мм + 5 кг X 110 мм = 8125 кгмм.
Этот момент сил, равный 8125 кгмм, стремится повернуть рычаг АБ вокруг точки О против часовой стрелки.
Момент сил, действующих на рычаг АБ справа от опоры О на отрезке ОБ, можно выразить следующими цифрами (рис. 10): 5 кг X 500 мм + 5 кг X 445 мм + 5 кг X 430 мм + 5 кг X 250 мм = 8125 кгмм.
Этот момент сил, равный 8125 кгмм, стремится повернуть рычаг АБ вокруг точки О по часовой стрелке. Обратите внимание, что моменты сил справа и слева от опоры О одинаковы; следовательно, рычаг АБ будет находиться в равновесии. Отсюда ясно, что вечные двигатели подобного рода не могут вращаться за счёт того, что грузы с одной стороны колеса отстоят значительно дальше, чем с другой. Вращения вечного двигателя невозможно добиться применением откидывающихся грузов, перекатывающихся шариков, переливающейся ртути или другой жидкости и прочих усовершенствований.
И всё же изобретателей вечного двигателя не убеждали подобные бесспорные расчёты. Многие стремились изобрести вечные двигатели других конструкций.
2. Цепные вечные двигатели
Английский артиллерист и инженер Вильям Конгрев, живший в 1772–1828 гг., сконструировал вечный двигатель, состоящий из трёхгранной призмы с роликами Г, В, Д на углах и ленты с губками, натянутой вокруг призмы (рис. 11).
Рис. 11. Поплавково-цепной вечный двигатель Вильяма Конгрева (XVIII–XIX века).
Всё это частично погружено в воду.
Изобретатель полагал, что вес губки А увеличится за счёт впитавшейся воды. Вследствие этого нарушится равновесие и лента с губками передвинется… впитает воду губка Б, ставшая на место губки А, лента снова повернётся… и так бесконечно. Чтобы увеличить разницу между весом губки, вышедшей из воды над роликом В и погружающейся в воду у ролика Г, то есть более надёжно обеспечить движение, автор предусмотрел выжимание воды из губок над роликом В посредством грузов, прикреплённых к губкам. Но… двигатель не работал.
Несмотря на то, что этот вечный двигатель не действовал, В. Конгрев получил на него патент.
Нечто подобное «машине» В. Конгрева изобрёл в начале XX столетия минный машинист из Прибалтики К. Кайль (рис. 12).
Рис. 12. Колёсно-цепной вечный двигатель К. Кайля (XX век).
Этот вечный двигатель представляет свободно вращающееся на валу зубчатое колесо А. С зубьями колеса соприкасается цепь, натянутая на трёх роликах. На ней закреплены три груза 1, 2, 3, которые, по мысли автора, и должны являться причиной вечного движения.
К. Кайль предполагал, что грузы 1 и 2, стремясь передвинуться по направлению, указанному на рисунке 12 стрелками, безусловно поднимут груз 3. Вследствие того, что цепь представляет равносторонний треугольник, грузы 1 и 2 постоянно будут стремиться вниз.
Но, несмотря на кажущуюся убедительность мыслей автора и довольно остроумную конструкцию, этот вечный двигатель, так же как и предыдущий, оказался бездействующим.
Чтобы понять причину неудачи, постигшей В. Конгрева и К. Кайля, пытавшихся создать цепные вечные двигатели, обратимся к одной из работ голландского учёного Стевина.
Стевин опубликовал в 1587 году трактат «Начала статики». Во всех своих трудах и работах он неизменно руководствовался принципом невозможности вечного двигателя. Решая, например, задачу о равновесии тел на наклонной плоскости, он использовал чертёж, представленный на рисунке 13.
Рис. 13. К доказательству Стевина закона движения тел по наклонной плоскости (XVI век).
Чем это не вечный двигатель, подобный только что рассмотренным?
Любопытно, что Стевин, заключив этот чертёж в художественно оформленную виньетку, поместил его на титульном листе каждой части своего труда «Начала статики» с надписью наверху: «Чудо и не чудо».
Для решения задачи о равновесии тел на наклонной плоскости Стевин мысленно отрезал всю нижнюю часть цепи по линии АБ (рис. 13). Изобретатель вечного двигателя утверждал бы в этом случае, что четыре шара, лежащих на плоскости ВГ, перетянут три шара, находящихся на плоскости ГД, скатываясь вниз к точке В. Следовательно, и вся цепь, соединённая в кольцо, также будет перемещаться беспрерывно.
На самом деле, на практике, цепь с шарами не перемещалась. Стевин, правильно исходя из невозможности вечного двигателя, утверждал, что сила, действующая на четыре шара, лежащих на плоскости ВГ, не равна их весу. Она, эта сила, во столько раз меньше веса шаров, во сколько высота h подъёма одного конца плоскости ВГ над точкой В меньше длины этой плоскости. То же самое относилось и к трём шарам, лежащим на плоскости ГД, – сила, скатывающая три шара, оказывалась во столько раз меньше их веса, во сколько h меньше длины плоскости ГД. При этом между четырьмя шарами с левой стороны от угла Г и тремя шарами справа действуют равные силы. Следовательно, система находится в равновесии.
Из этого примера видно, что вечные двигатели, подобные использованному Стевином для решения задачи статики и трём только что рассмотренным, также не способны к действию.
