VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Вечный двигатель (лат. Perpetuum Mobile) – воображаемое устройство, –позволяющее получать полезную работу большую, чем количество сообщённой ему энергии.

Энергия (др.–греч. ἐνέργεια – действие, деятельность, сила, мощь) – скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит название закона сохранения энергии.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия – энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Единица измерения в СИ – Джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия – часть полной энергии, обусловленная движением.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия – скалярная физическая величина, характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, который идет на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счет работы сил поля. Другое определение: потенциальная энергия – это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы.

Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином. Единицей измерения энергии в СИ является Джоуль. Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора данной конфигурации называется нормировкой потенциальной энергии.

Электромагнитная энергия.

Электромагнитная энергия – энергия, заключенная в электромагнитном поле. Сюда же относятся частные случаи чистого электрического и чистого магнитного поля.

Гравитационная энергия

Гравитационная энергия – потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением. Гравитационно-связанная система – система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя). Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационная энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии постоянна, для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.

Ядерная энергия

Ядерная энергия (атомная энергия) – это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.

Энергия связи – энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента.

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) – это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между её значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких–либо внешних источников энергии, так как изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе, то есть оно зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.

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.

Второе начало термодинамики – коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой) .

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии: «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться».

Вечный двигатель второго рода – машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел.

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:

Постулат Кельвина – невозможно создать периодически действующую машину, совершающую механическую работу только за счёт охлаждения теплового резервуара.

Постулат Клаузиуса – самопроизвольный переход теплоты от более холодных тел к более горячим невозможен.

История поисков вечного двигателя

Археологические изыскания выявили, что в Древней Греции идея бесконечного движения не вызывала особого интереса. Знания греческих инженеров и ученых о механике были довольно обширны, об этом свидетельствуют некоторые находки (например, механизм Герона). Естественных источников силы, как, например, водяных колес и труда рабов, было достаточно для нужд Греции. Конструкторская изобретательность была, в основном, направлена на создание механических игрушек и храмовых автоматов, создающих иллюзию самостоятельного движения. Было найдено всего несколько текстов 2000–летней давности с упоминанием вечного двигателя.

На Востоке же идея вечного двигателя была распространена широко. Первое упоминание о вечном двигателе, сконструированным индийским математиком и астрономом Брахмагупта (Brahmagupta) относится к 624 году н.э. В своем труде «Brahmasphutasiddhanta» он описал вечный двигатель так: «Сконструировать из светлых пород дерева колесо с полыми равномерно распределенными спицами, заполнить спицы до половины ртутью и запечатать, поместить колесо на горизонтальную ось. В части спиц ртуть будет подниматься вверх, а в остальных спускаться, обеспечивая непрерывное движение».

Лалла (Lаlla), другой индийский астроном, в 748 году написал трактат «Sisyadhivrddhida Tantra», описывающий схожий механизм, отличающийся только формой полых спиц.

Около 1150 года очередной индийский математик и астроном Баскара (Bhaskara) в труде «Siddhanta Siromani» описал механизм с полыми трубками, расположенными по окружности колеса. Он писал: «Эта машина вращается с большой силой. Потому что ртуть с одной стороны ближе к оси, чем с другой». Очевидно, он думал, что такая конструкция постоянно выводит систему из равновесия, поддерживая вечное движение. Считается, что он так и не испытал свое устройство (как, впрочем, и многие другие изобретатели вечных двигателей).

Начиная с 12 века основные принципы конструкции вечного двигателя модифицировались и объединялись, чтобы в конечном итоге стать частью истории технологий. Даже сегодня некоторые изобретатели обращаются к этим «несбалансированным колесам». Описанные конструкции несли в себе не только технический, но и религиозный, и философский смысл, как бы олицетворяя бесконечную смену времен года и реинкарнацию, поэтому многие храмы использовали эти символы. А сами вечные двигатели такой конструкции получили название индийских (в другой трактовке персидских или арабских).

В Средние века около 1235 года архитектор Виллар де Оннекур (Villard de Honnecourt) заинтересовался идеей вечного двигателя и был озадачен неудачами своих современников. Чтобы показать их невежество, он нарисовал простую, но весьма оригинальную машину. Ее непрерывное движение обеспечивалось за счет нечетного количества подвижных увесистых молотков, прикрепленных к ободу колеса.

