Вечный двигатель контрольная работа

В продолжение нашего курса «Физика для чайников» начнем рассматривать основы такого важнейшего раздела как термодинамика.

Активное развитие термодинамики началось в девятнадцатом веке. Именно тогда люди начали строить первые паровые машины, а потом активно внедрять их в производство.

Началась промышленная революция, и, естественно, всем хотелось увеличить коэффициент полезного действия машин, чтобы произвести больше продукции, доехать подальше и в конце-концов получить больше денег.

Все это очень хорошо стимулировало развитие науки и наоборот.  Но давайте ближе к сути вопроса.

Парогенераторная прожекторная установка

Термодинамика – раздел физики, изучающий макроскопические системы, их наиболее общие свойства, способы передачи и превращения энергии в таких системах.

Что такое макроскопические системы? Это системы, состоящие из очень большого числа частиц. Например, баллон с газом или воздушный шар.

Описание таких систем методами классической механики просто невозможно – ведь мы не можем измерить скорость, энергию и другие параметры каждой молекулы газа в отдельности. Тем не менее, поведение всей совокупности частиц подчиняется статистическим закономерностям.

По сути любой видимый нами (невооруженным глазом) предмет может быть определен как термодинамическая система.

Термодинамическая система

Термодинамическая система – реально или мысленно выделяемая макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц, не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц. Соответственно, для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, не относящиеся к каждой частице, но описывающие систему целиком. Это  температура, давление, объем, масса системы и проч.

Важно отметить, что термодинамические системы могут быть замкнутыми и незамкнутыми. Замкнутая система – это такая система, которую при помощи реальной или воображаемой оболочки оградили от окружающей среды, при этом количество частиц в системе остается постоянным.

Замкнутая система

Система может находится в разных состояниях. Например, мы взяли баллон с газом и начали его нагревать.

Тем самым мы изменили  энергию молекул газа, они стали двигаться быстрее, и система перешла в какое-то новое состояние с более высокой температурой.

Но что будет, если систему оставить в покое?  Тогда система через какое-то время придет в состояние термодинамического равновесия.

Что это значит?

Термодинамическое равновесие – это состояние системы, в котором ее макроскопические параметры (температура, объем и др.) остаются неизменными с течением времени.

Термодинамика стоит на трех своих столпах. Существуют три основных постулата или три закона термодинамики.  Они называются соответственно первым, вторым и третьим началами термодинамики. Рассмотрим первое начало или первый закон термодинамики.

Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики гласит:

В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

К слову, у данного постулата есть еще несколько эквивалентных формулировок. Приведем их ниже:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.

Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).

Запишем также математическое выражение первого начала термодинамики:

Здесь Q — количество теплоты, дельта U — изменение внутренней энергии, A — работа против внешних сил. Для различных термодинамических процессов в силу их особенностей запись первого начала будет выглядеть по-разному.

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.

Если никто не пытался найти скатерть-самобранку, то вечный двигатель пытались изобрести очень много раз. На протяжении веков разные люди спрашивали себя: как построить вечный двигатель? Согласно историческим записям первым такую попытку предпринял в двенадцатом веке некий индийский ученый.

Затем было еще множество попыток, в том числе плотно занимался вопросом и Леонардо да Винчи. Наконец, в девятнадцатом веке светлые головы Германа Гельмгольца и Джеймса Джоуля сформулировали первое начало динамики и подтвердили его опытами,  чем развеяли все сомнения.

В помощь также статья, о том, как делать презентацию в ворде и powerpoint.

Вечный двигатель Леонардо да Винчи

Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир. Об этом говорят нам законы термодинамики. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.

Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил).

Иными словами, если работа совершается без  внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия.

Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма.  Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии).

Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем.

Энергия и ее формы

Надеемся, знакомство с термодинамикой прошло для Вас приятно и Вы полюбите ее всем сердцем. Если же этого не произойдет, Вы всегда можете поручить выполнение задач по термодинамике нашим авторам, пока сами занимаетесь  более приятными делами.

Контрольная работа: Возможно ли создание вечного двигателя

Проект 13. Соединения динамо-машины с электромотором

Идея изобретателя: Шкивы электромотора и динамо-машины соединены приводным ремнем, а провода от динамо подвести к мотору.

Если динамо-машине дать первоначальный импульс, то порожденный ею ток, поступая в мотор, приведет его в движение; энергия же движения мотора будет передаваться ремнем шкиву динамо-машины и приведет ее в движение.

Таким образом, — полагают, изобретатели, — машины станут двигать одна другую, и движение это никогда не прекратиться, пока обе машины не износятся.

Почему двигатель не работает: Даже если бы каждая из соединенных машин обладала стопроцентным коэффициентом полезного действия, мы могли бы заставить их указанным образом безостановочно двигаться только при полном отсутствии трения.

Соединение названных машин (их «агрегат», выражаясь языком инженеров) представляет собою в сущности одну машину, которая сама себя приводит в движение.

При отсутствии трения агрегат, как и любой шкив, двигался бы вечно, но пользы от такого движения нельзя было бы извлечь никакой: стоило бы заставить «двигатель» совершать внешнюю работу, и он немедленно остановился бы. Перед нами было бы вечное движение, но не вечный двигатель. При наличие же трения агрегат не двигался бы вовсе.

Проект 14.Основанный на архимедовом винте

Идея изобретателя: деталь LM представляет собой деревянный цилиндр, в котором вырезан спиральный желоб. В устройстве этот цилиндр закрывается жестяными пластинами AB. Три водяных колеса отмечены буквами H, I, K, а расположенный внизу резервуар с водой — буквами CD.

