Гидравлические вечные двигатели. Вечный двигатель и перспективы его разработки

Гидравлический вечный двигатель February 14th, 2017

В 1685 г. в одном из выпусков лондонского научного журнала «Философские труды» был опубликован предложенный французом Дени Папеном проект гидравлического перпетуум мобиле, принцип действия которого должен был опровергнуть известный парадокс гидростатики. Как видно из изображенного на рисунке, это устройство состояло из сосуда, сужавшегося в трубку в форме буквы C, которая загибалась кверху и своим открытым концом нависала над краем сосуда.

Автор проекта предполагал, что вес воды в более широкой части сосуда обязательно будет превосходить вес жидкости, находящейся в трубке, т.е. в более узкой его части. Это означало, что жидкость своей тяжестью должна была бы выдавливать саму себя из сосуда в трубку, по которой ей вновь приходилось бы возвращаться в сосуд, — тем самым достигалась требуемая непрерывная циркуляция воды в сосуде.

Как вы предположите, почему на видео "вечный двигатель" работает?

К сожалению, Папен не осознавал того, что решающим фактором в данном случае является не разное количество (а с ним и различный вес жидкости в широкой и узкой частях сосуда), а прежде всего свойство, присущее всем без исключения сообщающимся сосудам: давление жидкости в самом сосуде и изогнутой трубке всегда будет одинаковым. Гидростатический парадокс как раз и объясняется особенностями этого по существу своему именно гидростатического давления.

Называемый иначе парадоксом Паскаля, он утверждает, что суммарное давление, т.е. сила, с которой жидкость давит на горизонтальное дно сосуда, определяется только весом столба жидкости, находящейся над ним, и совершенно не зависит от формы сосуда (например, от того, сужаются или расширяются его стенки) и, следовательно, от количества жидкости.

Жертвами подобных заблуждений были иногда даже люди, работавшие на самом переднем крае современной им науки и техники. Примером может служить сам Дени Папин (1647-1714 гг.) — изобретатель не только «папинова котла» и предохранительного клапана, но и центробежного насоса, а главное — первых паровых машин с цилиндром и поршнем. Папин даже установил зависимость давления пара от температуры и показал, как получать на ее основе и вакуум, и повышенное давление. Он был учеником Гюйгенса, переписывался с Лейбницем и другими крупными учеными своего времени, состоял членом английского Королевского общества и Академии наук в Неаполе. И вот такой человек, который по праву считается крупным физиком и одним из основоположников современной теплоэнергетики (как создатель парового двигателя), работает и над вечным двигателем! Мало этого, он предлагает такой вечный двигатель, ошибочность принципа которого была совершенно очевидна и современной ему науке. Он публикует этот проект в журнале «Философские труды» (Лондон, 1685 г.).

Рис. 1.. Модель гидравлического вечного двигателя Д. Папина

Идея вечного двигателя Папина очень проста — это по существу перевернутая «вверх ногами» труба Зонки (рис. 1). Поскольку в широкой части сосуда вес воды больше, его сила должна превосходить силу веса узкого столба воды в тонкой трубе С. Поэтому вода будет постоянно сливаться из конца тонкой трубки в широкий сосуд. Остается только подставить под струю водяное колесо и вечный двигатель готов!

Очевидно, что на самом деле так не получится; поверхность жидкости в тонкой трубке установится на том же уровне, что и в толстой, как в любых сообщающихся сосудах (как в правой части рис. 1.).

Судьба этой идеи Папина была той же, что и других вариантов гидравлических вечных двигателей. Автор к ней больше никогда не возвращался, занявшись более полезным делом — паровой машиной.

История с изобретением Д. Папином наталкивает на вопрос, постоянно возникающий при изучении истории вечных двигателей: чем объяснить поразительную слепоту и странный образ действий многих весьма образованных и, главное, талантливых людей, возникающие каждый раз, как только дело касается изобретения вечного двигателя?

Мы вернемся к этому вопросу в дальнейшем. Если же продолжить разговор о Папине, то непонятно и другое. Мало того, что он не учитывает уже известные законы гидравлики. Ведь в это время он был на должности «временного куратора опытов» при Лондонском королевском обществе. Папин мог при своих экспериментальных навыках легко проверить предложенную им идею вечного двигателя (так же, как он проверял другие свои предложения). Такой эксперимент легко поставить за полчаса, даже не располагая возможностями «куратора опытов». Он этого не сделал и почему-то отправил статью в журнал, ничего не проверив. Парадокс: выдающийся ученый-экспериментатор и теоретик публикует проект, противоречащий уже утвердившейся теории и не проверенный экспериментально!

