Вечные двигатель: история проблемы

Схемы сухих водяных мельниц, создававшихся по принципу гидравлического перпетуум мобиле, так никогда и не были реализованы на практике. Об этом свидетельствует целый ряд проектов, отличающихся друг от друга лишь некоторыми деталями конструкции. В попытках увеличить количество воды, подаваемой к верхнему лотку колеса, авторы подобных проектов часто прибегали к объединению двух или более архимедовых винтов. Гидравлическим перпетуум мобиле с архимедовым винтом занимался также английский епископ Джон Уилкинс, подробно описавший его в своем сочинении «Математическая магия», опубликованном в 1648 г. Еще один проект гидравлического вечного двигателя, 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. Чтобы выяснить всю несостоятельность этих проектов, проанализируем кратко работу водяного колеса и проведем примерную оценку его энергетического баланса. Рассмотрим сначала водяное колесо с подачей воды сверху — этот единственный гидравлический двигатель, в котором непосредственно используется потенциальная энергия падающей воды. Действительно, находящаяся в верхнем лотке вода падает в ковши рабочего колеса и своей тяжестью заставляет их двигаться вниз до тех пор, пока колесо не повернется примерно на пол-оборота и вода не выльется в отводящий канал. Диаметр водяных колес обычно выбирался приблизительно равным высоте используемого перепада уровней. Следовательно, в случае значительных перепадов водяное колесо теряло ряд своих преимуществ, поскольку оно становилось слишком большим и тяжелым. Мощность, развиваемая колесами водяных мельниц и пил, составляла обычно от 3,5 до 11 кВт при перепаде от 3 до 12 м и секундном расходе воды порядка 0,1-0,8м3. При этом колесо всегда располагалось строго над поверхностью воды в отводном канале, с тем чтобы при повышении уровня в нем нижний край колеса не оказывался бы в воде. Именно это обстоятельство не позволяло полностью использовать всю потенциальную энергию воды, определявшуюся теоретически только разностью высот верхнего и нижнего уровней. Общая сумма потерь даже у тщательно изготовленного водяного колеса с верхней подачей воды достигала примерно 20%, так что коэффициент полезного действия такого колеса никогда не превышал 80%. В эту цифру не включены, однако, потери энергии в передаточном механизме, представляющем собой необходимый элемент каждого двигателя. Таким образом, после подсчета всех потерь и пассивных сопротивлений собственно колеса и передаточных звеньев коэффициент полезного действия всего устройства падает уже до 50-60%; эффективность же колес с подачей воды на среднем и нижнем уровне оказывается еще более низкой. В случае использования водяного колеса в качестве движущего элемента перпетуум мобиле, приводимое им в действие перекачивающее устройство должно было доставлять к верхнему лотку ровно такое же количество воды, которое в тот же самый момент вытекало на лопатки самого колеса. Даже если при этом не учитывать потери в перекачивающем насосе, то потребляемая насосом мощность должна в точности соответствовать потенциальной энергии воды, которая определяется упомянутой разностью верхнего и нижнего уровней и которую никакое водяное колесо полностью использовать не может. Это обстоятельство уже само по себе доказывает, почему не может существовать сухая водяная мельница с замкнутым круговоротом воды.

К аналогичному выводу еще в 1724г. пришел Якоб Леупольд, подробно рассматривавший этот вопрос в своей книге «Всеобщий театр машин», изданной в Лейпциге; свою отрицательную точку зрения на подобные устройства он выразил следующими словами: «Один фунт (т.е. груз) способен удержать другой фунт в равновесии, но никогда не сможет привести его в движение».

V МНИМЫЕ ВЕЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Сегодня, по-видимому, уже никто не сомневается, что энергия перемещения масс воздуха, равно как и энергия, определяемая изменениями температуры и барометрического давления, ничего общего не имеет с теми тайными силами, которые, как считалось в прошлом, являлись причиной вечного движения, даже если источником этих сил оказывалась сама природа Земли или целая Вселенная. Естественно, что колебания температуры внешнего воздуха зависят от солнечного излучения; с изменениями этой температуры в свою очередь тесно связаны характер перемещений атмосферных масс и изменения барометрического давления. Однако же все эти процессы происходят лишь благодаря тому, что Солнце постоянно посылает на поверхность Земли все новые и новые порции энергии. Эта энергия (которую мы будем называть латентной, поскольку для многих исследователей прошлого она действительно оставалась тайной) очень часто оказывалась тем источником, к которому сплошь и рядом обращались изобретатели и сторонники перпетуум мобиле. Их устройства, черпавшие необходимую для своей работы энергию из этого латентного источника, во многих случаях функционировали достаточно успешно, что побуждало общественное мнение рассматривать эти машины как убедительное доказательство осуществимости вечного движения в условиях Земли. Неправильное понимание, а иногда и просто полное незнание принципов работы этих устройств приводили к новым попыткам решения проблемы перпетуум мобиле и постройке дальнейших вариантов этих машин.

