Комплексные числа

разделенного вертикальной перегородкой. По обе стороны должны были быть

залиты две жидкости разной плотности (например, вода и ртуть). Автор этой

идеи Клеменс Септимус был учеником Галилея. Описание этого двигателя

помещено в книге известного физика Джиованни Альфонсо Борелли (1608-1679

гг.), члена Флорентийской академии. Любопытно, что в комментариях Борелли

доказывал неработоспособность этого двигателя. Он считал, что нет никаких

причин, чтобы барабан Септимуса катился; если бы он и сдвинулся, то достиг

бы положения равновесия и остановился. Основанием для такого утверждения

служила мысль о том, что сила тяжести, действующая одинаково на все части

устройства, не может стать причиной постоянного нарушения равновесия. Сила

тяжести не может производить работу, передаваемую какой-либо машине,

которая ее использует.

Пока изобретатели механических perpetuum mobile ломали головы над

очередными вариантами своих машин, постепенно развивалась механика. Она

вырабатывала новые представления, которые шли дальше античной механики и

позволяли количественно точно определить результат одновременного действия

на тело нескольких сил. Тем самым новая наука подрывала «под корень»

идейную базу механических вечных двигателей. Действительно, если выработано

четкое правило, как подсчитать результат действия сил, прилагаемых к колесу

вечного двигателя, то всегда легко определить, будет колесо в равновесии

или нет. В первом случае двигатель работать не сможет. Если же, напротив,

будет доказано, что неравновесие будет существовать постоянно, то вечный

двигатель может существовать. Дело, таким образом, сводилось к установлению

соответствующего закона механики (точнее, ее раздела — статики).

Первый шаг в этом направлении сделал, по-видимому, Леонардо да Винчи

(1452-1519 гг.). В рукописи 1515 года он ввел понятие, которое теперь

называется в механике «моментом силы». Со времен Архимеда был известен

закон, который определял условие равновесия прямого рычага. Он составлял

содержание VI теоремы Архимеда из сочинения по механике: «Два соизмеримых

груза находятся в равновесии, если они обратно пропорциональны плечам, на

которые эти грузы подвешены». Другими словами если вес изобразить в виде

отрезков А и В соответствующих направлений и длины от какой-либо точки О,

то условие равновесия будет таким: [pic], или, то же самое, [pic].

При всей важности закон рычага Архимеда не мог быть использован для

анализа равновесия механического perpetuum mobile. Дело в том, что для

такого анализа нужно было уметь определять равновесие и для случая, когда

сила веса груза направлена не под прямым углом к рычагу, а под любым углом

— острым или тупым. В данном случае равновесие наступит при соблюдении

равенства [pic], где [pic] и [pic] — проекции соответственно рычагов Оа и

Ob на горизонтальную ось. Для проверки возможностей любого механического

perpetuum mobile нужно сложить все моменты сил, расположенных справа от оси

О, и то же проделать с моментами сил грузов, расположенных слева. Первые

стремятся повернуть колесо по часовой стрелке, вторые — против. Если общая

сумма моментов сил будет равна нулю, то колесо не движется — наступит

равновесие.

Таким образом легко показать, что, несмотря на все ухищрения, сумма

моментов сил у всех механических perpetuum mobile равна нулю. Леонардо да

Винчи понимал это очень четко. Стоит только вспомнить слпва из одной его

записи по поводу вечных двигателей: «Искатели вечного движения, какое

количество пустейших замыслов пустили вы в мир!»

К сожалению, записи Леонардо да Винчи остались не известными ни его

современникам, ни ближайшим потомкам. Только с конца XVIII века началась

планомерная расшифровка его тетрадей.

Магнитные вечные двигатели.

Первым известным магнитным вечным двигателем была машина Петра

Пилигрима (1269 г.), уже описанная ранее.

Новые виды магнитных вечных двигателей, появившихся позже,

основывались также как и первый, на аналогии между силой тяжести и силой

притяжения магнита.

Такая аналогия была совершенно естественна; она подкреплялась

общефилософскими соображениями; кроме того, силу притяжения магнита можно

было непосредственно сравнить с силой тяжести.

Действительно, если на одну чашу весов положить кусок железа, а на

другую — равную по весу гирю, то, воздействуя снизу на железо магнитом,

можно определить его силу. Для этого нужно вновь уравновесить весы,

добавочный груз будет равен силе притяжения магнита. Такое измерение

произвел Николай Кербс (1401-1464 гг.), известный под именем Николая

Кузанского. Именно совместное действие двух тождественных сил —

магнита и тяжести — служило основой почти всех предложенных после Петра

Пилигрима магнитных perpetuum mobile.

