Издревле человека волновала проблема вечного движения, чтобы без затрат какой-либо энергии получать новую энергию. Многие хотели сделать вечный двигатель, и, хотя учёный мир настаивает на невозможности этого, изобретатели со всего света пробуют свои силы и по сей день. Кое-что у них даже получается, и это трудно объяснить...
Попытаемся рассказать о законах природы, исключающих возможность создания перпетуум-мобиле.
Постройте машину, которая совершала бы работу большую, чем сообщенная ей энергия, и вы решите проблему вечного движения.
Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен вырабатывать ее в достаточном количестве, не имея ни какого внешнего источника. Представьте, что нужно рассчитать баланс энергии, затрачиваемой на совершение того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера, или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае количество затраченной энергии всегда должно быть равно количеству энергии произведенной или выделившейся в результате совершения работы. Энергия, которую мы не совсем точно называем потерянной, на самом деле не изчезает. Просто она переходит в иную форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так получается оттого, что в результате трения происходит нагревание и часть энергии выделяется в виде тепла. И это вообще говоря справедливо для потерь любого вида энергии , ибо они в конечном счете всегда превращаются в тепло.
Эту же мысль можно выразить и иными словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или соваем безполезную. Например, тепло, выделяемое в двигателе внутреннего сгорания, - ненужный и тем не менее неизбежный продукт превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но сделаем мы это или не сделаем - все равно часть работы, совершаемой двигателем, будет тратиться на тепловые потери.
Все, о чем говорилось выше, и представляет собой суть важнейшего закона природы - закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики.
Мы уже говорили, что 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. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализуемой машины заложили фундамент механики как науки. Великие ученные прошлого приняли как аксиому невозможность создания перпетуум-мобиле и тем помогли пробиться росткам новой науки.
Порой легко доказать негодность того или иного проекта вечного двигателя и тем самым показать, что данный конкретный способ его реализации не приведет к желаемому результату. Но это вовсе не означает, что автоматически исключается возможность построения перпетуум-мобиле другими средствами. Поэтому, до тех пор, пока не был четко сформулирован закон сохранения энергиги, невозможность создания механического вечного двигателя, установленная многовековым опытом, вовсе не означала невозможность создания, скажем двигателя химического. Конечно, бесплодность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных "машин вечного движения." Тщательное рассмотрение очередного проекта всегда обнаруживало какие-нибудь теоретические ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались несостоятельными.
В разработку общепринятого ныне критерия неосуществимости вечного движения, провозглашающего невозможность создания энергии из ничего, внесли свой вклад философы, математики, инженеры. Закон сохранения энергии стал неизбежным препятствием для изобретателей перпетуум-мобиле. И все попытки преодолеть это препятствие кончались крахом.
Но вскоре было сформулировано еще общее положение, получившее название второго начала термодинамики. Это начало, говоря несколько упрощенно, гласит, что тепло не может увеличиваться самопроизвольно; иными словами, если более нагретое тело привести в контакт с менее нагретым, то будет наблюдаться выравнивание температур, а не увеличение их разности.
Это явленние (выравнивание температур) долгое время не имело никакого теоретического объяснения. Впервые сформулированное немецким физиком Рудольфом Юлиусом Эммануэлем Клаузисом (1822-1888), второе начало термодинамики носило чисто эмпирический характер. Правда, указывалось на аналогию между изменением температуры контактируемых тел и потоком воды, текущей вниз под действием собственной тяжести, но ситуация ослажнялась тем, что не удавалось установить, какие же внешние силы управляют этим тепловым процессом. Поэтому, хотя эксперемент всегда обнаруживал уменьшение температуры, вплоть до последней четверти прошлого столетия высказывались сомнения относительно всеобщности второго начала термодинамики. Более того, некоторые ученые пытались доказать, что существуют случаи, нарушающие справедливость этого начала.
В 1875 году вышла в свет знаменитая "Теория теплоты" Максвелла, в которой утверждалось, что характер действия второго началал термодинамики может быть уточнен следующим мысленным экспериментом. Если преставить себе некое устройство, которое сортировало бы молекулы по их скорости, то можно было бы без затраты работы и не нарушая закона сохранения энергии нагревать одну половину некоторого объема газа и охлаждать вторую. Результатом этого мысленного эксперимента и будет увеличение тепла в одной части сосуда с газом и уменьшение в другой. Видоизмененное таким образом второе начало термодинамики приобрело вероятностный, а не детерминированный характер.
В конце прошлого столетия физики Больцман и Планк заложили научные основы этого вопроса. Больцман, в частности, показал, что самопроизвольное выравниваниие температур двух тел есть результат перехода молекул этих тел из менее вероятного в более вероятное состояние. Гипотетическая передача тепла в направлении от менее нагретого тела к более нагретому в свете этого доказательства возможна, но маловероятна.
Это положение можно проиллюстрировать простым примером. Закон диффузии газов очень близок к закону теплопереноса, поскольку в процессе диффузии молекулы газов распределить равномерно. Если на газ не воздействовать извне, то будет наблюдаться тенденция к выравниванию его плотности. Было бы по меньшей мере странно, если бы газ, первоначально обладавший равномерной плотностью, вдруг стал бы скапливаться в одной части сосуда, оставляяя при этом незаполненное пространство в другой его части. Аналогичное весьма маловероятное явление происходило бы с теплом, переходящим от менее нагретого к более нагретому телу.
Давайте теперь предположим, что существует крохотный сосуд, вмещающий всего две молекулы, по одной в каждой половине сосуда. Молекулы эти находятся в непрерывном движении, ударяясь о стенки и беспорядочно проскакивая вперед и назад из одной части сосуда в другую. При этом, очевидно, существуют четыри возможных варианта расположение молекул в пространстве:
A--B, A--A, ABAB.
В двух вариантах из четырех в одной половине сусуда возникает вакуум. Следовательно, вероятность такого события равна 1/2, и можно ожидать, что половину времени одна часть сосуда будет пустой. С увеличением числа молекул вероятность появления вакуума резко падает. При общем числе молекул, равном n, вероятность того, что половина сосуда окажется пустой, составит (1/2)n-1. Практически число молекул огромно, поэтому верятность такого события близка к нулю. Так, для реального случая, когда разница давлений в двух половинах одного кубического сантиметра газа не превышает одного процента, вероятность возникновения вакуума в какой либо половине этого кубика ничтожна мала; такое событие может произойти один раз за 101016 лет!
И хотя эти рассуждения выглядят довольно впечатляющими, одно обстоятельство все же необходимо пояснить. Не следует думать, что если возникновение вакуума - событие настолько редкое, то нам действительно придется ждать его появления многие миллионы лет. Вакуум может создаться и через минуту! Более того, вакуум может возникнуть дважды в течении минуты, но на очень короткое время.
Доктор Хейл из бюро стандартов США предположил, что подобная система доказательсрв могла бы привести нас к аналогичному заключению о возможности самопроизвольного появления заметной разницы температур в некоем объеме газа. Известно, что температура определяется скоростью движения его молекул. При температуре, которая считается постоянной, скорости отдельных молекул газа далеко не одинаковы. Однако все они статистически распределены около той средней величины, которая всегда остается неизменной.
Давайте вновь рассмотрим микроскопический сосуд, в котором находится всего четыре молекулы. Пусть на этот раз две молекулы F1 и F2 быстрые, а две другие молекулы S1 и S2 медленные.
Допуская, что изменений в плотности газа нет, мы получим шесть различных вариантов расположения молекул в сосуде:
F1S1 -- F2S2
F2S1 -- F1S2
F1S2 -- F2S1
F2S2 -- F1S1
S2S1 -- F1F2
F1F2 -- S1S2
Первые четыре случая - это случаи, когда в обеих половинах сосуда температура газа одинакова, посколько современные измерительные приборы дают ее усредненное значение. В двух последних вариантах наблюдается разница температур; вероятность их возникновения для четырех молекул равна 1/3.
С увеличением числа молекул вероятность появления сколько-нибудь заметной разницы температур в двух частях нашего гипотетического сосуда резко уменьшается. Следует также иметь в виду, что в любом объеме газа, температуру которого мы в состоянии измерить или проконтролировать, температура каждой отдельной весьма малой его части постоянно колеблется относительно градуировочной кривой прибора, и в целом газ столь же не однороден по температуре, как и поверхность океана не является абсолютно ровной.
Итак, вероятность появления заметной разницы температур в газе очень мала. Но все же она существует, и, значит, следует не только признать возможность перехода тепла от менее нагретого тела к более нагретому, но и согласится с тем, что такой переход непрерывно осуществляется, правда, в столь незначительных масштабах, что мы вряд ли сможем его наблюдать. Поэтому, как утверждал немецкий философ Карл Христиан Планк (1819-1880), существует вероятность, хотя и очень незначительная, что в чайнике, помещенным над огнем, замерзнет вода.
Признание учеными возможности, во-первых, перехода тепла от менее нагретого тела к более нагретому и, во-вторых, возникновения при этом незначительного, но все же заметного изменения температуры и плотности послужило основанием для дальнейших рассуждений. Возник вопрос о том, нельзя ли создать устройство, в котором в результате подобных изменений постепенно увеличивался бы перепад температур, за счет которого можно было бы в дальнейшем совершать полезную работу? Вопрос этот возник лет восемьдесят назад, а само это гипотетическое устройство вошло в науку под названием вечного двигателя второго рода. Такое название оно получило потому, что должно было совершать работу, не вырабатывая энергии и вопреки второму началу термодинамики.
Проект устройства был сперва предложен парижанином Липпманом в 1900 году, а затем в 1907 году Сведбергом из города Упсала (Швеция). В 1912 году Смолуховский опубликовал развернутое теоретическое обсуждение данной проблемы. Он показал, что вряд ли стоит надеяться, будто с помощью устройства, содержащего молекулы газа, удастся накапливать эти столь редкие "отступления" от второго начала, поскольку любое подобное устройство само по себе будет подвержено изменениям на молекулярном уровне. Постоянно происходящее перераспределение скоростей движения молекул уничтожит все перепады температуры, которые предполагалось накапливать в устройстве и которые принципиально необходимы для его работы.
Это доказательство представляется весьма убедительным, хотя и обескураживающим. Замечателен вывод, вытекающий из него: второе начало термодинамики для больших промежутков времени справедливо лишь в статистическом смысле.