В дальнейшем было предложено еще много гидравлических вечных двигателей и с другими способами подъема воды, в частности капиллярных и фитильных (что, собственно, одно и то же) [. В них предлагалось жидкость (воду или масло) поднимать из нижнего сосуда в верхний по смачиваемому капилляру или фитилю. Действительно, поднять жидкость на определенную высоту таким путем можно, но те же силы поверхностного натяжения, которые обусловили подъем, не дадут жидкости стекать с фитиля (или капилляра) в верхний сосуд.

А что же происходит на видео?

Когда в воронку наливается жидкость, то по закону сообщающихся сосудов, уровни должны быть одинаковые, а она в трубку вытекает с большим запаздыванием, стало быть под деревянным штативом находится ещё сосуд из которого вода перекачивается, так как она остановится на середине и не потечёт.Это гидравлический перпетуум мобиле средних веков, в который заложена ошибка, как якобы больший вес воронки вытеснит воду из трубки, но это не так. Любой диаметр трубки и любая форма не имеют значения, уровни просто уровняются

Современная классификация вечных двигателей

И первое, и второе начала термодинамики были введены как постулаты после многократного экспериментального подтверждения невозможности создания вечных двигателей. Из этих начал выросли многие физические теории, проверенные множеством экспериментов и наблюдений, и у учёных не остаётся никаких сомнений в том, что данные постулаты верны, и создание вечного двигателя невозможно. В частности, второе начало термодинамики может быть сформулировано как один из следующих (эквивалентных) постулатов:

1. Постулат Кельвина - невозможно создать периодически действующую машину, совершающую механическую работу только за счёт охлаждения теплового резервуара.
2. Постулат Клаузиуса - самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к более горячим невозможен.

История

Попытки исследования места, времени и причины возникновения идеи вечного двигателя - задача весьма сложная. Не менее затруднительно назвать и первого автора подобного замысла. К самым ранним сведениям о Perpetuum mobile относится, по-видимому, упоминание, которое мы находим у индийского поэта, математика и астронома Бхаскары , а также отдельные заметки в арабских рукописях XVI в., хранящихся в Лейдене, Готе и Оксфорде . В настоящее время прародиной первых вечных двигателей по праву считается Индия. Так, Бхаскара в своём стихотворении, датируемом примерно 1150 г., описывает некое колесо с прикреплёнными наискось по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Принцип действия этого первого механического перпетуум мобиле был основан на различии моментов сил тяжести, создаваемых жидкостью, перемещавшейся в сосудах, помещённых на окружности колеса. Бхаскара обосновывает вращение колеса весьма просто: «Наполненное таким образом жидкостью колесо, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе» . Первые проекты вечного двигателя в Европе относятся к эпохе развития механики , приблизительно к XIII веку. К XVI-XVII векам идея вечного двигателя получила особенно широкое распространение. В это время быстро росло количество проектов вечных двигателей, подаваемых на рассмотрение в патентные ведомства европейских стран.

Неудачные конструкции вечных двигателей из истории

На рис. 1 показана одна из древнейших конструкций вечного двигателя. Она представляет зубчатое колесо , в углублениях которого прикреплены откидывающиеся на шарнирах грузы. Геометрия зубьев такова, что грузы в левой части колеса всегда оказываются ближе к оси, чем в правой. По замыслу автора, это, в согласии с законом рычага , должно было бы приводить колесо в постоянное вращение. При вращении грузы откидывались бы справа и сохраняли движущее усилие.

Однако, если такое колесо изготовить, оно останется неподвижным. Причина этого факта заключается в том, что хотя справа грузы имеют более длинный рычаг, слева их больше по количеству. В результате моменты сил справа и слева оказываются равны.

На рис. 2 показано устройство ещё одного двигателя. Автор решил использовать для выработки энергии закон Архимеда . Закон состоит в том, что тела, плотность которых меньше плотности воды, стремятся всплыть на поверхность. Поэтому автор расположил на цепи полые баки и правую половину поместил под воду. Он полагал, что вода будет их выталкивать на поверхность, а цепь с колёсами, таким образом, бесконечно вращаться.

Здесь не учтено следующее: выталкивающая сила - это разница между давлениями воды, действующими на нижнюю и верхнюю части погруженного в воду предмета. В конструкции, приведённой на рисунке, эта разница будет стремиться вытолкнуть те баки, которые находятся под водой в правой части рисунка. Но на самый нижний бак, который затыкает собой отверстие, будет действовать лишь сила давления на его правую поверхность. И она будет уравновешивать или превосходить силу, действующую на остальные баки.

