Яку конструкцію вибрати для «вічного двигуна»? Як привести його в дію? Ось над чим ламали голову багато винахідників в середні століття.
Проекти «вічного двигуна» з'являлися ще з XIII століття. Французький вчений того часу П'єр де Марікура в своєму творі про магніти пропонував для «вічного двигуна» застосувати магнітне тяжіння. Сильний магніт повинен притягувати рухомі деталі, а якийсь передавальний механізм знову повертати їх в початкове положення.
Однак більшість винахідників воліло користуватися для цієї мети силою тяжіння. Звикнувши, що зазвичай двигуном служило водяне колесо, вони також вибирали цю конструкцію.
Ось як був влаштований один з «вічних двигунів», споруджений в XVI столітті.
Наливне колесо оберталося струменем води, що стікала з поставленого над ним невеликого резервуара. На валу колеса був насаджений шліфувальний круг.
Поки з резервуара падала на лопатки колеса струмінь води, колесо оберталося. Якби вода поступала в резервуар самопливом з якогось струмка, цей двигун працював би, як будь-яке інше водяне колесо.
Але винахідник хотів обійтися без зовнішньої сили течії води. Його двигун повинен був сам піднімати в резервуар воду, падіння якої призводило б його в рух.
З цією метою системою передач від вала колеса приводився в рух водопідйомний гвинт, який повинен був поповнювати запас води в резервуарі. Звичайно, щоб пустити в хід цей двигун, знадобилося спершу наповнити резервуар водою. Коли на колесо потекла струмінь води, воно почало крутитися. Можна було навіть обточувати що-небудь на шліфувальному колі.
Але недовго тривала робота двигуна. Кількість води в резервуарі швидко зменшувалася. Колесо поступово уповільнювало обертання і нарешті зупинився.
Чому ж? Бути може, занадто велике тертя і двигун не може долати його? Щоб усунути цю перешкоду, були ретельно опрацьовані всі труться. Але ніщо не допомагало.
У чому ж причина невдачі? Чому колесо не змогло заповнювати витрата води в резервуарі? Це залишалося загадкою для винахідників «вічного двигуна». Не розуміючи, що їх затія суперечить законам природи, вони придумували все нові машини.
Чи не спробувати приводити колесо в рух вагою перекочується важких куль?
Подібну думку запропонував маркіз Уорчестер, який займався, як і багато багаті англійці XVIII століття, поряд з розвагами також і науковими дослідами.
Негайно ж знайшлися винахідники, які підхопили його ідею. Вони стали пробувати різні конструкцій такої машини. Одна з них мала вигляд плоского барабана, що може обертатися на горизонтальній осі. Усередині нього були відповідним чином вигнуті радіальні перегородки, за якими перекочувалися кулі.
При обертанні колеса, на думку винахідника, кулі повинні були під дією сили тяжіння перекочуватися так, що на одному боці вони були б завжди далі від осі, ніж на інший. Більш віддалені кулі повинні були своєю вагою повертати колесо і при цьому скочуватися до його центру. Одночасно кулі, що знаходилися поблизу осі колеса, повинні були відкочуватися до його обода і підтримувати обертання двигуна.
Однак який би вид ні надавав винахідник зігнутим перегородок, колесо саме по собі не оберталося, а наведене в обертання, дуже скоро зупинялося.
Нова невдача не зупинила подальших спроб. Ніщо не могло переконати винахідників в принципову неможливість «вічного руху». Їх досвід незмінно доводив, що «вічний двигун» відмовляється не тільки приводити в дію будь-які робочі машини, але і підтримувати власний рух. Але, одержимі сліпою вірою в можливість здійснення їх нездійсненної мрії, винахідники «вічного двигуна» завжди приписували невдачу якимось конструктивним недоліків.
Одна з машин «вічного руху». За ідеєю винахідника, порожнисті кулі, спливаючи в рідини, повинні обертати весь ланцюг куль. Ідея ця нездійсненна: кулі, що входять в резервуар знизу, зустрічають сильну протидію з боку рідини, що дорівнює роботі, одержуваної при Спливання куль на поверхню.
