КОНВЕРТОРЫГРАВИТАЦИОННОЙ ЭНЕРГИИ
© Эткин В.А.
Д.т.н., проф.
Контакт с автором: etkinv@mail.ru
Опровергается исторически сложившееся представление, исключающее возможность использования энергии гравитационных полей в конструкциях типа “несбалансированного колеса” и относящее их к разряду “вечных двигателей”
__________________________________________________________________________
“…Это лишь вопрос времени, как скоро человечеству удастся подключить свои машины к самому источнику энергии окружающего пространства”
Н.Тесла
Введение.
Науке известны две формы существования материи: вещество и поле. До сих пор человечество использовало энергию только первого из них. Такова, в частности, химическая энергия топлив и ядерная энергия самопроизвольно делящихся элементов. Конечным продуктом конверсии энергии вещества в большинстве случаев является вещество в его измененном состоянии, которое накапливается на планете, создавая прямую угрозу ее экологической стабильности. Проблема усугубляется концентрацией населения в огромные мегаполисы и ростом потребления энергоресурсов. Все более централизованным стало производство энергии; все более гигантских размеров – плотины гидроэлектростанций и энергетические установки тепловых электростанций, все более протяженными – нефтепроводы и газопроводы, а также линии электропередачи и магистрали теплоснабжения. Это лишь ускоряет наступление экологического кризиса и усугубляет последствия стихийных бедствий. Тают запасы ископаемого топлива, а доля возобновляемых источников энергии остается крайне низкой. В поисках новых источников энергии научное сообщество идет на все возрастающий риск, откладывая на неопределенный срок решение проблемы захоронения ядерных отходов и консервации отработавших свой срок ядерных установок. Огромные средства затрачиваются на обуздание термоядерных реакций. И нет, казалось бы, выхода из создавшегося положения.
Между тем в сложившихся условиях человечеству следовало бы обратить более пристальное внимание на такие альтернативные формы возобновляемой энергии, как потенциальная энергия окружающих нас силовых полей. Одним из таких полей является поле сил тяжести F g. Его энергия является упорядоченной и потому превратимой (свободной). Однако гравитационное поле потенциально, и потому работа гравитационных сил F g по любому замкнутому пути равна нулю. На этом основании любые циклические машины, пытающиеся использовать силу тяжести F g, издавна относят к разряду “вечных двигателей” в нарицательном смысле этого термина. Между тем работа, производимая силами тяжести, в ряде случаев может зависеть от пути процесса. Такова работа, производимая крутящим моментом M, создаваемым этими силами тяжести. Механика Ньютона, как известно, не рассматривала вращательное движение. Поэтому вопрос о непотенциальности полей крутящих моментов M в ней не мог возникнуть. Не возник он и в классической термодинамике, которая оперировала параметрами, определяющими исключительно внутреннюю энергию систем U и ограничивалась рассмотрением систем, находящихся в равновесии с внешними полями. Можно было бы ожидать рассмотрения вопроса о преобразовании гравитационной энергии в рамках механики Эйлера. Однако и этого не случилось. Тем больший интерес представляет выяснение теоретической возможности преобразования гравитационной энергии силовых полей с позиций энергодинамики [1], из которой механика Ньютона и Эйлера вытекают как частные случаи.
Теоретическая возможность использования энергии гравитационного поля
Энергодинамика рассматривает гравитацию как следствие неоднородного распределения масс в пространстве и явным образом учитывает эту неоднородность, вводя в свои уравнения специфические параметры пространственной неоднородности. Последние зависят от распределения по объему системы V температур T, давлений p, химических μ k, электрических φ, гравитационных ψgи любых других потенциалов ψ i поливариантных систем, равно как и сопряженных с ними экстенсивных параметров Θ i типа энтропии S, массы M, заряда Θe, импульса P, количеств k -x веществ M k и т.п. Неоднородность их распределения выражается в отклонении плотности ρi = ρi(r, t) этих величин (рассматриваемых в общем случае как функции радиуса-вектора точки поля r и времени t) в обе стороны от её среднего значения 
, и как следствие – в смещении центра R i любой из упомянутых экстенсивных величин Θiот его положения R iо при равномерном (равновесном) распределении, как это показано на рисунке 1. Вследствие этого в системе возникают процессы перераспределения Θi между частями системы,
в ходе которых часть этой величины (помеченная звездочкой) переносится из одной области системы в другую.