Пример псевдовечного двигателя 2-го рода

Анализ конкретной конструкции вечного двигателя 2-го рода может представлять собой нетривиальную задачу, особенно если речь идёт о конструкции сложной или такой, принцип действия которой на первый взгляд вообще непонятен, либо потоки энергии и их источник неочевидны. Зафиксируем, например, один конец работающей на изгиб биметаллической пластины , а ко второму концу подвесим груз и поместим получившуюся конструкцию на открытый воздух . За счёт колебаний температуры пластина будет изгибаться/распрямляться, а груз подниматься и опускаться, то есть устройство будет совершать работу. Заменив груз на храповой механизм , получим механический привод, способный выполнять полезную работу за счёт извлечения энергии из единственного теплового резервуара - окружающей среды . Но поскольку окружающая среда попеременно выступает в качестве то нагревателя, то охладителя, противоречие со вторым законом термодинамики отсутствует. Таким образом, рассмотренная конструкция представляет собой не вечный, а псевдовечный двигатель 2-го рода .

Патенты и авторские свидетельства на вечный двигатель

В 1775 году Парижская академия наук приняла решение не рассматривать проекты вечного двигателя из-за очевидной невозможности их создания . Патентное ведомство США не выдаёт патенты на perpetuum mobile уже более ста лет . Тем не менее, в Международной патентной классификации сохраняются разделы для гидродинамических (раздел F03B 17/04) и электродинамических (раздел H02K 53/00) вечных двигателей.

Известные «изобретатели» вечных двигателей

См. также

Примечания

Литература

• Александров Н. Е., Богданов А. И., Костин К. И. и др. Основы теории тепловых процессов и машин. Часть II / Под ред. Н. И. Прокопенко. - 4-е изд. (электронное). - М. : Бином. Лаборатория знаний, 2012. - 572 с. - ISBN 978-5-9963-0834-7 .
• Бродянский В. М. Вечный двигатель - прежде и теперь. От утопии - к науке, от науки - к утопии . - М. : Энергоатомиздат , 1989. - 256 с. - (Научно-популярная библиотека школьника). - ISBN 5-283-00058-3 .
• Вознесенский Н. Н. О машинах вечного движения . М., 1926.
• Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель . М., 1922.
• Кирпичёв В. Л. Беседы по механике . М.: ГИТЛ, 1951.

Испокон веков люди мечтали об изобретении вечного двигателя. И хотя подобные попытки, как правило, оказывались провальными, а изобретателей нередко называли лжеучёными, современных изобретателей это не останавливает. В нашем обзоре 10-ка механизмов, которые должны были двигателем, который работает вечно.

1. Батарейка Карпена

В 1950 году румынский инженер Николае Василеску-Карпен изобрел батарею, которая работает уже 65 лет. Работающая до сих пор батарея сейчас хранится в Национальном техническом музее Румынии, но до сих пор никто не смог объяснить - каким именно образом и на каких принципах действует "термоэлектрическая батарея, работающая при постоянной температуре". После недавних измерений было установлено, что батарея выдает напряжение в 1 вольт, точно так же, как и в 1950 году. Может быть, когда ученые разгадают, что все же сделал Карпен, удастся сделать настоящий вечный двигатель.

2. Энергетическая машина Джо Ньюмана

В 1911 году Бюро патентов США приняло решение не выдавать патенты на "устройства вечного движения или свободной энергии", потому что "научно доказано, что невозможно создать такую вещь". Для некоторых изобретателей это стало дополнительным вызовом и стимулом продолжать работу. В 1984 году Джо Ньюман пришел на CBS Evening News, чтобы показать "то, что должно изменить мир" - вечный двигатель, который работал без использования энергии или производил больше энергии, чем использовал.

Национальное бюро стандартов испытало его устройство, которое состояло в основном из аккумулятора, заряжаемого с помощью магнита, вращающегося внутри катушки из проволоки. Оказалось, что все претензии Ньюмана беспочвенны.

3. Водяной винт Роберта Фладда

Роберт Фладд - ученый и алхимик, который написал множество трудов и опубликовал ряд изобретений на рубеже 17-го века. Его версия вечного двигателя - водяное колесо, которое может молоть зерно, работая благодаря постоянной рециркуляции воды. Фладд назвал его "водяным винтом". Появившиеся в 1660 году гравюры на дереве с описанием его идеи считаются первыми рисунками или иллюстрациями вечных двигателей. Излишне говорить, что устройство не работало.