Интересно, что тринадцать лет спустя, в марте 1925 года, выступая перед сотрудниками американского бюро стандартов, профессор Дебай заявил: для согласования явления интерференции света с квантовой теорией необходимо допустить, что закон сохранения энергии верен только в статистическом смысле. По его мнению, в очень короткие промежутки времени энергия может создаваться, а на протяжении длительного времени ее среднее значение будет оставаться неизменным. В предположении Дебая содержится скрытый намек на то, что вечное движение первого рода, то есть истинное создания энергии, представляет собой некую "научную вероятность" и даже "возможность."
О "вечном двигателе", "вечном движении" часто говорят и в прямом и в переносном смысле слова, но не все отдают себе отчёт, что, собственно, надо подразумевать под этим выражением. Вечный двигатель - это такой воображаемый механизм, который безостановочно движет сам себя и, кроме того, совершает ещё какую-нибудь полезную работу (например, поднимает груз). Такого механизма никто построить не смог, хотя попытки изобрести его делались уже давно. Бесплодность этих попыток привела к твердому убеждению в невозможности вечного двигателя и к установлению закона сохранения энергии - фундаментального утверждения современной науки. Что касается вечного движения, то под этим выражением подразумевается непрекращающееся движение без совершения работы.
На рисунке изображен мнимый самодвижущийся механизм - один из древнейших проэктов вечного двигателя, иногда и теперь возрождаемый неудачливыми фанатиками этой идеи. К краям колеса прикреплены откидные палочки с грузами на концах. При всяком положении колеса грузы на правой его стороне будут откинуты дальше от центра, нежели на левой; эта половина, следовательно, должна всегда перетягивать левую и тем самым заставлять колесо вращаться. Значит, колесо должно вращаться вечно, по крайней мере до тех пор, пока не перетрётся его ось. Так думал изобретатель. Между тем, если сделать такой двигатель, то он вращаться не будет. Почему же расчёт изобретателя не оправдывается?
Вот почему: хотя грузы на правой стороне всегда дальше от центра, но неизбежно такое положение, когда число этих грузов меньше, чем на левой. Взгляните на рис.Б: справа всегда 4 груза, слева же - 8. Оказывается, что вся система уравновешивается; естественно, что колесо вращаться не станет, а, сделав несколько качаний, остановится в таком полдожении.
Теперь доказано непреложно, что нельзя построить механизм, который вечно двигался бы сам собой, выполняя ещё при этом какую-нибудь работу. Совершенно безнадёжно трудиться над такой задачей. В прежнее время, особенно в средние века, люди безуспешно ломали головы над её разрешением и потратили на изобретение "вечного двигателя"(по латыни perpetuum mobile) много времени и труда. Обладание таким двигателем представлялось даже более заманчивым, чем искусство делать золото из дешёвых металлов.
У Пушкина в "Сценах из рыцарских времён" выведен такой мечтатель в лице Бертольда.
"- Что такое perpetuum mobile? - спросил Мартын. - Perpetuum mobile, - отвечает ему Бертольд, - есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому... Видишь ли, добрый мой Мартын! Делать золото - задача заманчивая, открытие, может быть, любопытное и выгодное, но найти perpetuum mobile... O!...".
Были придуманы сотни "вечных двигателей", но ни один не двигался. В каждом случае, как и в нашем примере, изобретатель упускал из виду какое-нибудь обстоятельство, которое и разрушало все планы.
Вот ещё образчик мнимого вечного двигателя: колесо с перекатывающимися в нём тяжёлыми шариками (рисунок ниже). Изобретатель воображал, что шары на одной стороне колеса, находясь всегда ближе к краю, своим весом заставят колесо вертеться.
Разумеется, этого не произойдёт - по той же причине, как и с колесом, изображенным на рис. А. Тем не менее в одном из городов Америки устроено было ради рекламных целей, для привлечения внимания публики к кафе, огромное колесо именно подобного рода. Конечно, этот "вечный двигатель" незаметно приводился в действие искусно скрытым посторонним механизмом, хотя зрителям казалось, что колесо двигают перекатывающиеся в прорезах тяжёлые шары. В том же роде были и другие мнимые образцы вечных двигателей, выставлявшиеся одно время в витринах часовых магазинов для привлечения публики: все они незаметно приводились в движение электрическим током.
Людям прошлого казалось, что наиболее доступным источником энергии для работы вечных двигателей является вода. Вероятно, такое мнение сложилось от того, что вода, повсюду окружающая человека, казалась ему ничего не стоящей. Это обстоятельство и вводило в заблуждение мельника, думавшего, что вода достается ему бесплатно. От него было скрыто, что купля-продажа воды происходит как бы в пересчете на еденицу энергии, которая один лишь раз может быть затрачена на совершение полезной работы. Однако владельцы мельниц, на которых в периуд засух уменьшался напор воды, не рассматривали последнюю как бесплатный источник энергии. Они постоянно пытались заставить подниматься воду вверх и вновь совершать работу. Позднее умудренные опытом инженеры стали накапливать энергию, сооружая запруды со шлюзными воротами и создавая в них запасы воды для того, чтобы работа мельниц не прекращалась в засушливые периоды, когда естественный поток воды прекращался.
Инженерам позднего средневековья и Возрождения был известен по крайней мере один весьма надежный способ подъема воды на определенную высоту: если конец трубки, скрученный наподобие резьбы винта, опустить в воду, то она начнет подниматься вверх по трубке до тех пор, пока последняя будет вращатся. Это странное, но, тем не менее идеально работающие изобретение, вошло в историю техники под названием архимедова винта. (см рис.) Теперь мы понимаем, что трубка архимедова винта должна была вращаться с помощью какой-то внешней силы.
Этого, однако, не знали люди средневековья, которые с искреннем удивлением задавали вопрос: "Что может быть проще, чем соединить такой винт с водяным колесом мельницы? Ведь тогда мельница будет вращать винт, а винт приводить в движение мельницу!"
На рисунке изображена мельница замкнутого цикла, предложенная Робертом Флуддом в 1618 году. Для ее работы нет необходимости в непрерывно текущем потоке воды. Лишь спустя два столетия после смерти Роберта Флудда стало ясно, что закон сохранения энергии исключает возможность существования такого устройства.
Интересно, что вера в винт Архимеда как в средство для решения проблемы вечного движения была разрушена не кем иным как Уилкинсом, епископом Честерким. Решив заняться разработкой и описанием машины вечного движения, он выполнил свое намерение с завидной скрупулезностью. В разделе его книги, посвященной "водяным вечным двигателям", Уилкинс подробно говорит о преимуществах архимедова винта перед водяным насосом, а затем продолжает: "Если рассматривать эти механизмы совместно, то может показаться, что построить вечный двигатель не так уж и сложно. Для этого достаточно иметь водяное колесо, по которому бы опускался, приводя его в действие, раннее поднятый вверх поток воды. Это колесо вращало бы винт, поднимавший такое количество воды, которое было необходимо для движеения всей машины в целом. Движение это было бы непрерывным, посколькы количество воды, выносимое вверх вращающимся винтом, равняется кличеству воды, падающему по колесу вниз. Если же окажется, что действия воды на колесо недостаточно для приведения в движение архимева винта, то почему бы не использовать несколько колес: два, три - словом, столько, сколько позволяет размер всей машины.
Обратимся теперь к рисунку. Здесь деталь LM представляет собой деревянный цилиндр, в котором вырезан спиральный желоб. В устройстве этот цилиндр закрывается жестяными пластинами AB. Три водяных колеса отмечены буквами H, I, K, а расположенный внизу резервуар с водой - буквами CD. При вращении цилинра вся вода, которая поднимается им из резервуара вверх, будет поступать в сосуд E, а из этого сосуда выливаться на колесо H и, следовательно, вращать колесо и весь винт в целом. Если же для вращения винта количество воды, падающее на колесо H, окажется недостаточным, тогда можно будет использовать воду, стекающую с этого колеса в сосуд F и попадающую далее на колесо I. В результате этого сила действия воды удвоится. Если же и этого окажется недостаточно, тогда вода, поступающая на второе колесо I, может быть направлена в сосуд G и на третье колесо K. Этот каскад можно продолжить, установив такое количество дополнительных колес, какое позволяют размеры всего устройства. Однако увеличение числа колес утяжеляют винт и для его вращения потребуется воды больше, чем он сможет поднять. Но если вода будет в избытке, то почему бы не использовать часть ее на хозяйственные нужды (при условии, конечно, что оставшейся воды будет достаточно для вращения винта)?
Когда я впервые сделал такое открытие, то едва удержался, от того, чтобы, подобно Архимеду, не закричать "Эврика!". Этот способ создания вечного движения казался мне столь безупречным, что вряд ли можно было бы найти против него какие-кибо возражения. Однако после целого ряда попыток я пришел к выводу о полной несостоятельности свoего замысла. Устройство не будет работать по двум причинам. Во-первых, вода, которая подымается наверх, не образует сколько-нибудь значительного потока, устремляющего затем вниз. Во-вторых, этот поток, даже в виде каскада, не способен вращать винт".
Таким образом, епископ Уилкинс не только задумал весьма оригинальный вечный механизм, но и взял на себя труд построить модель усройства и подвергнуть ее испытаниям. В результате этого исследования Уиллкинс убедился в полной непригодности механизма и четко уяснил для себя причины идейной несостоятельности проекта.
История, как известно, повторяется, и то же самое происходит, вероятно, и с изобретениями. В 1648 году епископ Уилкинс отверг идею "колесно-насосного" вечного двигателя, а более чем через двести лет модифицированный проект того же самого устройства с искренним энтузиазмом первооткрывателя был предложен неким читателем журналу "Инглиш-микаэникал". Вот что писал изобретатель: "На рисунке буква A обозночает винт, ось которого закреплена в двух опорных точках G, G. Буквой B обозночается емкость, котораяя наполнена ртутью до уровня нижнего отверстия винта (ртуть, по мнению многих, предпочтительнее воды, потому что она не оседает на стенках резервуара, а также не испаряется подобно воде). буквой C обозначен резервуар, в который при повороте винта попадает падающая сверху ртуть. Из этого резервуара выходит трубка, по которой вследствие действия силы тяжести ртуть перетекает на лопастную площадку E (мы назвали ее так за неимением более подходющего термина). Лопасти представляют собой перегородки между различными секторами площадки. Ртуть, попавщая в секторы площадки, давит на лопасти-перегородки и приводит во вращение площадку и, следовательно, винт. Когда сектор в процессе вращения площадки поравняется с резервуаром E, наклон перегородок оказывается таким, что ртуть стекает по желобу в этот резервуар, а затем оказывается в емкости B. Оттуда винт, находящийся в постоянном вращении, вновь подхватит ртуть и вынесет наверх".
