Конспект урока : "Вечный двигатель"

МКОУ Октябрьская средняя общеобразовательная школа

Разработка урока физики на тему : «Вечный двигатель»

в 7 классе.

Время проведения: 2014

Составитель: В.В. Акулова

Учитель физики 1 кв. категория

п. Октябрьский

2014г

ЦЕЛЬ: показать практическое действие закона сохранения энергии на примере истории создания вечных двигателей.

ЗАДАЧИ:

• Рассказать историю создания вариантов вечных двигателей;

• Разобрать на конкретных примерах , почему не будет работать вечный двигатель;

• Научить на примерах решении задач определять действие закона сохранения энергии.

ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: картинки с изображением моделей вечного двигателя.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Бродянский В.Н. Вечный двигатель – прежде и теперь. От утопии к науке, от науки – к утопии. М. Энергоатомиздат. 1989.

2. Блудов М.И. Беседы по физике. ч.1. М.Просвещение. 1984.

3. Михал. С. Вечный двигатель вчера и сегодня.. перевод с чешского. М.Мир. 1984

ХОД УРОКА.

Из истории создания вечных двигателей .

«Каждое научное направление имеет свою собственную часто недостижимую и призрачную цель, но на пути к ней добывает другие, весьма полезные знания. Так, химия имеет свой философский камень, геометрия - квадратуру круга, астрономия - фантастические расстояния, механика -перпетуум мобиле. Открыть все это невозможно, но искать -весьма полезно». Фонтенель.

Идея об устройстве, которое могло бы приводить в движение машины, не используя ни мускульную силу людей и животных, ни силу ветра и падающей воды, возникла впервые в Индии в 12 веке. Так индийский поэт, математик и астроном Бхаскара ( 1114-ок1185) в своем стихотворении, датируемом примерно 1150 годом, описывает некое колесо с прикрепленными наискось по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Принцип действия этого двигателя был основан на различии моментов сил тяжести, создаваемых жидкостью, перемещавшейся в сосудах, помещенных на окружности колеса. Бхаскара основывает вращение колеса весьма просто: «наполненное таким образом жидкостью колесо, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе»

Следует отметить, что модели вечного двигателя, созданного в те времена включали в себя рычаги, которые закреплялись на окружности колеса, вращавшихся вокруг оси. Выбор этих элементов логически вытекал из того факта, что самыми доступными и наиболее глубоко исследованными в те времена областями науки были механика твердых тел и механика жидкостей.

Двигатели, основанные на действии силы тяготения

Однако практический интерес к этой идее проявился в средневековых городах Европы в 13 веке. Это не было случайным; универсальный двигатель, способный работать в любом месте, был бы очень полезен средневековому ремесленнику. Он мог бы приводить в действие кузнечные меха, подававшие воздух в горны и печи, водяные насосы, крутить мельницы, поднимать груз на стройках. Говоря современным языком, создание такого двигателя позволило бы сделать существенный шаг и в энергетике, и в развитии производительных сил в целом. Средневековая наука не была готова к тому, чтобы хоть как-то помочь этим поискам. Привычных нам представлений, связанных с энергией и законами ее превращений, в то время не было. Естественно поэтому, что люди, мечтавшие создать универсальный двигатель, опирались прежде всего на то вечное движение, которое они видели в окружающей природе: движение Солнца, Луны и планет, морские приливы и отливы, течение рек. Такое вечное движение называлась «perpetuum mobile naturae» - естественное, природное, вечное движение. Существование в природе такого вечного движения со средневековой точки зрения неопровержимо свидетельствовало о возможности создания и искусственного вечного двигателя – «perpetuum mobile artificae». Надо было только найти способ перенести существующие в природе явления на искусственно созданные машины. В результате переноса слово « perpetuum» ( вечный) приобрело в этом термине несколько иной смысл. Применительно к технике оно уже означало не «бесконечный» , а скорее «непрерывный», « постоянно действующий». Было очевидно, что любая машина, созданная человеком, не вечна, она в конце концов неизбежно износится. Но пока двигатель существует- он должен постоянно действовать. Постепенно слова « perpetuum mobile» и дожило до наших дней, последнее слово постепенно исчезло, так как ясно было, что оно означает искусственное устройство. Для краткости пишут – ppm.

Представление о вечном двигателе со временем существенно менялось в соответствии с развитием науки, в частности физики, и задачами, которые возникали перед энергетикой.

