Как изобретали вечный двигатель
Идея вечного движения и неудержимое стремление к созданию устройств, которые будут способны преодолеть второй закон термодинамики, до сих пор будоражит воображение тысяч изобретателей. Perpetuum mobile занимает в истории науки и техники особое и очень заметное место, несмотря на то что изобрести его так и не удалось, и многие солидные ученые считают, что сделать это не удастся никогда. Но сам парадоксальный интерес к двигателю можно объяснить тем, что в поисках невозможного можно найти рабочие законы физики и энергии. Борьба верующих в вечный двигатель и их оппонентов стала почвой, где проросла современная механика и термодинамика. Но, даже несмотря на то, что учебники уже написаны, желающих найти источник вечной энергии ничуть не убавилось.
Лунная сила
Впервые, идея об устройстве, которое могло бы приводить в движение машины, не используя ни мускульную силу людей и животных, ни силу ветра и падающей воды, возникла в Индии в XII в. Но по-настоящему сильный интерес к этой теме проявился в позднем Средневековье в Европе. Это было обусловлено практической необходимостью. Количество населения росло, потребление также не стояло на месте, и ремесленникам нужны были двигатели, которые могли бы приводить в движение кузнечные меха, подавать воздух в горны и печи, водяные насосы, крутить мельницы, поднимать грузы на стройках. Средневековая наука не была готова к тому, чтобы хоть как-то помочь этим поискам. Привычных нам представлений, связанных с энергией и законами ее превращений, в то время еще не было. Естественно поэтому люди, мечтавшие создать универсальный двигатель, опирались прежде всего на то вечное движение, которое они видели в окружающей природе: движение солнца, луны и планет, морские приливы и отливы, течение рек. Такое вечное движение называлось «perpetuum mobile naturae» — естественное, природное вечное движение. Существование такого природного вечного движения со средневековой точки зрения неопровержимо свидетельствовало о возможности создания и искусственного вечного движения — «perpetuum mobile artificae». Надо было только найти способ перенести существующие в природе явления на искусственно созданные машины.
Люди, мечтавшие создать универсальный двигатель, опирались прежде всего на то вечное движение, которое они видели в окружающей природе: движение солнца, луны и планет, морские приливы и отливы, течение рек.
В результате такого переноса слово «perpetuum» («вечный») приобрело в этом термине несколько иной смысл. Применительно к технике оно уже означало не «бесконечный», а скорее «непрерывный», «постоянно действующий». Было очевидно, что любая искусственная машина, созданная человеком, не вечна, она в конце концов неизбежно износится. Но пока двигатель существует — он постоянно должен действовать. Таким образом, русский термин «вечный двигатель» не совсем точно отражает понятие.
Первые пробы
В Европе первые шаги по разработке вечного двигателя связаны с именем Виллара д'Оннекура — французского архитектора и инженера. Как и большинство деятелей того времени, он занимался и интересовался многими делами; строительством соборов, созданием грузоподъемных сооружений, пилы с водяным приводом, военной стенобитной машины и даже дрессировкой львов. Он оставил дошедшую до наших дней «Книгу рисунков» — альбом с записями и чертежами (ок. 1235-1240 г.), который хранится в Парижской Национальной библиотеке. Представляет интерес прежде всего то обстоятельство, что в этом альбоме приведены рисунок и описание первого из достоверно известных проектов perpetuum mobile.
Идея колеса с грузами или тяжелой жидкостью, неравномерно распределенными по окружности колеса, оказалась очень живучей. Она разрабатывалась в самых различных вариантах многими изобретателями в течение почти шести веков и породила целый ряд механических двигателей.
Выход магнита
Вторая, не менее интересная идея вечного двигателя возникла тоже в XIII в. и также породила большую серию изобретений. Речь идет о магнитном perpetuum mobile, предложенном Петром Пилигримом из Мерикура в 1269 г. В отличие от практика-инженера д'Оннекура Петр Пилигрим все же был больше «теоретиком», хотя занимался и экспериментами; поэтому его проект perpetuum mobile выглядит скорее как принципиальная схема, чем как чертеж.
