Доклад по
Физике
“Вечный двигатель”
Ученика 11класса “А”
Лингвистическойгимназии № 36
Ладыга антона
« — Errarehumanum est » — « Человеку свойственно заблуждаться
(это по-латыни)», — сказал гражданин Груздевоперуполномоченному Шарапову в знаменитом многосерийном фильме. Действительно,свойственно; едва ли не ежедневно мы совершаем массу ошибок, больших и малых,имеющих печальные последствия и не имеющих; мы глубоко убеждены в каких-либоложных положениях и отрицаем то, что со временем оказывается истиной. Впрочем,без этого наша жизнь вполне могла бы утратить какие-то привлекательные черты:скучно жить в мире, населенном безошибочными, бездушными автоматами… Кстати,некоторые из человеческих заблуждений оказались настолько крепкими идолговечными, что даже получили «титул» величайших. Всего их семь.Вот они: квадратура круга, трисекция угла, удвоение куба, подвижность ртути,философский камень, эликсир жизни и — вечный двигатель.
Первые три — знаменитыегеометрические задачи древности — ждали своего решения несколько тысяч лет. Ихнеразрешимость была доказана окончательно лишь в XIX веке. Ушли в прошлое попытки найти философский камень — средство, позволяющее любые металлыпревращать в золото, так как подобный способ был найден современной наукой, нооказался чересчур громоздким и потому нерентабельным. Что же касается вечногодвигателя — по латыни perpetuum mobile, — то,несмотря на открытие в середине того же XIX века закона сохраненияэнергии, полностью исключающего возможность создания такого устройства, попыткиработы в этой области продолжаются и в наши дни.
Что же такое «вечныйдвигатель»? Это воображаемый механизм, который безостановочнодвижет сам себя и, кроме того, совершает ещё какую-нибудь полезнуюработу, например, поднимает груз или вырабатываетэлектроэнергию. Мысль его создания существовала с оченьдавних времен, а описания его устройства известны с начала XVII века. Однакоуже раньше этого времени лучшие умы считали создание такого двигателяневозможным; голландский физик Стевин, итальянец Леонардо даВинчи писали об этом, а в 1775 году Парижская академия науксочла необходимым совсем отказаться от рассмотрения машин,выдаваемых за вечный двигатель. Но… проекты продолжалипоступать.
Вот один из древнейших проектоввечного двигателя. К краям колеса прикреплены откидные палочки с грузами наконцах. При всяком положении колеса грузы на правой стороне будут откинутыдальше от центра, нежели на левой; эта половина, следовательно, должна всегдаперетягивать левую и тем самым заставлять колесо вращаться вечно, по крайнеймере, до тех пор, пока не перетрется его ось. Так думал изобретатель. Междутем, если смастерить такой двигатель, он вращаться не будет. Почему же расчетизобретателя не оправдался? Вот почему: хотя грузы на правой стороне всегдадальше от центра, левой, взгляните на рисунок: справа всего 4 груза, слева же —8. Оказывается, что вся система уравновешивается; естественно, что колесовращаться не станет, а, сделав несколько качаний, остановится. Математическиположение равновесия колеса
можно определить с помощьюуравнения моментов. Колесо с перекатывающимися в нем тяжелыми шариками — ещеодин perpetuum mobile — не будет работать по той же причине. Тем неменее, в одном из городов Америки устроено было ради рекламных целей дляпривлечения внимания публики к кафе, огромное колесо именно подобногорода. Конечно, этот «вечный двигатель» незаметно приводился вдействие искусно скрытым механизмом, хотя зрителям шары. В том же роде были идругие мнимые образцы вечных двигателей, выставлявшихся одно время в витринахчасовых магазинов для привлечения публики: все они незаметно приводились вдвижение электрическим током. Эти имитации, впрочем, и не претендовали на рольperpetuum mobile что нельзя сказать о так называемом «самодвижущемсяколесе» Орфиреуса — немецкого изобретателя, прославившегося своим изделиемна всю Германию. Его вечный двигатель едва не был приобретен за огром-
ную суммуимператором Петром 1. Колесо Орфиреуса (настоящая фамилия которого была Бесляр)не только врац ло при этом на значительную высоту солидный груз.
Слава очудесном изобретении, которое ученый доктор показывал сначала на ярмарках,быстро разнеслась по Германии, и Орфиреус вскоре приобрел могущественных покровителей,им заинтересовался польский король Август II. затем ланзамок и всяческииспытывал машину.
