Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Возвращение к проблеме вечного движения в космическом веке 14
|
|
8. Заключение 16
9. Список использованной литературы 17
Введение.
Что же такое Perpetuum Mobile?
На этот вопрос можно дать несколько ответов. Даже идею вечного двигателя многие считают беспочвенной фантазией и бессмыслицей, которая многих сбила с праведного пути. Физик скажет, что перпетуум мобиле представляет собой двигатель, который, будучи однажды приведен в движение, сам по тебе удерживается в этом состоянии сколь угодно долго и при этом в случае необходимости способен еще совершать полезную работу. Ученые разных времен подвергали приведенное определение обстоятельному анализу, однако в окончательных выводах они были единодушны далеко не всегда. Так, одной из наиболее примечательных проблем в полемике являлась, к примеру, задача сохранения вечного движения, т.е. поддержания его в условиях ограниченной прочности, старения материалов и увеличивающегося износа деталей двигателя. Другая спорная проблема заключалась, так сказать, во «внутренней ценности» такой машины, когда решался вопрос, можно ли считать вечным двигателем только ту машину, которая, будучи собранной полностью, немедленно начнет работать сама по тебе, или все же допустимо сообщить подобному устройству некий начальный двигательный импульс. Спор велся и о том, относится ли к основным признакам перпетуум мобиле условие, чтобы он, будучи приведен в движение, одновременно совершал некоторую полезную работу.
Вечный двигатель, перп е туум-м о биле — воображаемая машина, которая, будучи раз пущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергии извне. Возможность работы такой машины неограниченное время означала бы получение энергии из ничего.
В старой научной литературе, например в «Физическом слове» Гелера, изданном в Лейпциге в 1833 г., можно встретиться с двумя основными категориями самодвижущихся машин — физический вечный двигатель (perpetuum mobile physicae) и естественный вечный двигатель (perpetuum mobile naturae). К первой группе так называемых физических вечных двигателей 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. 2
Проекты естественных вечных двигателей, относившихся ко второй группе, связывались преимущественно с циклически повторяющимися природными явлениями или же основывались на принципах небесной механики. 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. Согласно обоим этим определениям, исходный принцип создания вечного двигателя кажется внешне необычайно простым.
Почему люди так упорно хотели построить вечный двигатель?
В этом нет ничего удивительного. В XII-XIII веке начались крестовые походы, и европейское общество пришло в движение. Стало быстрее развиваться ремесло и совершенствоваться машины, приводящие в движение механизмы. В основном это были водяные колеса и колеса, приводимые в движение животными (лошадьми, мулами, быками, ходившими по кругу). Вот и возникла идея придумать эффективную машину, приводимую в движение более дешевой энергией. Если энергия берется из ничего, то она ничего не стоит и это крайний частный случай дешевизны — даром.
Под возможностью создания современного " вечного" двигателя. подразумевается, во-первых, создание эффективных преобразователей известных перспективных потенциальных источников энергии, и, во-вторых, возможности использования новых видов энергии, в частности, свободной энергии вакуума.
Т.е. возможность создания устройств, кажущийся КПД которых (грамотно измеренный современными методами) больше 1, что обусловлено неизвестными в настоящее время новыми эффектами (каковыми были, например, электричество в средние века и атомная энергия в 19 веке). Конечно, истинные вечные двигатели (perpetuum mobile) не существуют и не могут существовать. Поэтому можно рассматривать только такие устройства, которые не противоречат глобальным законам физики. Хотя именно изобретатели вечного двигателя все же были двигателем прогресса на протяжении веков.
Первые упоминания о вечных двигателях.
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 перпетуум мобиле 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 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 перпетуум мобиле, как видно из рисунка 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, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе».
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. Заслуживает внимания также и то обстоятельство, что в качестве основного конструктивного элемента использовалось именно колесо. Древнеиндийские философы учили, что регулярно повторяющиеся события, составляющие воображаемый круговой цикл, играют очень важную роль в жизни человека, являясь для него символом вечности и совершенства. Еще в ведической религии — религии древних индусов, колесо символизировало божественное начало. Размеренное движение солнечного диска, а также Луны с ее характерной круглой формой в период полнолуния служили источником вдохновения не только из-за своего внешнего вида, но и благодаря удивительной регулярности их циклически повторяющегося движения. Так колесо 4 сделалось символом движения, а наука уже в самом начале своего развития стала заимствовать для своих целей некоторые религиозные атрибуты, воплощая их на практике в виде конструктивных элементов различных машин.