У книзі англійця Генрі Дёркса, виданої в 1861 році, зібрано і описано безліч проектів «вічного руху». У ній є розповідь і про якийсь авантюриста Орферіусе, який в 1712 році оголосив про винайдення ним «вічного двигуна». ^
Натовпи цікавих облягали будинок Орферіуса, де їм показували колесо, що обертається.
Що ж приводило його в рух? На це питання ніхто не давав відповіді. Винахідник зберігав в секреті внутрішній устрій своєї машини.
Так протягом декількох років Орферіусу вдавалося обманювати відвідувачів. У 1717 році сам ландграф Гессен-Кассельский доручив винахіднику побудувати для нього такий двигун. Побудоване Орферіусом колесо не тільки оберталося, а й піднімало вантаж в 70 фунтів на деяку висоту.
Повідомлення про «винахід» Орферіуса, надруковане в німецьких газетах, стало відомо російському царю Петру I, який дуже зацікавився ним. Петро запрошував до Росії німецького вченого Вольфа «вдосконалити винахід Орферіуса».
Ландграф запросив оглянути цей «двигун» відомого Лейденського професора, фізика Гравезанда. Оглянувши колесо, Гравезанд не засумнівався в тому, що він бачив дійсно «вічний двигун». Про це він написав у збереженому до нашого часу листі Ньютону.
Однак цей винахід було тільки нахабним обманом. Не отримавши обіцяної винагороди від Ландграфа, Орферіус зруйнував свій двигун, щоб ніхто не дізнався, що його колесо крутив за допомогою спритно прихованого приводу захований в сусідньому приміщенні осіб.
Задовго до того часу, коли Орферіусу вдалося обдурити навіть вченого Гравезанда, прозорливі мислителі вже розуміли або здогадувалися про неможливість здійснення «вічного двигуна». Вони вказували, як на приклад, на годинник, що приводяться в рух вагою гирі.
Хіба можна влаштувати самозаводящіеся годинник? Для цього потрібно, щоб опускається гиря одночасно піднімала такої ж ваги іншу гирю. Але яку б ланцюг передач ні влаштувати, обидві гирі уравновесятся, як рівні вантажі на вагах.
Ця думка була вже зрозуміла вченим середньовіччя. Можливість «вічного двигуна» заперечували Леонардо да Вінчі та інші дослідники природи. Один з них, що жив в XVI столітті італійський інженер Джузеппе чергуються, прямо вказував, що здійснення цієї ідеї неможливо, так як скільки машина виграє в силі, стільки ж вона втрачає в швидкості.
Чого хотіли винахідники «вічного двигуна»? По-перше, щоб їх машина сама себе приводила в рух. По-друге, щоб вона при цьому робила корисну роботу. Розглянемо докладніше це питання.
Кожна машина складається з деталей, які при роботі повинні періодично повертатися у вихідне положення. Таке рух всіх частин парової машини і інших двигунів і робочих механізмів.
Значить, «вічний двигун» повинен долати взаємне тертя рухомих деталей. Крім того, йому потрібно ще долати опір, пов'язане з очікуваною від нього корисною роботою.
Якщо машина приводиться в дію вітром, течією струмка або падінням води на лопатки водяного колеса, то зовнішня сила долає як тертя деталей самого двигуна, так і опір, що зустрічається при корисній праці.
Але «вічний двигун» не отримує енергії ззовні. Він повинен приводитися в рух вагою своєї деталі, падінням води, яку він сам же піднімає на необхідну висоту, і тому подібними способами.
Чи можливо здійснити цю ідею?
Багаторазовий досвід показав неможливість не тільки вилучення корисної роботи, але навіть підтримки власного руху машини, яка не доступна енергії ззовні. Здійсненню ідеї вічного руху перешкоджає те, що ніяка машина не дає виграшу в роботі.
Чому, наприклад, не діяло описане вище водяне колесо, накачувати воду в резервуар над ним?
