Вечный двигатель

Вечный двигатель

Идея создания механизма с замкнутым энергетическим циклом, способного производить полезную работу вечно, будучи лишь однажды приведенным в движение, будоражила умы людей с самых отдаленных эпох. Нужно отметить, что и в настоящее время даже среди серьезных ученых находятся те, кто абсолютно уверен, что перпетуум-мобиле — это не утопия, а вполне достижимая цель.

Что же движет этими искателями? Ведь еще в 1775 г. Парижская академия наук приняла решение даже не рассматривать поступающие проекты вечного двигателя, поскольку ученые считали саму идею изначально утопичной. Все мы помним простое школьное доказательство невозможности создания вечного двигателя, однако люди продолжают искать, находя в процессе поиска решения этой проблемы новые истины, открывая неведомые законы природы.

Что же будет значить для современного человечества изобретение перпетуум-мобиле? Во-первых, это, конечно, переворот всех существующих ныне физических теорий и создание новой, имеющей идеальный КПД экономической основы развития человеческой цивилизации, навсегда решив проблему нехватки природного сырья для обеспечения энергетических нужд населения планеты. А сколько перспектив открылось бы в сфере освоения космического пространства! Одним словом, перпетуум-мобиле — это голубая мечта изобретателя, имеющая грандиозное практическое значение для всего человечества. В данном разделе мы попытаемся рассмотреть объективно проблему вечного двигателя.

Что же подразумевается под красиво звучащим словом «перпетуум-мобиле»? С позиции физической науки это машина, работающая без потерь и преобразовывающая всю переданную ей в качестве пусковой энергию в полезную работу или другой вид необходимой для каких-либо нужд энергии. Физический вечный двигатель основан на использовании физического явления, например закона Архимеда, силы тяжести, капиллярного натяжения жидкостей и пр. От физического перпетуум-мобиле отличают естественный вечный двигатель, работа которого поддерживается циклически повторяющимися природными явлениями или механикой небесных тел.

Первые упоминания о вечном движении, способном воспроизводиться неким механизмом, относятся к XII в. Идея зародилась в Индии. Поэт, математик и астроном Бхаскара в своем стихотворении приводит описание колеса на оси, по ободу которого косо крепились узкие сосуды, наполовину заполненные ртутью. Колесо на оси, закрепленное на двух неподвижных опорах, было способно непрерывно вращаться.

Вечный двигатель в представлении индийского поэта, математика и астронома Бхаскара

Неслучаен выбор именно круга в качестве модели вечного движения. Древнеиндийская мифология считала колесо символом божественного начала, регулярно повторяющихся событий, составляющих основу жизни каждого человека, да и просто передавало очертания основных небесных светил — Солнца и Луны. Таким образом, колесо было принято в качестве символа движения. Нужно отметить, что многие религиозные и философские атрибуты древних перенимались как эталоны для создания деталей механизмов, и это нельзя считать слепым следованием религиозной догме, поскольку мудрость и глубокий смысл высказываний, запечатленные в священных книгах древнего Востока, начинают только-только приоткрываться «смертным» европейцам.

Конечно, для человека начала второго тысячелетия движения небесных светил не могли не стать непреложной истиной, божественным образцом вечного движения. И христианские философы искали формы вечного движения. Так, Августин Блаженный описал как модель перпетуум-мобиле вечную лампу, которая никогда не заправлялась, и тем не менее ее яркое пламя невозможно было загасить.

Интересно то, что эта лампа действительно существовала в храме Венеры. Описаны и другие загадочные перпетуум-мобиле, например светильник на могиле дочери Цицерона Туллии, не гаснувший 1,5 тыс. лет. Что же это? Человеческий гений, не искавший славы и признания, или непостижимое людским разумом вмешательство высших сил?

