Гидравлические вечные двигатели

РЕФЕРАТ

Дисциплина: «История теплоэнергетики и теплотехники»

Наименование темы: «Вечный двигатель: история проблемы»

Вологда

2022 г.

Введение

Впервые вечный двигатель был упомянут, по доступным данным, в рукописи «Сиддхантасиромани», автором которой является математик Бхаскар в 1150м году. В книге шла речь о колесе со специальными полостями, заполненными ртутью. Утверждалось, что если такое колесо закрепить на оси и придать ему первоначальное вращение, то дальше оно будет вращаться вечно.

Особенно активный интерес к этой идее появился в 16м веке, когда началось бурное развитие машинного производства.

В книге итальянского философа Марко Антонио Зимара «Пещера медицинской магии» была описана вечная ветряная мельница. Идея состояла в том, чтобы напротив лопастей колеса поставить воздушные насосы, которые приводились бы в действие самим колесом.

В литературе того времени было много идей, основанных на использовании энергии воды. Основным элементом у многих являлся архимедов винт, а идея вечного движения была простой: архимедов винт поднимает воду из резервуара на какую-то высоту, эта вода падает на лопасти мельничного колеса, которое при этом вращается и приводит в движение винт.

Интересный факт: работая над вечным двигателем, Стевин в 1857 году, поставил эксперимент: Он соединил 14 шаров в одну цепь, накинул ее на трехгранную призму в надежде, что шары, скатываясь по наклонной грани, будут двигать всю цепь и создадут этим непрерывное её вращение, но, шары неподвижно зависали, в накинутом на призму положении. Зато эта неподвижная система навеяла Стевину идею равновесия. Данный результат и вошел в научную терминологию как закон равновесия сил на наклонной плоскости.

Вечные двигатели, в каком-то смысле, разрабатывались не только учеными, но и шарлатанами. Их соблазняла возможность получить сказочную прибыль, некоторые даже рисковали своими деньгами, а иногда и теряли их, когда двигателя не получалось. Часто также шарлатаны были вынуждены скрываться, когда их технические фокусы не удавались или разоблачались.

Механические вечные двигатели

Механик середины 17 века Сомерсет решил построить вечный двигатель невиданных до этого размеров. Намерения поддержал Карл 1. Было сооружено огромное колесо диаметром более 4 метра с размещенными по его периметру 14 грузами весом по 50 фунтов каждый. К сожалению, в сообщениях по этому опыту о результатах экспериментов подробно не говорится. Известно лишь, что к этому опыту учёный больше не возвращался.

Некоторое видоизменение машины Сомерсета представляет собой вечный двигатель, в котором откидывающиеся грузы заменены шарами, свободно перекатывающимися в клиновидных камерах, прикрепленных к ступице колеса. Автор исходил из предположения, что шары, подкатившиеся к внешнему краю колеса, будут обладать большим силовым моментом, чем шары, находящиеся в суженной части камер вблизи его оси.

В 60-х годах 18го века интересный вариант вечного двигателя с неуравновешенными шарами предложил Ульрих из Гранаха: для подачи шаров к верхней части ведомого колеса автор использовал архимедов винт.

Вечные двигатели с неуравновешенными шарами имели почти одинаковый принцип, а доставка шаров обратно в исходную точку их траектории осуществлялась различными способами. Так, в одном из вечных двигателей, шары поднимаются наверх с помощью бесконечной ленты с черпаками.

Многие попытки создания вечного двигателя, приводимого в действие силой тяжести различных масс, с самого начала исходили из неверного предположения о том, что для приведения такой машины в непрерывное движение достаточно сместить центр тяжести ее вращающейся части с оси вращения. Это ошибочное понимание закона тяготения имело своими главными причинами несколько консервативный взгляд на статику тел, а также почти полное отсутствие опыта практического применения новых законов динамики, установленных Галилеем.

