XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВЕЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРВОГО РОДА. ПОЧЕМУ ОНИ НЕВОЗМОЖНЫ?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шолмин К.С. 1

---

1МБОУ СОШ №3 г.Одинцово

Лугина Н.И. 1

---

1МБОУ СОШ №3 г.Одинцово

Работа в формате PDF

428.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

АННОТАЦИЯ

В проектно-исследовательской работе с исторического и научного ракурса рассматриваются вечные двигатели первого рода, которые занимают в истории науки и техники значимое место, несмотря на то что они не существуют и существовать не могут. Приведены сведения о зарождении механизмов. Борьба с заблуждениями изобретателей вечных двигателей и их ученых защитников в значительной степени способствовала развитию и становлению науки о превращениях энергии — термодинамики. Не только теоретически, но и эмпирически обосновано, что вечный двигатель первого рода невозможен.

Настоящее исследование основывается на монографиях доктора технических наук В. М. Бородянского и физика, популяризатора точных наук Я. И. Перельмана.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность: Несмотря на известные человечеству законы физики, люди упорно продолжают создавать «вечный двигатель».

Проблема: Изобретатели таковых двигателей часто необразованны в вопросе о ppm («вечный двигатель»), ввиду чего продолжают изобретать «вечный двигатель». И даже если они начинают изучать соответствующую литературу, то рано или поздно запутываются в формулах и понятиях.

Цель: изучить историю и типы «вечного двигателя», а также законы физики.

Задачи исследования:

1. Ознакомиться и кратко изложить историю «вечных двигателей»;

2. Изучить законы физики и описать их в работе;

3. Обосновать с помощью законов физики нереализуемость «вечных двигателей»;

4. Изготовить фонтан Герона и доказать гипотезу эмпирическим путём.

Гипотеза: Если «вечный двигатель» работает, то он нарушает законы физики. Для его бесперебойной работы необходимы идеальные условия, которые невозможно реализовать, по крайней мере, на Земле.

Объект исследования: «вечный двигатель».

Предмет исследования: история и физические особенности «вечных двигателей».

Продукт: фонтан Герона.

Теоретическое обоснование: тему «вечного двигателя» затрагивали многие ученые. Для данного проекта будут использованы работы В. М. Бродянского и Я. И. Перельмана.

Методы исследования:

1. Анализ литературы;

2. Исторический метод;

3. Классификация;

4. Обобщение;

5. Описание;

6. Наблюдение;

7. Эксперимент.

Этапы проектно-исследовательской работы:

1. Выбор темы исследования (сентябрь-октябрь);

2. Постановка целей и задач, комплектация оборудования (ноябрь-декабрь);

3. Выдвижение гипотезы (декабрь);

4. Написание теоретической составляющей проектно-исследовательской работы (декабрь-январь);

5. Создание продукта и проведение эксперимента для подтверждения гипотезы (январь);

6. Поиск информации для обоснования и анализа результатов эксперимента (январь-февраль);

7. Создание презентации (февраль).

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Прежде всего стоит предупредить, что «вечный двигатель» не может существовать, пока работают законы физики, поэтому в работе он не будет выделяться кавычками. В тексте для краткости вместо слова «вечный двигатель» иногда будет использоваться «ppm-1» (perpetuum mobile — с лат. вечно движущееся) или аббревиатура ВД (вечный двигатель).

Вечный двигатель есть устройство, способное бесконечно двигаться и вырабатывать полезную работу, не заимствуя энергию извне. Обязательное условие для именования какого-либо устройства, которое способно совершать движение вечно, это выработка полезной работы, ведь без этой важной функции вечный двигатель лишается своего предназначения, становясь бесполезной побрякушкой.

У истоков. В XIII веке в Европе широко распространяется грамота, становится всë больше изобретателей, открываются новые университеты. Производства увеличивались и разрастались. Но по-прежнему ручной труд преобладал над работой различных машин. Росла потребность в универсальном и экономичном двигателе, поэтому собирались и осваивались технические изобретения со всех стран. В это время и появляется идея вечного двигателя.