Щоб підняти один літр води на висоту резервуара, потрібно було зробити таку ж роботу, яку віддає цей літр води, падаючи на лопатки колеса. Ця робота була б достатня для підняття одного літра води на ту ж висоту, якби не було ніякого тертя між деталями машини і ніяких інших опорів. Але так як тертя неминуче, то неможливо не тільки отримати від цього «двигуна» корисну роботу, але навіть підтримати його холостий хід.
Покладемо, що побудована машина, яка повинна наводитися в рух вагою однієї зі своїх деталей. Чи може вона виконувати будь-яку корисну роботу? Подивимося, що станеться, якщо б під дією цієї деталі машина почала рухатися.
Сила тяжіння, що діє на опускається деталь, здійснювала б роботу, яку будемо вважати позитивною величиною. При поверненні ж цієї деталі в початкове положення сила тяжіння справила б рівну їй за величиною негативну роботу. Значить, робота сили тяжіння, вироблена під час одного циклу, дорівнює нулю.
Які б ми не придумали передачі, за яким би шляху ні рухалася деталь під дією сили тяжіння, робота цієї сили, досконала при поверненні деталі в початкове положення, стане дорівнює нулю.
Механіки називають такі сили консервативними. До числа консервативних сил належать і пружність пружин, і магнітне тяжіння, і інші сили, якими користувалися винахідники «вічного двигуна».
Значить, не може бути й мови про корисної роботі двигунів, які не отримують енергії ззовні. Крім того, така машина не може сама по собі навіть почати рухатися. Її потрібно завертіти зовнішньою силою. Наведена ж таким чином в дію, вона витрачає отриману енергію на подолання тертя своїх деталей і на інші опору. Запас енергії скоро був би вичерпаний, і «вічний двигун» зупинився б.
Але чи немає в природі неконсервативних сил?
Такі сили є, наприклад - тертя і опір середовища: вироблена ними робота залежить від шляху і швидкості. На замкнутому шляху вона не дорівнює нулю.
Але чи можуть ці сили привести в рух машину? Звичайно, ні.
Сучасні техніки знають, що енергія, тобто здатність виробляти роботу, не може бути ні створена, ні знищена. Вона тільки переходить з одного виду в інший.
Це основний закон природи.
При згорянні вугілля в топці котла звільняється енергія перетворюється в теплоту, яка нагріває і випаровує воду. Пар тисне на поршень циліндра і приводить в рух машину. Енергія руху машини - тільки частина енергії, що звільнилася при згорянні вугілля, інша ж частина її витрачається на подолання тертя і нагрівання деталей самої машини.
Енергія, що виділяється при згорянні вугілля, була свого часу поглинена з сонячного випромінювання. Як відомо, викопне вугілля утворився в результаті розкладання без доступу повітря деревини древніх рослин, причому частина полягав у ній вуглецю виділилася в твердому вигляді.
Звідки ж саме Сонце черпає випромінюється їм енергію?
Ця енергія виникає всередині Сонця в результаті так званих ядерних реакцій (водень під впливом температури, яка доходить всередині Сонця до 20 мільйонів градусів, при величезному тиску перетворюється в гелій).
Гідравлічні двигуни використовують енергію падіння води, яка обертає турбіни. Ця енергія на гідроелектричних станціях перетворюється в електричний струм. Яке ж її походження?
Джерелом і цієї енергії знову є Сонце. Його випромінювання перетворює у пар воду океанів і морів.
Пари піднімаються і, охолодити у верхніх шарах атмосфери, випадають дощем. Вода дощів тече по ухилах земної поверхні річками. Падаючи, вона обертає турбіни гідроелектричних установок. Енергія падіння води - частина енергії сонячного випромінювання, витраченої на випаровування води.
Так в природі відбувається постійний процес перетворення енергії з одного виду в інший. Спалюючи вугілля в топках парових котлів, користуючись падінням води для приведення в дію турбін, людина також бере участь в цьому процесі.