Вечные двигатели история проблемы реферат
Обновлено: 05.07.2024
Наставник проекта: Тяпкин Юрий Борисович, учитель физики.
Для достижения цели, я поставил перед собой следующие задачи:
1.Изучить исторический и научный материал по теме “вечный двигатель”.
2. Выяснить проблемы создания вечного двигателя.
4. Обобщить изученный в ходе работы материал и полученный опыт.
Теоретическая часть
История “вечного двигателя”
В переводе с латинского perpetuum mobile– “вечное движение”. Вечный двигатель – машина, которая будучи раз запущена, совершала бы работу неограниченное долгое время, заимствуя энергию.
Джеймс Кокс – человек, который, как считается, создал механизм в середине XVII века, сохранившийся и до наших дней. Он представляет собой хорошо сконструированные часы (приложение 1) приводимые в движение за счёт перепадов атмосферного давления. Джеймс не ставил главной целью вырабатывать энергию, так как хорошо понимал неосуществимость такой задачи. Он пытался использовать энергию, которую можно получить с помощью природы и главное без участия человека. По внешнему виду часы ничем не отличались от других часов. Но в механизме имелись отличия. Он создал их таким образом, что бы свести к минимуму трение, а в последствие, и износ деталей. Действовали эти часы с помощь барометрических цилиндров на основе подъёме и падения ртути в необычном барометре. Ртуть самая плотная жидкость на Земле, поэтому размер барометра на много меньше размера барометра с другой жидкостью. Есть зависимость между площадью поверхности ртути и выделением энергии, ведь чем больше площадь, тем больше энергии. Колесо соединяло барометр с часовым механизмом, постоянно вращаясь в одном направлении. Джеймс добавил к механизму устройство, которое могло выводить колесо из заклинивания. В 1961 году часы приобрёл музей Виктории и Альберт [2].
Технический музей в Румынии имени Дмитрия Леонидова может похвастаться поистине чудесным источником питания. Его сконструировал известный румынский учёный Николас-Василеску Карпен ещё в 1950 году, и устройство работает беспрерывно. Как заявляют, оно работает уже 60 лет. “Вечный двигатель” Карпена хранится в кабинете директора музея. Его научное название – термоэлектрическая батарея, работающая при постоянной температуре. По одним источникам учёные не могут внятно объяснить, каким образом это хитроумное изобретение. Двигатель состоит из двух последовательно соединённых электрических батареек, вращающих гальванометрический мотор. Мотор двигает пластинку, которая заставляет работать выключатель. Каждый раз, как двигатель делает пол оборота, пластинка размыкает цепь и замыкает её в начале второго пол оборота. Время, за которое пластинка делает полный оборот, было тщательно откалибровано с тем, чтобы батарейки имели возможность подзарядиться и поменять полярность, пока цепь разомкнута. По задумке автора изобретения, задача мотора и пластинки состояла только в том, что бы продемонстрировать, что батарейки фактически продолжают постоянно генерировать электроэнергию.
В 2006 году, 27 февраля, в музей прибыли журналисты румынской газеты ZIUA(день). Они сняли прибор с полки и замерили его с помощью обычного цифрового универсального измерительного прибора. Батарейки показали 1 вольт – так же, как и в 1950 году. Отмечается, что один из электродов устройства Карпена сделан из золота, а второй из платины. Между ними залита серная кислота высокой степени очистки, в качестве электролита. По другим источникам большинство учёных сходятся во мнении, что прибор работает, используя, всё-таки, принцип трансформации тепловой энергии в механическую работу. Но директор музея Дьяконеску считает, что батарея сконструированная учёным, бросает вызов 2-ому закону термодинамики (накладывающий ограничения на направление процессов передачи тепла между телами). Если Василеску-Карпен был прав и его принципы верны, это перевернёт привычный взгляд на многие физические законы с ног на голову. Похоже, что музей не скоро получит необходимую сумму, что бы организовать изучения и даже безопасную демонстрацию такого редкого изобретения. Может быть, тому причиной вовсе не научная ценность прибора, а электроды, сделанные из золота и платины? Кто знает! Пока изобретение продолжает пылиться на полке в кабинете директора музея (приложение 2)[3].
Но были и такие двигатели, которые не работали. Об одном из них я сейчас расскажу. На рисунке (приложение 4) изображён один из неудачных вечных двигателей. Правая сторона заполнена водой. Колесо крутит цепь на которой зацеплены 10 баков. Автор решил использовать закон Архимеда, который гласит, что тела, плотность, которых меньше чем плотность воды стремятся выплыть наружу. Автор полагал, что вода будет выталкивать, баки наружу, а цепь с колесом вечно вращаться. Но он не учёл то, что выталкивающая сила-это разница между давлениями воды, действующие на нижнюю и верхнюю части погружённого в воду бака. В конструкции, на рисунке, это разница будет стремиться вытолкнуть те баки, которые находятся под водой в правой части, но самый нижний бак, который закрывает собой отверстие, будет действовать лишь сила давления на его правую поверхность. И она будет превышать суммарную силу, действующую на остальные баки. Поэтому вся система прокрутится по часовой стрелке, пока не выльется вода [5].
Я думаю поэтому уже в 1775 году Парижская Академия отказалась принимать патенты на “вечный двигатель”.