Гидравлические вечные двигатели

Несмотря на свою простоту, водяное колесо обладало существенным недостатком - оно нуждалось в достаточном количестве проточной воды вне зависимости от времени года.

Именно поэтому популярностью пользовалась идея работы водяного колеса в замкнутом цикле, что позволило бы сделать его независимым от изменчивых водяных потоков и, тем самым, обеспечить более широкое его использование. Слабость этой идеи в том, что было неясно, как доставлять воду обратно к лотку, питающему лопатки.

Уилкинс описал свой вечный двигатель в сочинении «Математическая магия» 1648го года. Этот проект представляет собой нечто среднее между трехступенчатым водяным колесом и турбиной в тройном каскаде, сидящими на общем наклонном валу. Внутри этого вала размещался архимедов винт, поднимавший воду из нижнего резервуара на лопатки самого верхнего колеса.

Схемы сухих водяных мельниц на принципе гидравлического вечного двигателя никогда не были реализованы на практике. Об этом свидетельствует целый ряд проектов, отличающихся друг от друга некоторыми деталями конструкции. В попытках увеличить количество воды, подаваемой к верхнему лотку колеса, авторы подобных проектов часто прибегали к объединению двух или более архимедовых винтов.

Чтобы выяснить всю несостоятельность этих проектов, проанализируем кратко работу водяного колеса и проведем примерную оценку его энергетического баланса. Рассмотрим сначала водяное колесо с подачей воды сверху - этот единственный гидравлический двигатель, в котором непосредственно используется потенциальная энергия падающей воды. Действительно, находящаяся в верхнем лотке вода падает в ковши рабочего колеса и своей тяжестью заставляет их двигаться вниз до тех пор, пока колесо не повернется примерно на пол-оборота и вода не выльется в отводящий канал.

Диаметр водяных колес обычно выбирался приблизительно равным высоте используемого перепада уровней. Следовательно, в случае значительных перепадов водяное колесо теряло ряд своих преимуществ, поскольку оно становилось слишком большим и тяжелым. Колесо всегда располагалось строго над поверхностью воды в отводном канале, с тем чтобы при повышении уровня в нем нижний край колеса не оказывался бы в воде. Именно это обстоятельство не позволяло полностью использовать всю потенциальную энергию воды, определявшуюся теоретически только разностью высот верхнего и нижнего уровней. Общая сумма потерь даже у тщательно изготовленного водяного колеса с верхней подачей воды достигала примерно 20%, так что коэффициент полезного действия такого колеса никогда не превышал 80%.

В случае использования водяного колеса в качестве движущего элемента, приводимое им в действие перекачивающее устройство должно было доставлять к верхнему лотку ровно такое же количество воды, которое в тот же самый момент вытекало на лопатки самого колеса. Даже если при этом не учитывать потери в перекачивающем насосе, то потребляемая насосом мощность должна в точности соответствовать потенциальной энергии воды, которая определяется упомянутой разностью верхнего и нижнего уровней и которую никакое водяное колесо полностью использовать не может. Это обстоятельство уже само по себе доказывает, почему не может существовать сухая водяная мельница с замкнутым круговоротом воды.

Мнимые вечные двигатели

Сегодня уже никто не сомневается, что энергия перемещения масс воздуха ничего общего не имеет с теми тайными силами, которые являлись причиной вечного движения, даже если источником этих сил оказывалась сама природа Земли или целая Вселенная. Естественно, что колебания температуры внешнего воздуха зависят от солнечного излучения; с изменениями этой температуры в свою очередь тесно связаны характер перемещений атмосферных масс и изменения барометрического давления. Однако все эти процессы происходят лишь благодаря тому, что Солнце постоянно посылает на поверхность Земли все новые порции энергии. Эта энергия называется латентной (то есть протекает при незаметном изменении температуры) и она очень часто оказывалась тем источником, к которому почти всегда обращались изобретатели вечного двигателя. Устройства на этой энергии во многих случаях функционировали успешно, что побуждало общество рассматривать эти машины как доказательство осуществимости вечного движения в условиях Земли.