В 1815 году в «Еженедельном вестнике искусств и ремесел королевства Баварии» появилось сообщение о новом перпетуум мобиле, автором которого был некий Рамис из Мюнхена. Этот перпетуум мобиле, полное описание которого приводит Иоганн фон Поппе в уже упомянутой нами книге, по существу представлял собой электрический маятник, который качался на опоре, помещенной, между сферическими электродами двух электрических элементов Замбони, вставленных внутрь стеклянных столбиков. Верхнее удлиненное плечо маятника оканчивалось стеклянной палочкой с металлическим шариком на конце. При касании сферического электрода одного из элементов на шарик переходила небольшая часть его электрического заряда. Поскольку тела, несущие на себе одноименные заряды, отталкиваются, маятник отклонялся в другую сторону, где шарик притягивался электродом противоположной полярности, который в свою очередь забирал его заряд, и весь процесс повторялся вновь в обратном направлении. С помощью удачных усовершенствований конструкции Рамису удалось использовать этот способ для приведения в действие маятниковых часов, которые благодаря энергии, запасенной в электрических элементах, могли идти очень долгое время.

После Рамиса созданием аналогичных часов занимался также Карл Стрейциг из Вероны. Отметим, что эти перпетуум мобиле не были совершенно оригинальными — как справедливо указывалось в тогдашней литературе, оба они основывались на идее весьма популярного в то время физического прибора-электроскопа, известного со времен самых ранних опытов с электричеством.

Еще одна значительная часть мнимых перпетуум мобиле получала необходимую для своей работы энергию в результате изменений барометрического давления. Одним из самых старых проектов подобного рода был барометрический вечный двигатель англичанина Кокса, относящийся к 70-м годам XVIII в. Внешний вид этого перпетуум мобиле, подробно описанного в «Геттингенском вестнике ученых» за 1775 г. Принцип действия этого устройства основывался на известном опыте Торричелли с заполненной ртутью трубкой. Главной частью машины Кокса являлся большой сосуд, в который было налито 200 кг ртути; его подвешивали на цепях и с помощью системы блоков уравновешивали специальным грузом. В этот сосуд с ртутью погружалась длинная стеклянная трубка с запаянным верхним концом, которую изобретатель перед запаиванием также наполнял ртутью до самого верха. При падении барометрического давления уровень ртути в трубке понижался, и часть ее вытекала в сосуд, который, утяжеленный весом вытекшей ртути, начинал опускаться; далее это движение передавалось на заводное колесо пружины часового механизма. Если атмосферное давление повышалось, тогда, наоборот, некоторое количество ртути выталкивалось обратно в трубку и противовес возвращал сосуд в исходное положение. Небольшого изменения давления внешнего воздуха оказывалось достаточно для завода часовой пружины на восьмисуточный запас хода.

Этот барометрический перпетуум мобиле привлек пристальное внимание английского ученого Фергюсона. Так, еще в 1774 г. он писал об этом устройстве:

«Я осмотрел вышеописанные часы, которые приводятся в непрерывное движение подъемом и опусканием ртути в своеобразно устроенном барометре. Нет основания полагать, что они когда-нибудь остановятся, поскольку накопляющаяся в них двигательная сила могла бы обеспечивать их ход в течение целого года даже после полного устранения барометра. Должен сказать со всей откровенностью, что, как показывает детальное знакомство с этими часами, по своей идее и исполнению они являются самым замечательным механизмом, какой мне когда-либо случалось видеть».

В так называемых автодинамических часах, сконструированных во второй половине прошлого столетия австрийским инженером Лёсслем, принцип работы «вечного» приводного устройства заключался в следующем. Автор соединил два металлических меха, выполненные в форме цилиндров, с толстостенным резервуаром, вмещавшим 500 литров воздуха. При изменениях атмосферного давления эти меха растягивались или сжимались — максимальное же изменение длины мехов достигало 12 см. Этого изменения длины оказывалось достаточно, чтобы обеспечить завод пружины довольно крупных часов для непрерывного их хода в течение 80 дней.

В 1751 г. известный французский часовщик Ле-Плат из Нанси построил оригинальные «вечные» часы: он взял обычные маятниковые часы и повесил их на стену со скрытым в ней воздушным каналом, сообщавшимся с комнатой через специальное отверстие. Когда двери в комнату открывались, более теплый, а потому и более легкий воздух из комнаты начинал проходить через канал в стене, выталкиваемый более холодным и более тяжелым наружным воздухом. На пути протекающего в канале воздуха Ле-Плат установил небольшую крыльчатку, приводившую во вращение передаточный механизм, который в свою очередь обеспечивал поднятие свинцовой гири часов.

