Вечный двигатель

Гидравлические ррт

Большое внимание, которое уделяли изобретатели ррт 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 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, ворота, дробилки, 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. Тут накопился достаточный опыт. Оставалась другая половина дела — 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 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 ррш (рис. 1.20). Горизонтальная линия внизу рисунка показы­вает уровень в резервуаре, из которого машина берет воду. Машина состоит из двух связанных между собой вращаю­щихся 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 ррш 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 количество воды на прежний уровень и только; ника­кой дополнительной работы она произвести не может. Для реальных условий проведенные им же исследования трения дали основания 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 работы «из ниче­го» (например, «мертвой воды») 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 ррш разрабатывали все новые их варианты, объясняя каждый раз свои неудачи теми или иными частными недоработками.

Классическим примером гидравлического ррш может служить машина, показанная на рис. 1.21. Более слож­ный вариант такого двигателя (рис. 1.22), используемого в практических целях, взят из книги Г. Беккера «Новый театр машин» изданной в Нюренберге (1661). Этот дви­гатель, предназначенный для вращения точильного камня, был предложен итальянцем Якобом де Страда в 1575 г. (по другим источникам — в 1629 г.). Из нижнего водоема S винтовой насос О шестерней, приводимой в движение от зубчатого колеса R, перекачивает воду в верхний лоток. Отсюда она сливается на колесо С, приводящее через вал

D в движение точильный камень. Через сложную систему передач (червяк и зубчатые колеса Е, G, L и R) колесо С приводит в движение и насос О. Для равномерности движения на вертикальном валу установлен маховик К.

Автор настолько уверен, что в поток А вода подается с избытком и ее хватит на все нужды, что через трубку Р сливает часть ее на смачивание точильного камня, у ко­торого работает мастер. Здесь сделано все, что может предусмотреть опытный конструктор. Но в машине, кото­рую он назвал «искусство верчения и кручения с двойной передачей», не учтено только одно обстоятельство: насос никогда не сможет поднять наверх столько воды, сколько нужно для рабочего колеса. Опыт каждый раз именно это и показывал.

Одно из ухищрений, призванных обойти трудности, со­стояло в том, чтобы заставить воду подниматься (и сли­ваться) в меньшем перепаде высот. Для этого предусматри­валась каскадная система из нескольких последовательно соединенных насосов и рабочих колес. Такая машина, описанная в книге уже известного нам Д. Уилкинса, пока­зана на рис. 1.23. Подъем воды осуществляется винтовым насосом, состоящим из наклонной трубы АВ, в которой вращается ротор LM, показанный внизу отдельно. Он при-

Рис. 1.22. Гидравлический двигатель для привода точильного камня

Водится в движение тремя рабочими колесами Я, /, К, вода на которые подается из трех расположенных каскадом со­судов Е, F, G. 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 ррш-1 на науку того времени!

«В первый раз, когда я подумал об этом изобретении, я с трудом удержался от того, чтобы подобно Архимеду не закричать «эврика».

Казалось, что, наконец, найдено легкое средство реализовать вечный двигатель», — писал он в 1684 г., вспоминая свои попытки создать гидравлический ррт из водяного колеса и винта Архимеда для подъема воды. Однако под влиянием экспериментальных неудач он нашел в себе силы провести теоретический анализ и перейти от беспочвенных фантазий к научному анализу.

Уилкинс 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 ррт он относил (и совершенно правильно) к тре­тьей группе.

В итоге Уилкинс написал четко и однозначно: «Я пришел к вы­воду, что это устройство не способно работать». Этот любитель на­уки — епископ — дал в XVII в. достойный пример того, как надо преодолевать заблуждения и находить истину. Если бы ему следовали дипломированные изобретатели ррш XX в.!

Среди других гидравлических ррш 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, которую патер демонстрировал в Варшаве (1661 г.), очень понравилась. Однако даже светские успехи титулованных изобретателей не могли скрыть того факта, что гидравлические ррш 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 использования 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 воды или масла из сосуда, расположенного выше, в другой, расположенный ниже (рис. 1.24, а). 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 сосудами существует разность уровней, высота столба жид­кости в длинном колене трубки больше, чем в коротком, на величину Я. Естественно, что 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 Падуи (Италия) Витторио Зонка. Она заключалась в том, чтобы сделать верхнее, короткое колено сифона толще — больше по диаметру (D d), как показано на рис. 1.24, б. 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

Рис. 1.24. Принцип действия сифонного гидравлического ppm: а — обычный сифон; б — «обратный» сифон с расширенным верхним ко­леном

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 ррт Зонки, показанный на рис. 1.25. Сифон забирал воду из, нижнего водоема справа в узкую трубу (правое колено сифона); вода из широкой трубы (левое колено сифона) сливалась в сосуд, располо­женный выше водоема, откуда она подавалась на водяное колесо и сливалась снова в водоем. Колесо через вал вра­щало мельничный жернов.