МЕХАНИЧЕСКИЕ PPM-1

Все механические ppm-1 средневековья основаны на одной и той же идее: создании постоянного перевеса грузиков на одной стороне колеса. Это неравновесие должно вращать колесо двигателя, а от него приводить в действие машину, выполняющую полезную работу.

В этом пункте будут рассмотрены лишь некоторые вечные двигатели, потому что в любых формах принцип их работы остается неизменным. Такие двигатели можно разделить на две группы — твёрдотельные (т.е., которые используют грузы из твёрдого материала) и жидкостные (где грузом является жидкость).

Твердотельные ppm-1. Во Франции в XIII веке жил архитектор и инженер — Виллар де Оннекур. В его «Книге рисунков» — альбом с записями и чертежами — есть рисунок и описание вечного двигателя (см. Приложение, рис. 1). Оннекур писал: «С некоторого времени мастера спорят, как можно было бы заставить колесо вращаться само собой. Этого можно достигнуть посредством нечетного числа молоточков или ртути следующим образом». Инженер считал, что левая сторона колеса постоянно будет тяжелее правой и колесо будет бесконечно двигаться из-за перевеса. Но проблема заключается в том, что вся система уравновешивается; колесо вращаться не станет, и, сделав несколько качаний, остановится в таком положении. Движение такой системы описывается с помощью так называемой теоремы моментов.

Жидкостные ppm-1. В жидкостных двигателях (см. Приложение, рис. 2), как можно понять из названия, движущая сила есть жидкость, переливающаяся при его вращении. Принцип работы такой же: создать перевес.

И все последующие проекты, которые меняли лишь форму, но не принцип работы, следовали той же идее: создать постоянный перевес одной из сторон и тем самым заставить его непрерывно вращаться.

Со времен Архимеда был известен закон, который определял условия равновесия прямого рычага. Но когда сила веса груза направлена не под прямым углом, такой закон не работает. Леонардо да Винчи в 1515 г. нашел решение: для равновесия ломаного рычага нужно, чтобы произведения сил на соответствующие плечи сил были равны. Сумма моментов сил у всех механических ppm-1 равна нулю. В одной из своих тетрадей он записал: «Искатели вечного движения, какое количество пустейших замыслов пустили вы в мир!»

МАГНИТНЫЕ PPM-1

Такой (см. Приложение, рис. 3) магнитный ppm-1 описал в своей книге «Сотня изобретений» (1649 г.) Джон Уилкинс.

К шаровому магниту ведут два наклонных желоба: один (А) прямой, второй (Б) — изогнутый. По идее, железный шарик, помещенный на верхний желоб, покатится вверх, притягиваемый магнитом. Но так как перед магнитом в верхнем желобе сделано отверстие, шарик провалится в него, скатится по нижнему желобу и через его изогнутую часть снова вылетит наверх и двинется к магниту и т. д. до бесконечности.

В чем абсурдность этого изобретения? Казалось бы, шарик, скатившись по желобу Б до его нижнего конца, будет еще обладать скоростью, достаточной для поднятия его вверх по закруглению. Но так было бы, если бы шарик катился под действием одной лишь силы тяжести: тогда он катился бы ускоренно. Но наш шарик находится под действием двух сил: тяжести и магнитного притяжения.

Последнее по предположению настолько значительно, что может заставить шарик подняться к магниту. Поэтому по желобу Б шарик будет скатываться не ускоренно, а замедленно, и если даже достигнет нижнего конца, то во всяком случае не накопит скорости, необходимой для поднятия по закруглению.

Уилкинс тоже понимал, что даже если магнит достаточно силëн, чтобы притянуть шарик от нижней точки, то он точно не даст ему провалиться через отверстие, поэтому в конце он напишет, что такое изобретение работать не будет.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ PPM-1

Ещë одним типом вечного двигателя был гидравлический. С античных времëн было известно о подаче воды сверху вниз. Самым совершенным из устройств, которое могло бы производить такую работу, был архимедов винт. Если соединить такой насос с водяным колесом, цикл замкнется. Вода, стекая из бассейна, будет крутить колесо, а насос, приводимый от него, снова подаст воду вверх. В тетрадях Леонардо да Винчи был обнаружен эскиз гидравлического вечного двигателя (см. Приложение, рис. 4).