В первый период развития ppm изобретатели не понимали разницы между вечным движением небесных тел и связанных с ним явлений ( например, морских приливов) и тем движением, посредством которого они хотели производить работу в двигателях. Как это ни покажется странным, вопрос о том, откуда должна

Первым европейцем, автором идеи «самодвижущейся машины», т.е. вечного двигателя, согласно имеющимся данным, считается средневековый французский архитектор Вийяр д^,Оннекур родом из Пикардии, - известный строитель кафедральных соборов и создатель целого ряда интересным машин и механизмов. Его основные технические идеи дошли до наших дней в виде альбома с эскизами 33 устройств. На одном из этих эскизов изображена схема ppm. Она схожа со своими арабскими предшественницами, только вместо сосудов с ртутью по ободу колеса расположены 7 деревянных молоточков.

Спустя почти четверть столетия после появления проекта Вийяра совершенно иная система ppm была предложена французским ученым Пьером де Марикуром, который исходил из эффекта силы тяжести, под влиянием которой откидывались противовесы или переливалась ртуть в размещенных по ободу колеса сосудах и действием магнитных сил, которые были мало изучены в то время.

Эпоха Возрождения тоже не обошла своим вниманием вечный двигатель. Среди ученых того времени не обошел своим вниманием ppm Леонардо да Винчи. Он жил и работал во время расцвета науки и искусства. Был выдающимся художником, скульптором, архитектором, ученым, инженером. Будучи самоучкой он рано осознал бесполезность идеи создания вечного двигателя и все свои старания приложил к созданию практически применимых и нужных человеку машин. На страницах его рукописей в его рисунках и чертежах содержится масса замыслов и идей, которые спустя много времени привели к настоящей революции в промышленности. Он понимал, что пока машина не заработала, она мертва. Именно поэтому, развитие процесса он видел в реально существующей и работающей машине. Поэтому Леонардо не много времени уделял ppm. Он никогда не приступал к проектированию, не создав ее полную теорию. Например, он теоретически разработал схему вертолета, но прежде изучил анатомию птиц, характер их полета. Затем рассчитал длины плеч и сил и пришел к выводу, что человеческие руки слишком слабы, чтобы опираться о воздух с помощью крыльев.

Против работ самого Леонардо да Винчи неоднократно выдвигалось следующее возражение: если он был настолько гениален, то почему не осуществил на практике свои обширнейшие планы создания летающих машин, водяных и паровых турбин, текстильных автоматов и множества других устройств? Почему большая часть этих идей осталась лишь на страницах его рукописей, хотя многие из предложенных им проектов вполне могли бы продвинуть мировую технику на десятки или даже сотни лет вперед? Думается, что сам он ответил бы на подобные вопросы примерно так: «Изучая труд ремесленников, я увидел в нем много несовершенства. Поэтому, когда люди научатся хорошо обрабатывать металлы, когда они наконец откроют все основные законы механики, только тогда они познают цену идей, содержащихся в моих чертежах. И только тогда, оценив мои замыслы, они смогут создать новые машины, которые во много раз превзойдут все то, что когда-то было предложено мною».

Механические двигатели

В ту пору, когда Галилей пытался доказать вращение Земли, в Европе появлялись все новые изобретатели, имена которых со временем стёрлись в памяти человечества, точно так же, как были забыты и их изобретения, которыми эти люди удивляли когда-то современников. Механизмы их машин хотя и поражают тщательностью исполнения, но в большинстве своем состоят из стандартных элементов и лишь изредка отличаются особой оригинальностью или принципиальной новизной. Часто окутанные таинственными легендами, такие устройства вносили оживление в однообразие человеческой жизни, побуждая людей к совершенствованию собственных технических навыков и развитию творческой фантазии. Если только изобретателю удавалось ловко укрыть внутри своей таинственной машины приводной механизм (как правило, он представлял собой обычную часовую пружину), стремительно распространялась весть о том, что где-то, скажем при дворе Людовика XVI, создан и демонстрируется публике новый вечный двигатель. К тому же обыватели в большинстве своем не видели особой разницы между фигурными механическими автоматами и перпетуум мобиле, а потому в качестве вечных двигателей часто рассматривались даже машины с плохо скрытым приводом.

Ранняя история развития науки и техники часто изобиловала как настоящими изобретениями, так и мошенничествами. Однако если для алхимиков откровенная неудача грозила потерей имущества, положения или даже самой жизни, то для тех, кто хотел изобрести вечный двигатель, речь шла только об известности и славе. Философский камень и вечный двигатель одновременно оказались основными целями усилий постепенно формировавшейся светской науки. Однако только идея перпетуум мобиле смогла достаточно долго преодолевать те ловушки, которые выставляли на ее пути время и растущие знания человечества. И хотя общество давно смирилось с тем, что философский камень навсегда останется нерешенной проблемой алхимии, мысль о вечном двигателе все еще продолжала волновать сознание людей.

