Л.Э.ГЕНДЕНШТЕЙН,
ИСМО РАО, г. Москва

genden@list.ru

От великого заблуждения к великому открытию

(Рекомендуем посмотреть сайт http://pm.far-for.net, где дан материал о более чем сотне вечных двигателей. Почти все рисунки мы взяли именно с этого сайта. – Ред.)

Почему попытки построить вечный двигатель были такими упорными?

Стоит ли всякого, кто в прежние века пытался построить вечный двигатель, считать неграмотным или сумасшедшим? Вряд ли, ведь вечное движение люди видели вокруг себя! По небу вечно движется Солнце, Луна и планеты, вечно вращается вокруг своей оси Земля… Вечно текут реки, и вечно бегут гонимые ветром облака… Люди даже научились использовать вечное движение воды и ветра, построив водяные и ветряные мельницы.

Поэтому неудивительно, что умами учёных и инженеров завладела дерзкая мысль: если вечное движение существует в природе, значит, и человек может создать вечный двигатель и заставить его служить себе! Размышления о создании вечного двигателя не давали покоя многим, даже знаменитому итальянскому художнику и изобретателю Леонардо да Винчи.

С развитием производства потребность в двигателях становилась всё сильнее, а тепловых двигателей ещё не было. А после того, как их изобрели, они долгое время оставались слишком дорогими. Знаменитая картина художника Ильи Репина «Бурлаки на Волге» показывает, как трудно было обходиться без двигателей.

Изобретателя вечного двигателя ожидала вечная слава, к тому же казалось, что великое открытие само идёт в руки. Например, раскрутив тяжёлое колесо, посаженное на хорошо смазанную ось, можно было наблюдать, что колесо крутится очень долго. Казалось, стоит приложить немного смекалки и технического мастерства, изменив конструкцию колеса так, чтобы одна его половина всегда перевешивала другую, и «очень долго» превратится в «вечно». Более того: такое «вечное колесо» будет не только крутиться само по себе, но сможет приводить в движение мельницу или станок, то есть станет вечным двигателем!

Однако все попытки создать вечный двигатель неизбежно заканчивались неудачей. Учёные и инженеры того времени не замечали принципиального различия между вечным движением и вечным двигателем.

В чём же состоит это различие? Вечное движение возможно, если полностью устранить трение. Таким, например, является движение по инерции, когда на тело не действуют другие тела: при этом тело движется вечно с постоянной скоростью. И колесо вращалось бы вечно, если бы можно было устранить трение полностью.

Однако даже при полном отсутствии трения вечный двигатель, т.е. устройство, которое совершало бы работу без потребления энергии, был бы невозможен. Сегодня мы знаем, что это следствие закона сохранения энергии. Но, как мы скоро увидим, этот великий закон обязан своим открытием… именно несостоявшимся вечным двигателям!

Загадки и разгадки «вечных двигателей»

Знакомство с остроумными проектами «вечных двигателей» и нахождение ошибок, неизбежно присутствующих в каждом из них, – вовсе не пустая трата времени! Во-первых, это интересно, а во-вторых, предоставляет прекрасную возможность повторить и применить изученные вами закономерности механических явлений.

Самый древний из известных сегодня проектов вечного двигателя принадлежит индийскому поэту, математику и астроному Бхаскаре, жившему в XII в.

На колесе укреплены длинные закрытые сосуды, наполовину наполненные ртутью. Сосуды расположены под углом к радиусу колеса, поэтому при любом положении колеса в его левой части находится больше ртути, чем в правой. Следовательно, по замыслу изобретателя, колесо должно вращаться против часовой стрелки. В чём состоит ошибка проекта?

В правой части колеса ртути действительно меньше, чем в левой, но зато эта ртуть находится дальше от оси. Расчёт показывает, что моменты сил, с которыми действует на колесо ртуть в левой и в правой частях колеса, в точности уравновешивают друг друга. Поэтому вследствие правила моментов колесо будет находиться в равновесии.

Заманчивая идея построить колесо, которое не может находиться в равновесии и поэтому будет вращаться вечно, идёт сквозь века, покоряя одну страну за другой. Один из первых европейских изобретателей «вечных колёс» – французский архитектор Вийяр д’Оннекур жил в XIII в. Автор был настолько уверен в своем изобретении, что писал: «Многие искусные мастера пытались изобрести колесо, которое вращалось бы само по себе. Вот способ, как создать такое колесо с помощью нечётного числа деревянных молоточков». Рассмотрим этот проект, который привлекал внимание в течение нескольких столетий.