Любопытный магнитный вечный двигатель

Предложил любитель науки, изобретатель и кол-

лекционер, иезуит Анастасиус Кирхер (1602-

1680 гг.). его двигатель предельно прост. Как вид-

но из рисунка, он состоит из железного круга

(черный на рисунке), на котором радиально распо-

ложены направленные наружу железные стрелы.

Этот круг должен вращаться под действием четы-

рех магнитов I, F, G, H, расположенных на внеш-

нем кольце.

Почему Кирхер решил, что круг со стрела-

ми будет вращаться, совершенно непонятно. Все

предыдущие изобретатели таких кольцевых двига-

телей пытались создать какую-то асимметрию, чтобы вызвать силу,

направленную по касательной. У Кирхера таких мыслей не возникло. Он мыслит

еще в совершенно средневековом духе. Он даже серьезно утверждал, что

притягательная сила магнита увеличится, если его поместить между двумя

листьями растения Isatis Sylvatica.

Более интересный и оригинальный магнитный вечный двигатель описал в

соей книге «Сотня изобретений» (1649 г.) Джон Уилкинс. К шаровому магниту,

расположенному на стойке, ведут два наклонных желоба: один прямой,

установленный выше, другой изогнутый вниз, установленный под прямым.

Изобретатель считал, что железный шарик, помещенный на верхний желоб,

покатится вверх, притягиваемый магнитом. Но так как перед магнитом в

верхнем желобе сделано отверстие, шарик провалится в него, скатится по

нижнему желобу и через изогнутую часть снова выскочит наверх и двинется к

магниту и так далее до бесконечности.

Уилкинс, который хорошо разбирался в принципиальных вопросах

механических perpetuum mobile, оказался на высоте и в этом случае. Закончив

описание этой конструкции, он пишет: «Хотя это изобретение на первый взгляд

кажется возможным, детальное обсуждение покажет его несостоятельность».

Основная мысль Уилкинса в этом обсуждении сводится к тому, сто если даже

магнит достаточно силен, чтобы притянуть шарик от нижней точки, то он тем

более не даст ему провалиться через отверстие, расположенное совсем рядом.

Если же, наоборот, сила притяжения будет недостаточна, то шарик просто на

будет притягиваться. В принципе объяснение Уилкинса правильное; характерно,

что он четко представляет себе, как быстро уменьшается сила притяжения

магнита с увеличением расстояния до него.

Возможно, Уилкинс учел и взгляды знаменитого Уильяма Гильберта (1544-

1603 гг.) — придворного врача королевы Елизаветы Английской, который тоже

не поддержал идею этого вечного двигателя.

В книге Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните —

Земле» (1600 г.) не только дана сводка уже известных к тому времени

сведений о магнетизме, но и описаны новые результаты, полученные в

многочисленных экспериментах.

В XX веке была все же найдена возможность осуществить устройство с

шариком, «вечно» бегущим по двум желобам, в точности соответствующее по

внешнему виду магнитному вечному двигателю, описанному Уилкинсом. Вносятся

лишь небольшие изменения в модель Уилкинса. Верхний желоб изготовляется из

двух электрически изолированных одна от другой металлических полос, а

вместо постоянного магнита на стойке устанавливается электромагнит. Обмотка

электромагнита присоединена к аккумулятору или другому источнику питания

так, чтобы цепь замыкалась через железный шарик, когда он находился на

верхнем желобе, касаясь обеих его полос. Тогда электромагнит притягивает

шарик. Докатившись до отверстия, шарик размыкает цепь, проваливается и

скатывается по нижнему желобу, возвращаясь по инерции на верхний желоб, и

так далее. Если спрятать аккумулятор в стойку (или незаметно провести через

нее провода для питания электромагнита извне), а сам электромагнит

поместить в шаровой футляр, то можно считать. Что действующий perpetuum

mobile готов. На тех, кто не знает секрета, он производит большое

впечатление.

Нетрудно видеть, что в такой игрушке как раз устранен тот недостаток,

на который показывал Уилкинс,— возможность того, что шарик притянется к

магниту и не провалится в отверстие. Магнит перестает действовать как раз в

тот момент, когда шарик должен провалиться в отверстие, и снова включается

тогда, когда нужно тянуть шарик вверх.

Для современного человека секрет лежит на поверхности — по такому же

принципу работают все электроприборы, — работа, совершаемая электрическим

током, переходит в механическую или другую (всегда даже с потерями какой-

либо ее части) — значит, их тоже можно считать «вечными» двигателями.