Так, в1717 году, 12 ноября, двигатель, находившийся в уединенной комнате, былприведен в действие; затем комната была заперта на замок, запечатана и оставленапод бдительным караулом двух гренадеров. Четырнадцать дней никто не смел дажеприближаться к комнате, где вращалось таинственное колесо. Лишь 26 ноябряпечати были сняты; ландграф со свитой вошел в помещение. И что же? Колесо всёещё вращалось «с неослабевающей быстротой...» Машину остановили,тщательно осмотрели, затем опять пустили в ход. В течение сорока дней помещениеснова оставалось опечатанным; со- рок суток караулили у дверей гренадеры. Икогда 4 января 1718 года печати были сняты, экспертная комиссия нашла колесо вдвижении!Ландграфи этим не удовольствовался: сделан был третий опыт — двигатель был запечатан нацелых два месяца. И всё-таки по истечении срока его нашли движущимся!
Изобретательполучил от восхищенного ландграфа официальное удостоверение в том, что его«вечный двигатель» делает 50 оборотов в минуту, способен поднять грузвесом 160Н на высоту 1.5 м, а также может приводить в действие кузнечный мех иточильный станок. С этим удостоверением Орфиреус и странствовал по Европе.Вероятно, он получал порядочный доход, если соглашался уступить свою машинуПетру 1 не менее чем за 100 000 рублей.
Петробратил внимание на колесо Орфиреуса ещё в 1715 году, во время своегопребывания за границей, и тогда же поручил А.И.Остерману, известному дипломату,познакомиться с этим изобретением поближе; последний вскоре прислал подробныйдоклад о двигателе, хотя самой машины ему увидеть не удалось. Петр собиралсядаже пригласить Беслера к себе на службу и поручил запросить о нем мнениеХристиана Вольфа, известного философа того времени (учителя Ломоносова).
Знаменитыйизобретатель отовсюду получал лестные предложения. Великие мира сего осыпалиего высокими милостями, поэты слали оды и гимны в честь его чудесного колеса.Но нашлись и недоброжелатели, подозревавшие здесь искусный обман. Былисмельчаки, которые открыто обвиняли Беслера в плутовстве; предлагалась премия в1000 марок тому, кто разоблачит этот обман. В одном из памфлетов, написанных собличительной целью, мы находим рисунок, воспроизведенный здесь. Тайна«вечного двигателя», по мнению разоблачителя,кроется просто в том, что спрятанный человек тянет за веревку, намотанную неза-метно для наолюдателя на часть оси колеса, скрытую в стойке. Тонкое плутовствобыло раскрыто случайно — только потому, что ученый доктор поссорился со своейженой и служанкой, посвященными в его тайну, не случись этого, мы, вероятно, досих пор оставались бы в недоумении относительно вечного двигателя",наделавшего столько шума. Оказывается, колесо Орфиреуса действительно приводилосьв движение людьми незаметно дергавшими за тонкий шнурок. Этими людьми были братизобретателя и его служанка.
Стольковнимания колесу Орфиреуса мы уделили потому, что это был, пожалуй, единственный«вечный двигатель», принесший хоть какие-нибудь практическиерезультаты, хотя бы в плане обогащения его создателя. Вечный двигатель некоегоГертнера, славившийся в Германии в те же времена, уже не производил такого жеэффекта. Посланец Петра 1, Шумахер, писал об этой машине следующее:«Господина Гертнера perpetuum mobile, который я в Дрездене видел,состоит из холста, песком засыпанного, и в образе точильного камня сделанноймашины, которая назад и вперед сама от себя движется; но, по словам господинаинвентора (изобретателя) не может весьма велика сделаться… Французские ианглийские ученые… ни во что почитают все оные перепутум мобилес и сказывают,что оное против принципиев математических.» Что же касается различныхскрытых механизмов, движущие некоторые из «вечных двигателей», пожалуй,остроумнее всех поступил некий изобретатель, показывавший свое изделие вшестидесятых годах прошлого столетия на Парижской выставке. Двигатель состоялиз большого колеса с перекатывавшимися в нем шарами, причем изобретательутверждал, что никому не удастся задержать движение колеса. Посетители выставкиодин за другим пытались остановить колесо, — но оно медленно возобновляловращение как только отнимались руки. Никто не догадывался, что колесо вращаетсяименно благодаря стараниям посетителей его остановить: толкая его назад, онитем самым заводили пружину искусно скрытого механизма… И все же подавляющеебольшинство изобретателей вечного двигателя честно старались разрешитьзаманчивую задачу. Были мобилизованы все мыслимые и немыслимые возможности: иархимедова сила, заставлявшая всплывать пустотелые деревянные ящики, иэлектричество, и магнетизм… А вот проект капиллярного «вечного»двигателя (см. рис.): масло (или вода), налитое в сосуд поднимается фитилямисначала в верхний сосуд, а оттуда другими фитилями — еще выше; верхний сосудимеет желоб для стока масла, которое падает на лопатки колеса, приводя его вовращение. Стекшее вниз масло снова поднимается по фитилям до верхнего сосуда.