Итак, первое письменное свидетельство о перпетуум-мобиле относится к XII в. Но неужели античные мыслители, предвосхищавшие огромное количество открытий на тысячи лет вперед, не постигли саму идею вечного двигателя? Конечно, в это трудно поверить, и при внимательном изучении трудов и изобретений древних греков находятся убедительные свидетельства того, что и здесь античные искатели оставили след.

Во-первых, идея цикличности и кругового движения основных природных процессов развивалась и в античные времена. Однако исследования условий, необходимых для поддержания круговых движений, привели древних греков к выводу, исключающему всякую возможность реального воспроизведения в условиях Земли вечного движения, поскольку любое тело при этом ускорялось бы центростремительно, неизбежно останавливаясь через определенный промежуток времени. Остановившись на этом этапе в деле поиска вечного двигателя, древние греки все же изучили и открыли миру простые механизмы, которые в последующем и будут основными деталями перпетуум-мобиле: рычаг, клин, блок, зубчатое колесо и др.

Средневековая Европа познакомилась с идеей вечного двигателя в начале XIII в. в связи с развитием торговых и политических отношений со странами Востока. Французский архитектор В. д’Оннекур предложил свою модель перпетуум-мобиле, напоминавшую машину Бхаскара и арабских изобретателей, с той лишь разницей, что вместо сосудов по окружности вращающегося колеса были размещены 7 молоточков.

Некоторые изобретатели пытались использовать действие магнитных сил для создания вечного двигателя. В то время данных о природе и источнике магнетизма было ничтожно мало, поэтому предложить основательную и выверенную модель магнетического перпетуум-мобиле не удалось.

Первая европейская модель перпетуум-мобиле В. д’Оннекура

Выдающимся исследователем эпохи Возрождения считают Леонардо да Винчи. Гениальный изобретатель и инженер изобрел и сконструировал множество механизмов, имеющих непосредственное практическое значение. Именно с позиции практического применения он и занимался проблемой создания вечного двигателя. В основе его решений лежали проекты водяных колес и мельниц — гидравлического перпетуум-мобиле, использовавшего воду в качестве рабочего тела. Интересна и другая модель вечного двигателя — с лабиринтом, заполненным металлическими шарами, в качестве центрального устройства; движения этих шаров должны были вызывать изменения центра тяжести двигателя, приводя его в движение.

Самыми «наполненными» идеями о вечном двигателе и богатыми на самые разнообразные модели были, пожалуй, XVII–XVIII вв. Это было время наплыва шарлатанов, с завидным постоянством возвещавших об открытии наконец-то перпетуум-мобиле для привлечения к себе внимания. Однако были и серьезные изобретения, оказавшие существенное влияние на развитие механики.

Одним из таких устройств были «вечные» часы, сконструированные К. Маркграфом. В часах Маркграфа имелась специальная винтовая канавка, огражденная двумя проволоками, по которой скатывался за строго фиксированное время шарик. Когда шарик проходил весь «проволочный путь», срабатывал механизм, запускающий новый шарик, синхронно с шариками работал счетчик, показания которого отражались на циферблате. Однако описания механизма, поднимавшего шарики снизу на верхний уровень винтовой канавки, не сохранилось.

Все модели, предлагавшиеся в те века, можно разделить на две основные группы: механические и гидравлические двигатели. При моделировании механических вечных двигателей очень часто использовался вышеописанный прием с замкнутым движением неуравновешенных шаров, которые поставлялись наверх с помощью различных устройств, в т. ч. архимедова винта, ленты с черпаками, шарнирно-сочлененных рычагов и т. д.

Таким образом, в основе механических вечных двигателей лежал принцип гравитации. Механизмы, использовавшиеся при этом, были чрезвычайно разнообразны: рычаги, ремни, противовесы и зубчатые передачи сочетались самым различным образом. Единственным человеком, принципиально отличавшимся от прочих искателей перпетуум-мобиле, был Джеймс Форгюсон, соорудивший собственную модель, для того чтобы раз и навсегда опровергнуть сам принцип построения вечного двигателя.