Эта оригинальная машина, естественно, работать не смогла, так как по законам гидравлики направление дви­жения жидкости в сифоне зависит только от высот стол­бов жидкости и не зависит от их диаметра. Однако во времена Зонки об этом четкого представления у практи­ков не было, хотя уже в работах Стевина по гидравлике вопрос о давлении в жидкости был решен. Он продемон­стрировал (1586 г.) «гидростатический парадокс» — да­вление в жидкости зависит только от высоты ее столба, а не от ее количества. Широко известным это положение стало позже, когда аналогичные опыты были вновь и бо­лее широко поставлены Блезом Паскалем (1623-1662 гг.). Но и они не были поняты многими инженерами и уче-

Ными, по-прежнему считавшими, что чем шире сосуд, тем больше давление содержащейся в нем жидкости. Жертвами подобных заблуждений были иногда даже люди, работавшие на самом переднем крае совре­менной им науки и техники. Примером мо­жет служить сам Дени Папйн (1647-1714 гг.)— изобретатель не только «папйнова котла» и пре­дохранительного клапа­на, но и центробежного насоса, а главное — первых паровых машин с цилиндром и порш­нем. Папйн даже устано­вил зависимость давле­ния пара от температуры и показал, как получать на ее основе и вакуум, и повышенное давление. Он был учеником Гюй­генса, переписывался с Лейбницем1 и другими

Крупными учеными своего времени, состоял членом ан­глийского Королевского общества и Академии наук в Не­аполе. И вот такой человек, который по праву считается крупным физиком и одним из основоположников совре­менной теплоэнергетики (как создатель парового двига­теля), работает и над вечным двигателем! Мало этого, он предлагает такой ррш, ошибочность принципа которого была совершенно очевидна и современной ему науке. Он публикует этот проект в журнале «Философские труды» (Лондон, 1685 г.).

Идея ррш Папйна очень проста — это по существу пе­ревернутая «вверх ногами» труба Зонки (рис. 1.26). По­скольку в широкой части сосуда вес воды больше, его сила должна превосходить силу веса узкого столба воды в тон­кой трубе С. Поэтому вода будет постоянно сливаться из

Который и подсказал Д. Папйну идею сочетания поршня с цилин­дром.

Конца тонкой трубки в широкий сосуд. Остается только подставить под струю водяное колесо и ррт готов!

Очевидно, что на самом деле так не получится; поверхность жидкости в тонкой трубке уста­новится на том же уровне, что и в толстой, как в любых сооб­щающихся сосудах (как в правой части рис. 1.26).

Судьба этой идеи Папйна была той же, что и других вари­антов гидравлических ррт. Ав­тор к ней больше никогда не воз­вращался, занявшись более по­лезным делом — паровой машиной.

История с изобретением Д. Папйном наталкивает на вопрос, по­стоянно возникающий при изучении истории ррт: чем объяснить по­разительную слепоту и странный образ действий многих весьма образо­ванных и, главное, талантливых людей, возникающие каждый раз, как только дело касается изобретения ррт?

Мы вернемся к этому вопросу в дальнейшем. Если же продолжить разговор о Папйне, то непонятно и другое. Мало того, что он не учи­тывает уже известные законы гидравлики. Ведь в это время он был на должности «временного куратора опытов» при Лондонском коро­левском обществе. Папйн мог при своих экспериментальных навыках легко проверить предложенную им идею ррт (так же, как он проверял другие свои предложения). Такой эксперимент легко поставить за пол­часа, даже не располагая возможностями «куратора опытов». Он этого не сделал и почему-то отправил статью в журнал, ничего не проверив. Парадокс: выдающийся ученый-экспериментатор и теоретик публикует проект, противоречащий уже утвердившейся теории и не проверенный экспериментально! Этот пример — не единственный. Далее, вплоть до нашего времени, мы будем встречаться с не менее парадоксальными случаями в том же роде.