4. Колесо Бхаскара

Одна из самых ранних ссылок на вечные двигатели датируется 1150 годом. Математик и астроном Бхаскара описал в своих трудах концепцию "вечно вращающегося колеса". Его устройство выглядело как колесо с прикрепленными наискось по ободу длинными узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Якобы оно должно было постоянно вращаться из-за разницы моментов сил тяжести, создаваемых жидкостью, перемещавшейся в сосудах. На протяжении веков появлялось множество вариантов колеса, которые основывались на идее Бхаскара. Концепция стала настолько популярной, что вечные двигатели в форме колеса были замечены в более поздних исламских и европейских трудах.

5. Часы Кокса

Когда знаменитый лондонский часовщик Джеймс Кокс построил свои "вечно идущие часы" в 1774 году, то он заявил, что их никогда не нужно будет заводить. Несмотря на столь грандиозное заявление, презентация этой новой технологии была проведена с использованием элементов мистики (так было модно на то время). Несмотря на то, что часы Кокса все же не являлись вечным двигателем, они имели без преувеличения гениальный механизм, который работал на основании перепадов атмосферного давления.

6. Тестатика Пауля Бауманна

Часовщик Пауль Бауманн основал духовное сообщество Месерница в 1950 году. Члены этой религиозной секты воздерживаются от алкоголя, наркотиков и табака, а также община полностью самодостаточна и экологически чистая. Чтобы достичь подобного, они якобы используют чудесный вечный двигатель, созданный их основателем. Тестатика предположительно может собирать неиспользуемую электрическую энергию и превращать ее в энергию для нужд коммуны.

Поскольку сообщество не допускает посторонних людей к машине, находящейся в закрытом здании, ученые не смогли изучить принципы работы этого агрегата, мощность которого составляет более 750 Киловатт. Схему Тестатики Пауль якобы получил во время таинственного озарения, отбывая тюремный срок в камере-одиночке. Попытки энтузиастов сделать подобные аппараты не привели ни к чему.

7. Колесо Бесслера

Иоганн Бесслер начал свои исследования концепции вечного движения, основываясь на концепции колеса Бхаскара. 12 ноября 1717 года Бесслер закрыл свое изобретение в комнате, запер дверь и поставил возле двери охрану. Когда комната была открыта две недели спустя, 3,7-метровое колесо по-прежнему вращалось. Комната снова была заперта, а следующий раз открыта в начале января 1718 года. Колесо все еще вращалось.

К сожалению, Бесслер был очень скрытен и неуравновешен. Когда один инженер прокрался поближе к колесу, чтобы взглянуть на него, Бесслер уничтожил свое изобретение. Впоследствии он как-то написал, что он уничтожил все доказательства, чертежи и рисунки своего вечно вращающегося колеса, но добавил, что любой, кто будет достаточно умен и смекалист, сможет понять его изобретение.

8. Двигатель НЛО Отиса Т. Карра

Изобретение OTC Enterprises, Inc. и его основателя Отиса Карра было включено в Реестр объектов авторских прав в 1958 году, несмотря на то, что Патентное ведомство США уже давно не принимало любые патенты на вечные двигатели, поскольку такие устройства не существуют. Карр зарегистрировал все изобретение как "бесплатную энергосистему". На самом деле это был "двигатель НЛО".

В 1959 году OTC Enterprises должен был провести первый рейс своего "космического аппарата, использующего четвертое измерение, с питанием от вечного двигателя". Двигательная установка якобы была способна бесконечно производить энергию, генерируя ее из окружающего пространства во время полета. Ни одной записи об испытании не сохранилось, а правительство США быстро заявило, что проект является фикцией.

Дреббель впервые продемонстрировал свою машину в 1604 году и поразил всех, в том числе королевскую семью Англии. Машина была чем-то вроде хронометра, но ее не нужно было заводить, а также она показывала дату и фазы Луны. В движение механизм приводился, подобно часам Кокса, разностью потенциалов температуры или атмосферного давления. Также Дреббель заявил, что в его устройстве использовался "огненный дух воздуха".

10. Антигравитационная машина Дэвида Хэмела

Дэвид Хэмел, простой плотник без формального образования, заявил, что он был избран, чтобы стать хранителем машины свободной энергии, которую можно использовать в космических кораблях. Информацию, "способную изменить мир, он получил после встречи с инопланетянами из планеты Клэден". Хэмел утверждает, что его вечный двигатель использует ту же энергию, которую паук использует, чтобы перейти с одного паутинки на другую. Якобы эти скалярные силы сводят на нет силу тяжести.