Так, известный механик середины XVII в. 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 м 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.

Гидравлические двигатели

Один из неписаных законов жизни утверждает, что авторы самых важных открытий и изобретений часто остаются безвестными -время уносит имена этих людей раньше, чем окружающие успевают заметить их свершения. Вот уже тысячи лет вертятся лопатки водяного колеса -замечательнейшей машины давнего прошлого, машины, сопровождавшей развитие цивилизации с самого начала ее зарождения до настоящего времени. Тысячи мельниц, пил и насосов приводил в действие этот двигатель, который наряду с мускульной силой человека и животных столетиями являлся единственным реальным

источником их двигательной силы. Правда, несмотря на свою простоту, водяное колесо обладало и существенным недостатком-оно нуждалось в достаточном количестве проточной воды вне зависимости от времени года. Должно быть, именно поэтому большой популярностью пользовалась идея работы водяного колеса в замкнутом цикле, что позволило бы сделать

его независимым от изменчивых водяных потоков и тем самым обеспечить более широкое его использование. Слабость же этой идеи заключалась в том, что оставалось неясным, как доставлять воду обратно, к лотку, питающему лопатки водяного колеса.

Проект гидравлического перпетуум мобиле, представляет собой нечто среднее между трехступенчатым водяным колесом и турбиной в тройном каскаде, сидящими на общем наклонном валу. Внутри этого вала размещался архимедов винт, поднимавший воду из нижнего резервуара на лопатки самого верхнего колеса.

Перпетуум мобиле, должно было работать в соответствии с законом Архимеда о подъемной силе в жидкостях. Главной частью первого из них, является вращающийся вокруг горизонтальной оси барабан с наглухо закрытыми торцами, внутри которого располагались две взаимно перпендикулярные перекрещивающиеся тяги с насаженными на них большими пробковыми шарами. На внешних концах этих тяг, пропущенных сквозь боковую поверхность барабана через водонепроницаемые вводы, укреплялись металлические грузы. При этом пробковые поплавки должны были отклонять тяги в соответствующем направлении, что обеспечивало бы

необходимое неравновесие сил, приводившее барабан в непрерывное и равномерное вращение.

Очень простым по устройству представляется и гидравлический перпетуум мобиле. Погруженная в воду часть деревянного барабана, согласно закону Архимеда, подвергается действию выталкивающей силы. Автор этого проекта исходил из предположения, что если эта выталкивающая сила окажется больше силы трения в оси барабана, то барабан будет непрерывно вращаться в направлении, указанном на рисунке стрелкой. В действительности же движения не будет вообще, поскольку архимедова сила будет направлена не вверх, а перпендикулярно к поверхности барабана.

Авторы проектов механических и гидравлических перпетуум мобиле всегда оказывались в затруднении при решении вопроса о доставке грузов или жидкости назад, в исходное положение, что позволяло бы обеспечить непрерывность рабочего цикла их машин.

Двигатели, работа которых основана на магнетизме.

Допуская поначалу возможность работы этого перпетуум мобиле, критики за тем выступает против изобретения с вескими возражениями. Вряд ли кто может поверить, что стальной шарик способен катиться наверх по наклонному желобу из немагнитного материала, притянутый естественным магнитом, расположенным на верхней площадке устройства. Даже если бы такое движение каким-то образом и возникло, было бы совершенно нелогичным считать, что шарик, вместо того чтобы продолжать прямолинейно двигаться дальше, проваливался бы в отверстие прямо перед магнитом и по вогнутому нижнему желобу возвращался бы к тому месту, откуда началось его движение. Почему шарик, подымающийся по наклонной плоскости, вновь задавал критик, должен упасть вниз, если магнит притягивает его все сильнее и сильнее? Если бы он проваливался вниз из-за того, что его вес вблизи верхнего отверстия преодолевал бы притягивающую

силу магнита, то как оказалось бы потом, что шарик вновь стал бы подниматься наверх в нижней части наклонной плоскости, где влияние силы притяжения магнита много меньше, чем у ее вершины?

Несмотря на все ухищрения изобретателей, эксперименты с магнитными силами никак не приводили к желаемому результату, а именно к успешному решению проблемы перпетуум мобиле. Сущность магнетизма продолжала оставаться неясной, хотя некоторые толкования этого физического явления оказывались довольно близкими к истине.

Между тем жаркие споры по поводу вечного двигателя разгорались повсюду, между самими учеными, между учеными и церковью, пытались создать вечный двигатель алхимики и маги. Но закон сохранения энергии был непоколебим. Но в этих спорах был несомненный плюс, в них рождалась и становилась наука-физика.

