1. Історія хвороби
2. повірений стусан
3. Гальма придумали фізики
4. Довіряй але перевіряй

У цій статті ви знайдете короткий посібник з тестування вічних двигунів. Окрім жартів. Серйозно.

До нас в редакцію із завидною регулярністю приходять листи з описом конструкцій вічних двигунів і пропозиціями допомогти з будівництвом діючого прототипу в ім'я вічного щастя для всього людства. Ми з великою повагою ставимося до всіх наших читачів, в тому числі і тим, які вважають перший і другий постулати термодинаміки прикрим історичним непорозумінням. Мало того, винахідництво ми вважаємо найважливішим з талантів і шляхетних хобі.

На допомогу нашим читачам, які займаються на дозвіллі розробкою Perpetuum Mobile, ми вирішили описати кілька простих способів протестувати їх машини і якомога швидше дізнатися, чи йдуть вони вірним шляхом або пора відправити готові креслення в кошик і сісти за нові.

Історія хвороби

Доктор Дональд Симанека - вельми заслужений фізик: професор Університету Пенсільванії, автор численних публікацій як з фізики електропровідниками, так і з педагогіки, а також стереофотографія, розробник лабораторного обладнання і захоплений популяризатор науки. Вийшовши на пенсію в 1999 році, він присвятив себе написанню авторських колонок про винахідництві в науково-популярних журналах.

Доктор Симанека вважає будівництво вічних двигунів відмінною підмогою в навчанні, але рівно до тих пір, поки автор конструкції не починає вірити в те, що машина і справді буде працювати. До нехтування постулатами термодинаміки заслужений фізик ставиться вкрай нетерпимо. Мабуть, тому він вирішив створити ліки для хворих, які страждають манією Perpetuum Mobile.

Дональд Симанека розробив ряд простих способів протестувати роботу потенційного вічного двигуна в домашніх умовах при мінімальних витратах як на вимірювальні інструменти, так і на будівництво самого прототипу. Хвороба, як правило, розвивається за класичним сценарієм. Пацієнт будує чергову конструкцію «вічного колеса» - колеса, одна сторона якого завжди виявляється важче інший завдяки системі важелів, перекочується кульок, що переливається рідини і т.? Д.

Зазвичай «вічне колесо» - досить складна механічна конструкція, реалізувати яку на гідному технічному рівні дуже непросто. Численні шарніри, підшипники, важелі складної форми завжди залишають бажати кращого в плані якості виготовлення. Тому на око складно визначити, чому машина зупиняється: чи то концепція неспроможна, то чи заважають тертя і дисбаланс в неідеально виготовлених частинах. По-англійськи «вічне колесо» називається overbalanced wheel, тобто «перебалансувати колесо». Це класична концепція вічного двигуна, над якою працювали багато великих математики, такі як Бхаськара II (Індія, XII століття) і Леонардо да Вінчі. На зображенні видно, що завдяки системі коромисел і упорів вантажі праворуч від колеса діють через більший важіль, ніж зліва. Однак, придивившись, ви побачите, що зліва завжди виявляється більше вантажів, і ця різниця в масі точно компенсує ефект важеля. Замість вантажів та важелів можуть використовуватися трубки з перетікає ртуттю або пази з перекочується кульками. Результат незмінно негативний.

Так зароджуються сумніви. Автор прототипу запускає колесо, і воно обертається досить довго. Всі механізми працюють так, як задумано. Здається, ніби стоїть ще зовсім трохи зменшити тертя - і механізм буде працювати вічно. Так автор починає вірити в успіх і переконувати оточуючих, що якщо ті проінвестують покупку найсучасніших підшипників і найточніших 3D-принтерів, то щастя для всього людства буде досягнуто, а Джоуль і Кельвін залишаться в дурнях.

повірений стусан

Проблема більшості винахідників Perpetuum Mobile полягає в тому, що вони мислять «за гамбурзьким рахунком»: доказом спроможності їх проекту може служити тільки рух протягом як завгодно тривалого часу. А значить, щоб машина запрацювала і «все дізналися», необхідно побудувати діючий прототип із застосуванням всіх необхідних технологій.

Насправді ж, щоб довести спроможність концепції, зовсім не обов'язково будувати повномасштабну модель і змушувати її обертатися вічно. Достатньо лише продемонструвати, що оригінальні елементи конструкції, як би кустарно вони не були зроблені, генерують хоч крапельку енергії. Для цього достатньо порівняти поведінку «вічного» колеса зі звичайним, створивши для них однакові умови.

Як правило, щоб привести в дію прототип «вічного колеса», необхідно надати йому первісний імпульс - штовхнути рукою. Спробуємо замість стихійного «поштовху» дати колесу строго певну кількість енергії. Для цього досить намотати на вісь двигуна, скажімо, десять обертів шнура, а до іншого кінця шнура прив'язати вантаж, наприклад кілограмову гирю.

Відпустіть вантаж і дозвольте йому розкрутити вісь машини. Засічіть час, через яке машина зупиниться. А потім проведіть другий завмер: зафіксуйте всі механізми, які покликані зміщувати баланс колеса, так, щоб колесо було повністю збалансовано. Закріпивши всі кульки, важелі і шарніри, скажімо, скотчем, ви перетворите «вічне» колесо в звичайнісіньке. Намотайте на вісь ті ж десять обертів, прив'яжіть той же один кілограм і засічіть, через який час колесо зупиниться. Якщо заліковий час «вічного колеса» перевищить час звичайного, можете сміливо телефонувати до Нобелівського комітету.