Практическая часть
Для этого мне понадобились: картон А4, проволока алюминиевая, ножницы, карандаш, линейка, канцелярский нож (приложение 6). Я взял картон и вырезал из него круг. Провел оси симметрии, затем проделал в нем 8 отверстий на одном расстоянии от края и одно в середине. Следом я вырезал из картона молоточки, соединил молоточки с кругом проволокой. При этом у меня возникла проблема. Я слишком близко к краю сделал отверстия, поэтому картон порвался, и мне пришлось сделать новый круг. Из картона сделал опору и соединил круг и опору проволокой.
У меня не получилось точно соблюсти все пропорции, чтобы механизм вращался непрерывно. Я понял свои ошибки. Но я разобрался на своем опыте в принципе работы подобных механизмов. И сделал вывод, что создать механизм который бы работал очень долго можно, но он будет работать за счет некой энергии. Из ничего получить энергию нельзя. 2-й закон термодинамики говорит, что постоянно происходит потеря энергии, которую необходимо восполнять.
“Вечный двигатель” нельзя создать. Об этом говорит второй закон термодинамики. Однако человечество в попытке создать подобный механизм смогло усовершенствовать действующие механизмы, и использовать энергию, на которую до сих пор не обращало внимание.
С психологической точки зрения идея вечного движения всегда была крайне заманчива: ведь практическая реализация искусственно созданного замкнутого энергетического цикла, несомненно, привела бы к эпохальному перевороту в науке и технике с глубокими общественно-экономическими последствиями. Кроме отрицания существа современных физических теорий это означало бы, что построенный вечный двигатель явился бы первой в мире машиной с идеальным рабочим циклом. Его совершенство и максимальная эксплуатационная экономичность оказали бы огромнейшее влияние на развитие мировой экономики. Человечество навсегда избавилось бы от страха перед нехваткой энергии, который неумолимо преследует его сегодня. Тем самым разработка такого реального вечного двигателя затмила бы все сделанные до сих пор изобретения и открытия.
1. Исторические попытки создания вечного двигателя
Если верить историческим документам, древние греки и римляне к идее вечного двигателя относились равнодушно. Римлянам вполне хватало рабов, а греки слишком хорошо разбирались в механике.
Однако европейские механики, ознакомившиеся с трудами Бхаскары приняли удачный дизайн. Одним из них был Виллар де Оннекур (Villard de Honnecourt, XIII век). За свою жизнь он сделал много полезного, но в историю вошел как очередной изобретатель perpetuum mobile. Его конструкция практически полностью повторяла вариант Бхаскары, но наряду с использованием ртути Оннекур предлагал еще один способ. По его мнению, эффекта вечного движения можно было добиться, разместив по окружности колеса нечетное количество молоточков. При вращении колеса молоточки будут бить по нему, не давая остановиться, полагал Оннекур.
Проявил недюжинный интерес к этой проблеме и Леонардо да Винчи. Относился он к вечным двигателям весьма скептически, однако не пожалел времени как на обстоятельную критику вариаций на тему колеса Бхаскары, так и на подробный разбор ошибок своего соотечественника Франческо ди Джорджио (Francisco di Georgio). Сложные системы из помп и мельничных колес на бумаге выглядели очень правдоподобно и даже работали, но, увы, не являлись вечными двигателями. Принципиальная невозможность построения такой системы стала общим местом лет через двести после Леонардо, однако в 1950-х гг. идея использовать в качестве источника вечной энергии воду получила второе рождение в работах Виктора Шаубергера (Viktor Schauberger).
2. Конструкция вечного двигателя
Интерес европейской науки к магнитам не мог не отразиться и на конструкции вечных двигателей. Известный ученый, первый секретарь Британского Королевского общества епископ Джон Уилкинс (Bishop John Wilkins of Chester, 1614–72) долгие годы отстаивал возможность постройки вечного двигателя на базе магнитов. В качестве доказательства верности своих представлений Уилкинс использовал эскиз двигателя, состоящего из магнита, железного шарика и специальных дорожек, по которым шарик сначала падал вниз под действием гравитации, а потом подтягивался к магниту. И хотя успешный опытный образец построить так и не удалось, Уилкинс до самой смерти полагал, что на основе его любимой конструкции все-таки можно построить вечный двигатель. Нужно только еще немного поработать над этим.
Высшей точки развития механические вечные двигатели достигли благодаря Иоганну Эрнсту Элиасу Бесслеру (Johann Bessler, 1680–1745), известному также как Orffyreus (латинизированная криптограмма Bessler). Жизнь Бесслера, славившегося дурным характером, является хорошей иллюстрацией полезности патентного права. Свой вечный двигатель изобретатель хотел продать за сто тысяч талеров (около двух с половиной миллионов долларов по сегодняшнему курсу) и никому не соглашался раскрыть секрет изобретения до продажи. При малейшем подозрении, при малейшем намеке на то, что секрет хотят похитить, Иоганн Бесслер уничтожал чертежи и прототипы и переезжал в другой город.
Двумя годами раньше прошла самая впечатляющая демонстрация изобретения Бесслера. Вечный двигатель с диаметром вала больше 3,5 м был приведен в действие 17 ноября 1717 года. В этот же день комната, в которой он находился, была заперта, и открыли ее только 4 января 1718 года. Двигатель все еще работал: колесо крутилось с той же скоростью, что и полтора месяца назад.