Леонардо понимал, что падающая вода может при идеальных условиях поднять то же количество воды на прежний уровень и всë; он отметил в своей книге, что «невозможно привести мельницы в движение посредством мертвой воды¹», то есть никакой дополнительной работы система произвести не может.

Была и идея заставить воду подниматься и сливаться в меньшем перепаде высот. Д. Уилкинс отверг этот двигатель и подсчитал, что «нужно втрое больше воды для вращения, чем то количество, которое она подает наверх» и «пришел к выводу, что это устройство не способно работать».

Также он провел теоретический анализ и 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.

ЕСЛИ БЫ НЕ БЫЛО ТРЕНИЯ

Действительно, сила трения многим рушила все планы. Из-за трения деталей механизма расходуется энергия двигателя, трение есть и с воздухом, что в условиях жесткой экономии энергии не позволительно, также ppm-1 не должен издавать никаких звуков, ведь это тоже трата энергии. Вопрос со звуком и трением воздуха решили вакуумом, а трение механизма убрать не удалось.

На Земле движение происходит в веществе или по веществу, следовательно, нет такого места, где не существовало бы трение. На других планетах Солнечной системы трение тоже есть. Предположим, что изобретатели вечных двигателей решили найти место, где нет трения, решили вылететь из Солнечной системы, что на данный момент нереализуемо, так как нет космических кораблей, позволяющих преодолевать столь дальние расстояния. И даже если они всë-таки вылетят, то приспособить среду без трения для жизни людей будет невозможно, следовательно, ppm-1 останутся бессмысленными.

Рассмотрев некоторые типы вечных двигателей, можно подвести небольшой итог: вечные двигатели, работающие на силе тяжести, а именно: механические и гидравлические, не существуют и существовать не могут. Механические существовать не могут, потому что, сделав несколько оборотов или качаний, система уравновесится. Гидравлический нереализуем из-за того, что вода не может подниматься выше изначального уровня без приложения к ней работы. Все они имели бы смысл в среде обитания человека, какой и является Земля, в других же местах на данный момент они бессмысленны. Но так как на Земле есть «законы» природы, которые не позволяют работать ВД, то и тут он бесполезен.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Чтобы окончательно отвергнуть идею существования вечного двигателя, используем закон сохранения энергии и первое начало термодинамики² (науки о тепловых явлениях). В этой главе убедимся, что вечный двигатель существовать точно не может.

Предыстория. Утверждение закона сохранения энергии проходило с участием вечного двигателя. М. Планк оценивал поиски ppm-1 как попытки в химии искусственно получить золото — в обоих случаях наука пользовалась отрицательными результатами опытов.

Г. Галилей, М. В. Ломоносов, Г. Х. Гюйгенс и многие другие утверждали, что энергия сохраняется, переходя в другой вид, и что из ничего она появиться не может. Такая идея начала развиваться с XVI в.

В механике «закон сохранения силы» (а позже и работы) не подвергался сомнению среди серьезных ученых. В 1775 г. Парижская Академия наук приняла официальное постановление о том, что она «не будет рассматривать никакой машины, дающей вечное движение».

Открытие закона сохранения энергии. Росла необходимость в определении механического эквивалента теплоты, так как закон сохранения энергии хотели распространить на все виды энергии. Первым эту задачу решил французский физик и математик Сади Карно. Он не только сформулировал закон сохранения энергии, но и впервые дал числовой коэффициент для пересчета тепла в работу: 3628,5 Дж (истинный коэффициент равен 4186,8 Дж).