В арабских странах мы начинаем встречаться с проектами вечных двигателей, аналогичных по устройству механическому перпетуум мобиле индуса Бхаскары, уже примерно с 1200г. На рисунке 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
Рисунок 1. Рисунок 2
Первое упоминание о вечном двигателе относится лишь к 1150 г. Но означает ли это, что античная наука, и в частности механика, не интересовалась проблемой вечного движения? Ответить на этот вопрос нам поможет беглый взгляд на античное общество, на законы, по которым оно развивалось, а также на практику использования им орудий труда и инженерных знаний при постройке разного рода машин.
Вечное движение являлось одной из тех традиционных проблем, которым в связи с исследованием физических явлений в окружающей жизни греческая философия уделяла много внимания. Приведем лишь один пример. Пифагорейцы, как и древние греки, вообще, были буквально очарованы кругом. Они считали, что по круговым траекториям движутся не только небесные тела, но и человеческие души. Но в отличие от нежных тел, которые движутся по идеальным окружностям, а потому движение их вечно, человек не способен «проследить начало и конец своей дороги» и тем самым осужден судьбой на смерть.
При исследований условий, определяющих круговое движение тел, греки пришли к выводам, даже теоретически исключающим всякую возможность существования на Земле искусственно созданного вечного движения, а следовательно, и вечного двигателя. С их точки зрения, движение тел на Земле ускоряется по направлению к ее центру. Правда, эти тела, если их застаешь, могут перемещаться и по круговым траекториям, однако это движение не будет «совершенным». О телах, движение которых было бы действительно круговым, Аристотель говорит, что они не могут быть ни тяжелыми, ни легкими, так как эти тела «не способны приближаться к центру или удаляться от него естественным или вынужденным образом». Такому условию, однако, удовлетворяют только небесные тела. Это заключение привело далее Аристотеля к выводу, что движение космоса есть мера всех других движений, поскольку только оно одно является постоянным, неизменным и вечным.
Первым европейцем, автором идеи «самодвижущейся машины», т.е. вечного двигателя, согласно имеющимся в настоящее время данным, считается средневековый французский архитектор Вийяр д'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, 6 содержащего чертежи тридцати трех устройств. На одном из рисунков этого альбома рисунок 8 воспроизведена и предложенная им схема перпетуум мобиле. 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. Как строитель церковных сооружений и соборов Вийяр, несомненно, мог видеть на их башнях барабаны с прикрепленными к ним молоточками - эта конструкция постепенно заменяла в Европе колокола. Вероятно, именно принцип действия этих молоточков и колебания барабанов при откидывании грузов натолкнули Вийяра на мысль использовать аналогичные железные молоточки, установив их по окружности колеса своего вечного двигателя.
Рисунок 8
Растущий интерес к проблеме вечного движения и стремление дать ее решение в виде описания некоторого конкретного устройства характерны для эпохи Возрождения, которое вновь обратилось к философским и научным течениям античности. Среди тех, кто часть своих многосторонних интересов уделял проблеме вечного движения, были три знаменитых инженера эпохи Возрождения: Мариано ди Жакопо, Франческо ди Мартини и Леонардо да Винчи. Так, например, на рисунке 10 воспроизведен эскиз перпетуум мобиле, изображенный на страницах одной из рукописей Мариано, относящейся к 1438 г.; вполне очевидна общность принципа действия этого устройства с вечным двигателем Вийяра, отличающимся лишь конструкцией откидных рычагов на окружности колеса.
Рисунок 10
| Вечный двигатель первого рода |
Вечный двигатель первого рода — устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Невозможность осуществления вечного двигателя первого рода постулируется в термодинамике как первое начало термодинамики.
Идея вечного двигателя возникла в Европе, по-видимому, в XIII веке (хотя существуют свидетельства, что первый проект вечного двигателя предложил индиец Бхаскара в XII веке). До этого проекты вечных двигателей неизвестны. Их не было у греков и римлян, которые разработали множество эффективных механизмов и заложили основы научных подходов к изучению природы. Ученые предполагают, что дешевая и практически неограниченная рабочая сила в виде рабов тормозила в античности разработку дешевых источников энергии.
Уже в XV-XVII веке прозорливые естествоиспытатели, такие как Леонардо да Винчи, Джироламо Кардано, Симон Стевин, Галилео Галилей сформулировали принцип: «Создать вечный двигатель невозможно». Симон Стевин был первым, кто на основе этого принципа вывел закон равновесия сил на наклонной плоскости, что привело его, в конце концов, к открытию закона сложения сил по правилу треугольника (сложение векторов).
С 1775 года Французская академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя, хотя и в это время у французских академиков не было твердых научных оснований принципиально отрицать возможность черпать энергию из ничего.
