Это сладкое слово: что общего между сапогами-скороходами и вечным двигателем

Вечный двигатель… Эти два слова рождают массу ассоциаций и чувств. Тут и смех сквозь слезы, и гордость за человеческую природу, которая несмотря ни на что пытается совершить невозможное, и неизменная мыслишка на задворках сознания: «А вдруг?»

Халяву любят все

Давайте вспомним самые простые, с детства всем известные вещи: скатерть-самобранку, ковер-самолет или сапоги-скороходы. Что между ними общего? Первое: все они не существуют в реальности, это вещи сказочные, рожденные человеческим воображением.

Второе: скатерть-самобранка, ковер-самолет, сапоги-скороходы и множество других сказочных артефактов совершают свою работу за счет некой волшебной силы. Данная сила или изначально заключена в этих артефактах, или имеет живой внешний источник (волшебная щука, золотая рыбка, джинн из кувшина).

В любом случае упомянутые артефакты действуют вопреки всем известным законам физики и в каком-то смысле являются… вечными двигателями. Уже хотя бы потому, что принцип их действия, равно как и принцип действия вечного двигателя, основан на не менее вечном человеческом желании халявы.

В этом нет ничего плохого — в конце концов, весь технический прогресс направлен на то, чтобы облегчить человеческую жизнь, а вечный двигатель — это тот самый идеал технического прогресса, который потому и прекрасен, что недостижим. Как недостижимо владение сказочными артефактами.

Закон суров, но это закон

Напомним. Вечный двигатель (по-латыни perpetuum mobile — «вечно движущееся») — это двигатель, способный к бесконечной работе. Есть два рода таких двигателей. Первый выдает больше энергии, нежели получает извне. Второй умудряется вечно извлекать тепловую энергию из окружающих его тел.

Если совсем просто, вечный двигатель первого рода — это скатерть-самобранка, которая генерирует энергию (в данном случае еду и напитки) из ничего. А вечный двигатель второго рода — это чайник, который закипает, будучи поставленным на лед.

Первый нарушает первое начало термодинамики, которое, в свою очередь, является частным случаем общего закона сохранения энергии. Этот основополагающий закон гласит, что энергия не может появляться ниоткуда и уходить в никуда. Она всегда берется из какого-то источника, перетекает из потенциальной в кинетическую и сохраняется. Кто не верит — вспоминаем школьный курс физики или изучаем его заново.

Второй двигатель нарушает, соответственно, второе начало термодинамики, которое утверждает: в изолированной системе общее количество энергии либо уменьшается, либо остается неизменным. При этом энергия может передаваться только от более горячих частей системы к более холодным. Обратная передача — от холодного к горячему — невозможна.

Физические законы на то и законы, что не могут нарушаться ни при каких условиях. Именно поэтому еще в 1775 году Парижская Королевская академия наук постановила не принимать к рассмотрению ни одного проекта perpetuum mobile, поскольку их создание невозможно физически.

Любопытно, однако, что в Международной патентной классификации, созданной в 1971 году, разделы для гидродинамических и электродинамических вечных двигателей сохранены. Видимо, на всякий случай.

Свободный полет: что было не так в антигравитационном аппарате в книге Герберта Уэллса

Было, есть и будет

Вероятнее всего, попытки изобрести и построить вечный двигатель предпринимались с тех самых пор, когда люди придумали колесо с рычагом и поняли, что для совершения какой-то работы подходит не только мускульная энергия. Тем не менее первое задокументированное упоминание об изобретении вечного двигателя относится к VIII веку.

Тогда в Баварии попробовали построить колесо, которое должно было вращаться с помощью установленных на нем магнитов, которые бы притягивались и отталкивались от большого магнита, установленного под колесом. Разумеется, ничего не вышло.

А вот изобретателя следующего по времени вечного двигателя мы знаем. Это индийский математик и астроном Бхаскара II. В 1150 году он написал стихотворение, в котором описывается колесо, вечно движущееся с помощью укрепленных по его ободу узких сосудов, наполовину заполненных ртутью. Стоит ли говорить, что двигаться такое колесо не будет?

Дальше — больше. Чем шире шагал технический прогресс, тем чаще механики-изобретатели пытались осуществить эту мечту — построить работающий perpetuum mobile.

Гений всех времен и народов, Леонардо да Винчи, потратил на изобретение вечного двигателя немало сил и таланта. Что он только не пробовал! Колеса всех видов, архимедов винт, тяги, передачи, выталкивающую силу воды, силу тяжести… Ничего не получалось.

В конце концов великий итальянец математически разложил моменты сил, действующие на очередное колесо, и определил, что те, которые должны толкать колесо в одну сторону, равны противоположным, вращающим колесо в другую сторону. В результате возникает равновесие, и колесо не движется.

По сути этими вычислениями и выводами Леонардо вплотную подошел к открытию закона сохранения энергии, который в 1842 году впервые сформулировал немецкий медик и естествоиспытатель Юлиус Роберт фон Майер. Однако Леонардо все равно был первым ученым, который прямо написал:

«Я пришел к выводу о невозможности существования «вечного колеса». Поиск источника вечного движения — одно из самых глубоких заблуждений человека».

Разумеется, среди изобретателей вечного двигателя попадались мошенники, и даже весьма удачливые! Так, немец Бесслер, более известный под псевдонимом Орфиреус, десятилетиями морочил голову сильным мира сего своим колесом, которое якобы крутилось вечно. И не только крутилось, но поднимало грузы весом до 16 кг!

Дело было в первой половине XVIII века, колесо Орфиреуса держали в опечатанной комнате под охраной, но и через два месяца оно продолжало вращаться. Даже Петр I настолько заинтересовался этим «чудом» механики, что чуть было не купил изобретение за 100 тысяч ефимков (рублей). Хорошо, вовремя одумался. Обман изобретателя вскрылся через много лет: оказалось, что колесо тянули специально нанятые люди с помощью искусно спрятанной веревки.

Как бы то ни было, но именно бесчисленные попытки изобрести вечный двигатель и привели ученых к открытию закона сохранения энергии и обеих начал термодинамики.

А вдруг?

Самое интересное, что некоторые их попытки создать perpetuum mobile приводили к результату, который, на первый взгляд, казался решением этой нерешаемой проблемы! Так, новозеландец Артур Беверли (часовщик, астроном, математик) в 1864 году соорудил часы, которые идут… по сей день.

Да, их время от времени останавливают и чистят, но затем они опять идут. Там есть резервуар с маслом, в котором плавает грузик. В зависимости от атмосферного давления и температуры воздуха масло поднимается или опускается, а грузик заводит пружину часов.

Это пример так называемого мнимого вечного двигателя, в котором энергия поступает из окружающей среды. Подобные двигатели могут работать до тех пор, пока не износится сам механизм или не изменятся условия поступления энергии. То есть очень долго. Но все-таки не вечно, и физические законы при этом не нарушаются.

Если же говорить о современных изобретениях, то есть знаменитый двигатель EmDrive, который в 1999 году изобрел британский инженер Роджер Шойер. В этом устройстве, состоящем из ассиметричного резонатора и магнетрона, тяга якобы возникает от электромагнитных колебаний внутри резонатора, что нарушает закон сохранения энергии вообще и закон сохранения импульса в частности. С этим двигателем возятся до сих пор.

Кто-то говорит, что измерения тяги некорректны, кто-то пытается объяснить возникающую тягу малоизвестными свойствами вакуума или квантового мира. Как бы то ни было, можно не сомневаться, что и EmDrive не нарушает физических законов, а если с его помощью откроют что-то новое и полезное, тем лучше для нас всех.

Аким Бухтатов