Гидравлические вечные двигатели .

Большое внимание, которое уделяли изобретатели вечных двигателей 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 века

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 так далее. 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 — использовать напор воды — была ясна. Тут накопился достаточный опыт. Оставалась другая половина — 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 умы понимали, что это невозможно; одним из первых среди них был универсальный гений — Леонардо да Винчи. В его тетрадях был найден эскиз гидравлического вечного двигателя. Машина состоит йз двух, связанных между собой 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 вечных двигателей 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 воды на прежний уровень и только; никакой дополнительной работы она произвести не может. Для реальных условий проведенные им же исследования трения дали основание 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 мертвой воды «из ничего» 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 perpetuum mobile разрабатывали все новые их варианты, объясняя каждый раз свои неудачи теми или иными частными недоработками

Одно из ухищрений, призванных обойти трудности конструирования гидравлического вечного двигателя, состояло в том, чтобы заставить воду подниматься (или сливаться) в меньшем перепаде высот. Для этого предусматривалась каскадная система из нескольких последовательно соединенных насосов и рабочих колес. Такая машина описана в книге уже известного нам Д. Уилкинса. Подъем воды осуществляется винтовым насосом, состоящим из наклонной трубы, в которой вращается ротор. Он приводится в движение тремя рабочими колесами, вода на которые подается из трех расположенных каскадом сосудов. 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 perpetuum mobile -1 на науку того времени

Уилкинс также 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 вечные двигатели он относил к третьей группе

В итоге Уилкинс написал четко и однозначно: «Я пришел к выводу, что это устройство не способно работать». Этот любитель науки дал в XVII веке достойный пример того, как надо преодолевать заблуждения и находить истину

Среди других гидравлических вечных двигателей 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, когда Станислав Сольский ее демонстрировал в Варшаве (1661 г.), очень понравилась. Однако даже светские успехи титулованных изобретателей не могли скрыть того факта, что гидравлические вечные двигатели 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 использованных 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 жидкости из сосуда, расположенного выше, в другой, расположенный ниже. Принцип работы его такой: два сосуда, находящихся на разных уровнях, соединяют трубкой, состоящей из двух колен, одно из которых (верхнее) меньше другого (нижнего). 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 сосудом существует разность уровней, 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 города Падуи (Италия) Витторио Зонка. Она заключалась в том, чтобы сделать короткое верхнее колено сифона толще — больше по диаметру (D >> d). 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 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 вечный двигатель Зонки. Сифон забирал воду из нижнего водоема в узкую трубу; вода из широкой трубы сливалась в сосуд, расположенный выше водоема, откуда она подавалась на водяное колесо и сливалась снова в водоем. Колесо через вал вращало мельничий жернов

Эта оригинальная машина, естественно, работать не могла, 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 показал (1586 г.) «гидростатический парадокс» — давление 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 учеными, 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 Дени Папин (1647-1714 гг.) — изобретатель не только «папинова котла» и предохранительного клапана, но и центробежного насоса, а главное первых перовых машин с цилиндром и поршнем. Папин даже установил зависимость давления пара о температуры и показал, как получать на основе ее вакуум, и повышенное давление. Он был учеником Гюйгенса, переписывался с Лейбницем 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 основоположником современной теплоэнергетики, работает над вечным двигателем! Более того, он предлагает такой perpetuum mobile, ошибочность принципа которого была совершенно очевидна и современной ему науке. Он публикует этот проект в журнале «Философские труды» (Лондон, 1685 г.)

Идея вечного двигателя Папина очень проста — это по существу перевернутая «вверх ногами» труба Зонки. Из широкого сосуда выходит тонкая трубка, конец которой расположен сверху над сосудом. Папин полагал, что, поскольку в широком сосуде вес воды больше, его сила должна превосходить силу веса узкого столба в тонкой трубке, вода будет постоянно сливаться из конца тонкой трубки в широкий сосуд. Остается только подставить под струю водяное колесо и вечный двигатель готов!

Очевидно, что на самом деле так не получится; поверхность жидкости в тонкой трубке установится на том же уровне, что и в сосуде, как в любых сообщающихся сосудах

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

В дальнейшем было предложено еще много гидравлических вечных двигателей и с другими способами подъема воды, в частности капиллярных и фитильных. В них предлагалось жидкость поднимать из нижнего сосуда в верхний по смачиваемому капилляру. Действительно, поднять жидкость на определенную высоту таким путем можно, но те же силы поверхностного натяжения, которые обусловили подъем, не дадут жидкости стекать с капилляра в верхний сосуд