Вечный двигатель

Очень простым по устройству представляется и гидравлический perpetuum mobile , показанный на данном чертеже.

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. В самом деле, если разбить искривленную поверхность барабана на элементарно малые плоские участки и представить, что на каждый из этих участков действует элементарная выталкивающая сила, направленная к центру вращения колеса, то результирующая сила, будучи суммой элементарных сил, также окажется направленной к оси колеса. Понятно, что сила, действующая в радиальном направлении, не сможет вызвать никакого вращательного движения колеса.

Несколько непривычный вид имеет  гидравлический вечный двигатель, изображенный на рисунке ниже.

Основной его частью является равноплечее  коромысло с двумя шарнирно-подвешенными бачками на концах. Находясь в верхнем положении, один из бачков автоматически открывает отверстие в дне верхнего резервуара и наполняется вытекающей из него водой. Под тяжестью наполненного водой бачка плечо коромысла начинает опускаться до тех пор, пока бачок не коснется поверхности воды в нижнем резервуаре. При этом специальный неподвижный штырь открывает заслонку в самом бачке и выпускает из него воду в нижний резервуар. В тот же самый момент начинается аналогичный рабочий цикл для бачка на противоположном конце коромысла. Перекачивание воды обратно в верхний резервуар автор намеревался предоставить двум поршневым насосам, приводимым в действие самим коромыслом.

Особую группу гидравлических perpetuum mobile составляли устройства, в которых использовались известные законы капиллярного поднятия жидкостей. Мы довольно часто сталкиваемся с описанием вечного двигателя, в котором вода или масло поднимаются по капиллярам ткани фитиля в расположенный выше сосуд, далее по другому фитилю рабочая жидкость поднимается еще выше и т.д., пока наконец она не достигает самого верхнего сосуда, откуда и подается по желобу к лопаткам водяного колеса. Колесо поворачивается, жидкость стекает в нижний сосуд, и весь процесс капиллярного поднятия повторяется заново. Если бы мы на самом деле изготовили такое устройство, то оказалось бы, что лопастное колесо этой машины никогда не станет вращаться, поскольку в верхнем сосуде не окажется ни капли воды. Дело в том, что капиллярные силы хотя и позволяют преодолеть силу тяжести, поднимая жидкость в ткани фитиля, но они же и удерживают ее в порах ткани, не позволяя ей вытечь из них. Допустив тем не менее, что под действием капиллярных сил жидкость все-таки может попасть в верхний сосуд, мы одновременно должны считаться и с тем, что она точно так же может стекать по фитилю обратно в нижний сосуд.

В литературе очень часто упоминается  еще об одной попытке создания вечного двигателя, использующего  капиллярные свойства жидкостей, —  о вечном двигателе Вильяма Конгрева, подробно описанном Иоганном фон Поппе в его книге «Perpetuum mobile и искусство управления», изданной в Тюбингене в 1832 году. С точки зрения механики устройство экспериментальной машины Конгрева было очень простым

Она представляла собой надетую на три  ролика бесконечную замкнутую ленту  из пористого материала с цепочкой грузов, укрепленных по ее внешнему контуру. Автор предполагал, что  его машина будет работать следующим образом. При погружении всей системы в воду так, чтобы оба нижних ролика оказались ниже поверхности воды, погруженная часть ленты пропитается водой. При этом за счет капиллярных сил вода будет подниматься до определенной высоты и по передней, вертикальной части ленты. Грузы же на наклонной части ленты выдавят из нее воду, впитавшуюся в поры материала в то время, пока эта часть ленты находилась под водой. При выдавливании воды из наклонной части ленты нарушится равновесие сил, определяемых весом воды на вертикальном и наклонном участках ленты. Поскольку вертикальная часть ленты, не сдавливаемая грузами, сохранит впитавшуюся в поры воду и тем самым окажется тяжелее ровно на вес воды, поднятой в ней за счет капиллярных сил. Так, если в соответствии с приведенными рассуждениями вода на вертикальном участке ленты поднимется на 1 дюйм (2,54 см), то лента шириной и толщиной в 1 фут будет обладать тяговым усилием за счет пропитавшей ее воды, равным примерно 30 фунтам (133,4H). Если же лента придет в движение, в чем Конгрев абсолютно не сомневался, то поверхность воды в местах ее соприкосновения с лентой немного прогнется, в результате чего высота поднятия воды за счет капиллярных сил окажется несколько большей. Автор считал, что при высоте капиллярного поднятия около 5 дюймов движущая сила достигнет 150 фунтов (667 H), а при высоте 9 дюймов и окружной скорости движения ленты 13,7 м/мин эта сила возросла бы до 180 фунтов (801 Н). В этом случае машина Конгрева по своей производительности уже значительно превзошла бы возможности человека. Несмотря на свои утопические представления относительно увеличения размеров подобной машины, по сообщению «Лондонского журнала ремесел» за май 1827 г., автор сумел разработать вечный двигатель огромных размеров полезной мощностью 58,7 кВт.

