Загадка «вечного движения»

Какую конструкцию выбрать для «вечного двигателя»? Как привести его в действие? Вот над чем ломали голову многие изобретатели в средние века.
Проекты «вечного двигателя» появлялись еще с XIII века. Французский ученый того времени Пьер де Марикур в своем сочинении о магнитах предлагал для «вечного двигателя» применить магнитное притяжение. Сильный магнит должен притягивать движущиеся детали, а какой-то передаточный механизм снова возвращать их в исходное положение.
Однако большинство изобретателей предпочитало пользоваться для этой цели силой тяжести. Привыкнув, что обычно двигателем служило водяное колесо, они также выбирали эту конструкцию.
Вот как был устроен один из «вечных двигателей», сооруженный в XVI веке.
Наливное колесо вращалось струей воды, вытекавшей из поставленного над ним небольшого резервуара. На валу колеса был насажен шлифовальный круг.
Пока из резервуара падала на лопатки колеса струя воды, колесо вращалось. Если бы вода поступала в резервуар самотеком из какого-нибудь ручья, этот двигатель работал бы, как любое другое водяное колесо.
Но изобретатель хотел обойтись без внешней силы течения воды. Его двигатель должен был сам поднимать в резервуар воду, падение которой приводило бы его в движение.
С этой целью системой передач от вала колеса приводился в движение водоподъемный винт, который должен был пополнять запас воды в резервуаре. Конечно, чтобы пустить в ход этот двигатель, понадобилось сперва наполнить резервуар водой. Когда на колесо потекла струя воды, оно стало вращаться. Можно было даже обтачивать что-либо на шлифовальном круге.
Но недолго длилась работа двигателя. Количество воды в резервуаре быстро уменьшалось. Колесо постепенно замедляло вращение и наконец остановилось.
Почему же? Быть может, слишком велико трение и двигатель не может преодолевать его? Чтобы устранить это препятствие, были тщательно обработаны все трущиеся части. Но ничто не помогало.
В чем же причина неудачи? Почему колесо не смогло восполнять расход воды в резервуаре? Это оставалось загадкой для изобретателей «вечного двигателя». Не понимая, что их затея противоречит законам природы, они придумывали всё новые машины.
Не попробовать ли приводить колесо в движение весом перекатывающихся тяжелых шаров?
Подобную мысль предложил маркиз Уорчестер, занимавшийся, как и многие богатые англичане XVIII века, наряду с развлечениями также и научными опытами.
Тотчас же нашлись изобретатели, подхватившие его идею. Они стали пробовать различные конструкций такой машины. Одна из них имела вид плоского барабана, могущего вращаться на горизонтальной оси. Внутри него имелись соответствующим образом изогнутые радиальные перегородки, по которым перекатывались шары.
При вращении колеса, по мысли изобретателя, шары должны были под действием силы тяжести перекатываться так, что на одной стороне они были бы всегда дальше от оси, чем на другой. Более удаленные шары должны были своим весом поворачивать колесо и при этом скатываться к его центру. Одновременно шары, находившиеся вблизи оси колеса, должны были откатываться к его ободу и поддерживать вращение двигателя.
Однако какой бы вид ни придавал изобретатель изогнутым перегородкам, колесо само по себе не вращалось, а приведенное во вращение, очень скоро останавливалось.
Новая неудача не остановила дальнейших попыток. Ничто не могло убедить изобретателей в принципиальной невозможности «вечного движения». Их опыт неизменно доказывал, что «вечный двигатель» отказывается не только приводить в действие какие-либо рабочие машины, но и поддерживать собственное движение. Но, одержимые слепой верой в возможность осуществления их несбыточной мечты, изобретатели «вечного двигателя» всегда приписывали неудачу каким-нибудь конструктивным недостаткам.

Одна из машин «вечного движения». По идее изобретателя, полые шары, всплывая в жидкости, должны вращать всю цепь шаров. Идея эта неосуществима: шары, входящие в резервуар снизу, встречают сильное противодействие со стороны жидкости, равное работе, получаемой при всплывании шаров на поверхность.

В книге англичанина Генри Дёркса, изданной в 1861 году, собрано и описано множество проектов «вечного движения». В ней есть рассказ и о некоем авантюристе Орфериусе, который в 1712 году объявил об изобретении им «вечного двигателя».^
Толпы любопытных осаждали дом Орфериуса, где им показывали вращающееся колесо.
Что же приводило его в движение? На этот вопрос никто не давал ответа. Изобретатель хранил в секрете внутреннее устройство своей машины.
Так в течение нескольких лет Орфериусу удавалось обманывать посетителей. В 1717 году сам ландграф Гессен-Кассельский поручил изобретателю построить для него такой двигатель. Построенное Орфериусом колесо не только вращалось, но и поднимало груз в 70 фунтов на некоторую высоту.
Сообщение об «изобретении» Орфериуса, напечатанное в немецких газетах, стало известно русскому царю Петру I, который очень заинтересовался им. Петр приглашал в Россию немецкого ученого Вольфа «усовершенствовать изобретение Орфериуса».
Ландграф пригласил осмотреть этот «двигатель» известного лейденского профессора, физика Гравезанда. Осмотрев колесо, Гравезанд не усомнился в том, что он видел действительно «вечный двигатель». Об этом он написал в сохранившемся до нашего времени письме Ньютону.
Однако это изобретение было только наглым обманом. Не получив обещанного вознаграждения от Ландграфа, Орфериус разрушил свой двигатель, чтобы никто не узнал, что его колесо вращал при помощи ловко скрытого привода спрятанный в соседнем помещении человек.
Задолго до того времени, когда Орфериусу удалось обмануть даже ученого Гравезанда, прозорливые мыслители уже понимали или догадывались о невозможности осуществления «вечного двигателя». Они указывали, как на пример, на часы, приводимые в движение весом гири.