При вращении цилиндра вся вода, которая поднимается им из резервуара вверх, будет поступать в сосуд E, а из этого сосуда выливаться на колесо H и, следовательно, вращать колесо и весь винт в целом.

Если же для вращения винта количество воды, падающее на колесо H, окажется недостаточным, тогда можно будет использовать воду, стекающую с этого колеса в сосуд F и попадающую далее на колесо I. В результате этого сила действия воды удвоится.

Если же и этого окажется недостаточно, тогда вода, поступающая на второе колесо I, может быть направлена в сосуд G и на третье колесо K. Этот каскад можно продолжить, установив такое количество дополнительных колес, какое позволяют размеры всего устройства.

Почему двигатель не работает: Устройство не будет работать по двум причинам. Во-первых, вода, которая подымается наверх, не образует сколько-нибудь значительного потока, устремляющего затем вниз. Во-вторых, этот поток, даже в виде каскада, не способен вращать винт.

Проект 15.Основаннный на законе Архимеда

Идея изобретателя: Часть деревянного барабана, укрепленного на оси, все время погружена в воду. Если справедлив закон Архимеда, то погруженная в воду часть должна всплывать и, коль скоро выталкивающая сила больше силы трения на оси барабана, вращение никогда не прекратиться…

Почему двигатель не работает: Барабан не сдвинется с места. Направление действующих сил будут всегда по перпендикуляру к поверхности барабана, т. е. по радиусу к оси.

Из повседневного опыта каждый знает, что невозможно заставить колесо вращаться, прикладывая усилия вдоль радиуса колеса. Чтобы вызвать вращение, надо проложить усилие перпендикулярно к радиусу, т. е. по касательной к окружности колеса.

Теперь уже нетрудно понять, почему и в этом случае закончиться неудачей попытка осуществить «вечное» движение.

Проект 16.Основанный на притягивание магнитов

Идея изобретателя: Стальной шар C постоянно притягивается к магниту B, который расположен так, что под его влиянием вращается колесо со щелями на ободе. (см. рис.) Пока шар движется, вращается и колесо.

Почему двигатель не работает: сила тяжести и магнитное притяжение уравновешивают друг друга.

Проект 17.Радивые часы

Эти «радиевые часы» были продемонстрированы публике в 1903 году Джоном Уильямом Стреттом (лорд Рэлей). Через год он получил Нобелевскую премию по физике.

Идея изобретателя: Небольшое количество соли радия помещено в стеклянной трубке (A), которая снаружи покрыта проводящим материалом. В конце трубки имеется латунный колпачок, с которого висят пара золотых лепестков. Все это находится в стеклянной колбочке, из которой выкачан воздух. Внутренняя поверхность колбочки покрыта проводящей фольгой (B), которая заземлена через проводом (C).

Отрицательные электроны (бета-лучи), которые излучает радий, проходят через стекло, оставляя центральную часть положительно заряженной. В результате золотые лепестки, отталкиваясь друг от друга, расходятся.

Когда они коснутся фольги, произойдет разряд, лепестки опускаются и цикл начинается снова. Период полураспада радия 1620 лет. Поэтому такие часы могут работать многие и многие столетия без видимых изменении.

В свое время радиевые часы были настоящим перпетуум-мобиле, так как природа ядерной энергии не была известна, и было непонятно, откуда берется энергия. С развитием науки стало ясно, что закон сохранения энергии все равно торжествует, и ядерная энергия также подчиняется этому закону, как все другие формы энергии.

Почему двигатель не используют : Мощность этого двигателя, совершаемая им в секунду, так ничтожна, что никакой механизм не может приводиться в действие.

Чтобы достичь сколько-нибудь осязательных результатов, необходимо располагать гораздо большим запасом радия.

Если вспомним, что радий – чрезвычайно редкий и дорогой элемент, то согласимся, что даровой двигатель подобного рода оказался бы чересчур разорительным.

Законы природы, исключающие возможность создания перпетуум-мобиле

Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен вырабатывать ее в достаточном количестве, не имея ни какого внешнего источника.

Представьте, что нужно рассчитать баланс энергии, затрачиваемой на совершение того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера, или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае количество затраченной энергии всегда должно быть равно количеству энергии произведенной или выделившейся в результате совершения работы.

Энергия, которую мы не совсем точно называем потерянной, на самом деле не исчезает. Просто она переходит в иную форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так получается оттого, что в результате трения происходит нагревание, и часть энергии выделяется в виде тепла.

И это, вообще говоря, справедливо для потерь любого вида энергии, ибо они, в конечном счете, всегда превращаются в тепло. Эту же мысль можно выразить и иными словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или совсем бесполезную.

Например, тепло, выделяемое в двигателе внутреннего сгорания, — ненужный и, тем не менее, неизбежный продукт превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но сделаем мы это или не сделаем — все равно часть работы, совершаемой двигателем, будет тратиться на тепловые потери.

Все, о чем говорилось выше, и представляет собой суть важнейшего закона природы — закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики. Мы уже говорили, что вечный двигатель должен совершать полезную работу, не имея никаких внешних источников энергии.

Проще сказать, в нем не должно сжигаться топливо и к нему не должны прикладываться механические усилия. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализуемой машины заложили фундамент механики как науки. Великие ученные прошлого приняли как аксиому невозможность создания перпетуум-мобиле и тем помогли пробиться росткам новой науки.

Порой легко доказать негодность того или иного проекта вечного двигателя и тем самым показать, что данный конкретный способ его реализации не приведет к желаемому результату. Но это вовсе не означает, что автоматически исключается возможность построения перпетуум-мобиле другими средствами.