Англичанин Эдуард Соммерсет, тоже разработавший механический perpetuum mobile в виде колеса с твердыми грузами и в 1620 г. построивший его, принадлежал, в отличие от своих предшественников, к самым аристократическим кругам общества. Он носил титул маркиза Вустерширского и был придворным короля Карла I. Это не мешало ему серьезно заниматься механикой и разными техническими проектами. Эксперимент по созданию двигателя был поставлен с размахом. Мастера изготовили колесо диаметром 14 футов (около 4 м); по его периметру были размещены 14 грузов по 50 фунтов (около 25 кг) каждый. Испытание машины в лондонском Тауэре прошло с блеском и вызвало восторг у присутствующих, среди которых были такие авторитеты, как сам король, герцог Ричмондский и герцог Гамильтон. К сожалению, чертежи этого ppm до нас не дошли, так же как и технический отчет об этом испытании; поэтому установить, как оно проходило по существу, нельзя. Известно только, что в дальнейшем маркиз этим двигателем больше не занимался, а перешел к другим проектам.
«Таинственные силы, заставляющие магнит притягивать железо, родственны тем, которые заставляют небесные тела двигаться по круговым орбитам вокруг Земли. Следовательно, если дать магниту возможность двигаться по кругу и не мешать ему, то он при соответствующей конструкции реализует эту возможность».
Александро Капра из Кремоны (Италия) описал еще один вариант perpetuum mobile в виде колеса с грузами. Двигатель представлял собой колесо с 18 расположенными по окружности равными грузами. Каждый рычаг, на котором закреплен груз, снабжен опорной деталью, установленной под углом 90 градусов к рычагу. Поэтому грузы на левой стороне колеса, находящиеся по горизонтали на большем расстоянии от оси, чем справа, должны всегда поворачивать его по часовой стрелке и заставлять непрерывно вращаться. Несколько позже появились и perpetuum mobile третьего вида — гидравлические. Идеи, положенные в их основу, не были новыми и опирались на опыт античных водоподъемных сооружений и средневековых водяных мельниц.
Век гидравлики
Гидравлические двигатели были широко распространены в средневековой Европе. Водяное колесо служило, по существу, основной базой энергетики средневекового производства вплоть до XVIII в. 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, ворот, дробилок, воздуходувных мехов, станков, лесопильных рам и т. д. 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 — как использовать напор воды — была ясна.
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 великие умы понимали, что это невозможно, и одним из первых среди них был универсальный гений — Леонардо да Винчи. В его тетрадях был найден эскиз гидравлического perpetuum mobile.
Машина состоит из двух связанных между собой вращающихся устройств A и B, 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.
Направление на космос
Средневековая идея применения для создания двигателя сил тяжести не исчезла со временем — она дожила до XX века и была использована в самом передовом направлении техники — для космических полетов. Правда, это произошло в фантастическом романе Г. Уэллса «Первые люди на Луне» (1901 г.). Его герой Кэйвор изобрел необычайный материал — «кэйворит», сделанный из «сложного сплава металлов и какого-то нового элемента — кажется, гелия». Этот материал был непроницаем для тяготения. «Какие чудеса, какой переворот во всем!» — восклицает другой герой книги — Бэдфорд. «Например, для поднятия тяжести, даже самой громадной, достаточно было бы подложить под нее лист нового вещества и ее можно было бы поднять соломинкой». Нетрудно представить себе, что самое обыкновенное колесо, даже без хитрых грузов, стало бы само вращаться со страшной скоростью, если бы под одну его половину положить лист «кэйворита». Половина его, сохранившая вес, всегда перетягивала бы другую, ставшую невесомой.
Борцы с Ньютоном
Идея создания вечного двигателя в буквальном смысле сегодня отошла на задний план, но желающих победить законы Ньютона достаточно и сегодня. Так, например, произошло с EmDrive — двигателем, который разработал и испытал в 2002 году британский инженер Роджер Шойер.
Если взять волновод цилиндрический, то распространение волн в обоих его концах было бы одинаковым. Но если изменить форму волновода, сделать эту трубу конической, то произойдет интересная вещь – в широкой части кванты микроволн будут двигаться свободнее, нежели в узкой части, где они будут чаще отражаться от стенок волновода. И возникнет тяга, направленная в сторону узкого конца.
Возможно, «ведро» Шойера требует применения специальной теории относительности и появление тяги связано с не до конца изученными процессами на уровне квантовой физики.
Тем не менее она, пусть и небольшая, все же наблюдается, о чем и говорят последние исследования ученых из Дрезденского технологического университета под руководством Мартина Таймара – профессора и заведующего кафедрой космических систем. Ранее, в 2014 году, группа по изучению реактивных систем под руководством Гарольда Уайта из Центра космических исследований Джонсона также исследовала EmDrive и получила обнадеживающие результаты.