Примерно  около 1640 г. неким А. Мартином были изобретены и построены знаменитые «гидравлические часы»,

Самодвижущийся  механизм этого устройства предназначался для вращения стрелок на циферблате часов. Находящаяся в герметически закрытом сосуде вода под действием капиллярных сил должна была подниматься по длинной, узкой, загибающейся наверху трубочке и вытекать из нее на лопатки водяного колеса. Уже при первом взгляде на схему «вечного» хронометрического устройства Мартина становится очевидным, что у его создателя также было несколько преувеличенное представление о возможностях капиллярных сил. Дело в том, что явление капиллярности основано на различии величины межмолекулярных сил между отдельными частицами жидкости и сил взаимодействия между этими частицами и твердой стенкой трубки. Именно результирующая этих двух сил определяет, что будет наблюдаться в капилляре: повышение или понижение уровня жидкости, т.е. так называемое капиллярное поднятие или капиллярная депрессия. Это явление ограничивается, однако, определенными рамками. Изобретатель, по-видимому, и не предполагал, что вода в узкой трубке поднимается лишь на такую высоту, при которой гидростатическое давление поднятого водяного столба не превышает величину капиллярных сил сцепления. Так, в стеклянной трубке с внутренним диаметром 1 мм вода, например, поднимется на 30, спирт — на 12, а эфир — на 10 мм.

Авторы  проектов механических и гидравлических perpetuum mobile 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. Вместе с тем на всех этих примерах мы могли убедиться, что пути, которыми шли многие из них, оказывались весьма извилистыми и с самого начала не сулили им много успехов. Большинство их экспериментов походило на блуждания в заколдованном круге, где одни изобретатели повторяли ошибки других в надежде оказаться более удачливыми.

Джамбаттиста Порта, знаменитый ученый, экспериментатор и изобретатель «волшебного фонаря», изучая устройство сифона, предложенного еще Героном Александрийским, пришел к идее нового вечного двигателя, который он намеревался использовать для перекачивания воды. Между тем его замыслы побудили архитектора Витторио Цонку заняться непосредственной разработкой проекта такого «сифонного» perpetuum mobile . Необъяснимое поведение жидкостей в сифоне (например, тот факт, что вода сама поднимается по одной трубке сифона, протекает через изгиб и через вторую трубку вытекает в расположенный ниже сосуд) дало повод к появлению нового понятия — так называемой боязни пустоты (horror vacui). Сам великий Галилей утверждал, что природа действительно боится пустоты. По его мнению, именно стремление воспрепятствовать возникновению безвоздушного пространства заставляет воду подниматься и опускаться в трубках сифона. В свое время анализу понятия вакуума посвятил часть своих философских рассуждений еще Аристотель. Так, он утверждал, что вакуум никогда не может появиться в природе, потому что для возникновения стремительного движения всегда необходим воздух, который бы сначала расступался перед телом, а затем опять смыкался за ним. Из учения Аристотеля, благодарно воспринимавшегося консервативно настроенными схоластическими кругами, постепенно и развилась средневековая теория «боязни природы перед пустым пространством», которая послужила основой многих фантастических попыток использовать эту «боязнь» в своих целях.

Известно, что работа, затрачиваемая на подъем жидкости в сифоне, производится давлением  воздуха, обусловленным разницей уровней  жидкости в сосудах, которые соединяют  оба колена сифона. В то же время  для того, чтобы жидкость могла протекать через сифон, максимальная высота его изгиба не должна превосходить высоту столба жидкости, уравновешиваемого давлением внешнего воздуха. Для ртути, например, эта высота при нормальном барометрическом давлении составляет 76 см, а для воды — около 10 м. Конечно, Джамбаттиста Порта всего этого мог тогда и не знать — ведь он был уверен, что с помощью своего «вечного» сифона сможет перекачивать воду даже через высокие горы.

Как мы уже упоминали, перенос этой идеи в область разработки perpetuum mobile впервые осуществил городской архитектор из Падуи Витторио Цонка. Правда, в отличие от Порты он вовсе не собирался строить гигантские сифоны для перекачивания воды через горные хребты. На рисунке ниже представлено изображение предложенной им сифонной мельницы с турбинным водяным колесом.

Работу  этой «сухой мельницы» Цонка представлял себе примерно так. После закрытия обоих концов трубы через отверстие в ее наивысшей точке трубу до самого верха заливают водой. Затем верхнее отверстие закрывается; при открытии же обоих нижних отверстий сифона в мельнице, по мнению автора, автоматически должно возникнуть установившееся течение воды.

В 1607 г., когда Цонка опубликовал  описание своего изобретения в книге  «Новый театр машин и сооружений», свойства барометрического давления практически еще не были известны. Впрочем, это следует уже из самого рисунка машины Цонки. Ведь если отверстие всасывающего колена сифона лежит ниже выходной горловины, то перекачка воды оказывается невозможной, даже если высота точки изгиба трубы удовлетворяет указанному ранее условию. Цонка попытался преодолеть возникшую перед ним трудность, расширив сечение трубы вблизи выпускной горловины в надежде, что увеличение массы воды, сосредоточенной в этой части сифона, увеличит всасывающий эффект в другом его колене.

