Проблема вечных двигателей

Давно известно, что идея вечного двигателя неосуществима, однако она очень интересна и познавательна с точки зрения истории развития науки и технологий. Как отмечает В. М. Бродянский, «вечный двигатель занимает в истории науки и техники особое и очень заметное место, несмотря на то, что он не существует и существовать не может. Однако борьба с заблуждениями изобретателей вечных двигателей и их ученых защитников (были и такие) в значительной степени способствовала развитию и становлению науки о превращениях энергии – термодинамики» [2].

В поисках вечного двигателя ученые смогли лучше понять и другие основные физические принципы. Более того, изобретатели вечного двигателя являются яркими примерами для изучения некоторых аспектов человеческой психологии: изобретательности, настойчивости, оптимизма и фанатизма.

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 новых моделей вечного двигателя в надежде нарушить законы физики.

Исходя из чего, целью работы – исследовать процесс формирования концептуальных идей вечного двигателя и попытки его создания.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих взаимосвязанных задач:

– дать определение понятию «вечный двигатель»;

– изучить попытки создания вечного двигателя;

– охарактеризовать основные модели вечного двигателя на конкретных примерах.

Объект исследования – вечный двигатель.

Предмет исследования – формирование концептуальных идей вечного двигателя и попытки его создания. 

Вечный двигатель (perpetuum mobile, perpetual motion machine) – устройство, основанное на механических, химических, электрических или иных физических процессах. Будучи запущенным единожды, он сможет работать вечно и остановится только при воздействии на него извне [4].

Вечные двигатели делятся на две большие группы:

– вечные двигатели первого рода не извлекают энергию из окружающей среды (например, тепло), при этом физическое и химическое состояние его частей также остается неизменным. Машины такого рода не могут существовать исходя из первого закона термодинамики.

– вечные двигатели второго рода извлекают тепло из окружающей среды и превращают его в энергию механического движения. Машины не могут существовать исходя из второго закона термодинамики [8].

И первое, и второе начала термодинамики были введены как постулаты после многократного экспериментального подтверждения невозможности создания вечных двигателей [13, с. 24]. Из этих начал выросли многие физические теории, проверенные множеством экспериментов и наблюдений, и у ученых не остается никаких сомнений в том, что данные постулаты верны, и создание вечного двигателя невозможно [14]. 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 счет охлаждения теплового резервуара.

– Постулат Клаузиуса – самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к более горячим невозможен [10, с. 113].

Попытки исследования места, времени и причины возникновения идеи вечного двигателя – задача весьма сложная. Не менее затруднительно назвать и первого автора подобного замысла [9, с. 174]. 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 века, хранящихся в Лейдене, Готе и Оксфорде [16, с. 62].

В первый период развития вечных двигателей (XIII–XVIII века) их изобретатели не видели разницы между вечным движением небесных тел и связанных с ним явлений и тем движением, посредством которого они хотели производить работу в двигателях [11]. В настоящее время прародиной первых вечных двигателей по праву считается Индия. Так, Бхаскара в своем стихотворении, датируемом примерно 1150 годом, описывает некое колесо с прикрепленными наискось по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью [14].

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 [14].

Второй период продолжался примерно до последней четверти XIX века. За это время было определено понятие энергии, и закон ее сохранения получил окончательное научное оформление. В то время оформляются теоретические положения термодинамики, что ознаменовало завершение истории поиска вечного двигателя первого рода, который, как нам уже известно из главы 1, должен был нарушить первый закон указанной науки о превращениях энергии. 

Механический вечный двигатель. Perpetuum mobile первого рода

Одна из ранних моделей вечного двигателя. Слева от оси грузов больше, чем справа. С первого взгляда, кажется, что левая часть всегда перевешивает, заставляя колесо крутиться. Наверху грузы переваливаются справа налево, и движение продолжается вечно [1, с. 27]. Но при более внимательном рассмотрении видно, что хотя грузов справа и меньше, но у них больше рычаг, и именно правая сторона может перевешивать.

На самом деле. Истина, как водится, посередине: грузы с двух сторон уравновешивают друг друга, и колесо, немного покачавшись, попросту остановится [7].

Поплавковый вечный двигатель. Perpetuum mobile первого рода.

Боги заставили Сизифа тащить в гору камень, который срывался и катился вниз. Изобретатели этого двигателя решили, что закон Архимеда может работать не хуже наказанного царя Коринфа. Связанные в цепочку запаянные поплавки всплывают в воде, а на воздухе опускаются под действием силы тяжести, вращая соединенные с ними колеса.

На самом деле. Проблема в том, что при входе в воду поплавки должны преодолеть ее сопротивление и приподнять всю цепочку, чтобы высвободить для себя место. На это уходит ровно столько же энергии, сколько «вырабатывает» двигатель. Без участия богов лишней энергии не получится [12].

Капиллярный вечный двигатель. Perpetuum mobile первого рода.

Сила тяжести не дает покоя многим изобретателям вечных двигателей: если хитрым образом преодолеть ее без затрат энергии, а потом сбросить поднятый груз, то на выходе получится «бесплатная» работа. Например, можно заставить воду подниматься из бассейна в стоящий на возвышении сосуд за счет капиллярного эффекта. Из емкости вода будет выливаться обратно в бассейн и крутить колесо.

В заключении, конечно, хочется сказать, что вечный двигатель - это идея заманчивая, но не состоятельная. Первый и второй законы термодинамики обойти нельзя. В работе были рассмотрены некоторые проекты вечных двигателей (механический, поплавковый, капиллярный, вечные часы, Демона Максвелла тепловой насос и генератор Бедини). Идеи создать вечный двигатель уже давно ушли в прошлое, но есть такие люди, которые занимаются этим и сейчас. 

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.

В каком-то смысле вечный двигатель действительно существует – в виде его вечных поисков. Он работает по замкнутому циклу: то, на чем обожглись средневековые естествоиспытатели, сегодня вновь красуется на испытательных стендах.