Таким образом, струя масла, стекающая по желобу на колесо, не на секунду непре- рывается, и колесо вечно должно находиться в движении… Ошибказаключается в том, что масло не будет стекать с верхней, загнутой части фитиля.Ведь капиллярное притяжение, преодолев тяжесть, подняло жидкость вверх пофитилю.Эта же причина удержит жидкость в порах намокшего фитиля, не давая ейкапать с него. Если допустить, что в верхний сосуд на- действия капиллярных силможет попасть жидкость, то надо будет признать, что те же фитили, которые будтобы доставили её сюда, сами же и перенесли бы её обратно в нижний. Этот мнимыйвечный двигатель напоминает другую водяную машину «вечного» движения,придуманную ещё 1575 году итальянским ме- хаником страдою Старшим. Архимедоввинт, вращаясь, поднимает воду в верхний бак, откуда она вытекает из лотка струей,ударяющей в лопатки наливного колеса (справа внизу). Водяное колесо вращаетточильный камень, а одновременно двигает, с помощью ряда зубчатых колес, тотсамый Архимедов винт, который поднимает воду в верхний бак. Винт вращаетколесо, а колесо — винт!.. Если бы возможны были подобные механизмы, то прощевсего было бы устроить так: перекинуть веревку через блок и привязать к егокон- цам одинаковые гири; когда один груз опускался бы, он приподнимал бы темсамым другой груз, а тот, опускаясь с этой высоты, поднимал бы первый. Чем невечный двигатель? Англичанин Джон Вилкенс, епископ в Честере, описал в XVIIвеке проект магнитного perpetuum mobile. Сильный магнит помещается наколонке. К ней прислонены два наклонных желоба и, один под другим, причёмверхний имеет небольшое отверстие в верхней части. Если — рассуждализобретатель — на верхний желоб положить небольшой железный шарик в точке, товследствие притяжения магнитом А шарик покатится вверх; однако, дойдя доотверстия, он провалится в нижний желоб М, покатится по нему вниз, подниметсяпо закруглению и снова попадет на верхний желоб, чтобы начать движениесначала. Таким образом, шарик безостановочно будет бегать взад и вперед,осуществляя вечное движение. Абсурдность этого изобретения указать нетрудно.Почему изобретатель думал, что шарик, скатившись по желобу до его нижнегоконца, будет ещё обладать скоростью, достаточной для поднятия его вверх позакруглению? Так было бы, если бы шарик катился под действием одной лишь силытяжести, но он ведь находится под действием сразу двух сил — тяжести имагнитного притяжения. Последняя по предположению настолько значительна, чтоможет заставить шарик подняться от точки. Поэтому по желобу М шарик будетскатываться не ускоренно, а замедленно, и если даже достигнет нижнего конца, тово всяком случае не накопит скорости, необходимой для поднятия по закруглению.Описанный проект много раз вновь всплывал впоследствии во всевозможныхвидоизменениях, а один из подобных проектов был даже запатентован в Германии1878 году, т.е. спустя тридцать лет после провозглашения закона сохраненияэнергии! Хотя, согласно уставу, патенты на изобретение, идея которыхпротиворечит законам природы, не должны выдаваться, изобретатель такзамаскировал основную идею магнитного perpetuum mobile, что ввёл взаблуждение техническую комиссию.
Большаячасть проектов вечных двигателей действительно могла бы работать, если бы несуществование силы трения. Если это двигатель — должны быть и движущиеся части,значит, недостаточно двигателю вращать самого себя: нужно вырабатывать ещё иизбыточную энергию для преодоления силы трения, которую никак не уберешь. Вотвам проект вечного двигателя: динамо машина соединяется с электромотором. Еслидинамо-машине дать первоначальный им пульс, то порождаемый ею ток запуститэлектромотор, а тот, вращаясь, будет заставлять работать динамо-машину. Такимобразом, машины будут двигать одна другую, пока не износятся. Если бы каждая изсоединенных машин обладала стопроцентным коэффициентом полезного действия, мымогли бы заставить их указанным способом безостановочно двигаться только приполном отсутствии трения. Такой агрегат, в сущности, представляет собой однумашину, которая должна сама себя приводить в движение. При отсутствии тренияагрегат двигался бы вечно, но пользы от такого движения нельзя было бы извлечьникакой: стоило бы заставить «двигатель» совершать внешнюю работу, ион немедленно остановился бы. А ведь даже проводник, по которому течет ток,хоть внешне он и неподвижен, греется именно из-за наличия силы трения — вданном случае обусловленной столкновениями электронов с атомами вещества, изкоторого сделан
проводник...
