Вечные двигатели XVI и XVII столетий
|
Ранние искатели вечного движения редко доверяли бумаге свои мысли и изобретения, и хотя большинство первых печатных книг касалось наук и ремесел, лишь в некоторых из них можно найти упоминание о перпетуум-мобиле.
Вечный двигатель описан в очень старой санскритской рукописи по астрономии «Сиддханта Сиромани», относящейся к первой половине V века нашей эры. Он представлял собой колесо, имевшее на внешнем ободе два ряда отверстий одного диаметра, расположенных зигзагообразно на равном расстоянии друг от друга. Отверстия были заполнены ртутью и плотно закрыты. Утверждалось, что такое колесо, установленное на оси и пущенное в движение, будет вращаться бесконечно долго само по себе. Значительно позднее появилось сочинение под странным названием «Пещера медицинской магии», написанное Марко Антонио Зимарой. Итальянский философ, врач, астролог и алхимик Зимара родился в Галатино около 1460 года и умер в Падуе то ли в 1523, то ли в 1532 году. В течение долгого времени он был профессором философии и медицины в Падуе и Неаполе. Зимара был исследователем и критиком Аристотеля и его приверженца — Альберта Великого, чьи работы по физике и метафизике он опубликовал в 1518 году в Венеции. Как врач Зимара внес определенный вклад в медицину Возрождения исследованиями внутренних болезней. Свои знания он черпал из сочинений алхимиков, астрологов и чудотворцев. Не удивительно поэтому, что его собственные книги и терапия носят мистический и астрологический характер. Нас, конечно, больше всего интересуют не медицинские изыскания Зимары, а описанный в упомянутом сочинении странный вечный двигатель, не «требующий для своей работы ни воды, ни грузов». К сожалению, в этом написанном на латыни трактате отсутствуют иллюстрации, что очень затрудняет чтение. Поэтому по просьбе исследователя творчества Зимары профессора Кастена Толмейджа из Висконсинского университета художник Б. Л. Поттервельд сделал рисунок «вечной ветряной мельницы», строго придерживаясь текста трактата и особенностей художественного стиля эпохи Возрождения. Вот как Зимара описывал свой двигатель:
Видимо, Зимара искренне верил в то, что он первым выдвинул идею вечного двигателя. Но, вероятно, самый старый способ построения перпетуум-мобиле заключался в использовании колеса, несущего насаженные на него рычаги. Длина рычагов в процессе вращения колеса автоматически изменялась под действием силы тяжести. Описание вечных двигателей этого типа будет дано в следующей главе. Примерно в это же самое время были предложены механизмы, в которых колесо разделялось перегородками на равные радиальные секторы. Вращение колеса меняло ориентацию секторов относительно вертикали, и тяжелые шары, помещенные по одному в сектор, перекатывались в них под действием силы тяжести. Позднее металлические шары были заменены «быстрым серебром» (ртутью). Принцип действия других вечных механизмов основывался на использовании гидростатических явлений, капиллярных притяжений и управляемых магнитных полей, изменяющих влияние силы тяжести. И тем не менее следует отдать должное Зимаре: он действительно первым предложил использовать пневматический принцип в работе вечного двигателя. Что же касается его машины, то можно сказать, что она уникальна по своей неэффективности. Так как сила ветра, раздувающего кузнечные мехи, совершенно недостаточна для приведения вечной ветряной мельницы в действие. Глядя на рисунок мельницы, хочется вслед за Толмейджем заметить, что изображенный на нем странный ландшафт, одежды и позы двух философов, непропорционально увеличенные ручные кузнечные мехи как нельзя лучше имитируют характер иллюстраций в итальянских изданиях начала шестнадцатого столетия. Видим мы на рисунке и «вращающееся колесо с четырьмя или более крыльями» и «установленные напротив него мощные кузнечные мехи, нагнетающие воздух, который быстро вращает колесо». Что же касается «приспособления, которое будет управлять работой кузнечных мехов во время вращения колеса», то, поскольку Зимара не оставил точных указаний относительно его расположения, художник вправе был изобразить его в виде трех рычагов, прикрепленных к краям колеса. Совершенно очевидно, что для того, чтобы колесо пришло во вращение, движения рычагов должны быть строго согласованны. По характеру действия это приспособление напоминает то, что на языке современной техники именуется трехколенчатым кривошипом. В XVI веке оно действительно должно было составить честь изобретательности мастера! 