Печально, что такой проект даже менее реален, чем предыдущий. Тем же, кто убежден, что нет вещей более неосуществимых, чем просто неосуществимые, я позволю себе напомнить поговорку времен Второй мировой войны: "Невозможное мы совершаем мгновенно, а на чудеса требуется больше времени".
Среди множества проектов "вечногого" двигателя было немало и таких, которые основаны на всплывании тел в воде. Высокая башня в 20 м высоты наполена водой. Наверху и внизу башни укреплены шкивы, через которые перекинут прочный канат в виде бесконечного ремня. К канату прикреплено 14 полых кубических ящиков в метр высоты, склепанных из железных листов так, что внутрь ящиков вода проникнуть не может. На рисунках изображен внешний вид такой башни и ее продольный разрез.
Как же действует такая установка? Каждый, знакомый с законом Архимеда, сообразит, что ящики, находясь в воде, будут стремиться всплыть вверх. Их увлекает вверх сила, равная весу воды, вытесняемой ящиками, т. е. весу одного кубического метра воды, повторенному столько раз, сколько ящиков погружено вводу. Из рисунков видно, что в воде оказывается всегда шесть ящиков. Значит, сила, увлекаюшая погруженные ящики вверх, равна весу 6 кубических метров воды, т. е. шести тоннам. Вниз же их тянет собственный вес ящиков, который, однако, уравновешивается грузом из шести яшиков, свободно свисающих на нагруженной стороне каната.
Итак, канат, перекинутый указанным образом, будет всегда подвежен тяге в 6 тонн, приложенной к одной его стороне и направленной вверх. Ясно, что сила эта заставит канат безостановочно вращаться, скользя по шкивам, и при каждом обороте совершать работу в 6000X20=120000кгм.
Однако если разобраться внимательно в этом проекте, то легко убедиться, что ожидаемого движения каната произходить вовсе не должно.
Чтобы бесконечный канат вращался, ящики должны входить в водяной бассейн башни снизу и покидать его сверху. Но ведь, вступая в бассейн, ящик должен преодолеть давление столба воды в 20 м высотой! Это давление на квадратный метр площади ящика равно ни много, ни мало двадцати тоннам (весу 20 кубометров воды). Тяга же вверх составляет всего только 6 тонн, т. е. явно недостаточно, чтобы втащить ящик в бассейн.
Среди множества образчиков водяных "вечных" двигателей, сотни которых придуманы были изобретателями неудачниками, можно найти очень простые и остроумные варианты.
Взгляните на рисунок: Часть деревянного барабана, укрепленного на оси, все время погружена в воду. Если справедлив закон Архимеда, то погруженная в воду часть должна всплывать и, коль скоро выталкивающая сила больше силы трения на оси барабана, вращение никогда не прекратиться...
Не спешите с постройкой этого вечного двигателя! Вас непременно постигнет неудача: барабан не сдвинется с места. В чем же дело, в чем ошибка наших рассуждений? Окавается, мы не учли направление действующих сил. А направлены они будут всегда по перпендикуляру к поверхности барабана, т. е. по радиусу к оси. Из повседневного опыта каждый знает, что невозможно засравить колесо вращаться, прикладывая усилия вдоль радиуса колеса. Чтобы вызвать вращение, надо проложить усилие перпендикулярно к радиусу, т. е. по касательной к окружности колеса. Теперь уже нетрудно понять, почему и в этом случае закончиться неудачей попытка осуществить "вечное" движение.
В истории попыток изобрести "вечный двигатель" магнит сыграл не последнюю роль. Неудачники-изобретатели на разные лады старались использовать магнит, чтобы устроить механиизм, который вечно двиггался бы сам собой. Вот один из проектов подобного "механизма" (описанный в XVII веке англичанином Джоном Вилькенсоном, епископом в Чересте).
Сильный магнит A помещается на колонке (смотри рисунок). К ней присоеденены два наклонных желоба M и N, один под другим, причем верхний желоб M имеет небольшое отверстие C в верхней части, а нижний N изогнут. Если, рассуждал изобретатель, на верхний желоб положить небольшой железный шарик B, то вследствие притяжения магнитом A шарик покатится вверх; однако, дойдя до отверстия, он провалится в нижний желоб N, покатится по нему вниз, взбежжит по закруглению D этого желоба и попадет на верхний желоб M; отсюда, притягиваемый магнитом, он снова покатится вверх, снова провалится через отверстие, вновь покатится вниз и опять очутится на верхнем желобе, чтобы снова начать движение сначала. Таким образом, шарик безостановочно будет бегать взад и вперед, осуществляя "вечное движение".
В чем абсурдность этого изобретения?
Указать ее не трудно. Почему изобретатель думал, что шарик, скатившись по желобу N до его нижнего конца, будет еще обладать скоростью, достаточной для поднятия его вверх по закруглению D? Так было бы, если бы шарик катился под действием одной лишь силы тяжести: тогда бы он катился ускоренно. Но наш шарик находится под действием двух сил: тяжести и магнитно притяжения. Последнее по предположению настолько значительно, что может заставить шарик подняться от положения B до C. Поэтому по желобу N шарик будет скатываться не ускоренно, а замедленно, и если даже достигнет нижнего конца, то во всяком случае не накопит скорости, необходимой для поднятия по закруглению D.
Описанный проект много раз всплывал впоследствии во всевозможных видоизменениях. Один из подобных проектов был даже, как ни странно, запатентован в Германии в 1878 г., т. е.тридцать лет спустя после провозглашения закона о сохранения энергии! Изобретатель так замаскировал нелепую основную идею своего "вечного" магнитного двигателя, что ввел в заблуждение комиссию, выдающую патенты. И, хотя согласно уставу, патенты на изобретения, идея которых противоречит законам природы, не должны выдаваться, изобретение на этот раз было формально запатентованно. Вероятно, счастливый обладатель этого единственного в своем роде патента скоро разочаровался в своем детище, так как уже через два года перестал вносить пошлину, и курьезный патент потерял законную силу: изобретение стало всеобщем достоянием. Однако оно никому не нужно.
Сердечники из магнито-мягкого материала, скользящие по спицам колес и притягивающиеся к неподвижно установленным магнитам, превращая нашего старого знакомца - неуравновешенное колесо в колесо магнито-управляемое, - вот идея, которая привлекала многих изобретателей начала девятнадцатого столетия. Впервые она была, вероятно, высказана англичанином У. Стефаном.
Конструкция его перпетуум-мобиле (см. рис.) состояла из деревянного колеса с прямоугольными прорезями, в которых скользили намагниченные железные бруски. Колесо вращалось между магнитами противоположных полярностей.
Или вот еще один интересный проект: Стальной шар C постоянно притягивается к магниту B, который расположен так, что под его влиянием вращается колесо со щелями на ободе. (см. рис.) Пока шар движется, вращается и колесо. Так во всяком случае считал иизобретатель, который не учел, однако что сила тяжести и магнитное притяжение уравновешивают друг друга.
Большую популярность в среди искателей вечного двигателя получила в последнее время идея соединения динамомашины с электромотором. Суть ее сводится к следующему. Надо шкивы электромотора и динамомашины соединить приводным ремнем, а провода от динамо подвести к мотору. Если динамомашине дать первоначальный импульс, то порожденный ею ток, поступая в мотор, приведет его в движение; энергия же движения мотора будет передаваться ремнем шкиву динамомашины и приведет ее в движение. Таким образом, - полагают изобретатели, - машины станут двигать одна другую, и движение это никогда не прекратиться, пока обе машины не износятся.
Идея эта представляется изобретателям чрезвычайно заманчивой; однако те, кто пытался ее осуществить на практике, с удивлением убеждались, что ни одна из двух машин при таких условиях не работает. Ничего иного от этого проэкта и ожидать не следовало. Даже если бы каждая из соединенных машин обладала стопроцентным коэффициентом полезного действия, мы могли бы заставить их указанным образом безостановочно двигаться только при полном отсуствии трения. Соединение названных машин (их "агрегат", выражаясь языком инженеров) представляет собою в сущности одну машину, которая сама себя приводит в движение. При отсуствии трения агрегат, как и любой шкив, двигался бы вечно, но пользы от такого движения нельзя было бы извлечь никакой: стоило бы заставить "двигатель" совершать внешнюю работу, и он немедленно остановился бы. Перед нами было бы вечное движение, но не вечный двигатель. При наличие же трения агрегат не двигался бы вовсе.
Странно, что людям, которых увлекает эта идея, не приходит в голову более простое осуществление той же мысли: соединить ремнем два каких-нибудь шкива и завертеть один из них. Руководствуясь той же логикой, как и в случае с предыдущего сочетания машин, мы должны ожидать, что первый шкив приведет во вращение второй, а от второго будет вертетеся первый. Можно обойтись и одним шкивом: завертим его - правая часть станет увлекать во вращение левую, левая же при движении будет поддерживать вращение правой. В последних двух случаях нелепость слишком очевидна, и потому подобные проекты никого не вдохновляют. Но, по существу, все три описанных "вечных двигателя" исходят из одного и того же заблуждения.
На сколько легко впасть в ошибку, если о "вечном" движении судить только по внешнему виду, показывал так называемый аккумулятор механической энергии Уфимцева. Курский изобретатель А. Г. Уфимцев создал новый тип ветросиловой станции с дешёвым "инерционным" аккумулятором, устроенным по типу махового колеса. В 1920 г. Уфимцевым построена была модель его аккумулятора в виде диска, вращающегося на вертикальной оси с шариковым подшипником, в кожухе, из которого выкачан воздух. Будучи разогнан до 20 000 оборотов в минуту, диск сохранял вращение в течение пятнадцати суток! Глядя на вал такого диска, целыми днями вращающийся без притока энергии извне, поверхностный наблюдатель мог заключить, что перед ним реальное осуществление вечного движения.
Любопытно, что если поиски "вечного"двигателя всегда оказывались бесплодными, то, напротив, глубокое понимание его невозможности приводило нередко к плодотворным открытиям.