За семь лет активных экспериментов (1712–19) Бесслер построил более трехсот прототипов двух моделей вечного двигателя. В первых прототипах колесо вращалось только в одну сторону, и, чтобы его остановить, требовалось приложить значительные усилия, в поздних — вал мог крутиться в любом направлении и останавливался довольно легко. Любая из конструкций Бесслера не просто находилась на энергетическом самообеспечении. Энергии хватало и на то, чтобы выполнять какую-нибудь работу: например, поднимать тяжести.
Но ни многочисленные сертификаты, выданные независимыми комиссиями, ни публичные демонстрации не принесли Бесслеру денег, на которые он собирался построить школу для инженеров. Максимум, что он смог получить от власть имущих, — четыре тысячи талеров единовременно и дом в подарок от ландграфа Карла, хозяина замка Вайсенштайн (Weissenstein).
Вечный двигатель - воображаемый, но неосуществимый двигатель, который после пуска его в ход совершает работу неограниченно долгое время
Вечные двигатели обычно конструируют на основе использования следующих приёмов или их комбинаций:
- Подъём воды с помощью архимедова винта;
- Подъём воды с помощью капилляров;
- Использование колеса с неуравновешивающимися грузами;
- Пар или сжатый воздух.
Идея вечного движения была очень популярна в средние века. Обладание таким секретом такого двигателя казалось более заманчивым, чем даже искусство делать золото из недрагоценных металлов. Множество людей занималось этой неразрешимой проблемой. Среди них были даже люди с неплохим по тем временам образованием. Известно, что множество трудов Ньютона содержат конструкции вечного двигателя. В записях Леонардо да Винчи тоже были найдены несколько набросков perpetuum mobile.
Сравнительно мало предпринималось попыток создания вечных двигателей второго рода. Для работы обычного теплового двигателя необходимо иметь нагреватель и холодильник. Очень заманчивой кажется задача создания тепловой машины, которая могла бы совершать механическую работу с использованием нагревателя.
Можно подсчитать, что при охлаждении мирового океана только на один градус можно получить энергию, достаточную для обеспечения всех потребностей человечества при современном уровне её потребления на 14000 лет.
Двигатели, которые работают за счёт разности энергий, возникающей во времени и пространстве, появились давно. Часть из них действует по очень простому и вполне ясному принципу. Но есть и такие, которые можно принять за вечный двигатель второго рода: разобраться, почему они работают, совсем непросто.
3. Первые проекты вечных двигателей
Все механические вечные двигатели средневековья основаны на одной и той же идее, идущей от д'Онекура: создании постоянного неравновесия сил тяжести на колесе или другом постоянно движущемся под их действием устройстве. Это неравновесие должно вращать колесо двигателя, а от него приводить в действие машину, выполняющую полезную работу.
Все такие двигатели можно разделить на две группы, отличающиеся видом груза— рабочего тела. К первой группе относятся тем, в которых используются грузы из твердого материала, ко второй — те, в которых грузом служат жидкости.
Количество разных вариантов perpetuum mobile в обеих группах огромно.
Начнем с двигателей первой группы. Итальянский инженер Мариано ди Жакопо из Сиены (недалеко от Флоренции) в рукописи, датируемой 1438 годом, описал двигатель, повторяющий по существу идею д'Онекура. Грузы, представляющие собой толстые прямоугольные пластины, закреплены так, что могут откидываться только в одну сторону. Число их нечетно; поэтому с одной стороны при любом положении их будет больше, чем с другой. Это и должно вызвать непрерывное вращение колеса.
Англичанин Эдуард Соммерсет, тоже разработавший механический вечный двигатель в виде колеса с твердыми грузами и в 1620 году построивший его, принадлежал в отличие от своих предшественников к самым аристократическим кругам общества.
Он носил титул маркиза Вустерширского и был придворным короля Карла I. это не мешало ему серьезно заниматься механикой и разными техническими проектами.
Эксперимент по созданию двигателя был поставлен с размахом. Мастера изготовили колеса диаметром 14 футов (около 4 м); по его периметру было размещено 14 грузов по 50 фунтов (около 25 кг) каждый. Испытание машины в лондонском Тауэре прошло с блеском и вызвало восторг у присутствующих, среди которых были такие авторитеты, как сам король, герцог Ричмондский и герцог Гамильтон. К сожалению, чертежи этого perpetuum mobile до нас не дошли, так же как и технический отчет об этом испытании; поэтому установить, как оно проходило по существу, нельзя. Известно только, что в дальнейшем маркиз этим двигателем больше не занимался, а перешел к другим проектам.
Аллесандро Капра из Кремоны (Италия) описал еще один вариант вечного двигателя в виде колеса с грузами. Двигатель представлял собой колесо с 18 расположенными по окружности равными грузами. Каждый рычаг, на котором закреплен груз, снабжен опорной деталью, установленной под углом 90˚ к рычагу. Поэтому грузы на одной стороне колеса, находящиеся по горизонтали на большем расстоянии от оси, чем с другой, должны всегда поворачивать его и заставлять непрерывно вращаться.
Жидкостные вечные двигатели принципиально ничем не отличаются от описанных ранее perpetuum mobile первой группы. Разница состоит только в том, что вместо перемещающихся относительно колеса грузов используется жидкость, переливающаяся при его вращении так, чтобы ее центр тяжести перемещался в нужном направлении.