Поэтому, до тех пор, пока не был четко сформулирован закон сохранения энергии, невозможность создания механического вечного двигателя, установленная многовековым опытом, вовсе не означала невозможность создания, скажем двигателя химического.

Конечно, бесплодность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных «машин вечного движения».

Тщательное рассмотрение очередного проекта всегда обнаруживало какие-нибудь теоретические ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались несостоятельными.

В разработку общепринятого ныне критерия неосуществимости вечного движения, провозглашающего невозможность создания энергии из ничего, внесли свой вклад философы, математики, инженеры. Закон сохранения энергии стал неизбежным препятствием для изобретателей перпетуум-мобиле. И все попытки преодолеть это препятствие кончались крахом.

Но вскоре было сформулировано еще общее положение, получившее название второго начала термодинамики. Это начало, говоря несколько упрощенно, гласит, что тепло не может увеличиваться самопроизвольно; иными словами, если более нагретое тело привести в контакт с менее нагретым, то будет наблюдаться выравнивание температур, а не увеличение их разности.

Это явление (выравнивание температур) долгое время не имело никакого теоретического объяснения. Впервые сформулированное немецким физиком Рудольфом Юлиусом Эммануэлем Клаузисом (1822-1888), второе начало термодинамики носило чисто эмпирический характер.

Правда, указывалось на аналогию между изменением температуры контактируемых тел и потоком воды, текущей вниз под действием собственной тяжести, но ситуация осложнялась тем, что не удавалось установить, какие же внешние силы управляют этим теплов

Вечный двигатель с точки зрения термодинамики

Определение 1

Вечный двигатель в физике считается воображаемым и неограниченно долго действующим устройством, позволяющим получать в большем количестве (в сравнении с количеством сообщенной ему извне энергии) полезную работу (речь идет о вечном двигателе первого рода).

Рисунок 1. Схема вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Также при нем возможно получение тепла от одного резервуара и достижение полного превращения его в работу (вечный двигатель второго рода).

Понятие и разновидности вечного двигателя

В физике выделяют два типа вечного двигателя:

1. Вечный двигатель первого рода (действующее неограниченно долго устройство, которое может обладать способностью бесконечного совершения работы. При этом исключаются затраты топлива или других энергоресурсов. Согласно закону сохранения энергии, каждая попытка создания такого вида обречена на неуспех. Невозможность реализации такой попытки выступает постулатом о первом начале термодинамике.
2. Вечный двигатель второго рода теоретически представляет собой неограниченно долго действующую машину, которая, будучи на ходу, оказывалась бы способной превращать в работу абсолютно все тепло, которое извлекалось бы из окружающих тел. Невозможность появления вечного двигателя второго рода выступает постулатом в формате одной из формулировок второго начала термодинамики.

Эти два начала термодинамики вводились в формате постулатов после неоднократных подтверждений в экспериментальных смыслах невозможности появления вечных двигателей. Из них, в свою очередь, были выведены многие физические теории, протестированные большим числом наблюдений и экспериментов, что не оставляет ученым каких-либо сомнений в верности таких постулатов.

В частности, второе начало термодинамики может формулироваться в форме одного из следующих (эквивалентных) постулатов:

• постулат Кельвина (исключается вероятность создания периодически действующей машины, способной к совершению механической работы только лишь посредством охлаждения теплового резервуара);
• постулат Клаузиуса (заключенный в невозможности самопроизвольного перехода теплоты от более холодных тел к более горячим).

История возникновения идеи создания вечного двигателя

Рисунок 2. Изображение вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Попытки исследовать место, причины и время возможного возникновения идеи вечного двигателя представляют весьма сложную задачу. Также довольно затруднительным становится попытка назвать первого автора данной идеи.

К наиболее ранним сведениям о вечном двигателе ученые относят упоминание, которое можно встретить у индийского астронома Бхаскары, также отдельные заметки встречаются в арабских рукописях XVI в., которые сохраняются в Оксфорде, Лейдене, Готе.

На сегодня в качестве прародины первых вечных двигателей по праву выступает Индия.

Так, Бхаскара в своих произведениях описывает колесо с прикрепленными по ободу наискосок длинными и узкими сосудами, заполненными наполовину ртутью.

Принцип действия такого механического двигателя базировался на разнице моментов сил тяжести, формируемых жидкостью, способной перемещаться в сосудах, помещенных на окружность колеса.

Бхаскара обосновывает процесс вращения колеса достаточно просто: «наполненное подобным образом жидкостью колесо, являясь насаженным на ось, что лежит на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается независимым образом».

Первые проекты вечного двигателя на территории Европы соотносятся с эпохой активного развития механики (примерно к XIII в.) К XVI—XVII векам идея вероятного появления вечного двигателя обрела статус особенно широкого распространения.

В этот временной период наблюдался быстрый рост количества проектов вечных двигателей, подаваемых для рассмотрения в патентные ведомства европейских стран (так в числе рисунков Л. Да Винчи была обнаружена гравюра с нанесением чертежа вечного двигателя).

Причины невозможности создания вечного двигателя с точки зрения термодинамики

Рисунок 3. Невозможность вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Первый закон термодинамики считается законом энергетического сохранения, согласно ему, энергия не может быть ни созданной, ни уничтоженной, она является просто переходящей из одного формата в другой.

С целью содержания механизма в постоянном движении, приложенная энергия обязана сохраняться в подобном механизме, исключая какие-либо потери. Именно эта причина исключает вероятность создания вечного двигателя.

С целью возможности построения вечного двигателя (при теоретическом допущении) важно соблюдение нескольких условий.