Рассуждения Виллара 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. Поучительно, что и сегодня некоторые попадаются в эту ловушку.

В эпоху Возрождения интерес к вечному двигателю был поистине огромен. Например, большое количество чертежей с описанием конструкции вечного двигателя было сделано архитектором Франческо ди Джорджио (Francisco di Georgio). Один из довольно неплохих вариантов мы видим на рисунке. Это гидроприводная мельница с дополнительной помпой.

Машина использует непрерывную циркуляцию воды (рециркуляционная мельница). Поскольку извне вода не поступает, то такие механизмы иногда называют aqua morta, то есть «мертвая вода». Падающая вода запускает большое вертикальное колесо, которое посредством зубчатой передачи приводит в движение мельницу. Чтобы поднять воду вверх используются коленчатый вал и два рычага, скрепленных с осью колеса, приводящих в движение две помпы с цилиндрическими поршнями.

Джорджио описал несколько таких конструкций, часть из которых непрактичны, хотя и при воздействии извне могут работать.

В 1618 году английский физик и мистик Роберт Фладд (Robert Fludd) описал рециркуляционную мельницу, которая поднимает воду с помощью цепного насоса. Правда позже, видно поняв свою ошибку, он отказался от своего вечного двигателя, приписав его итальянским изобретателям.

Машины Джорджио, несомненно, были известны Леонардо да Винчи, интересовавшимся всеми механизмами, в том числе и движущимися бесконечно. До наших дней дошли часть его чертежей с изображением рециркуляционных мельниц с архимедовыми винтами. Он также описал сложные механизмы с заполненными ртутью полостями. В Немецком музее (Deutsches Museum) в Мюнхене имеется реконструкция его машины. Не смотря на то, что во времена да Винчи закон сохранения еще не был известен, гениальный изобретатель очень близко подошел к его идее. Он писал: «Падающая вода может поднять такое же количество воды… но мы должны учесть и потери силы на трение». Известны и наброски чисто механических вечных двигателей да Винчи, приводимых в движение катящимися шариками.

Несмотря на больной интерес да Винчи к самой идее вечного двигателя, он весьма скептически относился к мысли о практическом применении существующих конструкций. В одной из тетрадей великого изобретателя мы видим подтверждения невозможности вечного движения несбалансированного колеса.

Чертеж показывает, что ученый прекрасно понимал раскладку сил и вращающих моментов. Он считал, что попытка реализации вечного двигателя сродни поиску философского камня.

Простейший гидравлический вечный двигатель представляет собой полое кольцо, частично заполненное двумя жидкостями с разными плотностями. Предполагалось, что разность уровня столбов жидкостей создаст силу, которая заставит колесо вращаться. К сожалению, несмотря на разность плотностей, две жидкости будут находиться в статическом равновесии.

Следующее устройство еще проще. Деревянное колесо частично погружается в сосуд с водой. Теоретически Архимедова сила выталкивания заставит колесо вращаться. Увы, изобретатель этого устройства не понимал, что вода давит на всю поверхность колеса в направлении, перпендикулярном поверхности, то есть к оси колеса, а не вверх. То есть данная система находится в устойчивом равновесии.

Французский физик Дени Папен (Denis Papin) (1647–1712) был первым, кто придумал первую разумную конструкцию парового двигателя и изобрел скороварку. Он же предложил очень простой вечный двигатель, не имеющий подвижный частей, а значит, и трения. Вечный двигатель должен был работать за счет давления в большом сосуде, поднимающего жидкость в тонкой трубке вверх.

Подобную мысль высказывал и Роберт Бойль (Robert Boyle) (1627–1691), который предполагал, что в очень тонкой трубке жидкость может подниматься благодаря капиллярному эффекту. И хотя, обе идеи часто изображают одинаковыми рисунками, принцип их действия совершенно различен. Тем не менее, ни одна, ни другая конструкция не работают.

И годы спустя изобретатели все так же пытались использовать силу выталкивания для создания вечного двигателя. На рисунке внизу мы видим один из них. Изобретатель знал, что жидкость в столбах трубки будут находиться в состоянии равновесия. Но он ошибочно полагал, что может использовать неравные массы для поддержания бесконечного движения механизма вне трубки.