Рис 4. "Вечная" ветряная мельница Марко Антонио Зимары Кривошипы изображены на нескольких набросках, выполненных Леонардо да Винчи (1452-1519). И хотя великий итальянец не опубликовал их, многие писатели утверждают, что видели эти рисунки вскоре после смерти ученого. Врач Георг Агрикола (1494-1555), автор сочинения «О металлах, в XII книгах», опубликованного в Базеле через год после его смерти, приводит несколько любопытных рисунков кривошипов и маховиков. Интересно изображение двухколенчатого кривошипа, о котором, по всей вероятности, Зимара не имел представления. Есть в книге и рисунок огромных кузнечных мехов, приводимых в действие посредством рычага и используемых для поддува воздуха в печь. Агрикола называет их «сильно увеличенной копией распространенного в обиходе приспособления для раздувания огня». По своей конструкции эти мехи подобны описанным Зимарой. По характеру изложения книга Зимары кажется нам яснее и понятней, чем многие сочинения его современников. Ученые мужи Возрождения, мудрецы и мистики любили соединять в своих трудах вопросы магии, колдовства, алхимии и астрологии, на каждом шагу ставя в тупик несведущего в оккультных науках читателя. Абрахам Вольф в своей «Истории науки, техники и философии в XVI-XVII веках» усматривает следующую связь между изобретением маховика и идеей получения энергии из ничего: «Предполагалось, что в результате непрерывного вращения маховика совершается полезная работа. Но поскольку закон сохранения энергии был сформулирован лишь в XIX веке, в те времена такая идея представлялась совершенно необоснованной. Тем не менее Агрикола сделал гораздо меньше ошибок, чем его современники, писавшие на ту же тему». Если верить запискам Томаса Тимме, голландский химик и натурфилософ Корнелий Дреббель (1572-1634) сконструировал механизм, имитирующий движение Солнца и Луны по небосклону (не было ли это ранней моделью планетария?) и демонстрировал его перед английским королем Иаковом I (правившим с 1603 по 1625 год). Механизм приводился в действие с помощью «огненного духа», находящегося в оси колеса. Эдуард Сомерсет маркиз Ворчестерский (1601-1667), которому приписывают создание первой действовавшей паровой машины, в своей любопытной книге «Столетие изобретений» (1655) описал ряд устройств, которые, судя по комментариям автора, представляли собой попытки создать вечный двигатель. Одно из описаний, помещенное в «Столетии» под номером XXI, озаглавлено «Ведерный фонтан». «Как постоянно, днем и ночью, поднимать воду ведрами, используя лишь силу, возникающую при ее движении, и имея колесо или насос, а также лебедку, к концам которой прикреплено по ведру. Признаюсь, я видел и изучал подобное устройство в доме великого математика Клаудиуса в Риме; автор преподнес это устройство в подарок одному кардиналу. Я не стремлюсь присвоить себе труды других, поэтому, если я упоминаю о некотором изобретении, я обязательно называю имя изобретателя». Описание под номером LV названо «Двойной водяной винт». «Двойной водяной винт; внутренний винт предназначен для подъема воды; по нисходящей резьбе внешнего, значительно более короткого винта вода стекает вниз; кроме того, имеется экстраординарное средство для вращения винта и подъема воды». В книге приведены сведения и о других водяных машинах, создатели которых находились, вероятно, под влиянием идеи вечного движения. Например, описано устройство, в котором вода автоматически убывает и прибывает (или механизм, состоящий из баков с водой, постоянно наполняющихся и опорожняющихся). Наиболее интересным, на мой взгляд, является самовращающееся колесо. Об этом механизме я подробно расскажу в следующей главе. Идея вечного движения не ускользнула из поля зрения и английского епископа Джона Уилкинса (1614- 1672). В своем сочинении «Математическая магия» он пишет о том, что вечное движение создается «химическим притяжением», возникающим при перемешивании ртути с некоторыми другими веществами. Уилкинс считал, что, очистив эту массу несколько раз, можно получить атомы вещества, которые, если их поместить в полый стеклянный шар, будут поддерживать вечное вращение такого шара. Епископ Честерский был, однако, достаточно прозорлив, чтобы не обольщаться по поводу осуществимости такого процесса и его способности обеспечить вечное движение шара. Я еще вернусь к рассказу об изобретениях этого духовного лица. XVII и XVIII века отмечены большим количеством теоретических и практических работ инженеров-механиков. 