В дальнейшем были предложены и многие другие магнитные perpetuum

mobile, в том числе и довольно замысловатые; некоторые из них были

построены, но их постигла та же судьба, что и остальные. Идея одного из

таких построенных магнитных двигателей была выдвинута уже в конце XVIII

века. Некий шотландский сапожный мастер по фамилии Спенс нашел такое

вещество, которое экранировало притягивающую и отталкивающую силу магнита.

Известно даже, что оно было черного цвета. С помощью этого вещества Спенс

обеспечил работу двух изготовленных им магнитных вечных двигателей.

Успехи Спенса были описаны шотландским физиком Дэвидом Брюстером (1781-

1868 гг.) в серьезном французском журнале «Анналы физики и химии» в 1818

году. Нашлись даже очевидцы: в статье написано, сто «мистер Плейфер и

капитан Кейфер осмотрели обе эти машины (они были выставлены в Эдинбурге) и

вызвали удовлетворение тем, что проблема вечного двигателя, наконец,

решена».

Нужно отметить, что в части открытия вещества, экранирующего магнитное

поле, Спенс ничего особенного не сделал и его «черный порошок» для этого не

нужен. Хорошо известно, что для этого достаточно листа железа, которым

можно заслонить магнитное поле. Другое дело создать таким путем вечный

двигатель, поскольку для движения листа, экранирующего магнитное поле,

нужно в лучшем случае затратить столько же работы, сколько даст магнитный

двигатель.

Общее количество магнитных вечных двигателей все же было меньше, чем

механических и особенно гидравлических. К последним мы и перейдем.

Гидравлические вечные двигатели.

Большое внимание, которое уделяли изобретатели вечных двигателей

попыткам использовать для них гидравлику, конечно, не случайно.

Хорошо известно, что гидравлические двигатели были широко

распространены в средневековой Европе. Водяное колесо служило, по существу,

основной базой энергетики средневекового производства вплоть до XVIII века.

В Англии, например, по земельной описи было 5000 водяных мельниц. Но

водяное колесо применялось не только в мельницах; постепенно его стали

использовать и для привода молота в кузницах, ворота, дробилки,

воздуходувных мехов, станков, лесопильных рам и так далее. Однако «водяная

энергетика» была привязана к определенным местам рек. Между тем техника

требовала двигатель, который мог бы работать везде, где он нужен.

Совершенно естественной поэтому была мысль о водяном двигателе не зависимом

от реки, действительно половина дела — использовать напор воды — была ясна.

Тут накопился достаточный опыт. Оставалась другая половина — создать такой

напор искусственно.

Способы непрерывно подавать воду снизу вверх были известны еще с

античных времен. Самым совершенным из нужных для этого устройств был

архимедов винт. Если соединить такой насос с водяным колесом, цикл

замкнется. Надо только для начала залить водой бассейн наверху. Вода,

стекая из него, будет крутить колесо, а насос, приводимый от него, снова

подаст воду вверх. Таким образом, получается гидравлический двигатель,

работающий, так сказать, «на самообслуживании». Никакой реки ему не нужно;

он сам создаст необходимый напор и одновременно приведет в движение

мельницу или станок.

Для инженера того времени, когда понятия об энергии и законе ее

сохранения еще не было, в такой идее не было ничего странного. Множество

изобретателей работало, пытаясь воплотить ее в жизнь. Только некоторые умы

понимали, что это невозможно; одним из первых среди них был универсальный

гений — Леонардо да Винчи. В его тетрадях был найден эскиз гидравлического

вечного двигателя. Машина состоит йз двух, связанных между собой устройств

А и В, между которыми установлена чаша, заполняемая водой. Устройство А

представляет собой архимедов винт, подающий воду из нижнего резервуара в

чашу. Устройство В вращается, приводимое в движение водой, сливающейся из

чаши, и крутит насос А — архимедов винт; отработавшая вода сливается снова

в резервуар.

Леонардо вместо известного в то время водяного насоса употребил

водяную турбину, сделав мимоходом одно из своих изобретений. Эта турбина В

— обращенный насос — архимедов винт. Леонардо понял, что если лить на него

воду, то он будет вращаться сам, превратившись из водяного насоса в

турбину.

В отличие от современных ему и будущих изобретателей гидравлических

вечных двигателей такого типа (водяной двигатель + водяной насос) Леонардо

знал, что он работать не сможет. Воду, в которой нет разности уровней, он

назвал очень образно и точно «мертвой водой» (aqua morta). Он понимал, что

падающая вода может в идеальном случае поднять то же воды на прежний

уровень и только; никакой дополнительной работы она произвести не может.

Для реальных условий проведенные им же исследования трения дали основание

считать, что и этого не будет, так как «от усилия машины надо отнять то,

что теряется от трения в опорах». И Леонардо выносит окончательный

приговор: «невозможно привести мельницы в движение посредством мертвой

воды».