У машины должны отсутствовать какие-либо «трущиеся» части, то есть любые движущиеся части не должны прикасаться к другим, поскольку это допускает вероятность трения, которое может спровоцировать потерю энергии машиной.

В условиях соприкосновения частей, появляется тепло, которое и будет являться энергией, потерянной машиной. При этом ученые исключают существование идеально гладких объектов.

Машина должна функционировать в безвоздушном вакууме, что диктуется первым условием. Ее эксплуатация в любом месте спровоцирует потерю энергии по причине трения между движущимися частями и воздухом. Несмотря на незначительность энергопотерь из-за трения воздуха, в случае с вечным двигателем, это представит серьезную проблему.

Так, даже при существовании минимальных энергопотерь, машина станет замедляться и в конечном итоге, остановится совсем даже по прошествии большого количества времени. Машина также не должна издавать каких-либо звуков, поскольку звук также представляет форму энергии, а появление звука будет означать, что она также фактически потеряла энергию.

Замечание 2

Двигатели второго рода, задействующие теплоту окружающих тел, не станут противоречием закону сохранения энергии.

Но подобные нехитрые конструкции оказываются бессильными перед вторым началом термодинамики: в рамках замкнутой системы самопроизвольный переход теплоты оказывается невозможным (от более холодных тел к горячим).

Для этого требуется некий посредник. А для его работы понадобится энергия из внешнего источника.

Но самое интересное, что создание вечного двигателя может превратиться в бессмысленную идею. Ученые рассчитывают на возможность получения бесплатного источника энергии таким образом, однако, в действительности, будет получено столько энергии, сколько изначально было направлено в такой двигатель.

Вечные двигатель: история проблемы

• Министерство образования и науки Российской Федерации
• Федеральное агентство по образованию
• НОУ ВПО “УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БИЗНЕСА”

Кафедра

Прикладной информатики

Оценка работы____________________

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ТЕМА:         ВЕЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ: ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ_______

Студент
Группа	(подпись)	(инициалы, фамилия)
Руководитель
(уч. степень, звание)	(подпись)	(инициалы, фамилия)

1. Екатеринбург
2. 2007
3. СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………………

I Стоит ли изобретать вечные двигатели?………………………………………………………………

II История проблемы………………………………………………………………………

III Механические вечные двигатели……………………………………………………

IV Гидравлические вечные двигатели………………………………………………….

V Мнимые вечные двигатели ……………………………………………………………

• Заключение ………………………………………………………………………………
• Список литературы………………………………………………………………………
• Приложение………………………………………………………………………………
• ВВЕДЕНИЕ

Мартын: Что такое perpetuum mobile? 
Бертольд: Perpetuum mobile, то есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому … видишь ли, добрый мой Мартын, делать золото — задача заманчивая, открытие, может быть, любопытное, но найти perpetuum mobile … О!… 
  
А. С. Пушкин “Сцены из рыцарских времён” 

Под возможностью создания современного «вечного» двигателя подразумевается, во-первых, создание эффективных преобразователей известных перспективных потенциальных источников энергии, и, во-вторых, возможности использования новых видов энергии, в частности, свободной энергии вакуума.

Т.е. возможность создания устройств, кажущийся КПД которых (грамотно измеренный современными методами) больше 1, что обусловлено неизвестными в настоящее время новыми эффектами (каковыми были, например, электричество в средние века и атомная энергия в 19 веке).

Конечно, истинные вечные двигатели (perpetuum mobile) не существуют и не могут существовать. Поэтому можно рассматривать только такие устройства, которые не противоречат глобальным законам физики.

Хотя именно изобретатели вечного двигателя все же были двигателем прогресса на протяжении веков.

Среди большого и все возрастающего числа изобретателей всегда находятся увлеченные мечтатели или максималисты, которые пытаются создать вечные двигатели, «перпетуум мобиле».

Это слово произошло от латинского perpetuum mobile, что означает вечно движущееся или вечный двигатель.

Истории известны многие тысячи таких «открытий» и связанных с ними судеб, их неистово увлеченных авторов, наполненных радостями творчества, восторгами полученных сопутствующих побочных результатов и горькими разочарованиями за несостоявшиеся результаты.

Пока еще никому не удалось сконструировать вечный двигатель, и составить рецепт эликсира бессмертия. Но при этом, сам собой напрашивается вопрос: так стоит ли вообще тогда заниматься изобретением «вечного» двигателя? Но многовековая мировая и отечественная история работы над «вечным» двигателем не позволяет дать скоропалительный, а может быть, и легкомысленный ответ.

Если обратиться с этим вопросом к популярным книгам и  сугубо научным историческим источникам, к простым безвестным инженерам или известнейшим мэтрам науки, то никогда не получить на него однозначного ответа.

I СТОИТ ЛИ ИЗОБРЕТАТЬ ВЕЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ?

Одними из первых, кто открыл эпоху создания «вечных двигателей» были алхимики (здесь под термином «вечный двигатель» подразумевается не только техническое устройство, а любой объект творческой и изобретательской деятельности, обладающий свойствами «абсолютности», «вечности»).

«Химия — дочь алхимии» — так высоко оценил роль алхимии, одного из самых ложных учений среди многих лжеучений прошлой поры, гений русской и мировой математики Николай Лобачевский. Эта «наука» родилась еще в первых столетиях нашей эры в Египте, перекинулась на другие страны и была узаконена арабами.

Они присоединили к более раннему термину «химия» (наука о превращениях веществ) артикль «ал» и тем самым ввели алхимию в круг других наук, известных на Земле к тому времени. В основу своих воззрений алхимики взяли убеждение в одушевленности металлов.