Аналогічний спосіб тестування - встановити прототип на узвишші і засікати час, за яке вантаж опуститься на землю або шнур повністю розмотається. Важливо проводити експерименти якісно. Підбирайте такий вантаж, щоб швидкість обертання колеса була оптимальною для роботи всіх механізмів «вічного руху». Довжина шнура повинна забезпечувати більш-менш тривалий час експерименту, як мінімум 20 секунд. Архимедова сила підтримує на плаву супертанкери масою в сотні тисяч тонн, при цьому їх власникам не доводиться розплачуватися з океаном ні паливом, ні водою, ні будь-чим іншим. Як не скористатися такою щедрістю природи? Поплавковому вічного двигуна заважає працювати те ж саме, що створює архимедову силу, - тиск водяного стовпа. Щоб «сухий» поплавок увійшов в водяний стовп знизу, йому необхідно подолати тиск - то саме, що виштовхує «мокрі» поплавці з води. Баланс сил знову виявляється не на користь Perpetuum Mobile.

Гальма придумали фізики

«Вічне колесо» не втрачає популярності з часів Леонардо да Вінчі і навіть більш ранніх. Перші концепції вічних двигунів, в яких зміщення балансу забезпечувалося перетікає від осі до обода ртуттю, приписуються індійському математику на ім'я Бхаськара II (XII століття), проте відомі креслення, датовані раннім Середньовіччям.

Звичайно ж, в XXI столітті можливостей для творчості набагато більше. Останній писк моди - це двигуни на постійних магнітах і нерухомі електромагнітні генератори. Якийсь Том Бірд в 2002 році примудрився навіть отримати патент США на генератор, що черпає енергію з вакууму. Історія вирішилася грандіозним скандалом і масової переатестацію співробітників патентного відомства.

Протестувати двигун на постійних магнітах за допомогою схилу з вантажем не вийде. Сучасні концепції вимагають більш просунутих інструментів. Однак навіть їх можна без праці спорудити будинки з підручних матеріалів.

Виміряти крутний момент будь-якого двигуна можна за допомогою гальма де Проні. Англійський термін Break Horsepower, яким позначають потужність двигуна в кінських силах, стався саме від цього методу, винайденого Гаспаром де Проні на рубежі XVIII-XIX вв.еков (break - гальмо). Щоб спорудити гальмо де Проні, знадобляться шків, надітий на вал двигуна, ремінь і два динамометра. Під динамометром може матися на увазі будь-яка пружина, ступінь розтягування якої добре помітна на око. Ремінь надягаємо на шків і підвішуємо до нерухомої рами на двох динамометр. Незважаючи на те що метод де Проні давно розміняв другу сотню років, саме він лежить в основі сучасних вимірів крутного моменту моторів.

Натяг ременя підбирається таким чином, щоб двигун міг працювати на оптимальних оборотах. Якщо натяг в вашому випадку виявиться хоч трохи значним (що навряд чи), ви побачите, що показання динамометрів розійдуться: той, що розташовується після шківа по ходу обертання, покаже менше зусилля. Різниця в показаннях динамометра - це і є крутний момент двигуна, тобто та користь, яку він принесе світу. Якщо порахувати обороти двигуна під час виміру і помножити їх на крутний момент, ви отримаєте потужність мотора.

Описані вище тести застосовують практично до всіх моделей вічних двигунів. Доктор Симанека нагадує, що навіть у найскладнішій конструкції, що складається з безлічі взаємодіючих частин, можна виділити відносно простий елемент, на якому ґрунтується вся концепція вічного руху. Ось його-то, а не дорогий повнофункціональний прототип, і потрібно перевіряти.

Довіряй але перевіряй

Бажання змінити світ і ощасливити людство безкоштовною енергією дуже похвально. Мало того, будівництво вічних двигунів - це захоплююче і повчальне хобі, яке широко поширене навіть серед тих людей, які ні на секунду не сумніваються в неможливості побудови реальної машини.

Якщо ж ви вірите в диво - дерзайте, але перш ніж розсилати листи в журнали і закладати будинок, не полінуйтеся виконати два простих тесту. До речі, ми описали лише найпростіші з існуючих вимірювальних технологій. Про безлічі більш просунутих можна дізнатися, ознайомившись безпосередньо з роботами Дональда Симанека. Якщо навіть після цього ви залишитеся вірними своїй мрії - ми щиро побажаємо вам удачі. Але попереджаємо, що постулати термодинаміки, перевірені століттями, не здадуть позиції без бою. Дивовижний капілярний ефект дійсно змушує воду підніматися по тонкій трубочці, перемагаючи дію сили тяжіння. Здавалося б, гріх не використовувати цю властивість для «безкоштовного» підйому води на висоту. На жаль, вода, заповнивши весь капіляр, так і не виллється з нього. Краплі завадить впасти ефект, споріднений капілярному, - поверхневий натяг. У деяких випадках схожі конструкції можуть працювати, вражаючи уяви глядачів. Секрет простий: вода витече з трубки при зміні атмосферного тиску, тобто використовуючи енергію повітряних мас. Такий «вічний двигун» називається уявним.
* Всі Perpetuum Mobile діляться на вічні двигуни першого і другого роду. Перші прагнуть добути енергію з нічого, тим самим порушуючи перший постулат термодинаміки: в будь-який ізольованій системі запас енергії залишається постійним (формулювання Джоуля). Приклад такого двигуна - «вічне колесо». * Вічні двигуни другого роду прагнуть використовувати один раз отриману енергію багаторазово, порушуючи другий початок термодинаміки: ентропія ізольованої системи не може зменшуватися, тобто не можна здійснювати роботу за рахунок передачі тепла від більш холодного тіла до більш гарячого. Приклад - тепловий двигун, що відбирає тепло у океану.

Стаття «Тест на вічність» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №10, Грудень 2014 ).