В 1815 году Рамис из Мюнхена придумал новый вечный двигатель. По существу, этот двигатель представлял собой электрический маятник, который качался на опоре, помещенной, между сферическими электродами двух электрических элементов Замбони, вставленных внутрь стеклянных столбиков. Верхнее удлиненное плечо маятника оканчивалось стеклянной палочкой с металлическим шариком на конце. При касании сферического электрода одного из элементов на шарик переходила небольшая часть его электрического заряда. Так как тела, несущие на себе одноименные заряды, отталкиваются, маятник отклонялся в другую сторону, где шарик притягивался электродом противоположной полярности, который в свою очередь забирал его заряд, и весь процесс повторялся вновь в обратном направлении. С помощью удачных усовершенствований конструкции Рамису удалось использовать этот способ для приведения в действие маятниковых часов, которые благодаря энергии, запасенной в электрических элементах, могли идти очень долгое время.

Ещё одна значительная часть мнимых вечных двигателей получала необходимую для своей работы энергию в результате изменений абсолютного давления земной атмосферы. Одним из самых первых проектов подобного рода был барометрический вечный двигатель англичанина Кокса, появившийся в 70е годы 18го века. Принцип действия этого устройства основывался на опыте Торричелли с заполненной ртутью трубкой. Главной частью машины Кокса являлся большой сосуд, в который было налито 200 кг ртути; его подвешивали на цепях и с помощью системы блоков уравновешивали специальным грузом. В этот сосуд с ртутью погружалась длинная стеклянная трубка с запаянным верхним концом, которую изобретатель перед запаиванием также наполнял ртутью до самого верха. При падении абсолютного давления земной атмосферы уровень ртути в трубке понижался, и часть ее вытекала в сосуд, который, утяжеленный весом вытекшей ртути, начинал опускаться; далее это движение передавалось на заводное колесо пружины часового механизма. Если атмосферное давление повышалось, тогда, наоборот, некоторое количество ртути выталкивалось обратно в трубку и противовес возвращал сосуд в исходное положение. Небольшого изменения давления внешнего воздуха оказывалось достаточно для завода часовой пружины на восьмисуточный запас хода.

В 1751 г. французский часовщик Ле-Плат построил оригинальные «вечные» часы: он взял обычные маятниковые часы и повесил их на стену со скрытым в ней воздушным каналом, сообщавшимся с комнатой через специальное отверстие. Когда двери в комнату открывались, более теплый, а потому и более легкий воздух из комнаты начинал проходить через канал в стене, выталкиваемый более холодным и более тяжелым наружным воздухом. На пути протекающего в канале воздуха Ле-Плат установил небольшую крыльчатку, приводившую во вращение передаточный механизм, который в свою очередь обеспечивал поднятие свинцовой гири часов.

Из приведенных примеров видно, что некоторые явления природы, по крайней мере внешне, оказываются в противоречии с повседневным опытом человека, — именно это обстоятельство являлось одной из причин возникновения иллюзий о возможности использования при создании вечных двигателей скрытых природных сил. Общество всегда стремилось создать вечный двигатель в тех условиях, в которых ещё не существовало точных формулировок законов и представления о том, как правильно их стоило применять. В наше время ситуация иная, но пока нам недостаёт ресурсов и знаний на реализацию подобной идеи.

Источники информации

1. https://xn--j1ahfl.xn--p1ai/library_kids/istoriya_vechnogo_dvigatelya_153256.html

2. https://studwood.net/1887689/matematika_himiya_fizika/istoriya_problemy

3. https://studwork.org/spravochnik/fizika/vechnye-dvigateli

4. https://www.mirf.ru/science/vechnyj-dvigatel-perpetuum-mobile/

5. 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