Для изобретения вечного двигателя использовались многие физические явления: капиллярность, атмосферное давление, тепловое расширение тел, разность давлений и другие.

Подводя итоги рассмотрения самых разных примеров вечного двигателя, можно сделать вывод, что все они в конечном итоге основаны на принципе «произвожу нечто из ничего». Это нечто – работа, которую пытались получить изобретатели, неизбежно оборачивались ничем. Двигателю обязательно нужна была энергетическая подпитка.

Это и породило мошенничество.

Чарльз Рэдгофер, американец, начал свою карьеру в Филадельфии, где показывал вечный двигатель, приводивший в движение точильный камень. За вход он брал с мужчин солидную плату – 5 долларов, зато женщин пускал бесплатно. Когда городской совет Филадельфии заинтересовался его деятельностью, он счел за благо перебраться в Нью-Йорк, где продолжил с 1813 года демонстрирование своего двигателя. Идея машины была не нова – те же грузы и то же колесо, в котором они перекатывались. Это был обычный гравитационный двигатель с наклонными перегородками и шарами. Рэдгофер исправно собирал доллары с публики. Все шло хорошо, поскольку трудно было рассчитывать, что в то время появится среди зрителей, человек достаточно научно подготовленный, чтобы его разоблачить.

Но Рэдгоферу фатально не повезло. Надо же было такому случится, что его аттракцион посетил не кто иной, как Роберт Фултон, изобретать парохода. Примечательно, что он не хотел смотреть машину Рэдгофера, но друзья затащили его туда почти силой.

Известно, что Фултон был не только одним из самых образованных и квалифицированных инженеров своего времени, но и очень решительным человеком. По неравномерности движения колеса Фултон сразу понял, в чем дело. Не долго думая, он сразу же обвинил Рэдгофера в мошенничестве и сразу же начал разбирать кожух колеса, чтобы найти почему оно крутится. Изобретать начал было протестовать, но Фултон заявил, что оплатит ущерб. Тем самым он не только вызвал интерес у публики и ее поддержку, но и подвел некую основу под свои действия. Рэдфорд уже не мог его остановить. Был найден скрытый ременной привод, проходивший через стену и потолок на чердак. Когда толпа ворвалась в комнатенку, то увидела пожилого человека с длинной бородой, который жевал хлеб и вращал рукоятку. Вся цепочка «энергетических превращений» была раскрыта, и изобретать тут же на месте был наказан зрителями.

Рассмотрение моделей вечного двигателя

1. Через блок перекинута цепь (рис. 69, а, б). Свешивающаяся

правая часть цепи под действием силы тяжести переходит с

одного уровня на другой. Изобретатель уверен, что спущенная

часть может быть снова поднята вверх, если связать концы цепи.

Будет ли правая часть цепи перетягивать левую?

2. Два одинаковых шара уравновешены в воздухе на

коромысле весов. Если один шар опустить в сосуд с водой, то вода

будет выталкивать его и коромысло наклонится (рис. 69, в).

Изобретатель утверждает, что шар, выйдя на поверхность воды,

снова приобретет свой вес, снова будет опускаться в воду, а

коромысло вечно будет качаться. Проверьте проект на опыте и

найдите ошибку в проекте. Подумайте, не совершает ли этот

«двигатель» работу по преодолению силы трения и вязкости

жидкости.

3. Вытекающая из водопроводного крана вода (рис. 69, г)

должна создать в герметически закрытом водонапорном баке

пустоту. Автор убежден, что атмосферное давление будет вечно

пополнять убыль воды в баке.

4. Самозаводящиеся часы. При повышении температуры

окружающего воздуха жидкость в радиаторе и соединенном с ним

цилиндре будет расширяться и поршень, находящийся в

цилиндре, придя в движение, поднимет гирю часов. Подъем гири

не мешает ходу часов. Часовой механизм приводится в движение

опускающейся гирей (рис, 69, д).

5. Магнитный вечный двигатель. Железный шарик,

притягиваясь магнитом, поднимается по наклонной плоскости. Если в верхней части наклонной плоскости сделать отверстие (рис. 69, е), то шарик, провалившись через отверстие, упадет на желоб, скатится по нему и, обладая запасом кинетической энергии, снова попадет на наклонную плоскость, и так без конца.

6. Радиометр. В баллон с разреженным воздухом помещена вертушка из легких алюминиевых крылышек. С одной стороны крылышки покрыты черной краской (рис. 71). Если недалеко от этого баллона поставить источник яркого света или сильно нагретый предмет, то вертушка начнет вращаться. Можно ли радиометр считать вечным двигателем?

Подведение итогов урока.