В дальнейшем было предложено еще много гидравли­ческих ррт и с другими способами подъема воды, в част­ности капиллярных и фитильных (что, собственно, одно и то же) [2.4-2.6]. В них предлагалось жидкость (воду или масло) поднимать из нижнего сосуда в верхний по смачи­ваемому капилляру или фитилю. Действительно, поднять жидкость на определенную высоту таким путем можно, но те же силы поверхностного натяжения, которые обусло­вили подъем, не дадут жидкости стекать с фитиля (или капилляра) в верхний сосуд.

В заключение этого параграфа рассмотрим еще один, весьма оригинальный ррт, предложенный не менее выда­ющимся человеком, чем Д. Папйн, — математиком Иоган­ном Бернулли (1667-1748 гг.), одним из трех знаменитых ученых, принадлежавших к этой фамилии.

Идея двигателя осно­вана на использовании явления осмоса. Осмос (по-гречески «толчок, да­вление») возникает, ко­гда две разные жидко­сти разделены так называ­емой полупроницаемой пе­регородкой. Такие пере­городки проницаемы для одного вещества, но не­проницаемы для другого. Они известны с очень дав­них времен. Животный пу­зырь, например, пропус­кает воду, но не пропус­кает соль или сахар. Если собрать устройство, показанное на рис. 1.27, а, и во вну­тренний сосуд, погруженный в воду, налить раствор, на­пример, соли, то вода будет просачиваться во внутренний сосуд. Уровень в трубке будет повышаться до тех пор, пока давление раствора на дне трубки не станет равным так на­зываемому осмотическому давлению. Это давление, опре­деленное для каждого раствора, препятствует дальнейшему проникновению воды через перегородку; в трубке устана­вливается определенный уровень h. В этом и проявляется осмос. Именно он определяет разбухание семян, погру­женных в воду, подъем воды из почвы по стволам деревьев и многие другие биологические процессы.

Бернулли считал, что осмотическое давление можно ис­пользовать для непрерывного поднятия воды с нижнего уровня на верхний. Он основывался на своей теории проис­хождения речной воды из морской. По его мнению, соленая морская вода, проходя через слои земли, пропускающие воду (но не пропускающие соль), превращается в пресную, поднимается наверх и снова стекает в море в виде рек. Та­кая постоянная циркуляция воды представляла собой яв­ный perpetuum mobile naturae, поэтому совершенно есте­ственна была мысль создать соответствующий ppm artificae.

Таким образом, говоря современным языком, Бернулли считал верхний слой земли полупроницаемой перегород­кой; но даже если бы он обладал этим свойством, то прес­ная вода просачивалась бы в море, а не наоборот. (Мор­ская вода, как известно, опресняется путем испарения и попадает в реки через атмосферу в виде осадков.)

Легко показать, что осмотическое давление нельзя ис­пользовать для подъема воды в гидравлическом ррш. Сде­лаем так, как предлагал Бернулли: срежем трубку внутрен­него сосуда на высоте h < h (т. е. ниже того уровня h, который обеспечивается осмотическим давлением). То­гда вода действительно будет стекать с верхнего уровня на нижний (рис. 1.26,6).

Казалось бы, цель достигнута — вода будет вытекать вечно. Но радоваться рано — струя стекающей жидкости постепенно уменьшается и через некоторое время иссякает совсем. Объясняется это очень просто — ведь сливается не чистая вода, а раствор соли!

Постепенно во внутреннем сосуде раствор будет разба­вляться поступающей через перегородку чистой водой, а во внешнем — засоляться. Когда концентрации раствора с обеих сторон перегородки сравняются, вся система при­дет в равновесие и процесс прекратится; соляной раствор станет такой же «мертвой водой», как та, о которой писал Леонардо да Винчи. Чтобы возобновился процесс осмоса, нужно раствор во внутреннем сосуде все время солить, а во внешнем, напротив, опреснять. Но тогда это уже будет не ррш, а своеобразный «солевой двигатель», который по­стоянно надо питать солью и пресной водой (так же, как тепловой двигатель топливом и воздухом).

Мы кратко рассмотрели историческую обстановку, оп­ределившую название и развитие идеи ррш, основные виды вечных двигателей, а также дискуссию между их сторонни­ками и противниками. Все это относится к тому периоду, когда представление об энергии и ее сохранении или во­обще отсутствовало, или только формировалось примени­тельно к механике. Однако это рассмотрение будет неза­вершенным, если в нем не отразить историю вечного дви­гателя Эрнста Бесслера (Орфиреуса) и связанные с ней события. Она происходила в первой половине XVIII в. и завершает, по существу, первый период истории ррш. В ней, как в зеркале, отразились технические, научные и даже психологические аспекты истории ррш; многие из них сохранили значение и до нашего времени.