Завод пружин хронометрических устройств с помощью протекающего воздуха, как это описал в 1755 г. Ле-Плат в своем «Трактате о часовом деле», являлся излюбленным приемом того времени, привлекавшим внимание многих исследователей. Подобные часы, построенные по принципу «сквозняка» (их, кстати, тоже часто принимали за перпетуум мобиле), устанавливались во многих общественных местах, например, на Северном вокзале в Брюсселе.

К несколько иному способу прибегнул в 1682 г. Иоганн Иоахим Бехер: для завода часового механизма он использовал дождевую воду, стекавшую по крыше его дома. Через год он построил еще один самодвижущийся механизм, непрерывно работавший за счет изменений температуры окружающего воздуха. Об этом устройстве Бехер писал: «...своим термоскопом я могу заводить небольшие маятниковые часы, причем они будут идти так долго, пока у них что-нибудь не сломается...».

При чтении раздела о мнимых вечных двигателях, естественно, может возникнуть вопрос, не выгодно ли создавать по этому принципу крупные машины, которые можно было бы использовать, например, в промышленном производстве. И хотя совершенно ясно, что речь идет не о «настоящих» вечных двигателях, в современных условиях острой нехватки энергетических ресурсов энергия, полученная таким способом из окружающей среды, могла бы оказаться ценным подспорьем для человечества. В связи с этим попробуем хотя бы приблизительно подсчитать экономичность работы такой машины и затраты, связанные с ее изготовлением. Из опыта известно, что для суточного завода обычных ручных часов требуется работа, равная примерно 0,4Дж, что составляет около 5.10-6 Дж на каждую секунду хода часов. А поскольку 1кВт равняется 1000Дж/с, то мощность пружины нашего часового механизма составляет всего 5.10-9 кВт. Если расходы на изготовление основных частей описанного выше устройства, действующего по принципу теплового расширения, принять равными 0,01 рубля, то за машину мощностью 1кВт нам пришлось бы заплатить 2 млн. рублей. Конечно же, создание и использование таких дорогих источников энергии в широком масштабе абсолютно нерентабельно.

Одним из современных примеров мнимых перпетуум мобиле являлась популярная в послевоенные годы игрушка — стилизованная фигурка пьющей           утки (рис. 2). Туловищем утки служила стеклянная трубочка, верхний конец которой заканчивался шариком в виде утиной головы с клювом. Нижний конец трубочки был погружен в небольшой запаянный сосуд, наполненный эфиром. При этом эфир выбирался потому, что он легко испаряется уже при комнатной температуре и, кроме того, с изменением температуры резко меняется давление его насыщенных паров. Для того чтобы «оживить» утку, следовало лишь слегка смочить ее головку и поставить игрушку перед стаканом с водой. При этом утка, наклоняясь вперед, погружала свой клюв в воду, потом откидывалась назад, в вертикальное положение, снова наклонялась, окуная клюв в воду, и т.д.

Секрет действия этой игрушки легко понять, если посмотреть, как ведут себя пары эфира в двух местах — в трубочке с головкой и в нижнем сосуде. Так, если увлажнить головку утки водой, то вследствие испарения температура головки упадет ниже температуры окружающего воздуха. Для усиления этого эффекта на головке обычно укрепляется кусочек какого-либо пористого материала, например, ваты, который хорошо впитывает воду и интенсивно ее испаряет. В результате охлаждения головки давление насыщенных эфирных паров в ней падает, и эфир под действием паров в нижней части трубочки поднимается вверх. При этом центр тяжести фигурки перемещается по направлению к голове, и утка постепенно наклоняется вперед. В то же время при горизонтальном положении туловища-трубочки происходят два независимых процесса. Во-первых, утка опускает клюв в воду, так что ватный хохолок на ее головке вновь увлажняется. Во-вторых, насыщенные пары из верхней и нижней частей смешиваются, давление их выравнивается, и жидкий эфир под действием собственного веса вновь вытекает в нижний сосуд, в результате чего тело утки опять начинает выпрямляться. Весь цикл качаний этой игрушки будет повторяться до тех пор, пока головка утки будет увлажняться и пока окружающий воздух сам не окажется слишком влажным, с тем чтобы вода из хохолка могла нормально испаряться и охлаждать головку утки. Понятно, однако, что и в этом случае речь идет вовсе не о реальном перпетуум мобиле, поскольку постоянные качания утки происходят только благодаря тому, что в процессе этих качаний она отбирает тепло из окружающего воздуха.

Из приведенных примеров видно, что некоторые явления природы, по крайней мере внешне, оказываются в противоречии с повседневным опытом человека, — именно это обстоятельство являлось одной из причин возникновения иллюзий о возможности использования при создании вечных двигателей скрытых природных сил. Например, опыты с различными видами радиоактивных излучений, получившие широкое распространение в конце прошлого столетия, взбудоражив фантазию многих изобретателей, послужили мощным импульсом к созданию многочисленных проектов перпетуум мобиле, приводившихся в действие этими невидимыми лучами. Отметим, что в небольших масштабах для этих же целей некоторыми изобретателями использовалась энергия солнечного излучения.