Прекрасным примером может служить тот способ, с помощью которого Стевин, замечательный голландский учёный конца XVI и начала XVII века, открыл закон равновесия сил на наклонной плоскости. Этот математик заслуживает гораздо большей известности, нежели та, какая выпала на его долю, потому что он сделал много важных открытий, которыми мы теперь постоянно пользуемся: изобрёл десятичные дроби, ввёл в алгебру употребление показателей, открыл гидростатический закон, впоследствии вновь открытый Паскалем.
Закон равновесия сил на наклонной плоскости он открыл, не опираясь на правило параллелограмма сил, единственно лишь с помощью чертежа, который здесь воспроизведён.
Через трёхгранную призму перекинута цепь из 14 одинаковых шаров. Что произойдёт с этой цепью? Нижняя часть, свисающая гирляндой, уравновешивается сама собой. Но остальные две части цепи - уравновешивают ли друг друга? Иными словами: правые два шара уравновешиваются ли левыми четырьмя? Конечно, да, - иначе цепь сама собой вечно бежала бы справа налево, потому что на место соскользнувших шаров всякий раз помещались бы другие и равновесие никогда бы не восстановилось. Но так как мы знаем, что цепь, перекинутая указанным образом, вовсе не движется сама собой, то, очевидно, два правых шара действительно уравновешиваются четырьмя левыми. Получается словно чудо: два шара тянут с такой же силой, как и четыре.
Из этого мнимого чуда Стевин вывел важный закон механики. Он рассуждал так. Обе цепи - и длинная и короткая - весят различно: одна цепь тяжелее другой во столько же раз, во сколько раз длинная грань призмы длиннее короткой. Отсюда вытекает, что и вообще два груза, связанных шнуром, уравновешивают друг друга на наклонных плоскостях, если веса их пропорциональны длинам этих плоскостей.
В частном случае, когда короткая плоскость отвесна, мы получаем известный закон механики: чтобы удержать тело на наклонной плоскости, надо действовать в направлении этой плоскости силой, которая во столько раз меньше веса тела, во сколько раз длина плоскости больше её высоты.
Так, исходя из мысли о невозможности вечного двигателя, сделано было важное открытие в механике.
В книгах иногда описывается в качестве настоящего "вечного" двигателя прибор такого устройства: масло (или вода), налитое в сосуд, поднимается фитилями сначала в верхний сосуд, а оттуда другими фитилями - ещё выше; верхний сосуд имеет желоб для стока масла, которое падает на лопатки колеса, приводя его во вращение. Стёкшее вниз масло снова поднимается по фитилям до верхнего сосуда. Таким образом, струя масла, стекающая по желобку на колесо, ни на секунду не прерывается, и колесо вечно должно находиться в движении...
Если бы авторы, описывающие эту вертушку, дали себе труд её изготовить, они, конечно, убедились бы, что не только колесо не вертится, но что ни одна капля жидкости даже не попадает в верхний сосуд!
Это можно сообразить, впрочем, и не приступая к изготовлению вертушки. В самом деле, почему изобретатель думает, что масло должно стекать вниз с верхней, загнутой части фитиля? Капиллярное притяжение, преодолев тяжесть, подняло жидкость вверх по фитилю; но ведь та же причина удержит жидкость в порах намокшего фитиля, не давая ей капать с него. Если допустить, что в верхний сосуд нашей мнимой вертушки от действия капиллярных сил может попасть жидкость, то надо будет признать, что те же фитили, которые будто бы доставили её сюда, сами же и перенесли бы её обратно в нижний.
Если бы возможны были подобные механизмы, то проще всего было бы устроить так: перекинуть верёвку через блок и привязать к её концам одинаковые гири: когда один груз опускался бы, он приподнимал бы тем самым другой груз, а тот, опускаясь с этой высоты, поднимал бы первый. Чем не "вечный" двигатель?
Сохранилась оживлённая переписка, которую вёл в 1715-1722 гг. Пётр I по поводу приобретения в Германии вечного двигателя, придуманного неким доктором Орфиреусом. Изобретатель, прославившийся на всю Германию своим "самодвижущимся колесом", соглашался продать царю эту машину лишь за огромную сумму. Учёный библиотекарь Шумахер, посланный Петром на Запад для собирания редкостей, так доносил царю о притязаниях Орфиреуса, с которым он вёл переговоры о покупке: "Последняя речь изобретателя была: на одной стороне положите 100 000 ефимков (около рубля), а на другой я положу машину".
О самой же машине изобретатель, по словам библиотекаря, говорил, что она "верна есть, и никто же оную похулить не может, разве из злонравия, и весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно".
В январе 1725 г. Пётр собирался в Германию, чтобы лично осмотреть "вечный двигатель", о котором так много говорили, но смерть помешала царю выполнить его намерение.
Кто же был этот таинственный доктор Орфиреус и что представляла собой его "знатная машина"? Мне удалось разыскать сведения и о том и о другом.
Настоящая фамилия Орфиреуса была Беслер. Он родился в Германии в 1680 г., изучал богословие, медицину, живопись и, наконец, занялся изобретением "вечного" двигателя. Из многих тысяч таких изобретателей Орфиреус - самый знаменитый и, пожалуй, самый удачливый. До конца дней своих (умер в 1745 г.) он жил в довольстве на доходы, которые получал, показывая свою машину.
На прилагаемом рисунке, заимствованном из старинной книги, изображена машина Орфиреуса, какой она была в 1714 г. Вы видите большое колесо, которое будто бы не только вращалось само собой, но и поднимало при этом тяжёлый груз на значительную высоту.
Слава о чудесном изобретении, которое учёный доктор показывал сначала на ярмарках, быстро разнеслось по Германии, и Орфиреус вскоре приобрёл могущественных покровителей. Им заинтересовался польский король, затем ландграф Гессен-Кассельский. Последний предоставил изобретателю свой замок и всячески испытывал машину.
Так, в 1717 г., 12 ноября, двигатель, находившийся в уединённой комнате, был приведён в действие; затем комната была заперта на замок, опечатана и оставлена под бдительным караулом двух гренадёров. Четырнадцать дней никто не смел даже приближаться к комнате, где вращалось таинственное колесо. Лишь 26 ноября печати были сняты; ландграф со свитой вошёл в помещение. И что же? Колесо всё ещё вращалось "с неослабевающей быстротой"... Машину остановили, тщательно осмотрели, затем опять пустили в ход. В течение сорока дней помещение снова оставалось запечатанным; сорок суток караулили у дверей гренадёры. И когда 4 января 1718 г. печати были сняты, экспертная комиссия нашла колесо в движении!
Ландграф и этим не удовольствовался: сделан был третий опыт - двигатель запечатан был на целых два месяца. И всё-таки по истечении срока его нашли движущимся!
Изобретатель получил от восхищённого ландграфа официальное удостоверение в том, что его "вечный двигатель" делает 50 оборотов в минуту, способен поднять 16 кг на высоту 1.5 м, а также может приводить в действие кузнечный мех и точильный станок. С этим удостоверением Орфиреус и странствовал по Европе. Вероятно, он получал порядочный доход, если соглашался уступить свою машину Петру I не менее чем за 100 000 рублей.
Весть о столь изумительном изобретении доктора Орфиреуса быстро разнеслась по Европе, проникнув далеко за пределы Германии. Дошла она и до Петра, сильно заинтересовав падкого до всяких "хитрых машин" царя.
Пётр обратил внимание на колесо Орфиреуса ещё в 1715 г., во время своего пребывания за границей, и тогда же поручил А. И. Остерману, известному дипломату, познакомиться с этим изобретением поближе; последний вскоре прислал подробный доклад о двигателе, хотя самой машины ему не удалось видеть. Пётр собирался даже пригласить Орфиреуса, как выдающегося изобретателя, к себе на службу и поручил запросить о нём мнение Христиана Вольфа, известного философа того времени (учителя Ломоносова).
Знаменитый изобретатель отовсюду получал лестные предложения. Великие мира сего осыпали его высокими милостями; поэты слагали оды и гимны в честь его чудесного колеса. Но были и недоброжелатели, подозревавшие здесь искусный обман. Находились смельчаки, которые открыто обвиняли Орфиреуса в плутовстве; предлагалась премия в 1000 марок тому, кто разоблачит обман. В одном из памфлетов, написанных с обличительной целью, мы находим рисунок, воспроизведённый здесь. Тайна "вечного двигателя", по мнению разоблачителя, кроется просто в том, что искусно спрятанный человек тянет за верёвку, намотанную, незаметно для наблюдателя, на часть оси колеса, скрытую в стойке.
Тонкое плутовство было раскрыто случайно только потому, что учёный доктор поссорился со своей женой и служанкой, посвящёнными в его тайну. Не случись этого, мы, вероятно, до сих пор оставались бы в недоумении относительно "вечного двигателя", наделавшего столько шума. Оказывается, "вечный двигатель" действительно приводился в движение спрятанными людьми, незаметно дёргавшими за тонкий шнурок. Этими людьми были брат изобретателя и его служанка.
Разоблачённый изобретатель не сдавался; он упорно утверждал до самой смерти, что жена и прислуга донесли на него по злобе. Но доверие к нему было подорвано. Недаром он твердил посланцу Петра, Шумахеру, о людском злонравии и о том, что "весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно".
Во времена Петра I славился в Германии ещё и другой "вечный двигатель" - некоего Гертнера. Шумахер писал об этой машине следующее: "Господина Гертнера Perpetuum mobile, которое я в Дрездене видел, состоит из холста, песком засыпанного, и в образе точильного камня сделанной машины, которая назад и вперёд сама от себя движется, но, по словам господина инвертора (изобретателя), не может весьма велика сделаться".
Без сомнения, и этот двигатель не достигал своей цели и в лучшем случае представлял собой замысловатый механизм с искусно скрытым, отнюдь не "вечным" живым двигателем. Вполне прав был Шумахер, когда писал Петру, что французские и английские учёные "ни во что почитают все оные перепетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических".
Самый изящный и самый простой из всех проектов вечных двигателей, когда либо созданных! (см. рис.) Американский изобретатель Ф. Дж. Вудворд считал, что если между двумя вращающися цилиндрами поместить тяжелое кольцеобразное колесо, одна половина этого колеса всегда будет тяжелее другой. К сожаления изобретатель ошибался.