Все такие двигатели в разных видах развивали идею индийца Бхакскара (1150 г.). По описанию можно представить лишь принципиальную схему двигателя. На окружности колеса под определенным углом к его радиусам закреплены на равных расстояниях замкнутые трубки, создавая таким образом разницу веса в правой и левой частей колеса.
Все последующие проекты механических perpetuum mobile как с жидкими, так и с твердыми грузами, в сущности, повторяли одну и ту же идею: создать так или иначе постоянный перевес одной стороны колеса над другой и тем заставить его непрерывно вращаться.
Большое внимание, которое уделяли изобретатели вечных двигателей попыткам использовать для них гидравлику, конечно, не случайно.
Хорошо известно, что гидравлические двигатели были широко распространены в средневековой Европе. Водяное колесо служило, по существу, основной базой энергетики средневекового производства вплоть до XVIII века.
Оставалась другая половина — создать такой напор искусственно.
Способы непрерывно подавать воду снизу вверх были известны еще с античных времен. Самым совершенным из нужных для этого устройств был архимедов винт.
Для инженера того времени, когда понятия об энергии и законе ее сохранения еще не было, в такой идее не было ничего странного. Множество изобретателей работало, пытаясь воплотить ее в жизнь. Только некоторые умы понимали, что это невозможно; одним из первых среди них был универсальный гений — Леонардо да Винчи. В его тетрадях был найден эскиз гидравлического вечного двигателя.
Машина состоит из двух, связанных между собой устройств А и В, между которыми установлена чаша, заполняемая водой. Устройство А представляет собой архимедов винт, подающий воду из нижнего резервуара в чашу.
Устройство В вращается, приводимое в движение водой, сливающейся из чаши, и крутит насос А — архимедов винт; отработавшая вода сливается снова в резервуар.
4. Парадоксальность существования вечного двигателя
Нельзя получить энергии одного вида больше, чем другого при любых превращениях энергии, т.к. это противоречит закону сохранения энергии. В связи с этим нельзя создать вечный двигатель, т.е. такой двигатель, в котором в результате превращения энергии одного вида ее получается больше, чем было.
Так называемый вечный двигатель занимает в истории науки и техники особое и очень заметное место, несмотря на то, что он не существует и существовать не может. Этот парадоксальный факт объясняется прежде всего тем, что поиски изобретателей вечного двигателя, продолжающиеся более 800 лет, связаны с формированием представлений о фундаментальном понятии физики — энергии. Более того, борьба с заблуждениями изобретателей вечных двигателей и их ученых защитников в значительной степени способствовала развитию и становлению науки о превращениях энергии — термодинамики. У всех без исключения авторов, писавших о вечном двигателе, основное внимание уделялось так называемому вечному двигателю первого рода, которым занимались изобретатели прежних времен.
При рассмотрении идеи вечного двигателя второго рода нужно не только выявить противоречие с законом природы, но и убедить в незыблемости самого этого закона. Однако второй закон термодинамики далеко не так очевиден, как закон сохранения энергии.
Вечный двигатель — воображаемое устройство, позволяющее получать полезную работу, большую, чем количество сообщённой ему энергии (КПД больше 100 %).
Существует несколько видов вечных двигателей. Вечный двигатель первого рода — воображаемое устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Невозможность вечного двигателя первого рода постулируется в термодинамике как первое начало термодинамики.
Вечный двигатель второго рода — воображаемая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.
И первое, и второе начала термодинамики были введены как постулаты после многократного экспериментального подтверждения невозможности создания вечных двигателей. Из этих начал выросли многие физические теории, проверенные множеством экспериментов и наблюдений, и у учёных не остается никаких сомнений в том, что данные постулаты верны и создание вечного двигателя невозможно.
Список использованной литературы
1. Вознесенский Н. Н. О машинах вечного движения. М., 1996.
2. Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель. М., 1999.
3. Кирпичёв В. Л. Беседы по механике. М.: ГИТЛ, 2006.
4. Мах Э. Принцип сохранения работы: История и корень его. СПб.,2007.
5. Михал С. Вечный двигатель вчера и сегодня. М.: Мир, 1984.
6. Орд-Хьюм А. Вечное движение. История одной навязчивой идеи. М.: Знание, 1980.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность данного исследования заключается в том, что технология вечного двигателя привлекала людей во все времена. Сегодня она считается скорее псевдонаучной и невозможной, нежели наоборот, но это не останавливает людей от создания все более диковинных штуковин и вещиц в надежде нарушить законы физики и произвести мировую революцию.
В связи с этим я выдвинула гипотезу о том, какое значение в науке имеет вечный двигатель. Возможно ли создание такого двигателя, одного из нетрадиционных источников энергии.
Цель моей работы: узнать, что же такое вечный двигатель, какие виды вечного двигателя существуют и можно ли его создать.
Выяснить, что такое вечный двигатель.
Рассмотреть более подробно некоторые модели вечных двигателей.
Сконструировать и провести испытания вечного двигателя.
Практическая значимость темы объясняется повышенным интересом к проблеме создания вечного двигателя и созданию альтернативных источников, заменяющих его.
Объект исследования: вечный двигатель.
Предмет исследования: происхождение вечного двигателя и его концепции.