Пример модели механического перпетуум-мобиле, в котором подъем шаров осуществлялся с помощью ленты с черпаками

Модель этого изобретателя состояла из звездообразно расположенных рычагов и набора грузов, передвигавшихся перпендикулярно своему рычагу и по касательной к оси вращения колеса в специальных каретках. Невозможность совершить движение этой машиной, должна была подчеркнуть бессмысленность исканий его коллег. Время показало, что опыт Форгюсона не стал причиной прекращения дальнейших поисков.

В гидравлических машинах ведущим было водяное колесо с лопатками, приводимыми в движение рабочим телом — водой. В настоящее время огромное количество устройств использует водяное колесо, значит, отсутствие вечного двигателя не стало трагедией для изобретателя этого устройства, поскольку само по себе водяное колесо нашло бесконечное количество практических применений в деятельности человека.

Одной из интересных моделей гидравлического вечного двигателя является устройство, совмещающее в себе гидро- и пневмоэлементы. Его строение можно представить следующим образом: в бак с жидкостью помещается ротор с 6 трубчатыми рычагами, заканчивающимися полыми пузырями. Сам ротор вращается на валу с полым стержнем в центре. При движении ротора воздух из вала попадает в рычаги, заставляя их вращаться, избыточное же давление создается мехом, расположенным под баком. Для регулирования выхода и задержки воздуха на полых пузырях и рычагах сконструированы специальные кулачки.

Пример модели гидравлического вечного двигателя

С развитием науки, открытием и исследованием свойств магнетизма новые открытия сразу же стали использоваться в качестве основы «запускания» вечного двигателя. Примером одной из относительно недавно предложенных моделей магнитного вечного двигателя является механизм, состоящий из ступенчато расположенных магнитов, приводящих в движение по наклонному лотку стальные шарики. Достигнув вершины лотка, шарики попадали по специальному желобку на рабочее колесо, приводя его в движение.

Итак, за почти тысячелетнюю историю поиска вечного двигателя и предложений бесчисленного множества моделей желанной машины так и не удалось построить реальный механизм. Постепенно научный мир пришел к пониманию недостающего звена, способного объяснить бесплодность всяких попыток в этом направлении. Безусловно, самым значимым открытием того времени было открытие закона сохранения и превращения энергии, впервые сформулированного немецким естествоиспытателем Юлиусом Робертом Майером. Понимание того, что энергия замкнутой системы не изменяется, а лишь переходит из одной формы в другую, является классическим опровержением того, что первоначальная порция энергии, сообщенной вечному двигателю, станет источником производства бесконечного количества энергии.

Экспериментально подтвердить правомерность закона постоянства энергии удалось по мере открытий в термодинамике, обнаружения механического эквивалента тепла. Было экспериментально и теперь уже теоретически подтверждено то, что без внешнего источника энергии любая машина работать не сможет. Правомерность этого закона доказывает в принципе вся наша жизнь, но вместе с этим попытки нахождения вечного двигателя продолжаются.

Что же поддерживает оптимизм современных искателей перпетуум-мобиле? Дело в том, что закон сохранения постоянства энергии в замкнутой системе не опровергает тот факт, что энергия может без потерь переходить из одной формы в другую. Впервые модель подобного идеального преобразователя описал немецкий физик Вильгельм Оствальд, назвав свою машину перпетуум-мобиле Н-го типа. Его исследования подняли новую волну интереса к проблеме вечного двигателя, однако все поиски оказались также тщетны, поскольку без потерь обеспечить преобразование одного вида энергии в другой и обратно в реальности не удавалось.