Якобы металлы все время «растут» и «созревают» в лоне Земли, чем и обусловлены их превращения.

Еще со времен средневековых алхимиков, открывших в поисках «философского камня» много новых и ценных химических веществ, история хранит немало примеров, когда азартная погоня за призраком приводила к важным изобретениям, не имевшим иногда никакой видимой связи с намерениями искателей.

Так, американский наборщик Хьятт, обуреваемый благим желанием искусственно создать слоновую кость для биллиардных шаров (за это была обещана огромная премия), изобрел в 1863 году первую в мире пластмассу, которая под именем целлулоида получила широчайшее применение и быстро распространилась.

Любой творческой находке предшествует обычно довольно длительная, порой мучительная стадия поисков. Обостренная избирательность и особая зоркость нередко позволяют первооткрывателю добиться цели, пользуясь доступными и широко известными сведениями.

Сейчас очевидно, что это утопия. Но овладев умами, алхимия, увлекла их жаждой поиска и проложила первые тропинки к большой и истинной науке.

Расцвет алхимии пришелся на 15 — 17-й век, и это как раз в то время, когда она жестоко преследовалась церковью.

Многие ученые того времени, обвиненные в занятиях черной магией и распространении учения Сатаны, закончили свою жизнь в тюрьмах и даже были казнены.

В то же время, алхимия помогла людям открыть немало секретов природы, принесших пользу человечеству. Люди научились делать сплавы, различные красители, стекло.

Немецкий алхимик Бранд, пытаясь добыть философский камень, открыл новый химический элемент фосфор. В другое время немецкие же алхимики «варили» (в 1710 году) в одной из примитивных лабораторий золото. Естественно, что это им сделать не удалось, зато они изобрели фарфор знаменитой саксонской марки.

Одно из направлений поисков творцов, энтузиастов и упорных изобретателей — это создание, разработка «абсолютного двигателя», «вечного двигателя», который, будучи однажды запущен в действие, совершал бы работу неограниченно долгое время без привлечения энергии со стороны.

II ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ

Первое упоминание о вечном двигателе ученые обнаружили в древней санскритской рукописи «Сиддхантасиромани», написанной великим индийским математиком Бхаскаром примерно в 1150 году.

В этой книге рассказано о колесе, которое имело специальные полости, заполненные ртутью.

Утверждалось, что если такое колесо закрепить на оси и придать ему первоначальное вращение, то оно в дальнейшем будет вращаться вечно.

1. Аналогичное колесо было описано и в астрономическом кодексе короля Кастилии Алфонса Великого, относящемся к 1272 году. 
2. В арабской рукописи 1200 года, написанной Фахр ад дин Ридвана бен Мухаммедом, изложено три разных конструкции вечных двигателей. 
3. Изыскания в этой области особенно активизировались в XVI веке, когда началось бурное развитие машинного производства. 

В книге итальянского врача, философа и алхимика Марко Антонио Зимара «Пещера медицинской магии» описана «вечная ветряная мельница».

Этот изобретатель предложил поставить напротив лопастей колеса ветряной мельницы кузнечные меха (воздушные насосы), приводимые в действие самим колесом.

Зимара, по-видимому, был уверен, что воздух, выходящий из мехов, способен вращать то же самое мельничное колесо, которое, и приводит в движение эти меха. 

В литературных источниках тех времен содержатся описания «вечных двигателей», основанных на использовании энергии воды. Основным элементом таких двигателей являлся спиральный водяной подъемник, так называемый, архимедов винт.

При этом идея вечного движения казалась чрезвычайно простой: архимедов винт поднимает воду из резервуара на какую-то высоту, эта вода падает на лопасти водяного (мельничного) колеса, которое при этом вращается и, в свою очередь, приводит в движение архимедов винт. 

Гипотеза создания идеально экономичной машины занимала  тогда и сейчас занимает умы не только мечтателей — самоучек, но и умы многих видных ученых.

Понятно, что вечный двигатель так и остался «работающим» лишь в воображении его творцов.

Хотя их замыслы и были утопичны, попытки материализовать идею, споры вокруг нее принесли немало интересных теоретических и конструктивных решений, позволили выявить новые закономерности, увидеть ранее неизвестные процессы. 

Работая над вечным двигателем, С.

Стевин в 1857 году, поставил такой эксперимент: соединив 14 шаров в одну цепь, он накинул ее на трехгранную призму в надежде, что шары, скатываясь по наклонной грани, вовлекут в движение всю цепь и создадут за счет этого непрерывное ее вращение, но, несмотря на страстное желание изобретателя, шары не захотели непрерывно вращаться, а неподвижно зависали, в накинутом на призму положении. Зато эта неподвижная система навеяла ему идею равновесия. Данный результат и вошел в научную терминологию как закон равновесия сил на наклонной плоскости. 

На рисунке 1 изображен мнимый самодвижущийся механизм — один из древнейших проектов вечного двигателя. В его теле имеется ряд улиткообразных камер, в каждую из которых помещен тяжелый груз-шар.

Изобретатель воображал, что шары с одной стороны колеса (например, с правой) всегда находятся ближе к краю обода колеса, чем с левой, и своим весом заставят колесо бесконечное время вращаться, стоит лишь один раз подтолкнуть его в направлении движения по часовой стрелке.

Ясно, что при демонстрации этого чуда произошел конфуз — колесо всякий раз после его запуска останавливалось.

Этот пример пришел в нашу литературу из Западной Европы. Однако нечто подобное имело место и в практике российских изобретателей — самоучек.

Интересный эпизод неудачной демонстрации такого вечного двигателя можно найти в рассказе нашего соотечественника — писателя Н.Е.Петропавловского с символическим названием «Perpetuum mobili».