В результате в системе образуется некоторый момент распределения i–й величины Z i = Θ i? R i с плечом ∆ R i, характеризующим удаление системы в целом от равновесного состояния. Такое смещение увеличивается при совершении над системой полезной работы против равновесия, и самопроизвольно уменьшается в процессе ее релаксации. Вследствие этого собственная (внутренняя) энергия неоднородной системы U становится функцией моментов распределения Z i, т.е. U = U (Z i), где i =1,2,…, n (n – число координат Θi равновесного состояния системы).
Изменить любой из моментов Z i можно тремя независимыми способами: изменением величины Θi при постоянстве ∆ R i, изменением ∆Ri при постоянстве Θi и направления е i вектора ∆ R i , и изменением направления е i вектора ∆ R i при постоянстве Θi и величины смещения ∆Ri. Величину d е i можно выразить через изменение d φ угла поворота φ, нормального к плоскости вращения системы. Таким образом, энергия неоднородной системы U оказывается в общем случае функцией трех групп координат состояния Θi, ∆Ri и φ, вследствие чего её полный дифференциал принимает вид:
dU = Σ i ψ id Θ i – Σi F i • d R i – Σi M i • d φ i (1)
где ψ i ≡ (∂U/∂ Θ i); F i ≡ – (∂U/∂ R i); M i ≡ – (∂U/∂ φ i) – соответственно обобщенный потенциал, обобщенная сила и обобщенный крутящий момент i –й формы энергии системы.
Это выражение отличается от объединенного уравнения 1-го и 2-го начал классической термодинамики поливариантных систем (обобщенного соотношения Гиббса) наличием второй и третьей суммы, отражающих соответственно процессы перераспределения (переноса) и переориентации энергоносителя Θ i в пространстве, занимаемом системой, в том числе и вращение системы как целого. При этом все принципы, законы и уравнения механики Ньютона и Эйлера вытекают из энергодинамики как её приложения к механическим системам [1]. Такой (дедуктивный) подход к механике позволяет выявить в ней детали, ранее ускользавшие от внимания исследователей.
Чтобы сделать применение этого уравнения к гравитационным преобразователям энергии более ясным, рассмотрим их работу на конкретном примере колеса Фрага (Куба, патент США IL 60915, 1987). Это устройство представляет собой самовращающееся колесо с несбалансированными грузами, закрепленными на конце рычагов (рис. 1). Противоположные концы рычагов имеют подвижные шарниры, позволяющие рычагам “опрокидываться” при переходе через точку неустойчивого равновесия. Колесо имеет ряд выступов, удерживающих грузы с рычагами в положении с максимально возможным вращающим моментом (левая часть колеса). Напротив, в правой части колеса грузы находятся все время в положении с минимальным крутящим моментом. Устройство приходит в устойчивое вращение после небольшого толчка.
Рис1.Колесо Фрага.
В нашем конкретном случае уравнение (1) имеет вид:
dU = ТdS + F g• d R g + M • d φ – đW j (2)
где ТdS = đQ + đQ д – сумма теплот, полученных системой извне (đQ) и выделившихся в ней вследствие трения (đQ д); F g – сила тяжести; R g – радиус-вектор центра масс колеса; M = F g × R g, φ – крутящий момент, действующий со стороны гравитационного поля на колесо, и угол его поворота; đW j – элементарная работа, совершаемая установкой помимо работы расширения.
Сравнивая это выражение с объединенным уравнением 1-го и 2-го начал классической термодинамики
dU = ТdS + pdV – đW j , (3)
находим, что помимо отсутствия работы расширения pdV оно отличается в принципе только тем, что наряду с получаемой извне теплотой Q учитывает в качестве источника энергии гравитационное поле, совершающее работу перемещения грузов F g• d R g и вращения колеса M • d φ.