Горняки и колодезных дел мастера в  своей работе часто сталкивались с эффектом «боязни пустоты», однако в своих рассуждениях они не считали полностью правыми ни Порту, ни Цонку, поскольку, например, оказывалось, что обычные поршневые насосы не в состоянии были выкачивать воду больше, чем с десятиметровой глубины. Сам Галилей признавал, что «боязнь пустого пространства» в природе имеет свои границы, определяемые «неспособностью водяного столба удерживать в трубе собственный вес». Только после его смерти Торричелли сумел раскрыть сущность этого явления, использовав в своих опытах с вакуумом вместо воды ртуть. При этом он экспериментально установил, что столбику ртути высотой в 76 см соответствует десятиметровый столб воды — это и была как раз та граница, которую не могли преодолеть копавшие колодцы мастера, не раз старавшиеся увеличить высоту всасывания своих насосов. При этом Торричелли указал, что не «страх» перед безвоздушным пространством, а давление окружающего воздуха удерживает ртуть или воду в запаянной наверху трубке с открытым нижним концом. Своим открытием Торричелли одновременно решил две проблемы: во-первых, он нанес тяжелый удар общепризнанной до того времени механике Аристотеля и, во-вторых, показал, насколько нереальными являлись представления Порты и Цонки по поводу мнимого «страха» природы перед пустотой с точки зрения создания perpetuum mobile .

К сожалению, неудачи в попытках построения вечных двигателей на основе использования  законов гидростатики и эффекта  капиллярности не являлись для сторонников гидравлических perpetuum mobile достаточно весомым аргументом в научных спорах. Исследованию подобных возможностей отдали дань даже некоторые известные ученые-физики. На схеме ниже приведен perpetuum mobile , предложенный знаменитым математиком Иоганном Бернулли -старшим.

Принцип действия этого вечного двигателя  основывался на использовании явления  осмоса — взаимной диффузии двух жидкостей, разделенных пористой стенкой. Устройство Бернулли не имело никаких движущихся частей — непрерывное движение обеспечивалось одной из использовавшихся в нем жидкостей. Главной и но существу единственной его частью являлся сосуд со вставленной в него стеклянной трубкой, нижний конец которой закрывался мембраной, пропускавшей через свои поры только более легкую жидкость. Автор предполагал заполнить сосуд тяжелой жидкостью B, а снабженную мембраной трубку — менее плотной жидкостью A. При этом длину трубки a и высоту жидкости b в сосуде он рекомендовал выбирать таким образом, чтобы выполнялось соотношение

b/a > 2В /(А+В).

По мнению автора, при выполнении этого условия более легкая жидкость проникала бы через мембрану из сосуда в трубку, в результате чего смесь  обеих жидкостей переливалась бы через верхний край трубки и вновь попадала в сосуд — весь этот процесс должен был продолжаться бесконечно. Сам Бернулли утверждал, что принцип, использованный им в этом устройстве, является, собственно, не его идеей, а чистой аналогией грандиозного естественного явления — круговорота воды в природе. С его точки зрения, природа сама доказывает возможность существования perpetuum mobile с замкнутым циклом влагооборота. Ведь именно в природе вода сама поднимается из глубин океана к поверхности и, испаряясь, выпадает потом на склоны гор, откуда через родники, ручьи и реки стекает обратно в океан. Морская же вода содержит много солей, следовательно, ее плотность больше, чем у чистой воды. Мембраной, или по существу гигантским фильтром, является здесь сама Земля, задерживающая в себе соли и пропускающая к родникам одну лишь чистую воду. Иоганн Бернулли -старший был не единственным, кто интересовался принципом двухжидкостного perpetuum mobile . Его современник, французский аббат Жан д'От-Фей, известный физик, механик и часовых дел мастер, исходя из тех же предположений, выбрал, однако, более сложный путь — создать вечный двигатель с использованием химической реакции. Полость A его устройства, изображенного на данной схеме, заполняется растворами винного камня и купороса. При их перемешивании начинается реакция с выделением газов, которые, закрывая клапаны у отверстий на концах двухколенной изогнутой трубки C, выдавят часть смеси в камеру D где с определенного момента возникает избыточное давление. Это давление закрывает действующий лишь в одну сторону клапан на конце трубки B и отделяет тем самым жидкость в камере D от жидкости, оставшейся в полости A. Аббат От-Фей предполагал, что смесь из камеры D будет постепенно отфильтровываться так, что в одном колене трубки C окажется чистый раствор винного камня, а в другом — раствор купороса. При этом через нижние клапаны оба раствора должны были снова вытекать в полость A и объединяться в исходную смесь. К сожалению, рассуждения автора основывались на неправильном допущении, что по окончании химической реакции, возникшей при смешивании первичных веществ, возможно вновь получить оба компоненты в исходном их состоянии и тем самым продолжать процесс бесконечно.