Введение в историю неосуществленного изобретения
(слайд 2)Сегодня мы хотим поразмышлять над судьбой машины, которая никогда не была и не будет построена, – вечного двигателя. Безуспешные попытки создания подобной машины, служившие в недавнем прошлом предметом жарких научных дискуссий, давно миновали бурный период своего расцвета и, в конце концов, полностью осужденные современным развитием науки и техники, оказались сегодня отвергнутыми навсегда как следствие человеческих заблуждений.
И все-таки, действительно ли эта проблема целиком принадлежит прошлому? Всем ли ясна мысль о неосуществимости вечного движения и невозможности построить перпетууммобиле?
Что такое перпетууммобиле?
(слайд 3)Физик скажет, что перпетууммобиле представляет собой двигатель, который, будучи однажды приведен в движение, сам по себе удерживается в этом состоянии сколь угодно долго и при этом в случае необходимости способен еще совершать полезную работу. Но что подразумевается под словами «сколь угодно долго»? Означает ли это «вечно, всегда»? А что следует понимать под выражением «сам по себе»? Если заменить его, например, словами «собственной силой», то откуда возникает эта сила?
(слайд 4)В старой научной литературе, например в «Физическом словаре» Гелера, изданном в Лейпциге в 1833 г., мы встречаемся с двумя основными категориями самодвижущихся машин - физическим вечным двигателем (perpetuummobilephysicae) и естественным вечным двигателем (perpetuummobilenaturae). К первой группе относились самодвижущиеся устройства чисто механического характера, принцип действия которых основывался на использовании некоторого известного физического явления, например на действии силы тяжести, законе Архимеда, капиллярных явлениях в жидкостях и т. п. Проекты естественных вечных двигателей, относившихся ко второй группе, связывались преимущественно с циклически повторяющимися природными явлениями или же основывались на принципах небесной механики. (слайд 5)Другое важное определение вечного двигателя, с которым мы сталкиваемся у более поздних исследователей, исходит из представления об идеальной машине, которая работает без потерь и всю сообщенную ей энергию может преобразовать в полезную работу или в какой-либо другой вид энергии.
Что же заставило людей обратиться к мысли о создании вечного двигателя? С одной стороны – страсть к богатству и жажда власти, а с другой – стремление изобрести машину, которая без каких-либо затрат выполняла бы работу множества людей.
Наиболее ранние сведения о вечных двигателях
(слайд 6)Попытки исследования места, времени и причины возникновения идеи вечного двигателя – задача весьма сложная. Не менее затруднительно и назвать первого автора подобного замысла. К самым ранним сведениям о перпетууммобиле относится, по-видимому, упоминание, которое мы находим у индийского поэта, математика и астронома Бхаскары (1114- ок.1185), 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 своем стихотворении, датируемом примерно 1150 г., описывает некое колесо с прикрепленными наискось по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Принцип действия этого первого механического перпетууммобиле, как видно из рис.1, был основан на различии моментов сил тяжести, создаваемых жидкостью, перемещавшейся в сосудах, помещенных на окружности колеса. Бхаскара обосновывает вращение колеса весьма просто: «Наполненное таким образом жидкостью колесо, будет насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе».
Так думал изобретатель. Между тем, если сделать такой двигатель, то он вращаться не будет. Так как половину рабочего цикла груз ускоряется, двигаясь из верхней мёртвой точки в нижнюю мёртвую точку, и половину — замедляется. Сделав несколько оборотов, колесо с неуравновешенными грузами достигнет состояния равновесия. Плюс надо еще учитывать отрицательную работу силы трения.
Интересно, что схемы первых вечных двигателей строились на основе простых механических элементов и даже в более поздние времена включали в себя все те же рычаги, которые закреплялись по окружности колеса, вращавшегося вокруг горизонтальной оси. Выбор этих механических элементов логически вытекал из того факта, что самыми доступными и наиболее глубоко исследованными областями науки в ту пору являлись механика твердых тел и механика жидкостей.
(слайд 7)В арабских странах мы начинаем встречаться с проектами вечных двигателей, аналогичных по устройству механическому перпетууммобиле индуса Бхаскары, уже примерно с 1200 г. На рис. 2 представлено одно из таких арабских самодвижущихся колес, пустотелый обод которого частично заполнен водой и ртутью. Согласно приведенной схеме сил, момент силы, создаваемый весом столбика воды F1, действующим на плечо r1 по направлению к центру вращения колеса, должен превышать момент силы, создаваемый весом ртути F2, действующим на плечо r2. В качестве основного условия успешной работы этого устройства принималось выполнение неравенства F1∙r1>F2∙r2.
На самом деле это не так. Как и в предыдущем примере, сделав несколько оборотов, колесо достигнет состояния равновесия и остановиться. И не забываем учитывать отрицательную работу силы трения.
(слайд 8)Как видно из рис. 3, арабские механики пользовались и другими комбинациями основных конструктивных элементов, например сочлененными деревянными рычагами т. п. Однако главной частью их машин все же продолжало оставаться большое колесо, вращавшееся вокруг горизонтальной оси. Все эти вечные двигатели, принцип действия которых был весьма схож с работой индийских самодвижущихся колес, в арабских странах разрабатывались главным образом для того, чтобы приводить в действие устройства для заполнения водой оросительных каналов.