Вот как он образно рассказывает об изобретателе — крестьянине из Пермской губернии Лаврентии Голдыреве, изображенном в этом рассказе под псевдонимом Пыхтин.

«Перед нами стояла странная 
машина больших размеров, с первого 
взгляда похожая на тот станок, в котором подковывают лошадей; виднелись плохо тесаные деревянные столбы, перекладины и целая система колес, маховых и зубчатых; все это было неуклюже, не обстругано, безобразно. В самом низу, под машиной, лежали какие-то чугунные шары; целая куча этих шаров лежала и в стороне.   

— Это она и есть? — спросил 
управляющий.  

— Она — с…  

-Такое чудовище! Ты бы хоть 
немного обтесал ее.  

— Да, она точно … не обтесана 
малость.  

— Что же, вертится она? — спросил 
управляющий.  

— Как же, вертится …  

— Да у тебя есть лошадь, чтобы вертеть-то ее?  

— Зачем же лошадь? Она сама, — отвечал Пыхтин и принялся 
показывать устройство чудища.  

Главную роль играли те чугунные шары, которые были сложены тут же в кучу.  

— Главная сила в этих вот 
шарах … Вот глядите: наперво шар бухнется на этот черпак …

отсюда свистнет, подобно молнии, вон по этому желобу, а там его подденет тот черпак, и он перелетит, как сумасшедший, на то колесо и опять даст ему хорошего толчка, — такого то-есть толчка, от которого он зажужжит даже…

А пока этот шар лежит, там уже свое дело делает другой… Там уж он опять летит … бросится на тот черпак, перескочит на то колесо и опять р-раз! Так и далее. Вот она в чем штука- то …  Вот я пущу ее…  

Пыхтин торопливо метался по сараю, собирая разбросанные шары.

Наконец, свалив их в одну кучу подле себя, он взял один из них в руку и с размаху бухнул его на ближайший черпак колеса, потом быстро другой, за ним третий…

В сарае поднялось что—то невообразимое: шары лязгали о железные черпаки, дерево колес скрипело, столбы стонали. Адский свист, жужжание, скрежет наполнили полутемное место … »  

Как нам нетрудно догадаться, машина вращалась до тех пор, пока изобретатель продолжал подбрасывать все новые и новые шары. Сила их удара и вес были единственным источником работы мнимого вечного двигателя. И Пыхтин невольно сказал правду, что «главная сила в этих вот шарах».  

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Вотяков Я.В. 11МАОУ «СОШ № 25» г. Перми
Бармина М.Ф. 11МАОУ «СОШ № 25» г. Перми

Текст работы размещён без изображений и формул. Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение.

Побывав летом в «Парке научных развлечений» г. Перми меня заинтересовала работа механизма «Вечный двигатель» и мне захотелось узнать принцип его работы.

Двигатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу. Например, водяное колесо, или ветреная мельница — это простейшие виды двигателя. То есть, чтобы привести в работу мельницу, ветер дует на лопасти мельницы, приводя в движение жернова. Но как только ветер прекращается, лопасти останавливаются. А значит и работа двигателя останавливается. [1]

Вечный двигатель (лат. PERPETUUM MOBILE) – воображаемое неограниченно долго работающее устройство без затрат топлива, получающее большее количество энергии, чем истрачено при его запуске.

В настоящее время ученые считают, что согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Однако идея вечного двигателя настолько привлекательна, что попытки его создать не прекращаются.[1]

Так почему же при наличии большого количества моделей вечный двигатель не работает без остановки? Постараемся в этом разобраться.

• Цель работы: выявить принципы работы вечного двигателя.
• Задачи исследования:
• Изучить литературу и интернет источники о вечном двигателе.
• Провести испытание работы модели вечного двигателя, его прототипов и выявить время их работы.
• Перечислить причины почему ни одна его модель до сих пор не работает.
• Гипотеза: мы предполагаем, что среди всех моделей есть такие механизмы, которые в будущем при устранении некоторых воздействующих на них сил смогут работать.
• Причины для изучения проблемы: заинтересованность особенностями работы вечного двигателя.
• Практическая значимость работы: изучение данной проблемы позволило мне ознакомиться с техническими характеристиками вечного двигателя и основными законами физики, связанными с работой вечного двигателя.
• Методы исследования:
• Анализ прочитанной литературы;
• Анкетирование;
• Эксперимент.

Глава 1. Основные модели вечного двигателя.

С древности люди пытались создать нечто, работающее само по себе, безо всяких воздействий извне. Позже этому устройству дали определение Perpetuum Mobile или Вечный двигатель. Многие знаменитые ученые разных времен безуспешно пытались его создать, включая и великого Леонардо да Винчи.

Он потратил несколько лет на создание вечного двигателя, используя как уже открытые модели, так и пытаясь создать что-то новое. В конце концов, разобравшись, почему же ничего не работает, он первым сформулировал заключение о невозможности создания подобного механизма.

Однако изобретателей его формулировка не убедила, и они до сих пор пытаются создать невозможное. [2]

В настоящее время родиной вечных двигателей считается Индия. Так, Бхаскара в своем стихотворении, датируемом примерно 1150 г., описывает колесо с прикрепленными по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Принцип его действия был основан на различии перемещающейся тяжести внутри сосудов.

Когда вращалось колесо, ртуть перетекала из одного конца ёмкости в другой, заставляя колесо совершить очередной оборот и должно само по себе вращаться бесконечно. Но двигатель в итоге останавливался, так как здесь срабатывает закон физики, который был позже открыт.