Проблематика: возможно ли создание вечного двигателя.
Основная часть
Понятие вечного двигателя
Вечный двигатель (лат. Perpetuum Mobile) — воображаемое неограниченно долго действующее устройство, позволяющее получать большее количество полезной работы, чем количество сообщённой ему извне энергии (вечный двигатель первого рода) или позволяющее получать тепло от одного резервуара и полностью превращать его в работу (вечный двигатель второго рода) (1).
Современная классификация вечных двигателей такова:
Вечный двигатель первого рода — неограниченно долго действующее устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Невозможность осуществления вечного двигателя первого рода постулируется в термодинамике как первое начало термодинамики.
Вечный двигатель второго рода — неограниченно долго действующая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность осуществления вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.
И первое, и второе начала термодинамики были введены как постулаты после многократного экспериментального подтверждения невозможности создания вечных двигателей. Из этих начал выросли многие физические теории, проверенные множеством экспериментов и наблюдений, и у учёных не остаётся никаких сомнений в том, что данные постулаты верны, и создание вечного двигателя невозможно. В частности, второе начало термодинамики может быть сформулировано как один из следующих постулатов:
Постулат Кельвина — невозможно создать периодически действующую машину, совершающую механическую работу только за счёт охлаждения теплового резервуара.
Постулат Клаузиуса — самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к более горячим невозможен.
Демон Максвелла и броуновский храповик, если бы такие устройства были осуществимы, позволили бы реализовать вечный двигатель второго рода. Однако доказано, что работа таких систем как замкнутых (без обмена энергией с внешней средой) невозможна.
История создания вечных двигателей
Попытки исследования места, времени и причины возникновения идеи вечного двигателя — задача весьма сложная. Не менее затруднительно назвать и первого автора подобного замысла. К самым ранним сведениям о двигателе относится, по-видимому, упоминание, которое мы находим у индийского поэта, математика и астронома Бхаскары, а также отдельные заметки в арабских рукописях XVI в., хранящихся в Лейдене, Готе и Оксфорде. В настоящее время прародиной первых вечных двигателей по праву считается Индия. Так, Бхаскара в своём стихотворении, датируемом примерно 1150 г., описывает некое колесо с прикреплёнными наискось по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью.
Первые проекты вечного двигателя в Европе относятся к эпохе развития механики, приблизительно к XIII веку. К XVI—XVII векам идея вечного двигателя получила особенно широкое распространение. В это время быстро росло количество проектов вечных двигателей, подаваемых на рассмотрение в патентные ведомства европейских стран.
Многие знаменитые ученые разных времен безуспешно пытались его создать, включая и великого Леонардо да Винчи. Он потратил несколько лет на создание вечного двигателя, как путем усовершенствования уже имеющихся моделей, так и пытаясь создать что-то принципиально новое. В конце концов разобравшись, почему же ничего не работает, он первым сформулировал заключение о невозможности создания подобного механизма. Однако изобретателей его формулировка не убедила, и они до сих пор пытаются создать невозможное.
Различные виды вечных двигателей
Большое внимание, которое уделяли изобретатели вечного двигателя попыткам использовать для них гидравлику, конечно, не случайно.
Хорошо известно, что гидравлические двигатели были широко распространены в средневековой Европе. Водяное колесо служило, по существу, основной базой энергетики средневекового производства вплоть до XVIII в.
Вечные двигатели обычно конструировали на основе использования следующих приёмов или их комбинаций:
– подъём воды с помощью архимедова винта;
– подъём воды с помощью капилляров;
– использование колеса с не уравновешивающимися грузами;
– пар или сжатый воздух.
Самая древняя модель вечного двигателя, упоминается в рукописи XII века Бхаскары. Колесо, с прикрепленными к нему по периметру трубками, наполовину заполненными ртутью. Считалось, что за счет перетекания жидкости, колесо будет само по себе вращаться бесконечно. Принцип действия этого первого вечного двигателя был основан на различии моментов сил тяжести, создаваемых жидкостью, перемещавшейся в сосудах, помещенных на окружности колеса. При легком вращении ртуть начинает двигаться по направлению, тем самым приводя колесо в состояние дисбаланса. Пытаясь достичь покоя, колесо будет находиться в постоянном движении.
Бхаскара позаимствовал дизайн своего вечного двигателя у знаменитого круга вечного возвращения и никогда не пытался построить описанное им устройство. Возможно, он даже не задумывался, насколько реальна его конструкция, — для Бхаскары это была всего лишь удобная математическая абстракция. Попытка создать вечный двигатель была безуспешной, т.к. сумма моментов силы тяжести равна нулю. Для запуска колеса необходимо приложить силу, но колесо не будет вращаться вечно. (3)
Колесо Бхаскары
Н е менее старая модель вечного двигателя, это колесо с перекатывающимися в нем тяжелыми шариками. При любом положении колеса грузы на правой его стороне будут находиться дальше от центра, чем грузы на левой половине. Поэтому правая половина должна всегда перетягивать левую и заставлять колесо вращаться. Значит колесо должно вращаться вечно.
Колесо с шариками
Исследовательская часть
Человеческая натура такова, что испокон веков люди пытались создать нечто, работающее само по себе, безо всяких воздействий извне. Изучая различные источники информации, мне стало интересно, а можно ли вообще сделать вечный двигатель и что он под собой подразумевает. И сколько будет работать колесо, если попробовать воссоздать уже существующие модели?