Попытаемся рассказать о законах природы, исключающих возможность создания перпетуум-мобиле.
Постройте машину, которая совершала бы работу большую, чем сообщенная ей энергия, и вы решите проблему вечного движения.
Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен вырабатывать ее в достаточном количестве, не имея ни какого внешнего источника. Представьте, что нужно рассчитать баланс энергии, затрачиваемой на совершение того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера, или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае количество затраченной энергии всегда должно быть равно количеству энергии произведенной или выделившейся в результате совершения работы. Энергия, которую мы не совсем точно называем потерянной, на самом деле не изчезает. Просто она переходит в иную форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так получается оттого, что в результате трения происходит нагревание и часть энергии выделяется в виде тепла. И это вообще говоря справедливо для потерь любого вида энергии , ибо они в конечном счете всегда превращаются в тепло.
Эту же мысль можно выразить и иными словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или соваем безполезную. Например, тепло, выделяемое в двигателе внутреннего сгорания, - ненужный и тем не менее неизбежный продукт превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но сделаем мы это или не сделаем - все равно часть работы, совершаемой двигателем, будет тратиться на тепловые потери.
Все, о чем говорилось выше, и представляет собой суть важнейшего закона природы - закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики.
Мы уже говорили, что 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. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализуемой машины заложили фундамент механики как науки. Великие ученные прошлого приняли как аксиому невозможность создания перпетуум-мобиле и тем помогли пробиться росткам новой науки.
Порой легко доказать негодность того или иного проекта вечного двигателя и тем самым показать, что данный конкретный способ его реализации не приведет к желаемому результату. Но это вовсе не означает, что автоматически исключается возможность построения перпетуум-мобиле другими средствами. Поэтому, до тех пор, пока не был четко сформулирован закон сохранения энергиги, невозможность создания механического вечного двигателя, установленная многовековым опытом, вовсе не означала невозможность создания, скажем двигателя химического. Конечно, бесплодность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных "машин вечного движения." Тщательное рассмотрение очередного проекта всегда обнаруживало какие-нибудь теоретические ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались несостоятельными.
В разработку общепринятого ныне критерия неосуществимости вечного движения, провозглашающего невозможность создания энергии из ничего, внесли свой вклад философы, математики, инженеры. Закон сохранения энергии стал неизбежным препятствием для изобретателей перпетуум-мобиле. И все попытки преодолеть это препятствие кончались крахом.
Но вскоре было сформулировано еще общее положение, получившее название второго начала термодинамики. Это начало, говоря несколько упрощенно, гласит, что тепло не может увеличиваться самопроизвольно; иными словами, если более нагретое тело привести в контакт с менее нагретым, то будет наблюдаться выравнивание температур, а не увеличение их разности.
Это явленние (выравнивание температур) долгое время не имело никакого теоретического объяснения. Впервые сформулированное немецким физиком Рудольфом Юлиусом Эммануэлем Клаузисом (1822-1888), второе начало термодинамики носило чисто эмпирический характер. Правда, указывалось на аналогию между изменением температуры контактируемых тел и потоком воды, текущей вниз под действием собственной тяжести, но ситуация ослажнялась тем, что не удавалось установить, какие же внешние силы управляют этим тепловым процессом. Поэтому, хотя эксперемент всегда обнаруживал уменьшение температуры, вплоть до последней четверти прошлого столетия высказывались сомнения относительно всеобщности второго начала термодинамики. Более того, некоторые ученые пытались доказать, что существуют случаи, нарушающие справедливость этого начала.
В 1875 году вышла в свет знаменитая "Теория теплоты" Максвелла, в которой утверждалось, что характер действия второго началал термодинамики может быть уточнен следующим мысленным экспериментом. Если преставить себе некое устройство, которое сортировало бы молекулы по их скорости, то можно было бы без затраты работы и не нарушая закона сохранения энергии нагревать одну половину некоторого объема газа и охлаждать вторую. Результатом этого мысленного эксперимента и будет увеличение тепла в одной части сосуда с газом и уменьшение в другой. Видоизмененное таким образом второе начало термодинамики приобрело вероятностный, а не детерминированный характер.
В конце прошлого столетия физики Больцман и Планк заложили научные основы этого вопроса. Больцман, в частности, показал, что самопроизвольное выравниваниие температур двух тел есть результат перехода молекул этих тел из менее вероятного в более вероятное состояние. Гипотетическая передача тепла в направлении от менее нагретого тела к более нагретому в свете этого доказательства возможна, но маловероятна.
Это положение можно проиллюстрировать простым примером. Закон диффузии газов очень близок к закону теплопереноса, поскольку в процессе диффузии молекулы газов распределить равномерно. Если на газ не воздействовать извне, то будет наблюдаться тенденция к выравниванию его плотности. Было бы по меньшей мере странно, если бы газ, первоначально обладавший равномерной плотностью, вдруг стал бы скапливаться в одной части сосуда, оставляяя при этом незаполненное пространство в другой его части. Аналогичное весьма маловероятное явление происходило бы с теплом, переходящим от менее нагретого к более нагретому телу.
Давайте теперь предположим, что существует крохотный сосуд, вмещающий всего две молекулы, по одной в каждой половине сосуда. Молекулы эти находятся в непрерывном движении, ударяясь о стенки и беспорядочно проскакивая вперед и назад из одной части сосуда в другую. При этом, очевидно, существуют четыри возможных варианта расположение молекул в пространстве:
A--B, A--A, ABAB.
В двух вариантах из четырех в одной половине сусуда возникает вакуум. Следовательно, вероятность такого события равна 1/2, и можно ожидать, что половину времени одна часть сосуда будет пустой. С увеличением числа молекул вероятность появления вакуума резко падает. При общем числе молекул, равном n, вероятность того, что половина сосуда окажется пустой, составит (1/2)n-1. Практически число молекул огромно, поэтому верятность такого события близка к нулю. Так, для реального случая, когда разница давлений в двух половинах одного кубического сантиметра газа не превышает одного процента, вероятность возникновения вакуума в какой либо половине этого кубика ничтожна мала; такое событие может произойти один раз за 101016 лет!
И хотя эти рассуждения выглядят довольно впечатляющими, одно обстоятельство все же необходимо пояснить. Не следует думать, что если возникновение вакуума - событие настолько редкое, то нам действительно придется ждать его появления многие миллионы лет. Вакуум может создаться и через минуту! Более того, вакуум может возникнуть дважды в течении минуты, но на очень короткое время.
Доктор Хейл из бюро стандартов США предположил, что подобная система доказательсрв могла бы привести нас к аналогичному заключению о возможности самопроизвольного появления заметной разницы температур в некоем объеме газа. Известно, что температура определяется скоростью движения его молекул. При температуре, которая считается постоянной, скорости отдельных молекул газа далеко не одинаковы. Однако все они статистически распределены около той средней величины, которая всегда остается неизменной.
Давайте вновь рассмотрим микроскопический сосуд, в котором находится всего четыре молекулы. Пусть на этот раз две молекулы F1 и F2 быстрые, а две другие молекулы S1 и S2 медленные.
Допуская, что изменений в плотности газа нет, мы получим шесть различных вариантов расположения молекул в сосуде:
F1S1 -- F2S2
F2S1 -- F1S2
F1S2 -- F2S1
F2S2 -- F1S1
S2S1 -- F1F2
F1F2 -- S1S2
Первые четыре случая - это случаи, когда в обеих половинах сосуда температура газа одинакова, посколько современные измерительные приборы дают ее усредненное значение. В двух последних вариантах наблюдается разница температур; вероятность их возникновения для четырех молекул равна 1/3.
С увеличением числа молекул вероятность появления сколько-нибудь заметной разницы температур в двух частях нашего гипотетического сосуда резко уменьшается. Следует также иметь в виду, что в любом объеме газа, температуру которого мы в состоянии измерить или проконтролировать, температура каждой отдельной весьма малой его части постоянно колеблется относительно градуировочной кривой прибора, и в целом газ столь же не однороден по температуре, как и поверхность океана не является абсолютно ровной.
Итак, вероятность появления заметной разницы температур в газе очень мала. Но все же она существует, и, значит, следует не только признать возможность перехода тепла от менее нагретого тела к более нагретому, но и согласится с тем, что такой переход непрерывно осуществляется, правда, в столь незначительных масштабах, что мы вряд ли сможем его наблюдать. Поэтому, как утверждал немецкий философ Карл Христиан Планк (1819-1880), существует вероятность, хотя и очень незначительная, что в чайнике, помещенным над огнем, замерзнет вода.
Признание учеными возможности, во-первых, перехода тепла от менее нагретого тела к более нагретому и, во-вторых, возникновения при этом незначительного, но все же заметного изменения температуры и плотности послужило основанием для дальнейших рассуждений. Возник вопрос о том, нельзя ли создать устройство, в котором в результате подобных изменений постепенно увеличивался бы перепад температур, за счет которого можно было бы в дальнейшем совершать полезную работу? Вопрос этот возник лет восемьдесят назад, а само это гипотетическое устройство вошло в науку под названием вечного двигателя второго рода. Такое название оно получило потому, что должно было совершать работу, не вырабатывая энергии и вопреки второму началу термодинамики.
Проект устройства был сперва предложен парижанином Липпманом в 1900 году, а затем в 1907 году Сведбергом из города Упсала (Швеция). В 1912 году Смолуховский опубликовал развернутое теоретическое обсуждение данной проблемы. Он показал, что вряд ли стоит надеяться, будто с помощью устройства, содержащего молекулы газа, удастся накапливать эти столь редкие "отступления" от второго начала, поскольку любое подобное устройство само по себе будет подвержено изменениям на молекулярном уровне. Постоянно происходящее перераспределение скоростей движения молекул уничтожит все перепады температуры, которые предполагалось накапливать в устройстве и которые принципиально необходимы для его работы.
Это доказательство представляется весьма убедительным, хотя и обескураживающим. Замечателен вывод, вытекающий из него: второе начало термодинамики для больших промежутков времени справедливо лишь в статистическом смысле.
Интересно, что тринадцать лет спустя, в марте 1925 года, выступая перед сотрудниками американского бюро стандартов, профессор Дебай заявил: для согласования явления интерференции света с квантовой теорией необходимо допустить, что закон сохранения энергии верен только в статистическом смысле. По его мнению, в очень короткие промежутки времени энергия может создаваться, а на протяжении длительного времени ее среднее значение будет оставаться неизменным. В предположении Дебая содержится скрытый намек на то, что вечное движение первого рода, то есть истинное создания энергии, представляет собой некую "научную вероятность" и даже "возможность."