Однако как основоположник закона сохранения энергии в историю вошел другой человек — немецкий врач Роберт Майер. Он впервые опубликовал свой расчет механического эквивалента тепла в 1842 г., который был равен 3579,4 Дж, позже он его уточнит до 4167,8 Дж. Но выдающееся открытие Майера, к сожалению, не имело признания, его работа оставалась по­чти неизвестной. Первооткрывателем закона стали называть Дж. Джоуля, а затем и Г. Гельмгольца. И лишь через пару десятков лет приоритет Майера в открытии закона сохранения энергии был признан.

После публикации работ Джоуля закон сохранения энергии победил окончательно. Это означало конец ppm-1. Основополагающий вклад в эту работу сделали Г. Гельмгольц, У. Томсон-Кельвин и У. Ренкин.

Выразим закон сохранения энергии (ЗСЭ) в формуле для внутренней энергии (первый закон термодинамики):

A = Q + ΔU (1)

A — затраченная работа; Q — количество теплоты; ∆U — внутренняя энергия.

Затраченная работа может как идти на увеличение внутренней энергии тела ΔU, так и отводиться в виде теплоты Q. Если ΔU = 0, то Q = A.

Формулировок первого закона термодинамики довольно много, и чтобы доказать невозможность ppm-1, выберем наиболее подходящую: «При любых превращениях в системе (система, параметры которой в ходе процесса не меняются) входящий в нее поток энергии всегда равен выходящему». В математическом виде:

W' = Q' + H' = Qʺ + Нʺ + Aʺ = Wʺ (2)

Потоки входящей энергии обозначены знаком «'», и выходящей — «ʺ». Окружим двигатель (см. Приложение, рис. 5) контрольной поверхностью (она показана на рисунке штриховой линией). На входе в общем случае это может быть поток теплоты Q' и поток энергии, которую вносит входящее вещество (например, пар, топливо). Энергия в потоке вещества обозначается буквой Н. На выходе нужно учесть выходящую теплоту Q, поток энергии, выносимый отработавшим веществом Нʺ, и работу Aʺ. Первый закон утверждает, что входящая энергия W' т. е. сумма Q' + Нʺ, обязательно должна быть равна выходящей Wʺ, т. е. сумме Qʺ + Hʺ + Aʺ (если только внутри двигателя энергия не накапливается и не расходуется, ΔU = 0).

Из уравнения (2) следует, что отводимая работа равна сумме изменений энергии рабочего тела и теплоты:

Aʺ = (Q' – Qʺ) + (H' – Нʺ) (3)

Подсчитав их, мы найдем работу двигателя, равную Aʺ. Из первого закона термодинамики следует, что получаемая работа не может быть ни меньше, ни больше Aʺ.

Нас интересует второй случай (энергия берется из "ниоткуда", что соответствует ppm-1). Такое устройство существовать не может.

Для анализа взят общий, сложный случай — с теплотой и потоком вещества. Но для двигателей, которые были рассмотрены, уравнения (1) или (2) будут выглядеть более просто, так как Q = 0 и H = 0, а следовательно, и W' = 0. Тогда и

Wʺ = Aʺ = 0 (4),

и работа этих устройств должна быть равна нулю. Если же изобретатель утверждает, что A ≠ 0, то это лишь плод воображения, которого в реальности не существует.

Первый закон термодинамики позволяет не вникать в детали устройства для того, чтобы определить: будет двигатель работать или нет. Нужно просто «заключить» его внутрь контрольной поверхности и подсчитать, сколько всего входит энергии (W) и сколько выходит (Wʺ), если выходит больше, чем входит (Wʺ > W'), то дискуссия закончена: первый закон термодинамики нарушен.

Первое начало термодинамики представляет собой мощное средство научного познания природы. Для уже существующих систем оно позволяет проверить правильность любых теорий или результатов экспериментов, связанных с энергетикой. Для вновь изобретенных систем проверка их энергетического баланса обязательна. Если W' ≠ ΔU + Wʺ, то система существовать не может. При W' > ΔU + Wʺ энергия в ней «уничтожается», а при W' < ΔU + Wʺ — «возникает» из ничего (ppm-1). Первый закон показывает, что все это абсолютно невозможно.