Трубка содержит две жидкости разной плотности (например, воду и ртуть), находящиеся в статическом равновесии. Шарики в правой части достаточно легкие, чтобы всплывать в обеих жидкостях. Шарик всплывает в левой части трубки, попадает на лопасти колеса и падает в правую часть трубки. Когда шарик падает на столб, он выталкивает нижний шарик. Казалось бы, все логично, однако эта машина не заработает. Интересно почему? Разложите силы и вы поймете это сами.

Английский офицер Уиллиам Конгрив (William Congreve) (1772–1828), размещавший ракеты на поле боя, описал вечный двигатель, работающий за счет капиллярного эффекта в губках. Принцип работы довольно прост: губки слева наполнены водой, а потому тяжелы. Они–то и должны вращать цепь против часовой стрелки. Губки справа поднимаются и растягиваются за счет натяжения цепи. Поскольку вода из них выжимается, то они становятся легче и легче поднимаются. Конгрив подсчитал, что такая конструкция может совершать полезную работу, но ошибся.

Ну и, наконец, стоит сказать об инженере Агостино Рамелли (Agostino Ramelli) (1531–1608), идеи которого актуальны и по сей день. В своем труде «Le diverse et artificiose machine» он описал механизмы, которые использовались уже после смерти их создателя, например, вентилятор. Рамелли был практиком, а потому не увлекся идеей вечного двигателя, поэтому он почти не упоминал о нем в своих трудах.

В конструкции придуманной им мельницы есть устройство, оптимизирующее ее работу. И этим устройством является несбалансированное колесо. Однако ниже написано: «Стоит упомянуть, что внутренняя часть колеса сделана мной лишь по просьбе джентльменов, решивших, что водяной поток не слишком быстрый, и это колесо должно помочь».

В середине 18 века наконец–то начались полноценные исследования рециркуляционных мельниц. Спустя 250 лет после Леонардо да Винчи официально была доказана их недееспособность. Однако в 1950 году Виктор Шаубергер (Viktor Schauberger) оживил идеи гидроприводного вечного двигателя в своих вихревых турбинах.

Магнитный, гидравлический и электрический вечный двигатель. Уход от механики.

Первое упоминание о магнитном вечно движущемся механизме относится к 1269 году. Пьер де Маркурт (Pierre de Maricourt) описал устройство, вращающееся под действием сил притяжения нескольких магнитов.

Этот эффект стал понятен гораздо позднее своего открытия, а устройство Маркута оказалось первым компасом. Маркут сам признавал, что созданный им механизм не предназначен для совершения полезной работы, а скорее помогает понять, как планеты движутся по орбитам. Он верил, что магнитный материал, который он обнаружил, был тем самым камнем, который искали алхимики.

Как часто случается в науке, в процессе создания чего–либо бессмысленного, обнаруживается нечто, исключительно важное. Создавая модель, якобы описывающую поведение планет, Пьер обнаружил, что тонкие железные проволоки, намотанные на магнитные шарики, выстраиваются вдоль линий, напоминающих воображаемые линии географической долготы. Он смог также обнаружить, что кусочки магнитного железняка, положенные на плавающий брусок, всегда ориентируются в направлении север–юг. Он первым ввел понятие северного и южного магнитного полюса и показал, что магниты противоположных полюсов притягиваются, а одноименных – отталкиваются.

Епископ Джон Уилкинс (John Wilkins), соучредитель Королевского научного сообщества, описал в своей книге простейший магнитный вечный двигатель, предложенный Йоханнесом Таисниерусом (Johannes Taisnierus).

Вверху наклонной плоскости лежит магнит, на нем шарик, плоскость имеет два отверстия. Сам Уилкинс же и дал объяснение, почему этот механизм не сможет работать. Почему изначально шарик скатится и пройдет через верхнее отверстие, а не прилипнет к магниту? И почему он должен под действие силы притяжения магнита притянуться вверх, если он не сделал этого, скатываясь? И почему в нижней части наклонной плоскости он должен менять направление?