Применим теперь уравнение (2) к круговому процессу, осуществляемому колесом Фрага:
dU = ТdS + F g• d R g + M • d φ – đWj. (4)
Это выражение можно существенно упростить, учитывая, что круговой интеграл от любой функции состояния, в то числе от энергии системы, равен нулю, ( dU = 0), и пренебрегая трением и внешним теплообменом ( ТdS = 0). Поскольку сила тяжести F gостается в круговом процессе практически неизменной, то, вынося F g за знак интеграла и учитывая, что d R g = 0, найдем, что сила тяжести F g сама по себе не может совершить никакой работы ( F g• d R g = 0). Иными словами, механика Ньютона, не учитывающая вращающего момента силы тяжести F g, с полным основанием отнесет рассматриваемую машину к “вечным двигателям”. Если же учесть третий член правой части (4), мы немедленно найдем, что работа цикла колеса Фрага W ц = đWj равна
W ц = M g• d φ g. (5)
Это выражение показывает, что работа цикла гравитационного конвертора может быть отличной от нуля, если гравитационное поле совершает работу по вращению колеса. Выясним теперь условия, делающие эту работу отличной от нуля. Для этого разобьем круговой интеграл (5) на участки 1–2 и 2–1, в пределах которых угол φ изменяется от 0 до180° и от 180° до 0. Представим подынтегральное выражение (4) для простоты через скалярные величины M и φ, и обозначим крутящий момент и угол поворта на этих участках цикласоответственно одним и двумя штрихами (M ΄, φ΄ и M ˝, φ˝). Тогда на основании (4) с учетом противоположного знака на этих участках моментов (M ˝= – M ΄) вместо (4) можем написать:
W ц = 
. (6)
Цикл такой установки в диаграмме M –φпоказан на рис. 3.
Предположим, что в начальный момент этот груз занимал крайнее нижнее положение (угол φ с вертикалью составляет 0°). Приложив внешнее усилие, повернем колесо против часовой стрелки на угол 180° так, чтобы плечо груза Rg ΄ и крутящий момент M ΄= F g΄ Rg ΄ оставались минимальными (процесс 1–2). При этом будет затрачена работа, выражаемая дважды заштрихованной площадкой. По достижении крайнего верхнего положения произойдет “переброска” груза, и дальнейшее вращение колеса будет происходить самопроизвольно (процесс 2–1). Совершаемая при этом работа, выражаемая заштрихованной площадкой под кривой 2–1, будет больше затраченной ввиду увеличения Rg ˝ и соответствующего ему среднего значения крутящего момента M ˝= F g˝ Rg ˝. В дальнейшем подъем грузов в процессе 1–2 будет осуществляться без вмешательства извне, поскольку среднее значение противодействующего момента M ˝ будет меньшим. Естественно, что при Rg ΄= Rg ˝, т.е. при отсутствии “разбаланса” мощность установки станет равной нулю в полном соответствии с теорией и опытом. В этом и состоит принцип действия самовращающихся колес, которые, таким образом, не нарушают никаких законов физики. Последнее обстоятельство означает, что исторически сложившееся чересчур поверхностное рассмотрение гравитационных конверторов, приведшее к отнесению их к разряду “вечных двигателей” [2], ошибочно. Разумеется, мощность таких конверторов чрезвычайно мала в связи с малой плотностью гравитационной энергии. Поэтому экономические показатели таких установок (в расчете на единицу их массы) делают их в большинстве случаев неконкурентоспособными. Однако это не останавливает энтузиастов. Полезно поэтому бросить ретроспективный взгляд на историю создания преобразователей гравитационной энергии и привести некоторые современные их конструкции [3].
Немного истории.
Идея создания “perpеtuum mobile” (вечно движущихся) технических устройств уходит своими корнями в философию Древнего Востока. Оттуда же исходят и первые документальные свидетельства о создании двигателей, использующих силу тяжести. Таково, в частности, “самовращающееся колесо” Бахаскара (Индия) с тангенциально-расположенными трубами, до половины заполненными водой, которое демонстрировалось в середине ХII в. В Европе первые проекты такого рода механических “вечных двигателей” относятся к ХIII в. (колесо с семью грузами В. Оннекура (V. de Honnecourt, Франция, 1245, Франция); аналогичное колесо В. Марикура (V. Маricourt, 1269, Франция). Ряд чертежей устройствтакого типа, где падающие вертикально вниз грузики или вода вращают колесо, производя полезную работу, оставил Leonardo da Vinci. В Италии в 1438 г. М. Жакопо построил систему из восьми стержней, радиально расположенных в плоскости вращения и сгибающихся в одном направлении. Благодаря этому левая половина системы отличается по весу от правой, обеспечивая вращение системы. В 1610 г. (предположительно) создал перпетуум-мобиле К. Дребель (Cornelis Drebbel), алхимик и маг. Большое количество устройств такого типа к 1630 г. разработал Р. Флад (Robert Fludd). Позднее, в 1870 г., многие пытались получить патенты на различные вариации устройства Фладда. В 1664 г. в Германии разработал “шариковый” перпетуум-мобиле У. Карнах (Ulrich von Carnach). В 1667–1748 гг. проект устройства флюидной энергии представил известный ученый Ж. Бернулли (Jean Bernoulli). В 1686 г. Боклер (Bockler) сконструировал “самовращающиеся мельницы”, используя различные варианты винтов Архимеда.