Первые проекты вечного двигателя в Европе относятся ко времени развития механики в 13-14 веках. Среди рисунков знаменитого Леонардо да Винчи была найдена гравюра с чертежом подобной машины. [https://ru.wikipedia.org/wikiВеч]

К 16-17 векам идея вечного двигателя получила особо широкое распространение. «Эпидемия» создания вечного двигателя разразилась в Англии и во Франции в середине 17 века. В 1678г.

во Франции даже издавался научный журнал, в котором систематически публиковалась информация о вечных двигателях. Создавали такие двигатели не для собственного удовольствия, а в надежде на применение.

В 1775 году Парижская академия наук приняла решение не рассматривать заявки на патентование вечного двигателя из-за очевидной невозможности их создания. И даже после этого создание их не прекратилось.

В течение 150 последующих лет патентные ведомства стран Европы и США выдали на подобные механизмы около тысячи патентов. На сегодняшний день существуют тысячи проектов вечного двигателя. Все они, разумеется, по разным причинам, не работают так как хотелось бы.

Наиболее часто встречающейся моделью является колесо с различными спицами, зубьями или просто с грузами внутри.

По идее перемещение различных тяжестей внутри колеса должно обеспечивать его вращение. Однако, колесо, даже если и вращается какое-то время, затем всегда останавливается. Причина проста — закон всемирного тяготения или, проще говоря, сила тяжести. Любой предмет вниз будет двигаться быстрее чем вверх. Рано или поздно это и остановит вращение.

Для преодоления этого закона необходимо все движущиеся детали вечного двигателя располагать строго горизонтально. Тогда сила тяжести, при их движении, будет оказывать одинаковое воздействие на все детали в любом их положении. [https://ru.wikipedia.org/wikiВеч]

Похожая проблема возникает в проектах вечного двигателя, основанных на силе магнита. Изобретатели, как правило не учитывают, что сила магнитного притяжения будет уравновешиваться силой тяжести. [6]

Шарик, поднявшись вверх по желобу, не сможет свободно спуститься. Магнит будет его тормозить. В результате у шарика не хватит энергии повторить подъем.

Следующая модель работает на основе закона Архимеда. Вода, поднимаясь по винту Архимеда в верхней точке переливается последовательно в чаши при этом вращая лопасти водяных колес, которые вращают Архимедов винт, который поднимает воду и так по кругу до бесконечности.

Эта модель действительно могла бы работать если бы не сила трения, возникающая при вращении винта, которая в конечном итоге его и остановит.

Если когда-нибудь наши ученые создадут вещество, которое сможет устранить полностью силу трения….тогда целый ряд моделей вечного двигателя окажутся реально работающими и ученым придется пересмотреть закон сохранения энергии. [https://ru.wikipedia.org/wikiВеч]

Глава 2. Современные прототипы вечных двигателей.

В настоящее время мы тоже можем наблюдать механизмы основанные на идее работы вечного двигателя. Это декоративные конструкции, работающие по принципу маятника. Они имеются в продаже, мы можем их приобрести и испытать. Одни механизмы вращаются вокруг оси. Другие работают за счет постоянного смещения движущихся деталей.

В «Парке научных развлечений» мы смогли понаблюдать за работой следующих механизмов.

Маятник Ньютона.

Потянув крайний правый шарик, мы наблюдаем странную картину: средние шарики остаются неподвижными и лишь крайний слева взмывает вверх и возвращает толчок кой же силы снова правому шару.

На самом деле, если присмотреться средние шарики чуть заметно «вздрагивают», то есть то же совершают действие, успевая передать импульс соседнему шарику и остановиться.

Последний шарик, не имея перед собой «препятствия», свободно движется, поднимаясь на высоту, затем возвращается, и все повторяется в обратном направлении.

Маятник Максвелла.

Чтобы маятник начал двигаться, необходимо намотать на ось ленты, на которых держится колесо. Отпустив колесо, ленты будут то разматываться, то

обратно заматываться на ось. Колесо будет то опускаться, то подниматься, но скоро остановится из-за того, что в системе присутствует сила трения и земное притяжение. В окружающем мире маятник можно увидеть в виде игрушки йо-йо, прародителем которой является маятник Максвелла.

Волновой маятник.

Шарики подвешены на оси на нити разной длины. Приводится в движение рычагом, который сначала выравнивает положение всех шаров, а затем приводит их в движение.

Почему движения маятника на синхронны? Дело в том, что частота колебаний маятника зависит от длины подвеса. Чем длиннее подвес, тем меньше частота.

Частота подобрана так, что через некоторое время после синхронного запуска мы увидим модель «бегущей волны». Потом эта «бегущая волна» пропадает, и мы можем наблюдать «стоячую волну».

Хаотичный маятник.

Приводится в движении при помощи ручки, которую необходимо прокрутить по часовой или против часовой стрелке. Через некоторое время он начинает двигаться хаотично.

Его части взаимно влияют друг на друга, и энергия может перераспределяться между ними абсолютно непредсказуемо и уникально. Одна из них может остановиться, а другая в это же время начать вращаться.

Движения данного маятника – наглядный пример хаотических процессов, который нельзя (или очень сложно) описать математически.

Вечный двигатель.

П о идее древних инженеров, продумавших данный механизм, это колесо должно крутиться вечно. В основе задумки лежит правило рычага. Одна из его формулировок: для уравновешивания груза на длинном рычаге требуется больше усилия, чем для уравновешивания груза на коротком. Проверить утверждение просто.