На колесе расположены 7 перекидывающихся молоточков. При любом положении колеса с одной его стороны будут 3 молоточка, а с другой – 4. По замыслу автора, из этого следует, что колесо не сможет находиться в равновесии, т.к. 3 молоточка не могут уравновесить 4 таких же. В чём ошибка проекта?

3 молоточка могут уравновесить 4, если равны моменты сил, вращающих колесо в противоположные стороны.

Любопытно, что более поздние изобретатели «вечных колёс» приводили доводы, противоположные доводам первых изобретателей, – теперь они отдавали предпочтение именно моменту сил! Таков, например, проект, предложенный итальянским инженером Жакопо, жившим в эпоху Возрождения (XV в.).

На колесе укреплены откидывающиеся рычаги. При откидывании рычага момент силы, действующей на колесо со стороны этого рычага, увеличивается, вследствие чего, по замыслу автора (Мариано ди Жакопо из Сиены, 1438 г.) правая часть колеса должна всегда перевешивать левую. В результате колесо должно вращаться вечно. В чём ошибка проекта?

Если подсчитать, сколько рычагов находится с каждой стороны колеса, то мы увидим, что слева рычагов больше! Расчёт показывает, что моменты сил, вращающих колесо в противоположные стороны, в точности равны.

В последующие века изобретатели «вечных колёс» иногда заменяли переливающуюся ртуть и откидывающиеся рычаги перекатывающимися шарами.

Таким, например, был один из проектов Леонардо да Винчи. Как и все другие, он не работал, но выглядел красивее других, – как-никак его создателем был не только великий изобретатель, но и великий художник!

Замечательной простотой подкупает проект «вечного двигателя» с ремнём (или тяжёлой цепью), левая и правая части которой имеют разную
длину.

По замыслу авторов, более длинная часть ремня (цепи) должна постоянно перевешивать более короткую часть, вследствие чего цепь не может находиться в равновесии. Опускаясь вниз, правая часть цепи будет вечно вращать колёса, приводя в движение какой-нибудь механизм. В чём ошибка этого проекта?

Колёса 1 и 2 «поддерживают» правую, более длинную часть ремня, вследствие чего обе части ремня в точности уравновешивают одна другую.

«Изобретатели» вечных двигателей не забыли, конечно, и о законе Архимеда! Вот один из проектов.

Вращающийся на оси деревянный барабан частично погружён в воду. По замыслу авторов, на погружённую в воду часть барабана действует, согласно закону Архимеда, выталкивающая сила, направленная вверх. Поэтому барабан должен вечно вращаться. В чём ошибка проекта?

Силы давления воды направлены перпендикулярно поверхности барабана, т.е. к его оси. На рисунке жирными стрелками изображены силы, действующие на разные участки погружённой в воду части барабана. Видно, что эти силы не вращают барабан, а только стремятся искривить ось, на которую он посажен.

Тут может возникнуть вопрос: а разве выталкивающая сила – равнодействующая сил давления воды – не должна быть обязательно направлена вверх? Дело в том, что равнодействующая сил давления воды на все участки поверхности тела направлена вверх, если тело погружено в воду полностью. В данном же случае барабан погружен в воду только частично.

А вот проект «вечного двигателя» Дени Папена. Автор был уверен, что вода в широкой части сосуда будет постоянно перевешивать воду в более узкой его части. В результате жидкость будет выдавливать саму себя в узкую часть сосуда, из которой она выливается в тот же сосуд, и должна возникнуть непрерывная циркуляция воды.

Изобретатели «вечных двигателей» не ограничились, конечно, только механическими явлениями (включая гидростатику). Ещё в 1570 г., до появления знаменитой книги Уильяма Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле», в которой впервые были обобщены первые результаты исследования магнитных явлений, иезуит Иоганн Тэснериус предложил проект вечного двигателя, основанный на притяжении стальных или чугунных шаров магнитом. На приведённом рисунке изображён этот проект – гениальный по своей простоте, но всё равно не работающий.