Все модели, предлагаемые изобретателями, объединяла статичность. С появлением первой паровой железной дороги в 1825 г. поиск вечного двигателя переключился на самоходные машины. Одной из идей этого направления была самокатная подземная железная дорога, предложенная отечественным инженером А. А. Родных. Суть его модели заключается в том, что в туннеле, вырытом с наклоном, под действием сил гравитации будет двигаться поезд без локомотива по принципу маятниковой системы, стремясь все время к нижнему краю. Однако в реальности этот «маятник» неизбежно уравновешивается весом вагона, направленным параллельно колее рельс.

Самокатная подземная железная дорога

Справедливости ради следует отметить, что существуют области, где мечты об изобретении перпетуум-мобиле, возможно, в будущем превратятся в реалии (однако оговоримся, что это не утверждение, а всего лишь смелое предположение). Прежде всего это относится к радиотехнике. Хотя в этой области до недавнего времени вообще не существовало никаких традиций создания вечных двигателей, уже первый проект выглядит достаточно занимательно, если не сказать — убедительно.

Для тех, кто хотя бы немного знаком с радиотехникой, объяснять, что такое колебательный контур, не нужно. В самых простых приборах он состоит из конденсатора и индукционной катушки. Собственная частота элементов контура определяется величинами их индуктивности и емкости. Известно также, что при возбуждении контура колебания с частотой, которая равна его собственной, возникает явление резонанса. Часть энергии резонирующего контура авторы проекта и предлагают использовать для стабилизации частоты и амплитуды колебаний, в результате чего необходимость во внешних источниках энергии исчезает.

Еще большие возможности в создании перпетуум-мобиле открываются в области изучения и использования сверхпроводимости. Еще в 1911 г. (этот год считается годом открытия сверхпроводимости) голландский физик Камерлинг-Оннес, измеряя омическое сопротивление различных металлов, заметил, что при температуре проводников, близкой к -273° С, их сопротивляемость падает практически до нуля. Например, если электрическую цепь, изготовленную из свинца, отключить от источника питания, но при этом постоянно поддерживать ее температуру около -270° С, ток в цепи продолжает протекать в течение 90–96 ч. Правда, следует отметить, что свойством сверхпроводимости обладают не все металлы и сплавы, но достаточно большое их количество (24 металла и более 1000 сплавов). Причем сверхпроводимость при снижении температуры до значения, близкого к абсолютному нулю, характерна для тех материалов, которые в нормальных условиях являются относительно плохими проводниками (например, олово, цинк, уже названный свинец). Те же металлы, которые считаются наилучшими проводниками (серебро, золото и др.), при снижении температуры либо не изменяют свои токопроводящие показатели, либо ухудшают их и в состояние сверхпроводимости не переходят.

Из сказанного понятно, что сверхпровдящие контуры будут идеальным (вечным) источником энергии. Однако на пути изобретателей перпетуум-мобиле в области использования сверхпроводимости возникли серьезные проблемы. Во-первых, затраты энергии, необходимой для поддержания сверхнизких температур проводников, почти приравниваются к количеству получаемой таким способом энергии. Решение этой проблемы видится в поиске веществ, которые обладали бы сверхпроводимостью при обычных температурах.

И во-вторых, оказалось, что сверхпроводник способен переходить в свое обычное состояние не только в результате увеличения температуры, но даже самое слабое магнитное поле может в значительной степени ухудшить его проводимость. В решении этой проблемы уже сделаны определенные шаги и получены обнадеживающие результаты: в рамках научно-исследовательских разработок американской фирмой «Бел телефон» было получено соединение олова с ниобием, которое не теряет своих сверхпроводящих характеристик даже в сильных магнитных полях. А это уже вселяет кое-какую надежду на возможность создания перпетуум-мобиле в необозримом будущем.

Пока же проекты электрических, химических, электромеханических и других вечных двигателей ежегодно десятками приносятся на суд управлений по делам изобретений всех стран мира, оцениваются и вновь отвергаются, входя в противоречие с элементарными законами физики. Следовательно, перпетуум-мобиле с позиций законов, определяющих жизнь в текущий период времени, является заблуждением.