Если посмотреть на эту схему с точки зрения физики, то окажется, что она не нарушает законов сохранения энергии, но противоречит второму закону термодинамики.

m – масса шарика,

f1 – сила притяжения магнита в верхней части плоскости,

f2 – сила притяжения магнита в нижней части плоскости,

fH – тормозящая сила, обусловленная конечным коэффициентом трения,

fG – сила притяжения земли.

Уилкинс много сделал в области понимания действия законов физики. Однако это не помешало ему утверждать, что на Луне есть жизнь. Понадобилось еще несколько лет, прежде чем Ньютон не установил принцип «Hypotheses non fingo» (гипотез не измышляю).

В 1922 году появился современный вариант вечного двигателя Уилкинса, описанный Прашаром (Prachar), в котором расположенные в ряд магниты заставляют передвигаться в трубе стальной шарик. Идея так и не была реализована.

Отсутствие достоверных знаний дало богатую почву для изобретения магнитных вечных двигателей. Их возможность основывалась на страшных историях о «магнитных горах». Они обладали столь чудовищной магнитной силой, что притягивали и топили корабли, которые непростительно близко подошли к горе, выдергивая их гвозди и другие металлические крепежи.

Уильям Гилберт (William Gilbert), королевский физик при Елизавете I, впервые серьезно занялся изучением магнетизма. В своей известной книге «De Magnete», вышедшей в 1600 году Гилберт официально отверг возможность создания магнитного вечного двигателя.

В трактате Каспара Шотта (Caspar Schott) «Technica Curiosa» 1664 года выпуска можно было найти не только описание сенсационного эксперимента, проведенного Отто фон Герике (Otto von Guericke), но также многочисленные рисунки с описаниями большинства вечных двигателей, сконструированных к середине 17 века, только часть из которых вообще могли работать. Шотт дает в книге описание весьма сложного механизма, созданного Иоганном Иоахимом Бехером (Johann Joachim Becher). Для постройки этой машины, приводящей в действие часовой механизм, был даже возведено здание. Было потрачено много усилий, чтобы заставить машину работать. После нескольких лет, потраченных на бесплодные попытки запустить механизм, Бехер написал: «Десять лет я потратил на эту глупость, я потерял много времени, деньги и репутацию. Теперь я могу с уверенностью сказать, что вечный двигатель неосуществим».

Современные вечные двигатели.

Если упомянуть об электрических вечных двигателях, то помимо известных всем радиевых часов, существует еще несколько конструкций. Один из ранних образцов основывался на электрическом разряде, генерируемом двумя элементами Замбони (разновидность сухой батареи). При небольшой мощности, такое устройство могло работать очень долго.

На этом принципе было основано много устройств, которые не претендуют на звание вечного двигателя. Эти чувствительные инструменты использовались в лабораториях для проверки электрического заряда. Будучи предварительно заряженными, они получали маленький дополнительный заряд, приводивший их в действие.

Вечные двигатели, использовавшие электрический двигатель, механически соединенный с генератором, были широко распространены и являлись своеобразным эквивалентом рециркуляционных мельниц. Только в одном случае мы имеем дело с потерями на трение, а в другом – на сопротивление.

Казалось бы, все описанное выше уже давно история, и сегодня уже никто не верит в возможность создания вечного двигателя. Ничего подобного.

Представители ирландской компании Steorn (основана в 2000 году), работающей в области альтернативной энергетики, объявили, что им удалось создать генератор постоянной энергии с КПД более 100%, основанный на взаимодействии магнитных полей. Современный вечный двигатель получил название Orbo. Генеральный директор Steorn Син Маккарти утверждает, что его детище несет неисчерпаемую энергию, основанную на использовании «энергии нулевых колебаний». Orbo сможет генерировать в пять раз больше энергии, чем средний аккумулятор мобильного телефона, и не потребует подзарядки.

Однако каково же было разочарование поклонников идеи вечного двигателя, когда в конце прошлого года чудо–изобретение так и не было выставлено (как обещала компания Steorn) в музее Kinentica Museum in London. Оказалось, что в систему энергию поставлял какой–то неучтенный разработчиками источника фактор.