Невозможность получения дополнительной работы из ничего была твердо обоснована лишь с созданием и утверждением как всеобщего и одного из самых фундаментальных законов природы «закона сохранения энергии».
Врач Майер и физиолог Гельмгольц сделали последний важный шаг. Они установили, что закон сохранения энергии справедлив для животных и растений. До этого существовало понятие «живая сила» и считалось, что для животных и растений законы физики могут не выполняться. Таким образом, закон сохранения энергии был первым принципом, установленным для всей познанной Вселенной.
Последним штрихом в обобщении закона сохранения энергии стала специальная теория относительности Альберта Эйнштейна (1905 г.). Он показал, что закон сохранения массы (был такой закон) — часть закона сохранения энергии. Энергия и масса эквивалентны по формуле Е = mс2, где с — скорость света.
Вечный двигатель второго рода
Вечный двигатель второго рода — машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность осуществления вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.
В XVIII веке широкое распространение получили паровые машины и механизмы. Часть физики, которая пыталась объяснить их работу и построить общие закономерности создания тепловых машин, стала называться термодинамикой. Закон сохранения энергии стали также именовать первым началом термодинамики. Вечные двигатели, принципы работы которых противоречили первому началу термодинамики, стали называть вечными двигателями первого рода.
Но существовала и другая общая идея вечного двигателя, которая не противоречила закону сохранения энергии. Было известно, что работа в двигателях совершается, когда горячее тело отдает тепло газу или пару и пар совершает работу, например, двигая поршень. Огромная тепловая энергия сосредоточена, допустим, в океане. Если отбирать у океана энергию за счет понижения его температуры, то этой энергии хватит на то, чтобы, например, поддерживать работу корабельного двигателя или создавать в море электростанции.
Однако оказалось, что никак не удается сделать так, чтобы энергия от более холодного тела перешла к более горячему. А ведь для создания вечного двигателя необходимо, чтобы при этом еще и совершалась работа.
В результате развития термодинамики, основываясь на работах Сади Карно, Рудольф Клаузиус показал, что, невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. При этом невозможен не только непосредственный переход — его невозможно осуществить и с помощью машин или приборов без того, чтобы в природе не произошло еще каких-либо изменений. 10
Уильям Томсон (лорд Кельвин) сформулировал принцип невозможности вечного двигателя второго рода (1851 г.), поскольку в природе невозможны процессы, единственным следствием которых была бы механическая работа, произведённая за счет охлаждения теплового резервуара.
Когда была создана статистическая термодинамика, которая основывалась на молекулярных представлениях, второе начало термодинамики нашло свое объяснение. Оказалось, что переход тепла от холодного тела к более горячему в принципе возможен, но это уничтожающе маловероятное событие. А в природе реализуются наиболее вероятные события.
|
Леонардо да Винчи — талантливый инженер и мистификатор
Леонардо да Винчи был не только великим художником, но и инженером, устроителем праздников, увеселительных аттракционов. Он тоже несколько лет упорно пытался создать вечный двигатель и пришел к выводу, что это невозможно. Вот его слова, очень важные для понимания проблемы вечного двигателя, сказанные в конце XV века: «Поиск конструкции вечного колеса — источника вечного движения — можно назвать одним из наиболее бессмысленных заблуждений человека. В течение веков все, кто имел дело с гидравликой, военными машинами и прочим, тратили много времени и денег на поиски вечного двигателя. Но со всеми ними случалось то же, что с искателями золота (алхимиками): всегда находилась какая-нибудь мелочь, которая мешала успеху. Моя небольшая работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив обещания».
Несмотря на такое ясное понимание невозможности создать вечный двигатель, в записных книжках Леонардо есть строки, которые говорят, что он был готов представить публике якобы «работающую модель» вечного двигателя. В комментарии к рисунку мнимого вечного двигателя Леонардо написал: «Сделай модель под большим секретом и широко объяви о ее демонстрации». Этот вечный двигатель был основан на законе Архимеда и, зная, что двигатель работать не будет, Леонардо намеревался организовать незаметный поток «живой воды» (то есть приводить в движение двигатель незаметно организованным внешним потоком воды). Историки строят догадки, почему Леонардо да Винчи прибегал к мистификации, но факт остается фактом. Даже крупными естествоиспытателями часто движут не научные мотивы. Что же говорить об обычных инженерах, которые, беззаветно веря своей догадке, втягиваются в опасную игру с сильными мира сего, пытаясь получить от них средства на разработку своих, в данном случае нереальных, устройств. Часто они должны «спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив обещания». Вот история с Петром Первым, который чуть не купил за огромные деньги якобы вечный двигатель.