Конструирование и испытания колеса Бхаскара
Изучив литературу по созданию колеса Бхаскара, мы с папой приступили к его конструированию. Правда мы внесли некоторые изменения в конструкцию, взяв вместо ртути обычную воду и поменяв трубки на пластиковые бутылки.
Следующий эксперимент мы провели с феном, создавая поток воздуха от него и заставляя колесо вращаться. Время его вращения увеличилось ровно на столько пока действовал воздушный поток.
Вечный двигатель у нас конечно не получился, но прикоснуться к созданию таких машин было очень интересно.
Конструирование и испытания механического двигателя
Следующее колесо, которое мы воссоздали, это было колесо с шариками. Нам понадобился плотный картон, оргстекло, шарики.
Все проекты механических perpetuum mobile как с жидкими, так и с твердыми грузами, в сущности, повторяли одну и ту же идею: создать так или иначе постоянный перевес одной стороны колеса над другой и тем заставить его непрерывно вращаться.
Тогда 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. Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен вырабатывать ее в достаточном количестве, не имея никакого внешнего источника.
Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализуемой машины заложили фундамент механики как науки. Великие ученные прошлого приняли как аксиому невозможность создания Perpetuum Mobile и тем помогли пробиться росткам новой науки. Закон сохранения энергии стал неизбежным препятствием для изобретателей Perpetuum Mobile .
Ученые говорят, что создать вечный двигатель невозможно, но люди, не обращая внимания на их высказывания, продолжают пытаться создать Perpetuuum Mobile . Я же соглашаюсь с мнением ученых, но верю, что изобрести такой механизм, который будет работать очень долго под силу человеческим возможностям.
Список литературы
Большая Советская Энциклопедия / ред. О.Ю. Шмидт. - М.: Советская Энциклопедия, 1992. - 921 c.
Бродянский В.М. Вечный двигатель - прежде и теперь. — Гостехиздат, ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 264с.
Перельман, Я.И. Занимательная физика. Книга первая / Я.И. Перельман. - М.: Центрполиграф, 2017. - 252с.
Стоит ли всякого, кто в прежние века пытался построить вечный двигатель, считать неграмотным или сумасшедшим? Вряд ли, ведь вечное движение люди видели вокруг себя! По небу вечно движется Солнце, Луна и планеты, вечно вращается вокруг своей оси Земля… Вечно текут реки, и вечно бегут гонимые ветром облака… Люди даже научились использовать вечное движение воды и ветра, построив водяные и ветряные мельницы.
Поэтому неудивительно, что умами учёных и инженеров завладела дерзкая мысль: если вечное движение существует в природе, значит, и человек может создать вечный двигатель и заставить его служить себе! Размышления о создании вечного двигателя не давали покоя многим, даже знаменитому итальянскому художнику и изобретателю Леонардо да Винчи.
Однако все попытки создать вечный двигатель неизбежно заканчивались неудачей. Учёные и инженеры того времени не замечали принципиального различия между вечным движением и вечным двигателем.
В чём же состоит это различие? Вечное движение возможно, если полностью устранить трение. Таким, например, является движение по инерции, когда на тело не действуют другие тела: при этом тело движется вечно с постоянной скоростью. И колесо вращалось бы вечно, если бы можно было устранить трение полностью.
Однако даже при полном отсутствии трения вечный двигатель, т.е. устройство, которое совершало бы работу без потребления энергии, был бы невозможен. Сегодня мы знаем, что это следствие закона сохранения энергии. Но, как мы скоро увидим, этот великий закон обязан своим открытием… именно несостоявшимся вечным двигателям!
Вечный двигатель первого рода
Вечный двигатель, перпетуум-мобиле (латинское perpetuum mobile переводится вечное движение) — воображаемая машина, которая, будучи раз пущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергии извне. Возможность работы такой машины неограниченное время означала бы получение энергии из ничего.
Идея вечного двигателя возникла в Европе, по-видимому, в XIII веке (хотя существуют свидетельства, что первый проект вечного двигателя предложил индиец Бхаскара в XII веке). До этого проекты вечных двигателей неизвестны. Их не было у греков и римлян, которые разработали множество эффективных механизмов и заложили основы научных подходов к изучению природы. Ученые предполагают, что дешевая и практически неограниченная рабочая сила в виде рабов тормозила в античности разработку дешевых источников энергии.
Почему люди так упорно хотели построить вечный двигатель?
В этом нет ничего удивительного. В XII-XIII веке начались крестовые походы и европейское общество пришло в движение. Стало быстрее развиваться ремесло и совершенствоваться машины, приводящие в движение механизмы. В основном это были водяные колеса и колеса, приводимые в движение животными (лошадьми, мулами, быками, ходившими по кругу). Вот и возникла идея придумать эффективную машину, приводимую в движение более дешевой энергией. Если энергия берется из ничего, то она ничего не стоит и это крайний частный случай дешевизны — даром.
Еще популярнее идея вечного двигателя стала в XVI-XVII веках, в эпоху перехода к машинному производству. Число известных проектов вечного двигателя перевалило за тысячу. Создать вечный двигатель мечтали не только малообразованные ремесленники, но и некоторые крупные ученые своего времени, так как тогда не существовало принципиального научного запрета на создание такого устройства.