Разве можно устроить самозаводящиеся часы? Для этого нужно, чтобы опускающаяся гиря одновременно поднимала такого же веса другую гирю. Но какую бы цепь передач ни устроить, обе гири уравновесятся, как равные грузы на весах.
Эта мысль была уже ясна ученым средневековья. Возможность «вечного двигателя» отрицали Леонардо да Винчи и другие исследователи природы. Один из них, живший в XVI веке итальянский инженер Джузеппе Череди, прямо указывал, что осуществление этой идеи невозможно, так как сколько машина выигрывает в силе, столько же она теряет в скорости.
Чего хотели изобретатели «вечного двигателя»? Во-первых, чтобы их машина сама себя приводила в движение. Во-вторых, чтобы она при этом производила полезную работу. Рассмотрим подробнее этот вопрос.
Каждая машина состоит из деталей, которые при работе должны периодически возвращаться в исходное положение. Таково движение всех частей паровой машины и других двигателей и рабочих механизмов.
Значит, «вечный двигатель» должен преодолевать взаимное трение движущихся деталей. Кроме того, ему нужно еще преодолевать сопротивление, связанное с ожидаемой от него полезной работой.
Если машина приводится в действие ветром, течением ручья или падением воды на лопатки водяного колеса, то внешняя сила преодолевает как трение деталей самого двигателя, так и сопротивление, встречаемое при полезной работе.
Но «вечный двигатель» не получает энергии извне. Он должен приводиться в движение весом своей детали, падением воды, которую он сам же поднимает на необходимую высоту, и тому подобными способами.
Возможно ли осуществить эту идею?
Многократный опыт показал невозможность не только извлечения полезной работы, но даже поддержания собственного движения машины, не получающей энергии извне. Осуществлению идеи вечного движения препятствует то, что никакая машина не дает выигрыша в работе.
Почему, например, не действовало описанное выше водяное колесо, накачивавшее воду в резервуар над ним?
Чтобы поднять один литр воды на высоту резервуара, нужно было произвести такую же работу, какую отдает этот литр воды, падая на лопатки колеса. Эта работа была бы достаточна для поднятия одного литра воды на ту же высоту, если бы не было никакого трения между деталями машины и никаких других сопротивлений. Но так как трение неизбежно, то невозможно не только получить от этого «двигателя» полезную работу, но даже поддержать его холостой ход.
Положим, что построена машина, которая должна приводиться в движение весом одной из своих деталей. Может ли она производить какую-либо полезную работу? Посмотрим, что произойдет, если бы под действием этой детали машина пришла в движение.
Сила тяжести, действующая на опускающуюся деталь, совершала бы работу, которую будем считать положительной величиной. При возвращении же этой детали в исходное положение сила тяжести произвела бы равную ей по величине отрицательную работу. Значит, работа силы тяжести, произведенная во время одного цикла, равна нулю.
Какие бы мы ни придумали передачи, по какому бы пути ни двигалась деталь под действием силы тяжести, работа этой силы, совершенная при возвращении детали в исходное положение, станет равна нулю.
Механики называют такие силы консервативными. К числу консервативных сил принадлежат и упругость пружин, и магнитное притяжение, и другие силы, которыми пользовались изобретатели «вечного двигателя».
Значит, не может быть и речи о полезной работе двигателей, не получающих энергии извне. Кроме того, такая машина не может сама по себе даже начать двигаться. Ее нужно завертеть внешней силой. Приведенная же таким образом в действие, она расходует полученную энергию на преодоление трения своих деталей и на другие сопротивления. Запас энергии скоро был бы исчерпан, и «вечный двигатель» остановился бы.
Но нет ли в природе неконсервативных сил?
Такие силы есть, например — трение и сопротивление среды: производимая ими работа зависит от пути и скорости. На замкнутом пути она не равна нулю.
Но могут ли эти силы привести в движение машину? Конечно, нет.
Современные техники знают, что энергия, то есть способность производить работу, не может быть ни создана, ни уничтожена. Она только переходит из одного вида в другой.
Это основной закон природы.
При сгорании угля в топке котла освобождающаяся энергия превращается в теплоту, которая нагревает и испаряет воду. Пар давит на поршень цилиндра и приводит в движение машину. Энергия движения машины — только часть энергии, освободившейся при сгорании угля, остальная же часть ее расходуется на преодоление трения и нагревание деталей самой машины.
Энергия, выделяющаяся при сгорании угля, была в свое время поглощена из солнечного излучения. Как известно, ископаемый уголь образовался в результате разложения без доступа воздуха древесины древних растений, причем часть заключавшегося в ней углерода выделилась в твердом виде.
Откуда же само Солнце черпает излучаемую им энергию?
Эта энергия возникает внутри Солнца в результате так называемых ядерных реакций (водород под влиянием температуры, доходящей внутри Солнца до 20 миллионов градусов, при огромном давлении превращается в гелий).
Гидравлические двигатели используют энергию падения воды, вращающей турбины. Эта энергия на гидроэлектрических станциях превращается в электрический ток. Каково же ее происхождение?
Источником и этой энергии опять является Солнце. Его излучение превращает в пар воду океанов и морей.
Пары поднимаются и, охладившись в верхних слоях атмосферы, выпадают дождем. Вода дождей течет по уклонам земной поверхности реками. Падая, она вращает турбины гидроэлектрических установок. Энергия падения воды — часть энергии солнечного излучения, затраченной на испарение воды.
Так в природе идет постоянный процесс превращения энергии из одного вида в другой. Сжигая уголь в топках паровых котлов, пользуясь падением воды для приведения в действие турбин, человек также участвует в этом процессе.


Загадки техники