Попробуйте удержать сумку (или предмет потяжелее) на вытянутой руке. Затем прижмите руку ближе к груди. Чувствуете разницу? На вытянутой руке труднее удержать, так как рука — это как бы рычаг. Прижав руку к груди, мы утрачиваем рычаг, поэтому и удержать проще. Так думали и создатели двигателя. Более длинные рычаги должны перевешивать.

При повороте будут подключаться новые шарниры – рычаги, откидываясь под действием своей тяжести. В идеале это должно продолжаться вечно. Причина, по которой данный двигатель не работает вечно проста. Да, рычаги справа – длиннее. Но слева грузиков-рычагов больше, чем справа. Их количество компенсирует действие длинных рычагов.

И еще, при вращении, работает сила трения. Именно поэтому колесо не будет вращаться вечно.

Глава 3. Практическая часть.

1. Анкетирование. (приложение 1)
2. Цель: Выявление информированности учащихся 3-х классов о возможности создания вечного двигателя.
3. В анкетировании приняли участие 21 ученик 3 Б класса МАОУ «СОШ № 25».

Вопрос	Ответ учащихся (знает)
Знаете ли вы что такое магнит?	100 %
Где используются магниты	100 %
Что вы знаете о вечном двигателе?	4,7 %-знают; 95,3% — не знают ничего
Возможно ли создание вечного двигателя	33% — ответили «ДА»; 48 % — «НЕТ» 19 % — ответили «ВОЗМОЖНО»

• Анализируя результаты анкетирования, можно сделать следующие выводы:
• Все ученики (100 %) знают, что такое магнит.
• Большая часть анкетируемых (100%) знают, где используется магниты.
• Большинство учащихся (95, 3%) не знают, о вечном двигателе.
• На вопрос «Возможно, ли создание вечного двигателя?»
• — 33 % ответили «ДА»;
• — 48 % — ответили «НЕТ»;
• — 19 % — ответили «ВОЗМОЖНО».

Это подтверждает, что человечество все-таки задумывается о создании вечного двигателя. При этом зная, что это невозможно.

Испытание механизмов

Проанализировав работу вечного двигателя и его прототипов, мы решили испытать некоторые механизмы, имеющихся в «Парке научных развлечений» города Перми и определить время их фактической работы.

№ п/п	Название механизма	Вид маятника	Время работы механизма до момента остановки
1.	Маятник Ньютона	1 минута 42 сек.
2.	Маятник Максвелла	2 минуты 44 сек.
3.	Волновой маятник	22минуты 53 сек.
4.	Хаотичный маятник	1 минута 24 сек.
5.	Вечный двигатель	3 минут 26 сек.

В результате испытаний механизмов можно сделать вывод, что ни один механизм не будет работать вечно. Но вечный двигатель и волновой маятник проработали дольше остальных. Если бы можно было устранить силу трения и земное притяжение эти модели могли бы работать вечно.

Мы с папой попробовали собрать и испытать простую модель вечного двигателя в виде поливочной машины для комнатного цветка. Его устройство: рычаг, груз, грелка с водой, горшок с растением. На одном плече рычага – горшок с растением, а на другом – уравновешивающий его груз.

Под гирей эластичная емкость (медицинская грелка) с водой. Когда земля подсыхает, масса горшка уменьшается, и гиря нажимает на грелку. Вода по трубке льется в горшок до тех пор, пока его масса не достигнет массы груза. Но практика показала, что вода когда-то за кончится в грелке и ее потребуется долить.

Значит, считать это вечным двигателем невозможно.

Заключение

Таким образом, я узнал об авторах «вечных двигателей» и узнал из истории, что их созданием люди начали интересоваться еще в древности и нашел ответ на вопрос «Почему не работает вечный двигатель?».

  В результате работы над этим проектом я понял, что при работе любого механизма действуют законы физики, которые объясняют причины остановки механизма.

Вечный двигатель не может работать, так как мешает сила трения и земная гравитация.

Представление о невозможности вечного двигателя является одним из самых важных положений физики. У многих создается внутренняя убежденность, что тот, кто пытается построить вечный двигатель, — или неграмотный, или сумасшедший.

При таком подходе мы незаслуженно принижаем роль в развитии науки и техники многих поколений средневековых ученых. Занимаясь изобретением вечного двигателя, человечество открывает новое, идущее на создание высоких технологий.

Возможно, что те мои одноклассники, которые ответили, что создание вечного двигателя, возможно, создадут уникальные мировые открытия.

Но мы можем предположить, что если бы эти причины были устранены, то вечный двигатель смог бы работать ВЕЧНО!

Список используемых источников и литературы

1. Бродянский В.М. Вечный двигатель – прежде и теперь. От утопии – к науке, от науки – к утопии. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 256с. – (Научно-популярная библиотека школьника).

2. Вечный двигатель вчера и сегодня. Перельман Я. И М.: Мир, 1984

3. Занимательная физика. Книга 1, 2 Я.И. Перельман. М.: Наука,1979

4. Физика 7 класс: учеб. для общеобраз. учеб. учреждений Перышкин

5. Хочу стать Кулибиным. И.И.Эльшанский .М.: Дрофа.2008

6. Чернышов В.А. «Магнитный двигатель публикации: 17.02.2011 г.

7. https://ru.wikipedia.org/wikiВеч

1. р
2. Приложение 1
3. Анкета

Цель: Выявление информированности учащихся 3 -го класса о возможности создания вечного двигателя. Отметь галочкой вариант ответа или впиши свой вариант.

1. Знаете ли вы что такое магнит? 

— да

-нет 2. Где используется магниты?  ____________________________________________________________________ 3. Что вы знаете о вечном двигателе?  ____________________________________________________________________ 4. Возможно ли создание вечного двигателя?

— да