К середине XVIII века, после многовековых попыток создать вечный двигатель, большинство ученых стали считать, что сделать это невозможно. Это был просто экспериментальный факт.
С 1775 года Французская академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя, хотя и в это время у французских академиков не было твердых научных оснований принципиально отрицать возможность черпать энергию из ничего.
Сначала Готфрид Лейбниц в 1686 году сформулировал закон сохранения механической энергии. А закон сохранения энергии как всеобщий закон природы сформулировали независимо Юлиус Майер (1845), Джеймс Джоуль (1843–50) и Герман Гельмгольц (1847).
Последним штрихом в обобщении закона сохранения энергии стала специальная теория относительности Альберта Эйнштейна (1905 г.). Он показал, что закон сохранения массы (был такой закон) — часть закона сохранения энергии. Энергия и масса эквивалентны по формуле Е = mс2, где с — скорость света.
Вечный двигатель второго рода
В XVIII веке широкое распространение получили паровые машины и механизмы. Часть физики, которая пыталась объяснить их работу и построить общие закономерности создания тепловых машин, стала называться термодинамикой. Закон сохранения энергии стали также именовать первым началом термодинамики. Вечные двигатели, принципы работы которых противоречили первому началу термодинамики, стали называть вечными двигателями первого рода.
Но существовала и другая общая идея вечного двигателя, которая не противоречила закону сохранения энергии. Было известно, что работа в двигателях совершается, когда горячее тело отдает тепло газу или пару и пар совершает работу, например, двигая поршень. Огромная тепловая энергия сосредоточена, допустим, в океане. Если отбирать у океана энергию за счет понижения его температуры, то этой энергии хватит на то, чтобы, например, поддерживать работу корабельного двигателя или создавать в море электростанции.
Однако оказалось, что никак не удается сделать так, чтобы энергия от более холодного тела перешла к более горячему. А ведь для создания вечного двигателя необходимо, чтобы при этом еще и совершалась работа.
В результате развития термодинамики, основываясь на работах Сади Карно, Рудольф Клаузиус показал, что, невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. При этом невозможен не только непосредственный переход — его невозможно осуществить и с помощью машин или приборов без того, чтобы в природе не произошло еще каких-либо изменений.
Уильям Томсон (лорд Кельвин) сформулировал принцип невозможности вечного двигателя второго рода (1851 г.), поскольку в природе невозможны процессы, единственным следствием которых была бы механическая работа, произведённая за счет охлаждения теплового резервуара.
Когда была создана статистическая термодинамика, которая основывалась на молекулярных представлениях, второе начало термодинамики нашло свое объяснение. Оказалось, что переход тепла от холодного тела к более горячему в принципе возможен, но это уничтожающе маловероятное событие. А в природе реализуются наиболее вероятные события.
Мистификаторы, хитрецы и жулики
К сожалению, существует другая категория создателей вечных двигателей. Это — мистификаторы, хитрецы и жулики. Приведу только два примера.
Леонардо да Винчи — талантливый инженер и мистификатор.
Петр Первый и Орфиреус
Недостижимая мечта любого инженера. Философский камень механики. Инструмент ловких мошенников и атрибут множества фантастических произведений. Знакомьтесь: вечный двигатель.
Однако когда речь заходит о вечном двигателе, обычно имеется в виду система, вырабатывающая больше энергии, чем потребляющая (теряющая ее на трении, сопротивлении воздуха и т. п.), благодаря чему ее можно использовать для каких-либо бытовых нужд. До изобретения паровых или электрических приводов единственным универсальным и мобильным источником энергии были мускулы. Пружинные и маятниковые механизмы годились лишь для приложения малой силы в течении длительного времени (часы). Самыми мощными стационарными двигателями были водяные и ветряные мельницы.
Бхаскара II: ртуть в колесе.
Вечные двигатели да Винчи (кодекс Форстера II, стр.90-91) и их современные модели
О, исследователи вечного движения, сколько суетных планов создали вы при подобных исканиях! Станьте лучше алхимиками!
Леонардо да Винчи
Вместе с тем Леонардо оставил чертежи водяной мельницы, вращаемой поднимаемой ею же водой, не снабдив их критическими комментариями. Считал ли он возможным вечный двигатель на воде — неизвестно.
Марк Зимара, как и Дон Кихот, сражался с ветряными мельницами.
Трудно сказать, насколько качественно она была исполнена (к примеру, часы Atmos разрабатывались лучшими швейцарским инженерами в течение нескольких десятков лет). Но, учитывая, что Дреббел был невероятно талантлив (построил микроскоп с двумя линзами, подводную лодку для английского флота, изобрел инкубатор для цыплят с термостатом, автоматически регулирующим температуру, а также пытался создать воздушный кондиционер), разумно предположить, что его часы могли работать без поломок многие месяцы, если не годы.
Последний, самый яркий период классического вечного двигателестроения пришелся на середину 18 века, а именно — на жизнь Иоганна Эрнста Элиаса Бесслера (1680—1745), придумавшего себе псевдоним Orffyreus (криптограмма Bessler).