Ну и конечно же, нельзя не сказать о Perepiteia (греч. обратный эффект вместо ожидаемого) – вечном двигателе, изобретенном канадцем Тейном Хайнсом (Thane Heins). Хайнс в 2005 году организовал компанию Potential Difference Inc. для разработки и внедрения своего детища.

Все началось в 1985 году, когда будущий изобретатель задумался, как, используя магниты, можно улучшить генератор мощности. В принципе, этим он и занимался вплоть до 2006 года, когда произошло нечто странное. Хайнс соединил приводной вал электрического мотора со стальным ротором с небольшими круглыми магнитами, расположенными на его внешнем ободе. Согласно представлениям Хайнса, во время вращения ротора магниты должны проходить через проволочную катушку, что вызвало бы протекание тока. То есть получился бы обычный генератор. Для тестирования системы катушке он присоединил электрическую нагрузку – лампочку. Работая на нагрузку, ротор должен был замедляться и, в конечном итоге, остановиться. Но вместо этого он стал ускорять свое движение вплоть до того, что магниты разлетелись, повредив стены.

Теоретически должно было быть сгенерировано сильное магнитное поле, в котором должен был проявиться эффект обратной ЭДС, описываемой законом Ленца, что в свою очередь должно было остановить ротор, поскольку закон Ленца физически проявляет себя как закон трения в механике.

Однако произошло обратное: магнитное трение превратилось в магнитное ускорение. Хайнс считает, что, поле вращающихся магнитов посредством проводящих стальных ротора и вала действует на самое сердце электрического мотора, превращающего электрическую энергию в кинетическую. Обратная ЭДС в данном случае ускоряет мотор, который заставляет быстрее вращаться ротор, то есть здесь мы имеем дело с положительной обратной связью. Хайнс подтвердил это, заменив стальной вал на непроводящую пластиковую трубу, – ускорение в таком варианте установки не наблюдалось.

28 января 2008 года Хайнс испытал свой вечный двигатель в лаборатории Массачусетского Технологического Института (Massachusetts Institute of Technology). Удивительно, но прибор действительно работал! К сожалению, более поздних данных об этой удивительной машине нет, но скорее всего, это чистейшей воды блеф.

Псевдо-вечные двигатели.

На самом деле, естественно, они никакого отношения к вечным двигателям не имеют. Отсюда и приставка «псевдо» – «не настоящие, поддельные».

Секрет работы некоторых из них теперь известен, однако есть и такие, которые можно принять (или выдать) за вечный двигатель, так как найти и объяснить причину их движения не всегда просто.

Эти двигатели появились давно. Они очень разнообразны по устройству; чаще всего их применяли для привода «вечных» часов, не нуждавшихся в заводе, движущихся игрушек, моделей машин и т.д. Общая черта таких моделей Вечного двигателя заключается в том, что они действительно работают неограниченно долго, казалось бы, без каких–либо видимых причин. На людей, не знакомых с принципами их действия, они производят сильное впечатление. У некоторых сторонников «энергоинверсии» эти игрушки возбуждают даже надежды как «прототипы» вечного двигателя. Однако вполне научное объяснение всегда находится. Но есть и такие псевдо–вечные двигатели, секрет которых пока не открыт; сведения об одном из них мы приведем ниже.

Насколько известно, первым изобретателем, придумавшим и осуществившим двигатель, который работал, извлекая без помощи какого-либо постороннего источника нужную энергию из окружающей среды, был голландский инженер и физик Корнелиус Дреббель (1572–1633 г.). Этот очень знаменитый в свое время человек, о котором теперь незаслуженно редко вспоминают, был несомненно выдающимся исследователем и изобретателем с необычайно широким кругозором, исключительным даже при сравнении с другими светилами конца XVI – начала XVII в. Биографы писали о нем, например, так: «Он был человеком высокого разума, остро мыслящий и переполненный идеями, касающимися великих изобретений... Он жил как философ...». Большая часть его работ была проделана в Англии, где он служил при дворе короля Иакова I.

Его книга на латинском языке с характерным для тех времен названием «Послание к просвещеннейшему (sapientissimus) монарху Британии – Иакову – об изобретении вечного двигателя» была издана в 1621 г. в Гамбурге. Насколько далеко он смотрел вперед, можно видеть из краткого перечисления только некоторых его достижений.