О "вечном двигателе", "вечном движении" часто говорят и в прямом и в переносном смысле слова, но не все отдают себе отчёт, что, собственно, надо подразумевать под этим выражением. Вечный двигатель - это такой воображаемый механизм, который безостановочно движет сам себя и, кроме того, совершает ещё какую-нибудь полезную работу (например, поднимает груз). Такого механизма никто построить не смог, хотя попытки изобрести его делались уже давно. Бесплодность этих попыток привела к твердому убеждению в невозможности вечного двигателя и к установлению закона сохранения энергии - фундаментального утверждения современной науки. Что касается вечного движения, то под этим выражением подразумевается непрекращающееся движение без совершения работы.
На рисунке изображен мнимый самодвижущийся механизм - один из древнейших проэктов вечного двигателя, иногда и теперь возрождаемый неудачливыми фанатиками этой идеи. К краям колеса прикреплены откидные палочки с грузами на концах. При всяком положении колеса грузы на правой его стороне будут откинуты дальше от центра, нежели на левой; эта половина, следовательно, должна всегда перетягивать левую и тем самым заставлять колесо вращаться. Значит, колесо должно вращаться вечно, по крайней мере до тех пор, пока не перетрётся его ось. Так думал изобретатель. Между тем, если сделать такой двигатель, то он вращаться не будет. Почему же расчёт изобретателя не оправдывается?
Вот почему: хотя грузы на правой стороне всегда дальше от центра, но неизбежно такое положение, когда число этих грузов меньше, чем на левой. Взгляните на рис.Б: справа всегда 4 груза, слева же - 8. Оказывается, что вся система уравновешивается; естественно, что колесо вращаться не станет, а, сделав несколько качаний, остановится в таком полдожении.
Теперь доказано непреложно, что нельзя построить механизм, который вечно двигался бы сам собой, выполняя ещё при этом какую-нибудь работу. Совершенно безнадёжно трудиться над такой задачей. В прежнее время, особенно в средние века, люди безуспешно ломали головы над её разрешением и потратили на изобретение "вечного двигателя"(по латыни perpetuum mobile) много времени и труда. Обладание таким двигателем представлялось даже более заманчивым, чем искусство делать золото из дешёвых металлов.
У Пушкина в "Сценах из рыцарских времён" выведен такой мечтатель в лице Бертольда.
"- Что такое perpetuum mobile? - спросил Мартын. - Perpetuum mobile, - отвечает ему Бертольд, - есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому... Видишь ли, добрый мой Мартын! Делать золото - задача заманчивая, открытие, может быть, любопытное и выгодное, но найти perpetuum mobile... O!...".
Были придуманы сотни "вечных двигателей", но ни один не двигался. В каждом случае, как и в нашем примере, изобретатель упускал из виду какое-нибудь обстоятельство, которое и разрушало все планы.
Вот ещё образчик мнимого вечного двигателя: колесо с перекатывающимися в нём тяжёлыми шариками (рисунок ниже). Изобретатель воображал, что шары на одной стороне колеса, находясь всегда ближе к краю, своим весом заставят колесо вертеться.
Разумеется, этого не произойдёт - по той же причине, как и с колесом, изображенным на рис. А. Тем не менее в одном из городов Америки устроено было ради рекламных целей, для привлечения внимания публики к кафе, огромное колесо именно подобного рода. Конечно, этот "вечный двигатель" незаметно приводился в действие искусно скрытым посторонним механизмом, хотя зрителям казалось, что колесо двигают перекатывающиеся в прорезах тяжёлые шары. В том же роде были и другие мнимые образцы вечных двигателей, выставлявшиеся одно время в витринах часовых магазинов для привлечения публики: все они незаметно приводились в движение электрическим током.
Людям прошлого казалось, что наиболее доступным источником энергии для работы вечных двигателей является вода. Вероятно, такое мнение сложилось от того, что вода, повсюду окружающая человека, казалась ему ничего не стоящей. Это обстоятельство и вводило в заблуждение мельника, думавшего, что вода достается ему бесплатно. От него было скрыто, что купля-продажа воды происходит как бы в пересчете на еденицу энергии, которая один лишь раз может быть затрачена на совершение полезной работы. Однако владельцы мельниц, на которых в периуд засух уменьшался напор воды, не рассматривали последнюю как бесплатный источник энергии. Они постоянно пытались заставить подниматься воду вверх и вновь совершать работу. Позднее умудренные опытом инженеры стали накапливать энергию, сооружая запруды со шлюзными воротами и создавая в них запасы воды для того, чтобы работа мельниц не прекращалась в засушливые периоды, когда естественный поток воды прекращался.
Инженерам позднего средневековья и Возрождения был известен по крайней мере один весьма надежный способ подъема воды на определенную высоту: если конец трубки, скрученный наподобие резьбы винта, опустить в воду, то она начнет подниматься вверх по трубке до тех пор, пока последняя будет вращатся. Это странное, но, тем не менее идеально работающие изобретение, вошло в историю техники под названием архимедова винта. (см рис.) Теперь мы понимаем, что трубка архимедова винта должна была вращаться с помощью какой-то внешней силы.
Этого, однако, не знали люди средневековья, которые с искреннем удивлением задавали вопрос: "Что может быть проще, чем соединить такой винт с водяным колесом мельницы? Ведь тогда мельница будет вращать винт, а винт приводить в движение мельницу!"
На рисунке изображена мельница замкнутого цикла, предложенная Робертом Флуддом в 1618 году. Для ее работы нет необходимости в непрерывно текущем потоке воды. Лишь спустя два столетия после смерти Роберта Флудда стало ясно, что закон сохранения энергии исключает возможность существования такого устройства.
Интересно, что вера в винт Архимеда как в средство для решения проблемы вечного движения была разрушена не кем иным как Уилкинсом, епископом Честерким. Решив заняться разработкой и описанием машины вечного движения, он выполнил свое намерение с завидной скрупулезностью. В разделе его книги, посвященной "водяным вечным двигателям", Уилкинс подробно говорит о преимуществах архимедова винта перед водяным насосом, а затем продолжает: "Если рассматривать эти механизмы совместно, то может показаться, что построить вечный двигатель не так уж и сложно. Для этого достаточно иметь водяное колесо, по которому бы опускался, приводя его в действие, раннее поднятый вверх поток воды. Это колесо вращало бы винт, поднимавший такое количество воды, которое было необходимо для движеения всей машины в целом. Движение это было бы непрерывным, посколькы количество воды, выносимое вверх вращающимся винтом, равняется кличеству воды, падающему по колесу вниз. Если же окажется, что действия воды на колесо недостаточно для приведения в движение архимева винта, то почему бы не использовать несколько колес: два, три - словом, столько, сколько позволяет размер всей машины.
Обратимся теперь к рисунку. Здесь деталь LM представляет собой деревянный цилиндр, в котором вырезан спиральный желоб. В устройстве этот цилиндр закрывается жестяными пластинами AB. Три водяных колеса отмечены буквами H, I, K, а расположенный внизу резервуар с водой - буквами CD. При вращении цилинра вся вода, которая поднимается им из резервуара вверх, будет поступать в сосуд E, а из этого сосуда выливаться на колесо H и, следовательно, вращать колесо и весь винт в целом. Если же для вращения винта количество воды, падающее на колесо H, окажется недостаточным, тогда можно будет использовать воду, стекающую с этого колеса в сосуд F и попадающую далее на колесо I. В результате этого сила действия воды удвоится. Если же и этого окажется недостаточно, тогда вода, поступающая на второе колесо I, может быть направлена в сосуд G и на третье колесо K. Этот каскад можно продолжить, установив такое количество дополнительных колес, какое позволяют размеры всего устройства. Однако увеличение числа колес утяжеляют винт и для его вращения потребуется воды больше, чем он сможет поднять. Но если вода будет в избытке, то почему бы не использовать часть ее на хозяйственные нужды (при условии, конечно, что оставшейся воды будет достаточно для вращения винта)?
Когда я впервые сделал такое открытие, то едва удержался, от того, чтобы, подобно Архимеду, не закричать "Эврика!". Этот способ создания вечного движения казался мне столь безупречным, что вряд ли можно было бы найти против него какие-кибо возражения. Однако после целого ряда попыток я пришел к выводу о полной несостоятельности свoего замысла. Устройство не будет работать по двум причинам. Во-первых, вода, которая подымается наверх, не образует сколько-нибудь значительного потока, устремляющего затем вниз. Во-вторых, этот поток, даже в виде каскада, не способен вращать винт".
Таким образом, епископ Уилкинс не только задумал весьма оригинальный вечный механизм, но и взял на себя труд построить модель усройства и подвергнуть ее испытаниям. В результате этого исследования Уиллкинс убедился в полной непригодности механизма и четко уяснил для себя причины идейной несостоятельности проекта.
История, как известно, повторяется, и то же самое происходит, вероятно, и с изобретениями. В 1648 году епископ Уилкинс отверг идею "колесно-насосного" вечного двигателя, а более чем через двести лет модифицированный проект того же самого устройства с искренним энтузиазмом первооткрывателя был предложен неким читателем журналу "Инглиш-микаэникал". Вот что писал изобретатель: "На рисунке буква A обозночает винт, ось которого закреплена в двух опорных точках G, G. Буквой B обозночается емкость, котораяя наполнена ртутью до уровня нижнего отверстия винта (ртуть, по мнению многих, предпочтительнее воды, потому что она не оседает на стенках резервуара, а также не испаряется подобно воде). буквой C обозначен резервуар, в который при повороте винта попадает падающая сверху ртуть. Из этого резервуара выходит трубка, по которой вследствие действия силы тяжести ртуть перетекает на лопастную площадку E (мы назвали ее так за неимением более подходющего термина). Лопасти представляют собой перегородки между различными секторами площадки. Ртуть, попавщая в секторы площадки, давит на лопасти-перегородки и приводит во вращение площадку и, следовательно, винт. Когда сектор в процессе вращения площадки поравняется с резервуаром E, наклон перегородок оказывается таким, что ртуть стекает по желобу в этот резервуар, а затем оказывается в емкости B. Оттуда винт, находящийся в постоянном вращении, вновь подхватит ртуть и вынесет наверх".