Это был очень странный человек — хвастливый, надоедливый, занудный, с дурным характером и замашками параноика. По дошедшим до нас свидетельствам, он работал часовщиком. В 1712 Бесслер заявил, что овладел секретом вечного движения. Вначале он попытался показать безостановочное колесо с небольшим грузом жителям маленького немецкого городка Гера, но провинциалов это зрелище не впечатлило.
Бесслер стал разъезжать по стране, публиковать научные трактаты и строить более крупные модели своего двигателя. По каким-то причинам он не хотел делать компактные модели, а конструировал деревянные колеса диаметром около 4 метров. Его кипучая деятельность привлекла интерес ученых. Демонстрационные образцы мега-колес тщательно исследовались, но никаких признаков шарлатанства не обнаружилось.
Колеса Бесслера, собранные им в замке Вайсенштайн.
Было решено провести полномасштабный эксперимент. 12 ноября 1717 года в присутствии представителей власти одно из вращающихся колес диаметром 3,5 метра было размещено в комнате замка Вайсенштайн, а все окна и двери наглухо заперты. Две недели спустя комнату открыли. Колесо все еще крутилось. Тогда помещение было запечатано вплоть до 4 января 1718 года. Год спустя люди вошли в комнату и увидели, что колесо продолжает вращаться с той же самой частотой.
Это было уже интересно. Лондонское королевское общество захотело купить изобретение. Бесслер с ходу запросил двадцать тысяч фунтов (гигантские по тем временам деньги). Колесо решили проверить еще раз, но Бесслер внезапно впал в ярость и разломал свое творение — якобы для того, чтобы другие ученые не смогли украсть его идеи.
Изобретатель продолжил путешествия по стране, демонстрируя различные модели колес: вращающиеся только в одну сторону и останавливаемые лишь с очень большим усилием, а также вращающиеся в любую сторону и останавливаемые без всякого труда. В 1727 году служанка Бесслера заявила, что его механизмы приводились в движение человеком из другой комнаты. Проверить эти показания так и не удалось, но репутация инженера была навсегда подорвана. Бесслер умер, свалившись с сооружаемой им ветряной мельницы. Он оставил после себя непонятные шифрованные заметки и вынудил потомков гадать — был ли он безумцем, эксцентричным гением или гениальным фокусником?
В 19 веке увлечение вечными двигателями несколько спало — наука шла вперед, поэтому такие устройства все чаще становились инструментом обмана. Так, американец Чарльз Редхеффер из Филадельфии за 1 доллар показывал всем желающим сложную маятниковую машину вечного движения — правда, через зарешеченное окно. Местные жители подкупили одного механика, чтобы тот сделал копию двигателя Редхеффера — но с потайной пружиной внутри.
Увидев клон своего детища в действии, Чарльз запаниковал и бежал в Нью-Йорк, где его разоблачил знаменитый изобретатель Роберт Фултон. Последний заметил, что машина работает прерывисто и нашел ременной привод, ведущий от нее в соседнюю комнату с человеком, крутящим рычаг.
Машина Кили. Ему предлагали сотрудничать с Эдисоном или Тесла, но Кили, естественно, отказывался.
Еще один американец — Джон Кили (1827—1898) — заявил, что энергию можно извлекать из эфира за счет вибраций камертона. Его обвиняли в мошенничестве и даже в колдовстве, но ловкач умудрился 27 лет дурачить инвесторов, выманивая у них деньги на построение промышленного образца двигателя. Лишь после того, как Кили угодил под трамвай, выяснилось, что его макеты работали на сжатом воздухе. Мошенник нарушил много законов — но только не термодинамики.
Изобретение Морея. Он, как и Тесла, якобы смог получить энергию из ничего.
Машина работала несколько дней подряд. Эксперты изучали ее вдоль и поперек, но никто не мог найти источника энергии. Промышленники захотели купить ее, Морей отказался, и единственный рабочий экземпляр был уничтожен. Позднее ученый жаловался, что в него несколько раз стреляли, его семье угрожали, а лаборатории периодически громились. Секрет устройства, собиравшего космическую энергию (в чем бы он ни заключался), изобретатель унес с собой в могилу.
Изобретатель Джозеф Ньюман охотно продает свои машины. Они работают на батарейках и выдают больше электричества, чем получают. Замкнуть цикл (чтобы избавиться от необходимости в батареях) изобретатель почему-то не хочет.
Подозрительные типы
Физики делят вечные двигатели на два типа.
Двигатель второго типа полностью преобразует окружающее тепло в работу, игнорируя второе начало термодинамики. Сегодня высказываются предположения о том, что создание некоего подобия такого устройства все же возможно, если речь идет о преобразовании не просто тепла, а темной энергии или темной материи, из которой создана наибольшая часть нашей Вселенной.
Вечные двигатели в фантастике можно тоже поделить на четыре категории.
Ещё один вид устройств, которые можно принять за вечный двигатель, — преднамеренно усложненные механизмы длительного действия, выполняющие какую-либо примитивную задачу. Обывателю трудно понять цель и принципы их работы.
Это интересно
Часы Артура Беверли.
Существуют игры, позволяющие почувствовать себя сумасшедшим ученым, — например, The Incredible Machine (TIM) или Armadillo Run. Последняя якобы более реалистична, однако и в том, и в другом случае программы просчитывают физику таким образом, что умелый игрок может сконструировать вечный двигатель.
TIM и Armadillo Run.
Читайте также: