Возможен ли вечный двигатель?

Под действием осмоса, например, влага из почвы проникает в семена растений. Давления, возникающие при этом, огромны и возрастают по мере уменьшения влажности почвы. Так, при влажности почвы 35 % влага проникает в семена под влиянием осмотического давления в 35 атмосфер, а при влажности почвы 6 % — под влиянием осмотического давления в 400 атмосфер.

Осмотический вечный двигатель пытались построить следующим образом.

В сосуд с чистой водой погружали трубку, нижнее отверстие которой затянуто животным пузырём (рис. 24).

Рис. 24. Вечный двигатель с раствором сахара.

Трубка наполнялась водным раствором сахара (170–180 г сахара на 100 г воды). Через некоторое время объём раствора сахара увеличивался, его уровень становился значительно выше уровня воды. Причём, если трубка недостаточно высока, то раствор переливался через её верхний конец. Это объясняется тем, что из сосуда чистая вода проникает под влиянием осмотического давления через перегородку, непроницаемую для водного раствора сахара. В результате трубка переполняется, и разбавленный раствор сахара переливается в сосуд с водой. Но это происходит до выравнивания концентрации раствора сахара в трубке и сосуде. Как только концентрация сахара станет одинаковой, движение жидкости прекратится.

Поток сахарного сиропа через верх трубки представлялся изобретателям как средство создания вечного двигателя. Известный учёный Иоганн Бернулли (1667–1748 гг.) видел в явлении осмоса возможность создания вечного двигателя.

Однако из. рассказанного нетрудно понять, почему изобретатели осмотического вечного двигателя не смогли достигнуть успеха. Ведь вместо раствора сахара, непрерывно текущего через край трубки, в неё из сосуда через полупроницаемую перегородку поступает чистая вода. Но как только концентрация сахара в сосуде и в трубке станет одинаковой, поступление воды через перегородку прекратится. Чтобы этого не произошло, чтобы поддерживать осмотическое давление, необходимо добавлять в трубку концентрированный раствор сахара взамен вытекающего, а в сосуде сменять раствор чистой водой. Но это уже не вечный двигатель, создающий энергию из ничего.

4. Магнитные вечные двигатели

В погоне за успехом многие изобретатели вечного двигателя пытались использовать явление магнетизма. Магнитный вечный двигатель был предложен в 1269 году Пьером де Маринкур — одним из первых изобретателей вечных двигателей вообще. После Пьера де Маринкура было предложено много конструкций магнитных вечных двигателей. Нет смысла здесь рассказывать о всех этих «изобретениях». Приведём лишь некоторые наиболее интересные.

В XVII веке английский епископ Джон Вилькенс предложил магнитный вечный двигатель (рис. 25).

Рис. 25. Магнитный вечный двигатель епископа Джона Вилькенса (XVII век).

По мысли автора, металлический шарик, притягиваемый магнитом, по наклонной плоскости А поднимается вверх. Наверху он проваливается в отверстие под действием силы тяжести и катится вниз по специальному лотку Б. Спустившись вниз, он снова, оказавшись под действием магнита, поднимается по наклонной плоскости А вверх, затем вновь, провалившись в отверстие, покатится вниз… и так бесконечно.

На проект вечного двигателя, подобный описанному, один изобретатель получил в Германии патент в 1878 году. Однако ни первый, ни второй магнитный вечный двигатель не действовал. Происходило примерно следующее: шарик, докатившись до отверстия, не проваливался, а перескакивал через него, притягиваясь сильным магнитом. При более слабом магните он, проскочив в отверстие, не мог, докатившись до закругления внизу, перескочить на наклонную плоскость, потому что оказывался под действием силы притяжения магнита, тормозившей движение шарика.

Чтобы вечный двигатель Джона Вилькенса действовал, необходимо некоторое его усовершенствование, состоящее в том, что наклонная плоскость А изготовляется из двух изолированных между собой пластинок. У верхней части наклонной плоскости закреплён электромагнит. Первый конец обмотки электромагнита присоединён к одной пластинке, а второй — к клемме аккумулятора. Другая клемма его посредством электропровода присоединяется ко второй пластинке наклонной плоскости (рис. 26). Под наклонной плоскостью установлен направляющий лоток Б, как у вечного двигателя Д. Вилькенса. Стальной шарик, оказавшись на наклонной плоскости А, замыкает электрическую цепь. Электромагнит притягивает шарик (рис. 26, слева). Докатившись до отверстия, шарик проваливается. Электрическая цепь размыкается, действие электромагнита прекращается (рис. 26, справа).

Рис. 26. «Усовершенствование» вечного двигателя Д. Вилькенса.

Шарик под действием силы тяжести катится вниз по направляющему лотку и в конце по закруглению вновь попадёт на наклонную плоскость. Электрическая цепь замкнётся. Электромагнит притягивает шарик… Словом, шарик действительно будет беспрерывно передвигаться до тех пор, пока не… иссякнет электрическая энергия, расходуемая для намагничивания электромагнита, притягивающего шарик. Но это уже не вечный двигатель, создающий энергию из ничего.

Английский сатирик Джонатан Свифт в описании путешествий Гулливера высмеивает широко распространенное в начале XVIII века в Англии увлечение различными химерическими несбыточными проектами быстрого обогащения, известными под именем «Мыльных пузырей». Гулливер, попав на летающий остров Лапутию, осматривал механизм, позволяющий перемещаться этой стране — острову в пространстве по любым направлениям, на любой высоте. Механизм находился в центре острова и состоял из большого магнита, закреплённого на алмазной оси. В зависимости от угла наклона магнита, взаимодействующего с магнитным полем Земли, и происходило перемещение Лапутии в том или ином направлении.

Описание невероятного двигателя лапутян, подобного вечному двигателю, послужило Д. Свифту средством усиления его сатиры. Однако в «Ежегоднике французского оккультизма» за 1908 год предлагалось самым серьёзным образом использовать магнитное поле Земли как неисчерпаемый источник энергии.

5. Несколько недоразумений

Помимо изобретателей, стремившихся сконструировать вечный двигатель без каких-либо теоретических соображений, встречались и такие, которые теоретически доказывали возможность вечного двигателя. Были и такие, которые, не разобравшись в действии какого-либо прибора, утверждали, что это вечный двигатель. Вот несколько примеров.

Немецкий физик, иезуит, Атаназиус Кирхер (1602–1680 гг.) обосновывал возможность вечного двигателя следующим образом. Он клал рычаг на призму и уравновешивал его одинаковыми грузами (рис. 27).

Рис. 27. К доказательству Атаназиуса Кирхера возможности вечного двигателя.

Затем, уменьшив вес одного груза и передвинув его дальше от опоры, он снова добивался равновесия рычага. После такого опыта он утверждал: происходит удивительное явление — меньшая сила уравновесила большую. Значит, достаточно лишь умело скомбинировать систему рычагов, и вечный двигатель готов.

Однако это «открытие» Атаназиуса Кирхера не помогло разрешить задачу создания вечного двигателя. Наоборот, он сильнее запутал и без того неясный в то время вопрос.

В чём ошибка А. Кирхера?

Дело в том, что Кирхер принимал во внимание только величину силы. Он не учитывал условий, в которых она действует на тело. Он не учитывал работу, совершаемую этой силой при перемещении тела. Перемещение тел в пространстве — механическое движение — возникает и изменяется в результате воздействия одних тел или системы тел на другие. Оно характеризуется физической величиной, которая носит название силы.

В физике за единицу силы принята дина. Это такая сила, под действием которой тело с массой в 1 г приобретает ускорение в 1 см/сек2. В технике за единицу силы принята значительно большая величина. Она равна той силе, с которой притягивается к земному шару на широте Парижа и на уровне моря гиря, являющаяся образцом (эталоном) массы в 1 кг.

Итак, тело перемещается под действием силы.

Известно, что — человек не может поднять одной рукой груз в тысячу килограммов. Но вот при помощи рычага он это сделает легко (рис. 28).

Рис. 28. Рычаг и действие сил.

На рисунке мы видим, что, приложив к длинному концу рычага силу в сто килограммов, можно поднять груз весом в одну тонну. Произошёл выигрыш в силе.

Известно, что в случае применения рычага действует «золотое правило механики». Оно гласит: выигрыш в силе сопровождается потерей в длине перемещения. Это мы видим на примере с поднятием груза в 1000 кг силой 100 кг. Груз в 1000 кг оказался поднятым на высоту 5 см, в то время как сила 100 кг переместилась на расстояние, в десять раз большее. Перемещая груз, мы совершаем работу.

Работа измеряется килограммометрами (кгм) и представляет произведение силы на пройденный путь. Предположим, что груз в 1000 кг поднят на высоту 0,05 м. Это значит, что совершена работа 50 кгм.

Сила 100 кг переместилась на расстояние 0,5 м, следовательно, работа, которая совершена при этом, равна 50 кгм (рис. 28). Значит, чтобы поднять тонну груза на 0,05 м, требовалось в нашем примере переместиться силе в 100 кг на 0,5 м.

Познакомившись с некоторыми сведениями из механики, мы сможем понять ошибку Атаназиуса Кирхера, состоящую в том, что он рассматривал действие силы на рычаг, а не работу, совершаемую силой слева и справа от опоры рычага.

В примере, который приводил А. Кирхер (рис. 27), работа справа и слева от опоры равна между собой. Следовательно, система находится в равновесии.

Были случаи, когда по недоразумению вечными двигателями считали приборы, работающие на самом деле от источника энергии. Например, в начале XX века, когда было изучено явление радиоактивности, английский учёный Стретт (Д. У. Рэлей) изобрёл радиевые часы. Другой учёный — цюрихский физик Грейнахер, несколько видоизменив их, утверждал, что это радиевый вечный двигатель.

Этот двигатель состоял из герметически запаянной стеклянной колбы, в которой укреплена трубка, содержащая радиевую соль (рис. 29).

Рис. 29. Радиевый «вечный двигатель» Грейнахера (XX век).

Внизу трубки подвешены два золотых листочка. На внутренней поверхности колбы прикреплена металлическая обкладка, соединённая с землёй.

Двигатель действовал следующим образом. Два золотых листочка постепенно раздвигались. Наконец, соприкоснувшись с металлической обкладкой на стенках колбы, они вдруг опадали. Затем снова раздвигалась… Прикоснувшись к обкладке на стенках колбы, — опадали… И так бесконечно.

Однако это не вечный двигатель, создающий энергию из ничего. Дело в том, что вечный двигатель Грейнахера действует за счёт энергии бета-частиц или бета-лучей, излучаемых радием.

Бета-лучи — это отрицательно, заряженные электроны. Они легко проникают сквозь стекло. Поэтому за счёт уходящих из колбы отрицательно заряженных частиц на трубке с радием постепенно нарушается равновесие зарядов с преобладанием положительного заряда. Два золотых листочка, подвешенных внизу трубки, под действием одноимённого заряда, отталкиваясь, раздвигаются. Коснувшись металлической обкладки, листочки, отдав заряд в землю, опадают. Затем процесс повторяется снова и снова в течение периода «жизни» радия — около 2280 лет.

Следовательно, прибор, предложенный физиком Грейнахером, не вечный двигатель, а преобразователь энергии радиоактивных излучений в механическую. Он не создаёт энергии из ничего.

Любопытен желатиновый вечный двигатель, как его назвал изобретатель, имя которого не сохранилось. В центре приспособления установлена полоска из желатины (рис. 30, положение I).

Рис. 30. Прибор, который изобретатель по недоразумению называл вечным двигателем.

Справа и слева от неё находятся листки промокательной бумаги, опущенные в сосуды, наполненные водой. Прикоснувшаяся к влажной промокательной бумаге правой стороной полоска желатины, набухая больше, чем противоположная её сторона, начинает изгибаться влево (рис. 30, положение II).

Вследствие неравномерного набухания полоска желатины изгибается влево всё сильнее и сильнее. Наконец, наступает момент, когда центр тяжести её переместится настолько, что она падает влево и занимает положение III на рисунке 30. После этого полоска желатины, набухая с левой стороны и высыхая с правой, начинает прогибаться вправо (рис. 30, положение IV) и, наконец, падает (рис. 30, положение V).

Затем процесс снова повторяется в противоположном направлении И так бесконечна — вправо, влево, вправо, влево…

Однако при внимательном рассмотрении мы обнаружим, что это не вечный двигатель, создающий энергию из ничего, а двигатель, преобразующий тепловую энергию в механическую. Ведь испарение влаги на полоске желатины происходит под действием тепла окружающей среды. Кроме того, для беспрерывного, вечного действия двигателя потребуется регулярно подливать воду.

Изобретатель подсчитал, что 5·1012 (пять биллионов) его двигателей заменят обычный автомобильный мотор. Размеры каждого из них при этом должны быть: длина 50 мм и ширина 4 мм.

Считая вес одного такого двигателя только десять граммов, получим общий вес «батареи» желатиновых двигателей, заменяющих автомобильный мотор 5·1012·10 г = 5·1013 г, или 50 миллионов тонн. Вот это двигатель! Ясно, что такой желатиновый двигатель не смог бы перемещать самого себя, не то что автомобиль.

В середине XIX столетия, довольно богатого проектами вечных двигателей, английскому правительству было подано ходатайство — петиция о рассмотрении изобретения вечного двигателя Дюпре. В петиции, между прочим, утверждается, что она подаётся великому правительству «на пятидесятый день совершенного движения» вечного двигателя.

В шестидесятых годах прошлого столетия на одном из домов делового района Лондона красовалась вывеска: «Компания двигательной силы Предаваля». Один из директоров этого акционерного общества, известный профессор, возглавлял руководство обществом по эксплуатации изобретения инженера Предаваля, получившего патент на новейший двигатель. Уже многое было сделано по организации общества. Но, разобравшись в сущности «изобретения», обнаружили, что это древнейшая неосуществимая идея вечного двигателя. Акционерное общество распалось.

Примерно в это же время в американских газетах появились сообщения о работах одного не лишённого предприимчивости американского инженера, «открывшего», наконец, секрет создания вечного двигателя. Этот вечный двигатель строился в виде комплексной теплоэлектрической станции. Энергия пара вращала паровую турбину, соединённую с электрогенератором, вырабатывавшим электроэнергию. А электроэнергия расходовалась на подогрев воды в котле. Пар из котла поступал в паровую турбину, вращающую электрогенератор. Утверждалось, что наконец-то «изобретён» круговой процесс преобразования одного вида энергии в другой без потерь. Более того, при этом ещё производится полезная работа. Потом убедились в том, что и такой вечный двигатель неосуществим.

Изобретатели вечного двигателя неизменно терпели неудачу. И всё же некоторым из них иногда удавалось обманывать публику. Даже публично демонстрировались «действующие» колёсные вечные двигатели. Например, в шестидесятых годах XIX века на выставке в Париже один предприимчивый, не лишённый остроумия француз демонстрировал «действующую» модель колёсного вечного двигателя. Этот вечный двигатель действовал даже при попытках остановить его… Колесо вопреки усилиям зрителей, пытавшихся это сделать, безостановочно вращалось. А секрет раскрывался очень просто. Зрители, стремясь остановить вечный двигатель, поворачивали колесо на несколько оборотов в обратную сторону. Их усилия, оказывается, затрачивались на сжатие пружины, искусно скрытой внутри колеса. Это и служило причиной «беспрерывного движения» вечного двигателя.

Однако по сравнению с историей о «Кассельском колесе» этот обман лишь мелкая, хотя и злая шутка.

Что же это за история?

В 1715 году магистрат города Мерзебурга (Германия) установил ежедневный налог в 6 пфеннигов за демонстрацию машины, изобретённой в 1712 году Эрнстом Элиасом Бесслером. Вечный двигатель Бесслера представлял собой безостановочно вращающееся колесо, хотя к нему не прилагалось никакой силы. Чтобы избежать уплаты налога, Э. Бесслер обратился к любителю науки и техники, ландграфу Гсссен-Касселя князю Карлу с просьбой принять его под своё покровительство. Вскоре в поместье этого князя Э. Бесслер построил вечный двигатель диаметром 12 футов (3658 мм), совершающий работу по подъёму груза весом 70 фунтов (32 кг).

С 12 ноября 1717 года вечный двигатель Э. Бесслера трижды подвергали испытаниям в изолированной комнате замка Вайенштейн в имении князя Карла под неусыпным наблюдением двух гренадёров.

Первое испытание длилось четырнадцать, второе — сорок и третье — шестьдесят дней. За всё время испытаний вечный двигатель работал бесперебойно, что подтверждали специальные эксперты с участием известного немецкого физика Гравезанда и самого ландграфа.

После этого князь Карл засвидетельствовал «княжеским верным словом», что вечный двигатель Э. Бесслера действительно работает. По наименованию местности этот вечный двигатель стали называть «Кассельским колесом».

Ловкач Э. Бесслер заработал много денег на демонстрации своего изобретения. Он стал себя называть специально придуманным именем Орфиреус, присвоив, кроме того, звание доктора. Разбогатевший на обмане, Э. Бесслер написал сочинение, издав его на двух языках: латинском и немецком. Книга имела пышное посвящение богу, публике и себе и не менее громкое заглавие: «Торжествующий перпетуум мобилие Орфиреуса». Почти на двухстах страницах своей книги он отругивается от нападок якобы завистников и других врагов и приводит хвалебные отзывы о своём двигателе. В книге он поместил совершенно непонятный чертёж своего вечного двигателя (рис. 31).

Рис. 31. Вечный двигатель Орфиреуса: чертёж выполнен таким образом, что понять устройство этого «изобретения» невозможно (XVIII век).

Шумиха, поднятая вокруг дела с «(Кассельским колесом», привлекла внимание Петра I. Интересуясь всякими новинками техники, он поручил известному дипломату А. И. Остерману подробно осмотреть и, если возможно, приобрести удивительную машину. Одновременно Пётр I запросил об этом мнение знаменитых физиков того времени Лейбница и Вольфа.

Слишком высокая цена, назначенная изобретателем, 100 000 рублей, и отрицательный отзыв учёных явились причиной отказа Петра I от приобретения вечного двигателя Орфиреуса.

…Монотонный, нудный труд и низкая оплата — всего два гроша за час — явились причиной «выхода из строя» вечного двигателя Э. Бесслера.

Служанка и брат Бесслера по-очереди крутили колесо из соседней комнаты посредством ручки, искусно выведенной сквозь стену. Брат Орфиреуса сбежал, а служанка Анна Розина отказалась одна вертеть вечный двигатель. Э. Бесслер и его жена не могли справиться с этой работой, и двигатель остановился. К тому же служанка, не сдержав клятвы, данной Орфиреусу, разболтала секрет работы вечного двигателя. Так был раскрыт обман Э. Бесслера. Постепенно этот двигатель, наделавший, пожалуй, больше всего шуму и создавший не менее шумную славу автору, был предан забвению. По некоторым литературным источникам известно, что Орфиреус после этого разломал свой двигатель на «атомы», якобы обидевшись на князя Карла за то, что он не выдал обещанной ему награды около 200 000 рублей, и за то, что, не сдержав секрета, показал вечный двигатель учёным. Несмотря на то, что в газетах публиковались материалы, разоблачающие шарлатанство и обман, Э. Бесслер до самой смерти упорно утверждал, что всё это клевета и происки его врагов.

6. Самобеглый шарик

Иногда на эстраде либо в цирке демонстрируется фокус: катящийся шарик. Артист, выйдя на эстраду, укладывает на табурет два металлических кольца различного диаметра, одно внутри другого. Разумеется, перед этим фокусник показывает их публике, взмахнув широким жестом: смотрите, мол, никакого обмана нет. После этого артист кладёт на кольца металлический шар (рис. 32).

Рис. 32. Самобеглый шарик.

И вот шар начинает перекатываться, хотя его никто и не толкнул. Фокусник, «изумившись» движению шара, демонстрирует другие фокусы. А шар катается непрерывно до окончания всей программы выступления. Под аплодисменты публики фокусник, забирая шар и кольца, уходит с эстрады.

В этом фокусе нет никакого обмана. Всё объясняется физическими свойствами металлических колец и разницей температур колец и шара.

Кольца изготовляются из свинца, а шар из стали или бронзы. Перед демонстрацией шар возможно сильнее нагревают, но не выше температуры плавления свинца. Горячий шар, уложенный на свинцовые рельсы, нагревает их. Но свинец, как известно; обладает очень плохой теплопроводностью: она почти в 11 раз меньше, чем у меди. Поэтому в первый момент у рельсов расширяется лишь то место, к которому прикасается шар. От этого на рельсах возникают бугорки. Но шар удержаться на них не может и скатывается. Нагревается новое место.

На рельсах вырастают другие бугорки рядом с первыми, шар скатывается с них… и так происходит до остывания шара. Для наблюдателя же, не знающего всего этого явления, движение шара кажется чрезмерно удивительным.

Но будет ли шар кататься беспрерывно? Нет. Он остановится, как только температура шара и свинцовых рельсов-колец станет одинаковой.

А вот ещё один опыт. Возьмём стеклянный полый цилиндрический диск с припаянными к нему шестью стеклянными трубками, оканчивающимися изогнутыми колбами (рис. 33).

Рис. 33. Вращающееся колесо в горячей воде.

Наполним колбочки трёх стеклянных трубок какой-нибудь легкоиспаряющейся жидкостью, например серным эфиром, и запаяем их. Поместим это «колесо» в сосуд с горячей водой так, чтобы оно своей осью опиралось на стенки сосуда. Под действием веса серного эфира, находящегося в колбочках, «колесо» повернётся, и колбочки с ним погрузятся в горячую воду.

Серный эфир в колбочках, нагреваемых горячей водой, быстро превратится в пар, который заполнит все трубки. Но те трубки, которые находятся в воздухе, охлаждаются, и пары серного эфира в них конденсируются. В результате серный эфир скопляется в верхних колбочках. Вследствие этого равновесие между колбами, находящимися в холодном воздухе и горячей воде, нарушается, «колесо» поворачивается и колбы, заполненные серным эфиром, погружаются в горячую воду, а трубки с колбами, заполненные парами серного эфира, оказываются в холодном воздухе. В этих колбах конденсируются пары серного эфира, накопляясь в них…и т. д. Процесс вращения колеса продолжается до тех пор, пока температура воды и воздуха различна. Как только температура станет одинаковой — вращение прекратится. Как бы мы ни нагревали воду, но если такая же температура воздуха, действие этого оригинального двигателя невозможно.