Вечный двигатель

Вечный двигатель

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

Современная классификация вечных двигателей

• Вечный двигатель первого рода — воображаемое устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Невозможность осуществления вечного двигателя первого рода постулируется в термодинамике как первое начало термодинамики.
• Вечный двигатель второго рода — воображаемая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность осуществления вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.

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. 

Постулат Кельвина — невозможно создать периодически действующую машину, совершающую  механическую работу только за счет охлаждения теплового резервуара. 

Постулат Клаузиуса — самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к более горячим невозможен. 
 
 
 
 

Ученые, изобретатели и исторические личности.

Немецкий алхимик, врач, механик и легендарный мошенник-авантюрист Иоганн Эрнст Элиас Бесслер-Орфиреус (1680–1745) 17 ноября 1717 года в присутствии известных физиков продемонстрировал своему покровителю ландграфу Карлу Гессен-Кассельскому (1670–1730) изобретенный им «вечный двигатель».

Все было обставлено очень солидно. Бесслер-Орфиреус запустил свое «изобретение». После запуска машины ее заперли, а проверив через две недели, убедились, что колесо двигателя вращается с прежней скоростью. Через два месяца проверку повторили. Колесо по-прежнему вращалось, а скорость его не снизилась ни на оборот. Когда об этом узнала широкая общественность – слава Орфиреуса прогремела по всей Европе. Но секрет своего устройства он тщательно скрывал.

Свой вечный двигатель  изобретатель хотел продать за сто  тысяч талеров (около двух с половиной  миллионов долларов по современному курсу) и никому не соглашался раскрыть секрет изобретения до продажи. При  малейшем подозрении, при малейшем намеке на то, что секрет хотят похитить, Иоганн Бесслер уничтожал чертежи и прототипы и переезжал в другой город. Немудрено, что многие считали его мошенником или безумцем.

За семь лет  активных экспериментов (1712–1719) Бесслер построил более трехсот прототипов двух моделей вечного двигателя. В первых прототипах колесо вращалось только в одну сторону, и, чтобы его остановить, требовалось приложить значительные усилия, в поздних — вал мог крутиться в любом направлении и останавливался довольно легко. Любая из конструкций Бесслера не просто находилась на энергетическом самообеспечении. Энергии хватало и на то, чтобы выполнять какую-нибудь работу: например, поднимать тяжести. 

В 1727 году его служанка заявила, что все механизмы Бесслера приводились в движение вручную. Позднее показания служанки были признаны недостоверными, но репутация изобретателя была безвозвратно загублена. В последующие годы все попытки изобретателя продать свое творение, замаскировав его под более привычные для обывателя устройства (самоиграющий орган, неиссякающий фонтан и т. д.), но эта хитрость успеха не имела.  

Был ли Бесслер мошенником, гениальным инженером или безумцем, наверное, уже не узнать. Принципы действия его двигателей точно не известны. Тем не менее, и сегодня многие верят, что Иоганну Бесслеру удалось в начале восемнадцатого века построить вечный двигатель, тайна которого канула в лету вместе со своим создателем.

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

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

Примерно в то же самое время, в первой половине XVII в., известный астроном и член ордена иезуитов Христофор Шейнер сделал важное открытие — он обнаружил пятна на поверхности Солнца. Однако для нас более интересным представляется его сочинение «Комментарий к основаниям гномоники», изданное в Ингольштадте в 1616 г. В нем автор описывает оригинальную идею еще одного перпетуум мобиле, которому он дал громкое название «шейнеров гномон в центре мира». Постоянное движение гномона Шейнер обосновывал следующим образом. Произвольная точка, выбранная в качестве центра мира, одновременно будет являться и центром гравитации. Если раскрутить рычаг с перпендикулярно установленным на одном его конце гномоном так, чтобы свободный конец рычага проходил через этот центр гравитации, вся система придет в непрерывное вращение, потому что сила, притягивающая гномон с рычагом к центру гравитации, будет одинаковой во всех точках траектории.

*Гномон — древнейший  астрономический инструмент —  вертикальный столб на горизонтальной  площадке, служивший для измерения  момента полдня и направления  полуденной линии (т.е. меридиана)  в данном месте.

 


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


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


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

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

Против ошибочных  взглядов Клеменса Септимуса выступил его друг итальянский физик Альфонсо Борелли. В опубликованном в 1670 г трактате «О естественном движении и подвешенных грузах» он подробно описывает машину Клеменса, категорически отрицая возможность ее работы с циклическим движением шаров по замкнутому пути мы уже сталкивались в вечных двигателях Марграфа и Гролье. Несколько иной внешний вид имеет перпетуум мобиле Вильгельма Шреттера.

Источником движущей силы здесь является, с одной стороны, совокупность шаров, обращающихся в  системе колес K, расположенных в  камерах A и B, а с другой — система  трех рычагов X, Y, Z с грузами на концах. Оба этих механизма связаны зубчатой передачей, размещенной в левой  части корпуса — в камере C

Опытная модель перпетуум мобиле Джорджа Филиппса из Аллеганы (штат Калифорния), на разработку которого изобретатель потратил год напряженного труда. В полости четырех стержней, образующих крест, вставлены передвижные грузы, связанные специальными тягами с четырьмя шарами; при этом вся система якобы должна была непрерывно вращаться вокруг центральной обоймы в направлении, указанном стрелкой. Однако после многочисленных безуспешных попыток привести эту машину в движение автор совершенно отказался от работы над нею.

 
 


Весьма просто представлял себе свой вечный двигатель  и Ф. Г. Вудворд, который считал, что полое кольцо, вставленное между двумя свободно вращающимися цилиндрами, обязательно будет находиться в непрерывном движении. При разработке принципа действия своей машины автор, очевидно, исходил из условия асимметрии распределения массы кольца относительно точек его контакта с цилиндрами.

Машина, предложенная Генри Готцем из Нью-Олбани, относится к классу уже рассматривавшихся нами гидравлических перпетуум мобиле; упрощенная схема.

По существу она  представляет собой трубку круглого сечения, частично заполненную двумя  несмешивающимися жидкостями — ртутью и водой. При этом высоты водяного и ртутного столбов выбираются обратно  пропорциональными удельным весам этих жидкостей. Через обе жидкости в указанном стрелкой направлении движется система полых тонкостенных металлических шаров. Вес столбика шаров, опускающихся вниз по наклонному колену трубки, вдавливает нижние шары под поверхность ртути, а оттуда через изгиб трубки заставляет их продвигаться в вертикальный канал с водой, где они поднимаются на поверхность под действием архимедовой выталкивающей силы. Возникающее таким образом непрерывное движение шаров Готц собирался передавать на лопаточное колесо, связанное со шкивом. При расчете этого устройства автор пришел к выводу, что каждый шар должен весить строго 4,5 кг, — именно в этом случае результирующая сила, определяемая весом столбика опускающихся шаров за вычетом архимедовой силы, могла бы, по мнению изобретателя, последовательно проталкивать каждый шар через заполненное ртутью колено трубки.