Вот что написал о нём другой церковник, епископ Уилкинс, также уделивший много внимания проблеме вечных двигателей в книге с характерным для того времени названием «Математическая магия»: «Среди всех изобретений этого рода наиболее достоверным представляется устройство, в котором природный магнит притягивает стальное ядро, движущееся вверх по наклонной плоскости. Приблизившись к магниту, ядро падает вниз через отверстие на плоскости и затем возвращается к тому месту, откуда началось его движение. Далее магнит снова начинает притягивать ядро, заставляя его двигаться вверх до тех пор, пока оно снова не достигнет отверстия и не упадёт вниз. Движение ядра будет вечным, что легко понять, глядя на рисунок». Последняя фраза типична для догалилеевского периода развития науки, опирающегося, следуя древним, на умозрительные доводы, а не на эксперимент. И рисунок, согласитесь, завораживает своей убедительностью! Впрочем, сегодня ошибка этого проекта очевидна: если магнит притянет шар, и он вкатится до верха наклонной плоскости, то тот же самый магнит уже не «отпустит» шар и не даст ему скатиться по вогнутой поверхности. Убедиться в этом проще простого: достаточно поставить опыт.

Было предложено также немало проектов, комбинирующих вечные колеса и силу магнитов, – например, по спицам «вечного колеса» скользили намагниченные бруски, на которые действовали магниты. Конструирование подобных вечных двигателей стало своего рода народным хобби. Так, шотландский башмачник Спенс изготовил «вечный двигатель», в котором использовались магниты, причём его «действующая модель» была настолько убедительной, что известный физик Дэвид Брюстер, тот самый, который открыл закон Брюстера, относящийся к поляризации света, написал об изобретении Спенса в научном журнале «Анналес де хими» в 1818 г.: «Мистер Плэйфер и капитан Катер осмотрели обе машины и с удовлетворением пришли к выводу, что проблема вечного движения решена».

Брюстер был далеко не единственным серьёзным учёным, поддавшимся очарованию идеи вечных двигателей. Он всего лишь «одобрил» проект, предложенный башмачником, а вот такие выдающиеся учёные, как Иоганн Бернулли и Роберт Бойль, сами предлагали проекты вечных двигателей!

Предложенный Бернулли проект был также гениально прост, о чём свидетельствует приведённый рисунок. В сосуд, в котором находится смесь тяжёлой и лёгкой жидкостей, опущена трубка. Верхний конец трубки открыт, а нижний закрыт мембраной, пропускающей внутрь трубки только более лёгкую жидкость из смеси. Тогда под действием давления более тяжёлой смеси оказавшаяся в трубке лёгкая жидкость будет подниматься. И если правильно подобрать высоту трубки, а также соотношение плотностей жидкостей, то, по рассуждению Бернулли, сформулированному со строгостью математической теоремы, лёгкая жидкость поднимется настолько, что будет выливаться из трубки, что и приведёт к вечному круговороту, и «таким образом, движение жидкости будет вечным». А как же опыт? Опыт, считал Бернулли, не только уже поставлен – он продолжает проводиться самой природой «ныне, присно и во веки веков»! Это, по мнению учёного, не что иное, как круговорот воды в природе: Бернулли утверждал, что непрерывный подъём воды в горы и стекание рек в моря обусловлено разностью плотностей солёной и пресной воды.

А Роберт Бойль тот же самый круговорот воды в природе объяснял действием капиллярных сил. И был уверен, что их использование и в самом деле может быть использовано для создания вечного двигателя, гравюра с изображением которого приведена слева. Поднимающаяся по капилляру жидкость должна, по мнению изобретателя, выливаться обратно в сосуд, если длина капилляра не слишком велика.

Польза от «вечных двигателей» всё-таки была!

Можно ли утверждать, что предпринимавшиеся на протяжении нескольких веков попытки построить вечный двигатель были безрезультатными? Вовсе нет! История науки свидетельствует, что отрицательный результат оказывался порой не менее полезным, чем положительный: неудачи заставляли учёных по-новому взглянуть на проблему, что приводило к важным открытиям. Именно такой счастливый конец, как мы сейчас увидим, имела и многовековая история изобретения «вечного двигателя».

Проследим основные вехи этой истории.

Многие годы посвятил изобретению вечного двигателя Леонардо да Винчи, и с каждым новым проектом он всё глубже постигал стоявшую перед ним проблему. Начал он со схем «вечного колеса» (об одном из его проектов мы рассказали выше). Его, конечно, постигает неудача, но он не сдаётся: «Препятствия не могут согнуть меня. Любое препятствие вызывает усилие».

Леонардо пробует использовать выталкивающую силу воды, водяное колесо, Архимедов винт, с помощью которого древние греки поднимали воду для орошения полей. Леонар до всё ещё уверен в успехе, возле одного из своих чертежей он пишет: «Вода возвращается… и этот процесс повторяется неограниченно долго».