Распространение идеи перпетууммобиле в Европе
(слайд 9)В Европе первые чертежи вечных двигателей появляются одновременно с введением в обиход арабских (по своему происхождению индийских) цифр, т. Е. в начале XIIIв. Первым европейцем, автором идеи «самодвижущейся машины», согласно имеющимся в настоящее время данным, считается средневековый французский архитектор Вийярд'Оннекур родом из Пикардии, - известный строитель кафедральных соборов и создатель целого ряда интересных машин и механизмов. Его основные технические идеи дошли до наших дней в виде единственного альбома эскизов, содержащего чертежи тридцати трех устройств. На одном из рисунков этого альбома (рис. 8) изображена предложенная им схема перпетууммобиле. По принципу действия машина Вийяра очень напоминает некоторые схемы, использовавшиеся его арабскими предшественниками. Единственное отличие заключается в том, что вместо сосудов, наполненных ртутью, или сочлененных деревянных рычагов автор размещает по периметру своего колеса 7 небольших молоточков.
Рассуждения Вийяра довольно просты. Он ошибочно полагал, что всегда с одной стороны оси будут находится четыре молотка, а с другой три, создавая постоянный дисбаланс. Он не осознавал, что система в целом будет стремиться к статическому равновесию, когда с каждой стороны будут находиться по три молотка и один внизу.
(слайд 10)Спустя почти четверть столетия после появления проекта Вийяра совершенно иная схема перпетууммобиле была предложена французским ученым Пьером де Марикуром, который занимался в то время опытами с магнетизмом и, в частности, исследованиями свойств магнитов. Вийяр, как и все его предшественники, при создании своего вечного двигателя исходил из эффекта действия силы тяжести, под влиянием которой откидывались противовесы или переливалась ртуть в размещенных по периметру колеса сосудах. Работа же самодвижущегося устройства Пьера де Маикура основывалась на использовании до той поры практически не известных и мало исследованных магнитных сил. На рис. 9 изображена схема магнитного перпетууммобиле Пьера де Марикура, датируемая 1269 г. Образцом для него послужил механизм Вселенной с циклическим обращением планет.
Этот эффект стал понятен гораздо позднее своего открытия, а устройство Марикура оказалось первым компасом. Марикур сам признавал, что созданный им механизм не предназначен для совершения полезной работы, а скорее помогает понять, как планеты движутся по орбитам.
Перпетууммобиле в эпоху Возрождения
(слайд 11)Растущий интерес к проблеме вечного движения и стремление дать ее решение в виде описания некоторого конкретного устройства характерны и для эпохи Возрождения. Среди тех, кто часть своих многосторонних интересов уделял проблеме вечного движения, были три знаменитых инженера: МарианодиЖакопо, Франческоди Мартини и Леонардо да Винчи. Так, например, на рис. 10 воспроизведен эскиз перпетууммобиле, изображенный на страницах одной из рукописей Мариано, относящейся к 1438 г.4 вполне очевидна общность принципа действия этого устройства с вечным двигателем Вийяра, отличающимся лишь конструкцией откидных рычагов на окружности колеса.
(слайд 12)Необычайно глубокий интерес к исследованию сущности физических явлений привел и Леонардо да Винчи к проблеме перпетууммобиле и к необходимости ее анализа с точки зрения ученого-механика. В «Атлантическом кодексе», в «Кодексе Форстера» и других фрагментах сочинений Леонардо сохранились наброски вечных двигателей, выполненные им в возрасте примерно 28 лет. На рис. 11 представлена модельная реконструкция одного из этих проектов. По существу она представляет собой все ту же классическую схему перпетууммобиле с четырьмя рычагами; на конце каждого из них укреплена замкнутая металлическая камера, наполненная ртутью. (слайд 13)Анализируя работу одного из гидравлических вечных двигателей, эскиз которого был найден среди бумаг Леонардо, автор рисунка утверждает: «Винт a (рис. 12) поднимает воду к винту b, а винт b с помощью той же воды приводит во вращение винт a». Между винтами a и b размещается малый сосуд с водой. Предположим, что в целях достижения большей продолжительности работы всего устройства используется сосуд большего объема. В начальный момент этот сосуд должен быть наполнен водой; затем вытекающая вода начнет вращать винт b, а тот приведет в движение винт a, который в свою очередь будет поднимать воду обратно в сосуд, находящийся между этими двумя винтами.
Однако винт a, играющий роль насоса, не сможет поднять в сосуд то же самое количество воды, которое было необходимо для приведения во вращение винта b, поскольку коэффициент полезного действия винта a будет меньше 100%. Поэтому объем воды в сосуде будет постоянно уменьшаться, и после полного его опорожнения устройство остановиться.
(слайд 14)Леонардо да Винчи не смог полностью сформулировать основные законы сохранения и превращения энергии, открытые человечеством гораздо позже, однако, как тонкий наблюдатель физических явлений, и прежде всего как механик, обладавший огромной эрудицией при выборе правильных методов для решения разнообразных технических проблем, он неминуемо пришел к логическому выводу о тщетности всех усилий, направленных на создание вечного двигателя. Взгляд ученого на проблему перпетууммобиле лучше всего характеризует следующее его высказывание: «О, исследователи вечного движения, сколько суетных планов создали вы при подобных исканиях. Станьте лучше алхимиками!».