Печально, что такой проект даже менее реален, чем предыдущий. Тем же, кто убежден, что нет вещей более неосуществимых, чем просто неосуществимые, я позволю себе напомнить поговорку времен Второй мировой войны: "Невозможное мы совершаем мгновенно, а на чудеса требуется больше времени".
Среди множества проектов "вечногого" двигателя было немало и таких, которые основаны на всплывании тел в воде. Высокая башня в 20 м высоты наполена водой. Наверху и внизу башни укреплены шкивы, через которые перекинут прочный канат в виде бесконечного ремня. К канату прикреплено 14 полых кубических ящиков в метр высоты, склепанных из железных листов так, что внутрь ящиков вода проникнуть не может. На рисунках изображен внешний вид такой башни и ее продольный разрез.
Как же действует такая установка? Каждый, знакомый с законом Архимеда, сообразит, что ящики, находясь в воде, будут стремиться всплыть вверх. Их увлекает вверх сила, равная весу воды, вытесняемой ящиками, т. е. весу одного кубического метра воды, повторенному столько раз, сколько ящиков погружено вводу. Из рисунков видно, что в воде оказывается всегда шесть ящиков. Значит, сила, увлекаюшая погруженные ящики вверх, равна весу 6 кубических метров воды, т. е. шести тоннам. Вниз же их тянет собственный вес ящиков, который, однако, уравновешивается грузом из шести яшиков, свободно свисающих на нагруженной стороне каната.Итак, канат, перекинутый указанным образом, будет всегда подвежен тяге в 6 тонн, приложенной к одной его стороне и направленной вверх. Ясно, что сила эта заставит канат безостановочно вращаться, скользя по шкивам, и при каждом обороте совершать работу в 6000X20=120000кгм.
Однако если разобраться внимательно в этом проекте, то легко убедиться, что ожидаемого движения каната произходить вовсе не должно.
Чтобы бесконечный канат вращался, ящики должны входить в водяной бассейн башни снизу и покидать его сверху. Но ведь, вступая в бассейн, ящик должен преодолеть давление столба воды в 20 м высотой! Это давление на квадратный метр площади ящика равно ни много, ни мало двадцати тоннам (весу 20 кубометров воды). Тяга же вверх составляет всего только 6 тонн, т. е. явно недостаточно, чтобы втащить ящик в бассейн.
Среди множества образчиков водяных "вечных" двигателей, сотни которых придуманы были изобретателями неудачниками, можно найти очень простые и остроумные варианты.
Взгляните на рисунок: Часть деревянного барабана, укрепленного на оси, все время погружена в воду. Если справедлив закон Архимеда, то погруженная в воду часть должна всплывать и, коль скоро выталкивающая сила больше силы трения на оси барабана, вращение никогда не прекратиться...
Не спешите с постройкой этого вечного двигателя! Вас непременно постигнет неудача: барабан не сдвинется с места. В чем же дело, в чем ошибка наших рассуждений? Окавается, мы не учли направление действующих сил. А направлены они будут всегда по перпендикуляру к поверхности барабана, т. е. по радиусу к оси. Из повседневного опыта каждый знает, что невозможно засравить колесо вращаться, прикладывая усилия вдоль радиуса колеса. Чтобы вызвать вращение, надо проложить усилие перпендикулярно к радиусу, т. е. по касательной к окружности колеса. Теперь уже нетрудно понять, почему и в этом случае закончиться неудачей попытка осуществить "вечное" движение.В истории попыток изобрести "вечный двигатель" магнит сыграл не последнюю роль. Неудачники-изобретатели на разные лады старались использовать магнит, чтобы устроить механиизм, который вечно двиггался бы сам собой. Вот один из проектов подобного "механизма" (описанный в XVII веке англичанином Джоном Вилькенсоном, епископом в Чересте).
Сильный магнит A помещается на колонке (смотри рисунок). К ней присоеденены два наклонных желоба M и N, один под другим, причем верхний желоб M имеет небольшое отверстие C в верхней части, а нижний N изогнут. Если, рассуждал изобретатель, на верхний желоб положить небольшой железный шарик B, то вследствие притяжения магнитом A шарик покатится вверх; однако, дойдя до отверстия, он провалится в нижний желоб N, покатится по нему вниз, взбежжит по закруглению D этого желоба и попадет на верхний желоб M; отсюда, притягиваемый магнитом, он снова покатится вверх, снова провалится через отверстие, вновь покатится вниз и опять очутится на верхнем желобе, чтобы снова начать движение сначала. Таким образом, шарик безостановочно будет бегать взад и вперед, осуществляя "вечное движение".
В чем абсурдность этого изобретения?Указать ее не трудно. Почему изобретатель думал, что шарик, скатившись по желобу N до его нижнего конца, будет еще обладать скоростью, достаточной для поднятия его вверх по закруглению D? Так было бы, если бы шарик катился под действием одной лишь силы тяжести: тогда бы он катился ускоренно. Но наш шарик находится под действием двух сил: тяжести и магнитно притяжения. Последнее по предположению настолько значительно, что может заставить шарик подняться от положения B до C. Поэтому по желобу N шарик будет скатываться не ускоренно, а замедленно, и если даже достигнет нижнего конца, то во всяком случае не накопит скорости, необходимой для поднятия по закруглению D.
Описанный проект много раз всплывал впоследствии во всевозможных видоизменениях. Один из подобных проектов был даже, как ни странно, запатентован в Германии в 1878 г., т. е.тридцать лет спустя после провозглашения закона о сохранения энергии! Изобретатель так замаскировал нелепую основную идею своего "вечного" магнитного двигателя, что ввел в заблуждение комиссию, выдающую патенты. И, хотя согласно уставу, патенты на изобретения, идея которых противоречит законам природы, не должны выдаваться, изобретение на этот раз было формально запатентованно. Вероятно, счастливый обладатель этого единственного в своем роде патента скоро разочаровался в своем детище, так как уже через два года перестал вносить пошлину, и курьезный патент потерял законную силу: изобретение стало всеобщем достоянием. Однако оно никому не нужно.
Сердечники из магнито-мягкого материала, скользящие по спицам колес и притягивающиеся к неподвижно установленным магнитам, превращая нашего старого знакомца - неуравновешенное колесо в колесо магнито-управляемое, - вот идея, которая привлекала многих изобретателей начала девятнадцатого столетия. Впервые она была, вероятно, высказана англичанином У. Стефаном.Конструкция его перпетуум-мобиле (см. рис.) состояла из деревянного колеса с прямоугольными прорезями, в которых скользили намагниченные железные бруски. Колесо вращалось между магнитами противоположных полярностей.
Или вот еще один интересный проект: Стальной шар C постоянно притягивается к магниту B, который расположен так, что под его влиянием вращается колесо со щелями на ободе. (см. рис.) Пока шар движется, вращается и колесо. Так во всяком случае считал иизобретатель, который не учел, однако что сила тяжести и магнитное притяжение уравновешивают друг друга.
Большую популярность в среди искателей вечного двигателя получила в последнее время идея соединения динамомашины с электромотором. Суть ее сводится к следующему. Надо шкивы электромотора и динамомашины соединить приводным ремнем, а провода от динамо подвести к мотору. Если динамомашине дать первоначальный импульс, то порожденный ею ток, поступая в мотор, приведет его в движение; энергия же движения мотора будет передаваться ремнем шкиву динамомашины и приведет ее в движение. Таким образом, - полагают изобретатели, - машины станут двигать одна другую, и движение это никогда не прекратиться, пока обе машины не износятся.Идея эта представляется изобретателям чрезвычайно заманчивой; однако те, кто пытался ее осуществить на практике, с удивлением убеждались, что ни одна из двух машин при таких условиях не работает. Ничего иного от этого проэкта и ожидать не следовало. Даже если бы каждая из соединенных машин обладала стопроцентным коэффициентом полезного действия, мы могли бы заставить их указанным образом безостановочно двигаться только при полном отсуствии трения. Соединение названных машин (их "агрегат", выражаясь языком инженеров) представляет собою в сущности одну машину, которая сама себя приводит в движение. При отсуствии трения агрегат, как и любой шкив, двигался бы вечно, но пользы от такого движения нельзя было бы извлечь никакой: стоило бы заставить "двигатель" совершать внешнюю работу, и он немедленно остановился бы. Перед нами было бы вечное движение, но не вечный двигатель. При наличие же трения агрегат не двигался бы вовсе.Странно, что людям, которых увлекает эта идея, не приходит в голову более простое осуществление той же мысли: соединить ремнем два каких-нибудь шкива и завертеть один из них. Руководствуясь той же логикой, как и в случае с предыдущего сочетания машин, мы должны ожидать, что первый шкив приведет во вращение второй, а от второго будет вертетеся первый. Можно обойтись и одним шкивом: завертим его - правая часть станет увлекать во вращение левую, левая же при движении будет поддерживать вращение правой. В последних двух случаях нелепость слишком очевидна, и потому подобные проекты никого не вдохновляют. Но, по существу, все три описанных "вечных двигателя" исходят из одного и того же заблуждения.
На сколько легко впасть в ошибку, если о "вечном" движении судить только по внешнему виду, показывал так называемый аккумулятор механической энергии Уфимцева. Курский изобретатель А. Г. Уфимцев создал новый тип ветросиловой станции с дешёвым "инерционным" аккумулятором, устроенным по типу махового колеса. В 1920 г. Уфимцевым построена была модель его аккумулятора в виде диска, вращающегося на вертикальной оси с шариковым подшипником, в кожухе, из которого выкачан воздух. Будучи разогнан до 20 000 оборотов в минуту, диск сохранял вращение в течение пятнадцати суток! Глядя на вал такого диска, целыми днями вращающийся без притока энергии извне, поверхностный наблюдатель мог заключить, что перед ним реальное осуществление вечного движения.
Любопытно, что если поиски "вечного"двигателя всегда оказывались бесплодными, то, напротив, глубокое понимание его невозможности приводило нередко к плодотворным открытиям.
Прекрасным примером может служить тот способ, с помощью которого Стевин, замечательный голландский учёный конца XVI и начала XVII века, открыл закон равновесия сил на наклонной плоскости. Этот математик заслуживает гораздо большей известности, нежели та, какая выпала на его долю, потому что он сделал много важных открытий, которыми мы теперь постоянно пользуемся: изобрёл десятичные дроби, ввёл в алгебру употребление показателей, открыл гидростатический закон, впоследствии вновь открытый Паскалем.