Дреббель разработал первый известный в истории техники термостат – устройство, в котором автоматически поддерживалась заданная температура независимо от ее изменений снаружи. Он сам изготовил и наладил всю необходимую для этого, говоря по–современному, «систему автоматического регулирования». Идея этого термостата была использована в инкубаторе, честь изобретения которого тоже принадлежит Дреббелю.

Дреббель изобрел, сконструировал, построил и испытал на Темзе подводную лодку, которая успешно преодолела дистанцию от Вестминстера до Гринвича (около 12 км). Она представляла собой нечто вроде вытянутого в длину водолазного колокола. Приводилась лодка в движение гребцами (от 8 до 12), сидящими внутри на скамейках, установленных так, что ноги людей не доходили до уровня воды. Самое, пожалуй, интересное, это навигационные средства и особенно система жизнеобеспечения экипажа, которые тоже были созданы Дреббелем.

Направление определялось традиционным путем – посредством компаса, но глубина погружения – по–новому, посредством ртутного барометра Это был достаточно точный прибор, так как каждый метр глубины погружения соответствовал 76 мм высоты ртутного столба.

Для обеспечения дыхания экипажа изобретатель применил селитру, которая при нагревании выделяла кислород. Оценить талант (если не гениальность) Дреббеля можно, если учесть, что кислород был открыт шведским химиком К. Шееле в 1768–1773 г., т.е. только через полвека. Дреббель, несомненно, был отличным химиком. Об этом свидетельствуют не только разработка им химической системы жизнеобеспечения, но и другие изобретения – детонаторы для мин из гремучей ртути Hg(ONC)2, технологии получения серной кислоты действием азотной кислоты на серу (это отметил Д. И. Менделеев в «Основах химии»), использования солей олова для закрепления цвета при окраске тканей кошенилью. Если ко всему перечисленному выше добавить, что Дреббель был специалистом по оптическим приборам, линзы для которых он шлифовал на изобретенном им самим станке, то этого будет вполне достаточно, чтобы оценить его заслуги.

Дреббель занимался и вечным двигателем. Однако такой человек, как он, не мог пойти стандартным путем, очередной раз изобретая колеса с грузами или водяные мельницы с насосами. Ему было совершенно ясно, что таким путем вечный двигатель не создать.

В 1607 г. он продемонстрировал Иакову I «вечные» часы (запатентованные им еще в 1598 г.), приводимые в движение, естественно, столь же «вечным» двигателем. Однако в отличие от многочисленных других устройств с таким же названием, он действительно в определенном смысле был «вечным». После показа королю часы были выставлены во дворце Этлхем на обозрение всем желающим и вызвали сенсацию среди лондонцев.

В чем же был секрет этих часов (вернее, их двигателя)? Вечные часы Дреббеля работали от привода, использующего, как и любой другой реальный двигатель, единственный возможный источник работы – неравновесности (разности потенциалов) во внешней среде. Мы уже говорили о них – разностях давлений, температур, химических составов и других, заторможенных и незаторможенных, на которых основана вся энергетика.

Но неравновесности, которые использовал Дреббель. Они могут действовать в совершенно равновесной окружающей среде, во всех точках которой совершенно одинаковые температура и давление. В чем же тут дело и откуда тогда берется работа?

Секрет в том, что разности потенциалов (давлений и температур) здесь все же существуют, но они проявляются не в пространстве, а во времени. Наиболее наглядно это можно пояснить на примере атмосферы. Пусть в том районе, где находится двигатель, в ней нет никаких существенных разностей давлений и температур: все тихо и спокойно. Но общие (во всех точках) давление и температура все же меняются (например, днем и ночью). Эти-то разности и можно использовать для получения работы (в полном согласии с законами термодинамики). Энтропия здесь, естественно, как и при всяком выравнивании разности потенциалов, будет расти.

Простейший способ использования колебаний параметров равновесной окружающей среды – поместить в нее барометр или термометр с подвижными элементами и заставить их работать – делать что–нибудь полезное. Именно так и поступил Дреббель. В его часах находился жидкостной «термоскоп», в котором уровень жидкости поднимался или опускался при изменении температуры и давления. Соединить поплавок на поверхности жидкости с приводом часов было уже делом механики, которой изобретатель владел в совершенстве.