В Англии первый патент на перпетуум–мобиле был выдан в 1635 г. на четырехметровое колесо Э. Соммерсета (E. Somerset) с 14-ю грузами по 25 кг. Испытания машины с блеском прошли в Лондоне в присутствии короля Карла, о чем имеется запись в архивах. Одно из таких колес Е. Сомерсет демонстрировал в 1638 г. королю Франции. Характерно, что к 1903 г. в Англии было выдано уже 600 патентов на подобные устройства [4].
Наибольшую известность в начале XVIII века приобрело колесо Ж. Бесслера (J. Bessler), более известного как Орфериус (Orffyreus). На протяжении нескольких десятков лет он публично демонстрировал различные модели своего колеса, приводившегося в движение грузами внутри колеса, создававшими ассиметричный момент сил при его вращении. Последняя из его конструкций имела 6 футов в диаметре, 12 дюймов толщиной и вращалось со скоростью 42 об/мин. Это колесо не только поддерживало непрерывное вращение, но и позволяло совершать полезную работу, например, поднимать груз массой 16 кг на высоту 1.5 метра. Его работу неоднократно проверяли известные ученые и официальные лица, а немецкий принц Карл, посвященный в его устройство, выдал Орфериусу сертификат на “Вечный двигатель”. Под контролем компетентной комиссии из 11 человек (среди членов которой был профессор Грависант, близкий друг Ньютона) в 1717 г. колесо сорок дней проработало в замкнутом опечатанном помещении и при внезапной проверке было обнаружено по-прежнему вращающимся со скоростью 26 об/мин. Опыты многократно повторялись, при этом комиссией тщательно проверялась возможность существования скрытых приводов (для чего колесо меняло местоположение).
Как видим, созданием вечных двигателей занимались вовсе не шарлатаны. Поэтому вовсе не к чести одной из наиболее авторитетных в то время Парижской Академии Наук следует отнести ее решение в 1775 г. (т.е. задолго до открытия закона сохранения энергии) “раз и навсегда” не рассматривать такие проекты. Нелишне отметить, что ранее та же Академия отказалась рассматривать существование метеоритов, считая абсурдным возможность падения камней с неба. Всем известно, каким конфузом это обернулось. Вполне вероятно, что если бы французские академики не отмахнулись от внимательного и объективного рассмотрения подобных устройств, пути развития энергетики и науки в целом были бы иными. Однако в реальной жизни наблюдалась обратная картина: когда публично демонстрировалось работающее устройство, выдававшееся за “рerpеtuum mobile”, обоснованного опровержения не следовало, и обычно дело заканчивалось, как и в случае с колесом Орфериуса, журнальным памфлетом.
Такое положение дел сохранилось до настоящего времени. Тем не менее это не смогло остановить энтузиастов, упорно продолжавших настаивать на своей правоте. Одно из наиболее внушительных устройств такого рода (рис.4) построил недавно А. Коста (патент Франции №95/12421, 1995). Его 18-метровое несбалансированное колесо лучше всяких слов свидетельствует о серьезности подхода и об уверенности изобретателя в работоспособности создаваемой им конструкции. Это колесо работает на том же принципе и содержит 236 подвижных элементов, обеспечивающих его вращение. Оно может вращаться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Как отмечает изобретатель, главная трудность его изготовления состояла в том, чтобы получить изменение положения масс “в нужном месте и в нужное время”.
В 2006 г. энергетическая компания “Environ” объявила о готовности к выпуску на рынок генератора SPEGG, производящего электроэнергию без затрат топлива. Генератор представляет собой самовращающееся колесо “Warannlinc”, рис. 5, которое присоединяется к генератору тока и имеет 16 спиц, 8 из них содержат грузики, движущиеся поступательно и сжимающие при этом пружины. Колесо устроено так, что оно всегда тяжелее с одной стороны. Это нарушает равновесие колеса в поле тяжести, вынуждая его вращаться. Таким образом, великая идея использования неисчерпаемых “живых сил” природы имеет реальную основу.
Литература
1. Эткин В.А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии).- СПб.: Наука, 2008. 409 с.
2. БродянскийВ.М. Вечный двигатель - прежде и теперь. - М.: Физматлит, 2001. - 260 с.
3. Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель. М., 1922.
4. Михал С. Вечный двигатель вчера и сегодня. М.: Мир, 1984.
Дата публикации: 26 октября 2009
Источник: SciTecLibrary.ru