Закон равновесия сил на наклонной плоскости он открыл, не опираясь на правило параллелограмма сил, единственно лишь с помощью чертежа, который здесь воспроизведён.
Через трёхгранную призму перекинута цепь из 14 одинаковых шаров. Что произойдёт с этой цепью? Нижняя часть, свисающая гирляндой, уравновешивается сама собой. Но остальные две части цепи - уравновешивают ли друг друга? Иными словами: правые два шара уравновешиваются ли левыми четырьмя? Конечно, да, - иначе цепь сама собой вечно бежала бы справа налево, потому что на место соскользнувших шаров всякий раз помещались бы другие и равновесие никогда бы не восстановилось. Но так как мы знаем, что цепь, перекинутая указанным образом, вовсе не движется сама собой, то, очевидно, два правых шара действительно уравновешиваются четырьмя левыми. Получается словно чудо: два шара тянут с такой же силой, как и четыре.Из этого мнимого чуда Стевин вывел важный закон механики. Он рассуждал так. Обе цепи - и длинная и короткая - весят различно: одна цепь тяжелее другой во столько же раз, во сколько раз длинная грань призмы длиннее короткой. Отсюда вытекает, что и вообще два груза, связанных шнуром, уравновешивают друг друга на наклонных плоскостях, если веса их пропорциональны длинам этих плоскостей.
В частном случае, когда короткая плоскость отвесна, мы получаем известный закон механики: чтобы удержать тело на наклонной плоскости, надо действовать в направлении этой плоскости силой, которая во столько раз меньше веса тела, во сколько раз длина плоскости больше её высоты.
Так, исходя из мысли о невозможности вечного двигателя, сделано было важное открытие в механике.
В книгах иногда описывается в качестве настоящего "вечного" двигателя прибор такого устройства: масло (или вода), налитое в сосуд, поднимается фитилями сначала в верхний сосуд, а оттуда другими фитилями - ещё выше; верхний сосуд имеет желоб для стока масла, которое падает на лопатки колеса, приводя его во вращение. Стёкшее вниз масло снова поднимается по фитилям до верхнего сосуда. Таким образом, струя масла, стекающая по желобку на колесо, ни на секунду не прерывается, и колесо вечно должно находиться в движении...
Если бы авторы, описывающие эту вертушку, дали себе труд её изготовить, они, конечно, убедились бы, что не только колесо не вертится, но что ни одна капля жидкости даже не попадает в верхний сосуд!Это можно сообразить, впрочем, и не приступая к изготовлению вертушки. В самом деле, почему изобретатель думает, что масло должно стекать вниз с верхней, загнутой части фитиля? Капиллярное притяжение, преодолев тяжесть, подняло жидкость вверх по фитилю; но ведь та же причина удержит жидкость в порах намокшего фитиля, не давая ей капать с него. Если допустить, что в верхний сосуд нашей мнимой вертушки от действия капиллярных сил может попасть жидкость, то надо будет признать, что те же фитили, которые будто бы доставили её сюда, сами же и перенесли бы её обратно в нижний.
Если бы возможны были подобные механизмы, то проще всего было бы устроить так: перекинуть верёвку через блок и привязать к её концам одинаковые гири: когда один груз опускался бы, он приподнимал бы тем самым другой груз, а тот, опускаясь с этой высоты, поднимал бы первый. Чем не "вечный" двигатель?
Сохранилась оживлённая переписка, которую вёл в 1715-1722 гг. Пётр I по поводу приобретения в Германии вечного двигателя, придуманного неким доктором Орфиреусом. Изобретатель, прославившийся на всю Германию своим "самодвижущимся колесом", соглашался продать царю эту машину лишь за огромную сумму. Учёный библиотекарь Шумахер, посланный Петром на Запад для собирания редкостей, так доносил царю о притязаниях Орфиреуса, с которым он вёл переговоры о покупке: "Последняя речь изобретателя была: на одной стороне положите 100 000 ефимков (около рубля), а на другой я положу машину".
О самой же машине изобретатель, по словам библиотекаря, говорил, что она "верна есть, и никто же оную похулить не может, разве из злонравия, и весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно".
В январе 1725 г. Пётр собирался в Германию, чтобы лично осмотреть "вечный двигатель", о котором так много говорили, но смерть помешала царю выполнить его намерение.
Кто же был этот таинственный доктор Орфиреус и что представляла собой его "знатная машина"? Мне удалось разыскать сведения и о том и о другом.
Настоящая фамилия Орфиреуса была Беслер. Он родился в Германии в 1680 г., изучал богословие, медицину, живопись и, наконец, занялся изобретением "вечного" двигателя. Из многих тысяч таких изобретателей Орфиреус - самый знаменитый и, пожалуй, самый удачливый. До конца дней своих (умер в 1745 г.) он жил в довольстве на доходы, которые получал, показывая свою машину.
На прилагаемом рисунке, заимствованном из старинной книги, изображена машина Орфиреуса, какой она была в 1714 г. Вы видите большое колесо, которое будто бы не только вращалось само собой, но и поднимало при этом тяжёлый груз на значительную высоту.
Слава о чудесном изобретении, которое учёный доктор показывал сначала на ярмарках, быстро разнеслось по Германии, и Орфиреус вскоре приобрёл могущественных покровителей. Им заинтересовался польский король, затем ландграф Гессен-Кассельский. Последний предоставил изобретателю свой замок и всячески испытывал машину.Так, в 1717 г., 12 ноября, двигатель, находившийся в уединённой комнате, был приведён в действие; затем комната была заперта на замок, опечатана и оставлена под бдительным караулом двух гренадёров. Четырнадцать дней никто не смел даже приближаться к комнате, где вращалось таинственное колесо. Лишь 26 ноября печати были сняты; ландграф со свитой вошёл в помещение. И что же? Колесо всё ещё вращалось "с неослабевающей быстротой"... Машину остановили, тщательно осмотрели, затем опять пустили в ход. В течение сорока дней помещение снова оставалось запечатанным; сорок суток караулили у дверей гренадёры. И когда 4 января 1718 г. печати были сняты, экспертная комиссия нашла колесо в движении!
Ландграф и этим не удовольствовался: сделан был третий опыт - двигатель запечатан был на целых два месяца. И всё-таки по истечении срока его нашли движущимся!
Изобретатель получил от восхищённого ландграфа официальное удостоверение в том, что его "вечный двигатель" делает 50 оборотов в минуту, способен поднять 16 кг на высоту 1.5 м, а также может приводить в действие кузнечный мех и точильный станок. С этим удостоверением Орфиреус и странствовал по Европе. Вероятно, он получал порядочный доход, если соглашался уступить свою машину Петру I не менее чем за 100 000 рублей.
Весть о столь изумительном изобретении доктора Орфиреуса быстро разнеслась по Европе, проникнув далеко за пределы Германии. Дошла она и до Петра, сильно заинтересовав падкого до всяких "хитрых машин" царя.
Пётр обратил внимание на колесо Орфиреуса ещё в 1715 г., во время своего пребывания за границей, и тогда же поручил А. И. Остерману, известному дипломату, познакомиться с этим изобретением поближе; последний вскоре прислал подробный доклад о двигателе, хотя самой машины ему не удалось видеть. Пётр собирался даже пригласить Орфиреуса, как выдающегося изобретателя, к себе на службу и поручил запросить о нём мнение Христиана Вольфа, известного философа того времени (учителя Ломоносова).
Знаменитый изобретатель отовсюду получал лестные предложения. Великие мира сего осыпали его высокими милостями; поэты слагали оды и гимны в честь его чудесного колеса. Но были и недоброжелатели, подозревавшие здесь искусный обман. Находились смельчаки, которые открыто обвиняли Орфиреуса в плутовстве; предлагалась премия в 1000 марок тому, кто разоблачит обман. В одном из памфлетов, написанных с обличительной целью, мы находим рисунок, воспроизведённый здесь. Тайна "вечного двигателя", по мнению разоблачителя, кроется просто в том, что искусно спрятанный человек тянет за верёвку, намотанную, незаметно для наблюдателя, на часть оси колеса, скрытую в стойке.
Тонкое плутовство было раскрыто случайно только потому, что учёный доктор поссорился со своей женой и служанкой, посвящёнными в его тайну. Не случись этого, мы, вероятно, до сих пор оставались бы в недоумении относительно "вечного двигателя", наделавшего столько шума. Оказывается, "вечный двигатель" действительно приводился в движение спрятанными людьми, незаметно дёргавшими за тонкий шнурок. Этими людьми были брат изобретателя и его служанка.Разоблачённый изобретатель не сдавался; он упорно утверждал до самой смерти, что жена и прислуга донесли на него по злобе. Но доверие к нему было подорвано. Недаром он твердил посланцу Петра, Шумахеру, о людском злонравии и о том, что "весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно".
Во времена Петра I славился в Германии ещё и другой "вечный двигатель" - некоего Гертнера. Шумахер писал об этой машине следующее: "Господина Гертнера Perpetuum mobile, которое я в Дрездене видел, состоит из холста, песком засыпанного, и в образе точильного камня сделанной машины, которая назад и вперёд сама от себя движется, но, по словам господина инвертора (изобретателя), не может весьма велика сделаться".
Без сомнения, и этот двигатель не достигал своей цели и в лучшем случае представлял собой замысловатый механизм с искусно скрытым, отнюдь не "вечным" живым двигателем. Вполне прав был Шумахер, когда писал Петру, что французские и английские учёные "ни во что почитают все оные перепетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических".Самый изящный и самый простой из всех проектов вечных двигателей, когда либо созданных! (см. рис.) Американский изобретатель Ф. Дж. Вудворд считал, что если между двумя вращающися цилиндрами поместить тяжелое кольцеобразное колесо, одна половина этого колеса всегда будет тяжелее другой. К сожаления изобретатель ошибался.
Видео в тему:
Свободные энергии - гонка к нулевой точке
В фильме развивается мысль о получении бесплатной свободной энергии, и приводятся уже имеющиеся примеры получения этой энергии.
Свободные энергии - гонка к нулевой точке
В фильме развивается мысль о получении бесплатной свободной энергии, и приводятся уже имеющиеся примеры получения этой энергии.