Эта идея о невозможности получения мертвой воды «из ничего» была

развита потом Р. Декартом и другими мыслителями; в конечном итоге она

привела к установлению всеобщего закона сохранения энергии. Но все это

произошло намного позже. Пока же изобретатели гидравлических perpetuum

mobile разрабатывали все новые их варианты, объясняя каждый раз свои

неудачи теми или иными частными недоработками.

Одно из ухищрений, призванных обойти трудности конструирования

гидравлического вечного двигателя, состояло в том, чтобы заставить воду

подниматься (или сливаться) в меньшем перепаде высот. Для этого

предусматривалась каскадная система из нескольких последовательно

соединенных насосов и рабочих колес. Такая машина описана в книге уже

известного нам Д. Уилкинса. Подъем воды осуществляется винтовым насосом,

состоящим из наклонной трубы, в которой вращается ротор. Он приводится в

движение тремя рабочими колесами, вода на которые подается из трех

расположенных каскадом сосудов. В оценке этого двигателя Уилкинс, как и в

описанных ранее случаях, оказался на высоте. Он не только отверг этот

двигатель из общих соображений, но даже подсчитал, что для вращения спирали

нужно «втрое больше воды для вращения, чем то количество, которое она

подает наверх».

Отметим, что Уилкинс, как и многие его современники, начал заниматься

механикой и гидравликой с попыток изобрести вечный двигатель. Еще один

пример стимулирующего действия perpetuum mobile-1 на науку того времени.

Уилкинс также дал первую классификацию способов построения вечных

двигателей:

1). С помощью химической экстракции (эти проекты до нас не дошли);

2). С помощью свойств магнита;

3). С помощью сил тяжести.

Гидравлические вечные двигатели он относил к третьей группе.

В итоге Уилкинс написал четко и однозначно: «Я пришел к выводу, что

это устройство не способно работать». Этот любитель науки дал в XVII веке

достойный пример того, как надо преодолевать заблуждения и находить истину.

Среди других гидравлических вечных двигателей следует отметить машину

польского иезуита Станислава Сольского, который для приведения в движение

рабочего колеса использовал ведро с водой. В верхней точке насос наполнял

ведро, оно опускалось, вращая колесо, в нижней точке опрокидывалось и

пустое поднималось вверх; затем процесс повторялся. Королю Казимиру эта

машина, когда Станислав Сольский ее демонстрировал в Варшаве (1661 г.),

очень понравилась. Однако даже светские успехи титулованных изобретателей

не могли скрыть того факта, что гидравлические вечные двигатели системы

«насос — водяное колесо» на практике не работали. Нужны были новые идеи,

используя которые, можно было бы поднять воду с нижнего уровня на верхний

без затраты работы, не применяя механический насос. И такие идеи появились

— как на основе использованных уже известных явлений, так и в связи с

новыми физическими открытиями.

Первая из идей, о которой нужно вспомнить, — использование сифона. Это

устройство, известное еще с античных времен (оно упоминается у Герона

Александрийского), использовалось для переливания жидкости из сосуда,

расположенного выше, в другой, расположенный ниже. Принцип работы его

такой: два сосуда, находящихся на разных уровнях, соединяют трубкой,

состоящей из двух колен, одно из которых (верхнее) меньше другого

(нижнего). Преимущество такого простого устройства, используемого и до сих

пор, заключается в том, что можно отбирать жидкость из верхнего сосуда

сверху, не делая отверстия в его дне или стенке. Единственное условие

работы сифона — полное предварительное заполнение трубки жидкостью.

Поскольку между верхним и нижним сосудом существует разность уровней,

жидкость будет самотеком переливаться из верхнего сосуда в нижний.

Возникает вопрос — как же можно использовать сифон для подъема воды,

если его назначение обратное — слив воды? Однако именно такая

парадоксальная идея была выдвинута около 1600 г. и описана в книге «Новый

театр машин и сооружений» (1607 г.) городским архитектором города Падуи

(Италия) Витторио Зонка. Она заключалась в том, чтобы сделать короткое

верхнее колено сифона толще — больше по диаметру (D>>d). В этом случае,

считал Зонка, вода в левом, толстом колене несмотря на его меньшую высоту

перевесит воду в тонком колене и сифон потянет ее в противоположном

направлении — из нижнего сосуда в верхний. Он писал: «Сила, которая

проявляется в толстом колене, будет тянуть то, что входит через более узкое

колено». На этом принципе и должен был работать вечный двигатель Зонки.

Страницы: 1, 2, 3