Вечные двигатели

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МОНАСТЫРЩИНСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА ИМЕНИ А.И. КОЛДУНОВА

«Вечные Двигатели»

Проект выполнил ученик

10 класса Вейсал Рамил

Научный руководитель

Ермакова Наталья Викторовна

Введение

• Давно известно, что идея вечного двигателя неосуществима, однако она очень интересна и познавательна с точки зрения истории развития науки и технологий. Ведь в поисках вечного двигателя ученые смогли лучше понять основные физические принципы. Более того, изобретатели вечного двигателя являются яркими примерами для изучения некоторых аспектов человеческой психологии: изобретательности, настойчивости, оптимизма и фанатизма.

Цель

• Опровергнуть существования вечного двигателя

Понятие Вечный Двигатель

• Вечный двигатель  (perpetuum mobile, perpetual motion machine) – устройство, основанное на механических, химических, электрических или иных физических процессах. Будучи запущенным единожды, он сможет работать вечно и остановится только при воздействии на него извне.

• Вечные двигатели делятся на две большие группы.
• Вечные двигатели первого рода не извлекают энергию из окружающей среды (например, тепло), при этом физическое и химическое состояние его частей также остается неизменным. Машины такого рода не могут существовать исходя из первого закона термодинамики.
• Вечные двигатели второго рода извлекают тепло из окружающей среды и превращают его в энергию механического движения. Такие устройства не могут существовать исходя из второго закона термодинамики.
• Сегодня мы уже не можем ограничиваться лишь механикой (ведь есть электричество, магнетизм и т.д.), поэтому появились две категории вечных двигателей. Первые из них являются естественными (perpetuum mobile naturae), а вторые физическими, или искусственными (perpetuum mobile physicae).
• Планеты миллиардами лет вращаются вокруг Солнца, являясь примером вечного движения. Это было подмечено еще очень давно. Естественно, ученые хотели повторить эту картину Божьего творения в уменьшенном масштабе, за что часто считались еретиками и становились жертвами инквизиции. В то же время, иезуиты придавали вечному двигателю огромное значение и тайно работали над его созданием.

Механический вечный двигатель

• Археологические изыскания выявили, что в Древней Греции идея бесконечного движения не вызывала особого интереса. Знания греческих инженеров и ученых о механике были довольно обширны, об этом свидетельствуют некоторые находки (например, механизм Герона). Естественных источников силы, как, например, водяных колес и труда рабов, было достаточно для нужд Греции. Конструкторская изобретательность была, в основном, направлена на создание механических игрушек и храмовых автоматов, создающих иллюзию самостоятельного движения. Было найдено всего несколько текстов 2000-летней давности с упоминанием вечного двигателя.

• На Востоке же идея вечного двигателя была распространена широко. Первое упоминание о вечном двигателе, сконструированным индийским математиком и астрономом Брахмагупта (Brahmagupta) относится к 624 году н.э. В своем труде «Brahmasphutasiddhanta» он описал вечный двигатель так: «Сконструировать из светлых пород дерева колесо с полыми равномерно распределенными спицами, заполнить спицы до половины ртутью и запечатать, поместить колесо на горизонтальную ось. В части спиц ртуть будет подниматься вверх, а в остальных спускаться, обеспечивая непрерывное движение».

Лалла (Lаlla), другой индийский астроном, в 748 году написал трактат «Sisyadhivrddhida Tantra», описывающий схожий механизм, отличающийся только формой полых спиц.

Около 1150 года очередной индийский математик и астроном Баскара (Bhaskara) в труде «Siddhanta Siromani» описал механизм с полыми трубками, расположенными по окружности колеса. Он писал: «Эта машина вращается с большой силой. Потому что ртуть с одной стороны ближе к оси, чем с другой». Очевидно, он думал, что такая конструкция постоянно выводит систему из равновесия, поддерживая вечное движение. Считается, что он так и не испытал свое устройство (как, впрочем, и многие другие изобретатели вечных двигателей).

• Начиная с 12 века основные принципы конструкции вечного двигателя модифицировались и объединялись, чтобы в конечном итоге стать частью истории технологий. Даже сегодня некоторые изобретатели обращаются к этим «несбалансированным колесам». Описанные конструкции несли в себе не только технический, но и религиозный, и философский смысл, как бы олицетворяя бесконечную смену времен года и реинкарнацию, поэтому многие храмы использовали эти символы. А сами вечные двигатели такой конструкции получили название индийских (в другой трактовке персидских или арабских).
• В Средние века около 1235 года архитектор Виллар де Оннекур (Villard de Honnecourt) заинтересовался идеей вечного двигателя и был озадачен неудачами своих современников. Чтобы показать их невежество, он нарисовал простую, но весьма оригинальную машину. Ее непрерывное движение обеспечивалось за счет нечетного количества подвижных увесистых молотков, прикрепленных к ободу колеса.

• Рассуждения Виллара довольно просты. Он ошибочно полагал, что всегда с одной стороны оси будут находится четыре молотка, а с другой три, создавая постоянный дисбаланс. Он не осознавал, что система в целом будет стремиться к статическому равновесию, когда с каждой стороны будут находиться по три молотка и один внизу. Поучительно, что и сегодня некоторые попадаются в эту ловушку.

• В эпоху Возрождения интерес к вечному двигателю был поистине огромен. Например, большое количество чертежей с описанием конструкции вечного двигателя было сделано архитектором Франческо ди Джорджио (Francisco di Georgio). Один из довольно неплохих вариантов мы видим на рисунке. Это гидроприводная мельница с дополнительной помпой. Машина использует непрерывную циркуляцию воды (рециркуляционная мельница). Поскольку извне вода не поступает, то такие механизмы иногда называют aqua morta, то есть «мертвая вода». Падающая вода запускает большое вертикальное колесо, которое посредством зубчатой передачи приводит в движение мельницу. Чтобы поднять воду вверх используются коленчатый вал и два рычага, скрепленных с осью колеса, приводящих в движение две помпы с цилиндрическими поршнями.

• Стоит сказать об инженере Агостино Рамелли (Agostino Ramelli)( 1531-1608), идеи которого актуальны и по сей день. В своем труде «Le diverse et artificiose machine» он описал механизмы, которые использовались уже после смерти их создателя, например, вентилятор. Рамелли был практиком, а потому не увлекся идеей вечного двигателя, поэтому он почти не упоминал о нем в своих трудах. В конструкции придуманной им мельницы есть устройство, оптимизирующее ее работу. И этим устройством является несбалансированное колесо. Однако ниже Ремелли гопорил : «Стоит упомянуть, что внутренняя часть колеса сделана мной лишь по просьбе джентльменов, решивших, что водяной поток не слишком быстрый, и это колесо должно помочь».

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.

Невозможность создания вечного двигателя

• Попытаюсь рассказать о законах природы, исключающих возможность создания перпетуум-мобиле.
• Постройте машину, которая совершала бы работу большую, чем сообщенная ей энергия, и вы решите проблему вечного движения.
• 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 изчезает. 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 энергиги, 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.