Дреббель объяснял работу своего двигателя действием «солнечного огня». Это было не только в духе времени, но и совершенно правильно с современных позиций. Действительно, все изменения температуры и давления атмосферы определяются в конечном счете солнечным излучением.

Чертеж атмосферного двигателя Дреббеля до нас не дошел. Однако его идея вечного привода повторялась в разных модификациях и многократно использовалась другими изобретателями. По описаниям их приборов можно в определенной степени судить о том, каким мог быть двигатель Дреббеля.

Это, понятно, не единственный такой случай.

Идея вечного двигателя всегда была интересной. Люди пытались найти его со времен средневековья. Общепринятое определение вечного двигателя гласит, что он производит больше энергии, нежели потребляет — что, конечно, невозможно.

Но это не помешало Джону Кили утверждать, что он сделал такой двигатель. Рожденный в 1837 году, Кили сменил несколько профессий — художник, декоратор, театрал, — пока не вышел на публику с объявлением, мол, что нашел совершенно новый вид физической энергии, который может вырабатывать невероятную мощь. Используя энергию водяных молекул, Кили смог синхронизировать вибрации молекул со своей машиной и создать вечный двигатель.

На словах все это довольно нелепо, но Кили умел убеждать. Вскоре он привлек инвесторов и 5 миллионов вложений в Keely Motor Company. В 1874 году он уже смог продемонстрировать полномасштабную модель двигателя. Его описания включали множество столь любимых в псевдонауке слов вроде «эфир-эфирный» и «металлические импульсы», а машина запускалась не без помощи вибраций музыкальных инструментов. Он подогревал интерес инвесторов, но в то же время отказывался патентовать свою идею в страхе, что ее могут украсть.

Его компания стала публичной в 1890 году, и тогда же организации вроде Scientific American начали раздувать дыры в его теории. Компания держалась на инвестициях еще восемь лет, пока Кили не умер в 1898 году. К тому времени Keely Motor Company была в бизнесе уже 25 лет и не принесла ни копейки дивидендов инвесторам. Когда инвесторы заглянули в таинственную лабораторию Кили, они обнаружили фальшпол и контейнер со сжатым воздухом, который создавал иллюзию работы. Собственно, как и предсказывала Scientific American.

Термоядерная энергия.

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое "топливо" дает ему энергию? Ответы на эти вопросы ученые искали веками, и только в начале XX в. было найдено правильное решение. Теперь известно, что Солнце, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям. Что же это за реакции?

Если ядра атомов легких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового ядра окажется меньше, чем суммарная масса тех ядер, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн градусов. Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, – водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% – более тяжелым элементам, таким, как углерод, азот, кислород и металлы. Главным "топливом" на Солнце служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6*10 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0 °С до точки кипения 1000 м³ воды.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) – синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(²H) и тритий (³H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (11B).

Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Олег Лаврентьев. Кроме него важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся физики, как Андрей Сахаров и Игорь Тамм, а также Лев Арцимович, возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года.

Исторически вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине XX века. Известно, что Игорь Курчатов в 1956 году высказал предложение о сотрудничестве учёных–атомщиков разных стран в решении этой научной проблемы. Это произошло во время посещения Британского ядерного центра «Харуэлл»

теплового движения сближаются настолько, что короткодействующее сильное взаимодействие, проявляющееся на таких расстояниях, начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего образуются ядра других, более тяжёлых элементов. Система нуклонов потеряет часть своей массы, равную энергии связи и по известной формуле E=mc², при создании нового ядра освободится значительная энергия сильного взаимодействия. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, легче свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются лучшим видом топлива для управляемой реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует меньше энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D–T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надёжнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на вывод из эксплуатации и утилизацию. Проблемой остаётся то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D–T реакция считается только необходимым первым шагом.

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

Заключение

Вечный двигатель, он же perpetuum mobile – вечная мечта человечества. Это устройство должно совершать полезную работу, большую, чем количество сообщённой ему энергии (КПД больше 100 %). Существование вечного двигателя противоречит законам физики, поэтому он так и не был создан.

Главный литературный источник – Википедия:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C

Код для цитирования: Скопировать