Но неудача сменяется неудачей. И тогда Леонардо производит точный расчёт моментов сил для проекта «вечного колеса». Он приходит к выводу: «Суммарный момент сил, вращающих колесо в одну сторону, в точности равен суммарному моменту сил, вращающих колесо в другую сторону». Для того времени это было серьёзное научное открытие, и своим рождением оно обязано проблеме вечного двигателя. Но Леонардо делает и следующий шаг. Он пишет: «Я пришёл к выводу о невозможности существования “вечного колеса”. Поиск источника вечного движения – одно из самых глубоких заблуждений человека».

Итак, в результате своих поисков вечного двигателя Леонардо подходит фактически к открытию закона сохранения энергии: ведь от невозможности вечного двигателя до сохранения энергии всего один шаг! Но чтобы совершить его, понадобилось более трёх веков…

В конце XVI в. нидерландский математик и инженер Симон Стевин предлагает рассмотреть чертёж, ставший знаменитым под названием «Чудо и не чудо». Его можно рассматривать как один из проектов вечного двигателя: кажется, что 2 шара справа не могут уравновесить 4 шара слева, вследствие чего цепочка шаров должна вечно вращаться против часовой стрелки.

Но Стевин был учёным, а не изобретателем вечных двигателей! Поэтому исходя из невозможности вечного двигателя Стевин делает открытие: он находит условия равновесия тел на наклонной плоскости!

На примерах Леонардо да Винчи и Стевина мы видим, как менялось отношение к проблеме вечного двигателя: если ранее учёные и инженеры пытались построить вечный двигатель, считая условия равновесия известными, то теперь они стали находить условия равновесия, исходя из невозможности вечного двигателя.

Однако главный вывод из невозможности создания вечного двигателя сделал Роберт Майер, открыв закон сохранения энергии. Оказывается, Майер пытался построить вечный двигатель*, будучи ещё десятилетним мальчиком! Его постигла неудача – так же, как и всех других изобретателей. Но в отличие от них Майер сделал только одну попытку и более десяти лет размышлял над причинами неудачи. В письме к другу он писал, что эти раздумья и новые наблюдения и привели его к открытию закона сохранения энергии.

Герман Гельмгольц – второй учёный, независимо открывший закон сохранения энергии, – также говорил, что на мысль о сохранении энергии его навели многовековые неудавшиеся попытки создать вечный двигатель.

Интересно, что невозможность вечного двигателя признавалась многими учёными задолго до открытия закона сохранения энергии. Например, Парижская академия наук ещё в 1775 г. (примерно за 70 лет до открытия закона сохранения энергии!) приняла решение не рассматривать проекты «вечных двигателей». В решении Академии записано: «Построение вечного двигателя абсолютно невозможно… При отсутствии трения тело, приведённое в движение, постоянно бы в нём оставалось, но не передавало бы силу другому телу. Поэтому такое вечное движение оказалось бы совершенно бесполезным с точки зрения практической». Как следует из этих слов, французские академики хорошо понимали различие между вечным движением и вечным двигателем!

С появлением сравнительно недорогих паровых машин активность изобретателей «вечных двигателей» заметно снизилась: казалось, что эти машины осуществили вековую мечту человечества о дешёвом и мощном двигателе. Ведь залежи угля казались тогда неисчерпаемыми, нефть и газ ещё даже не начинали добывать, а о загрязнении окружающей среды никто и не помышлял!

«Изобретатели»-обманщики

Большинство изобретателей «вечного двигателя» искренне верили в то, что их ждёт успех. Но были среди них и такие, кто в погоне за деньгами и славой пускался на обман. Их излюбленный приём – скрыть внутри своей таинственной машины настоящий источник энергии, например, сжатую пружину или даже человека.

В чём ошибка проекта «вечного двигателя», схема которого изображена на рисунке?

Литература

Орд-Хьюм А. Вечное движение. История одной навязчивой идеи. – М.: Мир, 1980.

Михал С. Вечный двигатель вчера и сегодня. – М.: Мир, 1984.

Могилевский М.А. Леонардо да Винчи и принцип невозможности вечного двигателя. – Квант, 1999, № 5.

_________________

* Этот проект Майера представлял собой комбинацию водяного колеса с Архимедовым винтом. Не так уж это просто для десятилетнего мальчугана, даже очень смышлёного!