ФОНТАН ГЕРОНА

Методы исследования и инструментарий. С помощьюэксперимента и наблюдения будет доказана эмпирически невозможность вечного двигателя на примере фонтана Герона, который по задумке должен работать вечно. Для изготовления вечного двигателя понадобятся три сообщающихся сосуда, жидкость (вода), трубки и пробки с отверстиями.

Принцип работы. Фонтан Герона (вечный двигатель первого рода) состоит из трёх сосудов, которые располагаются друг над другом и сообщаются между собой. Два нижних сосуда закрытые, а верхний имеет форму открытой чаши. Средний сосуд почти полностью заполнен водой. Вода наливается в верхнюю чашу. Вода из верхней чаши по трубке течет в нижний сосуд. Воздух в нижнем сосуде сжимается, повышая там давление. По трубке давление передается по воздуху в средний сосуд. Повышение давления в среднем сосуде заставляет воду в нём подниматься по трубке в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, бьет фонтан.

Результаты эксперимента. Вода из верхней чаши поступает в нижний сосуд, где уровень воды постепенно повышается, и потому высота давящего столба и уровень воды в среднем сосуде постепенно уменьшаются.

По закону сообщающихся сосудов высота фонтана равна разнице уровней поверхности воды в среднем и нижнем сосудах, но на самом деле из-за трения жидкости, движущейся по трубкам, и других причин постепенно уменьшается высота фонтана и в конце концов движение воды прекращается.

Мы наблюдаем простейшую конструкцию вечного двигателя, который должен был работать благодаря работе силы тяжести, но из теоретического раздела известно, что сила тяжести не может производить работу, передаваемую какой-либо машине, которая ее использует. В очередной раз невозможность ppm-1 доказана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Была проделана большая работа по изучению нового сложного материала. Изучены законы физики: закон сохранения энергии (и первый закон термодинамики), условие равновесия рычага и прочие. Рассмотрены с исторического ракурса разные виды вечных двигателей первого рода.

Эмпирически и теоретически гипотеза была доказана: вечные двигатели действительно могут работать лишь в идеальных условиях, то есть в таких, где нет трения, но такая система не могла бы производить никакой полезной работы, т. е. не была бы вечным двигателем. На Земле, конечно же, работать ppm-1 не будет, так как действуют закон сохранения энергии и трение между деталями механизма.

За время написания проектной работы были получены бесценные знания, которые в будущем, безусловно, помогут для дальнейшего изучения вечных двигателей и физики в целом.

В работе был рассмотрен лишь двигатель первого рода, поэтому можно было бы предположить, что существует двигатель и второго рода — так и есть, но он не был включен в работу из-за того, что в популярности значительно уступает двигателю первого рода. А так как эта работа рассчитана на людей, которые о вечных двигателях мало знают, а если и знают, то, с большой долей вероятности, только о вечных двигателях первого рода, такое пожертвование простительно лишь потому, что автор верит, что читатели, заинтересовавшись, решат «копнуть» глубже и изучат вопрос самостоятельно. Можно сказать, что тем самым автор проектной работы ставит еще и задачу побудить интерес к физике и вечным двигателям, итог которой станет известен не скоро.

Конечно, физические особенности вечных двигателей необходимо популяризировать: так мы сможем ликвидировать безграмотность у людей, которым ближе гуманитарные науки. В данной работе была затронута лишь небольшая часть механизмов вечного движения. И ppm-2 (т.е. вечный двигатель второго рода) вполне может быть продолжением данной проектно-исследовательской работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСОВ

1. Бродянский В. М. Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии: монография. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 256 с.

2. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 1: монография. М.: Наука, 1983. 212 с.

3. Перельман Я.И. Занимательная физика. Книга 2: монография. М.: Наука, 1983. 282 с.

4. Храмов Ю.А. Физики: Биографический справочник. М.: Наука, 1983. 400 с.

5. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/btv1b10509412z/f11.item.zoom

6. https://elementy.ru/posters/perpetuum/first

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5