Любопытно,что если поиски вечного двигателя всегда оказывались бесплодными, то, напротив,глубокое понимание его невозможности приводило нередко к плодотворнымоткрытиям. Прекрасным примером может служить тот способ, с помощью которогоСимон Стевин, замечательный голландский ученый конца XVI и начала XVII века,открыл закон равновесия сил на наклонной плоскости. Этот математик и инженерзаслуживает гораздо большей известности, нежели та, какая выпала на его долю,потому что он сделал много важных открытий, которыми мы теперь постояннопользуемся: изобрел десятичные дроби, ввел в алгебру употребление показателей,открыл гидростатический закон, впоследствии вновь открытый Паскалем.
Законравновесия сил на наклонной плоскости он открыл, не опираясь на правилопараллелограмма сил, единственно лишь с помощью чертежа, изображенного натитульном листе его книги «Математические мемуары» (1586 год). Черезтрехгранную призму перекинута цепь из 14 одинаковых шаров. Что произойдет сэтой цепью? Нижняя часть, свисающая гирляндой, уравновешивается сама собой. Ноостальные две части цепи — уравновешивают ли друг друга? Иными словами: правыедва шара уравновешиваются ли левыми четырьмя? Конечно, да, — иначе цепь самасобой вечно бежала бы справа налево, потому что на место соскользнувших шароввсякий раз поме- щались бы другие и равновесие никогда бы не восстанавливалось.Но так как мы знаем, что перекинутая указанным образом цепь вовсе не движетсясама собой, то, очевидно, два правых шара действительно уравновешиваются че тырьмя левыми. Получается словно чудо: два шара тянут с такой же силой, как ичетыре. Из этого мнимого чуда Стевин вывел важный закон механики. Он рассуждалтак: одна цепь тяжелее другой во столько же раз, во сколько раз длинная граньпризмы длиннее короткой. Отсюда вытекает, что и вообще два груза, связанныхшнуром, уравновешивают друг друга на наклонных плоскостях, если веса ихпропорциональны длинам этих плоскостей. В частном случае, когда короткаяплоскость отвесна, мы получаем известный закон механики: чтобы удержать тело нанаклонной поверхности, надо действовать в направлении этой плоскости силой,которая во столько раз меньше веса тела, во сколько раз длина плоскости большееё высоты.
Так,исходя из мысли о невозможности вечного двигателя, сделано
быловажное открытие в механике. Однако проекты продолжали поступать.
На рисункемы видим тяжелую цепь, перекинутую через колеса так, что правая половина привсяком положении должна быть длиннее левой., Это — тоже "perpetuummobile ". Правая половина цепи длиннее и, следовательно, тяжелеелевой, значит, она должна перевешивать и безостановочно падать вниз, приводя вдвижение весь механизм.
Но мытолько что видели, что тяжелая цепь: может уравновешиваться легкой, если силыдействуют на них под разными углами. В рассматриваемом механизме левая цепьнатянута отвесно, правая же расположена наклонно, а потому она, хотя и тяжелее,всё же не перетягивает левую. Ожидаемого вечного движения здесь получиться неможет.
Порою одинвнешний вид и видимое действие устройства может ввести в заблуждение неподго-товленного наблюдателя. Курский изобретатель А.Г.Уфимцев создал новый типветросиловой станции с дешевым «инерционным» аккумулятороммеханической энергии, устроенным по типу махового колеса. В 1920 году им былапостроена модель этого аккумулятора в виде диска, вращающегося на вертикальнойоси с шариковым подшипником, в кожухе, из которого был выкачан воздух. Будучиразогнан до 20 000 оборотов в минуту, диск сохранял вращение в течениепятнадцати суток!
В нашевремя, правда, количество проектов perpetuum mobile пошло на убыль —закон сохранения энергии звучит сейчас, очевидно, более убедительно, нежели впрошлом веке. Любители подобных задач заняты сейчас другой целью — непротиворечащей, кстати, законам природы, — созданием так называемого даровогодвигателя. В даровых двигателях энергия не создается из ничего, она черпаетсяизвне — из окружающей атмосферы, из энергии Солнца и т.п.
Естьдаровые двигатели, работающие на перепаде атмосферного давления, по инерции ит.п. Ведь неплохо иметь такую машину: толкнул — и она работает, скажем, летсто. Потом остановится — не беда, опять толкнем… Чистая фантазия, конечно, нозаконам природы это не противоречит, а значит, может и осуществиться…Нынешние даровые двигатели еще слишком несовершенны — конструкция их чересчурдорога по сравнению с доставляемой ими энергией, и они, следовательно,невыгодны, но, во всяком случае, поиск рабочего дарового двигателя — болееперспективный путь, нежели бессмысленные попытки создания perpetuum mobile.