Рис. 5. Мельница замкнутого цикла, предложенная Робертом Флуддом в 1618 году. Для ее работы нет необходимости в непрерывно текущем потоке воды. Лишь спустя два столетия после смерти Флудда стало ясно, что закон сохранения энергии исключает возможность существования такого устройства Сегодня их книги дают нам представление не только об инженерном искусстве тех далеких времен, но и о методах, с помощью которых решались тогда технические задачи. Еще до публикации красноречивого и логически обоснованного труда епископа Уилкинса появились сочинения другого замечательного автора, во многом облегчающие нам понимание эпохи становления Новой Науки. Этот человек, Роберт Флудд (1574-1637), оставил много хорошо иллюстрированных описаний механизмов, которые использовались в те времена в повседневной жизни. В одном из его сочинений, опубликованном в 1618 году, рассказывается о проекте мельницы замкнутого цикла, в котором использованы водяное колесо, архимедов винт и резервуар с водой. В Германии несколько позже жили два выдающихся механика, работы которых отличались неудержимым полетом фантазии. Один из них, Георг Андреас Беклер, опубликовал в 1686 году в Нюрнберге замечательное сочинение, переизданное затем в 1703 году. Книга, названная автором «Театром новых машин», была написана в виде очерка о развитии инженерного искусства. В соответствии с обычаями того времени Беклер латинизировал свое имя и на титульном листе предстал перед читателями как «Георгиус Андреас Беклерус, архитектор и инженер». Подзаголовок уточнял содержание книги: «Мельницы: водяные, ветряные, ручные, приводимые в действие домашними животными или с помощью поворотных механизмов». Но не столько из названия книги, сколько руководствуясь знанием исторической обстановки, сложившейся в Германии в столетие, последовавшее за окончанием Тридцатилетней войны1, читатель поймет, что знакомство автора с техникой того времени почти полностью ограничивалось разного рода мельницами. В большинстве своих изобретений, безотносительно к виду используемой движущей силы, Беклер вплотную подошел к открытию принципа зубчатой передачи. Инженеры семнадцатого столетия не обладали ни теоретическими познаниями, ни техническими возможностями для того, чтобы сконструировать зубчатые колеса, которые сцеплялись бы с минимальным трением. Вообще в те времена люди еще плохо представляли себе, что такое трение, хотя и использовали это явление в мельничном деле для транспортировки мешков с мукой2. Столь обычная сегодня конструкция шестерен, сцепленных с зубчатыми колесами большого диаметра, тогда еще только появилась. Но проблема изменения оси вращения на 90° уже была решена изобретением катка (wallower), приводимого в действие корончатым колесом (деревянное колесо, по окружности которого на одинаковом угловом расстоянии друг от друга закреплены небольшие штыри) или колесом, на ободе которого имелись зубцы, перпендикулярные его оси. Каток иногда назывался роликовым колесом, часовщики же именовали его фонарной шестеренкой3. Это столь полезное средство из арсенала механиков XVII века состояло из двух деревянных дисков, в каждом из которых по периферии был просверлен ряд отверстий. Кроме того, в центре дисков также были сделаны отверстия, через которые пропускался вал или ось механизма. Эти отверстия имели, как правило, квадратную форму, предохранявшую каток от проворота на оси. Диски насаживались на вал на некотором расстоянии друг от друга, необходимом для работы всего механизма. Сквозь отверстия на периферии дисков пропускались деревянные стержни, которые соединяли диски наподобие фонаря или птичьей клетки. Когда каток сцеплялся с ведущим колесом, создавалась пригодная для работы зубчатая передача. В зависимости от типа этого колеса (корончатого или зубчатого) передача движения осуществлялась соответственно перпендикулярно или параллельно ведущей оси. Все это описано в «Театре новых машин». Самым же впечатляющим в книге Беклера является постоянное стремление автора идейно связать излагаемый материал с представлениями о вечном движении. Людям прошлого казалось, что наиболее доступным источником энергии для работы вечных двигателей является вода. Вероятно, такое мнение сложилось от того, что вода, повсюду окружающая человека, казалась ему ничего не стоящей. Это обстоятельство и вводило в заблуждение мельника, думавшего, что вода достается ему бесплатно. От него было скрыто, что купля-продажа воды происходит как бы в пересчете на единицу энергии, которая один лишь раз может быть затрачена на совершение полезной работы. Однако владельцы мельниц, на которых в период засух уменьшался напор воды, не рассматривали последнюю как бесплатный источник энергии. Они постоянно пытались заставить воду подниматься вверх и вновь совершать работу. Позднее умудренные опытом инженеры стали накапливать энергию, сооружая запруды со шлюзными воротами и создавая в них запасы воды для того, чтобы работа мельниц не прекращалась в засушливые периоды, когда естественный приток воды прекращался. Инженерам позднего средневековья и Возрождения был известен по крайней мере один весьма надежный способ подъема воды на определенную высоту: если конец трубки, скрученной наподобие резьбы винта, опустить в воду, то она начнет подниматься вверх по трубке до тех пор, пока последняя будет вращаться. Это странное, но, тем не менее, идеально работающее изобретение, вошло в историю техники под названием архимедова винта. Теперь мы понимаем, что трубка архимедова винта должна была вращаться с помощью какой-то внешней силы. Этого, однако, не знали люди средневековья, которые с искренним удивлением задавали вопрос: «Что может быть проще, чем соединить такой винт с водяным колесом мельницы? Ведь тогда мельница будет вращать винт, а винт приводить в движение мельницу!» Беклер так же, как и многие другие инженеры, жившие до и после него, разделял эту точку зрения. Все его многочисленные мельницы, тщательно нарисованные и любовно описанные, должны были работать именно на этом принципе. Более того, Беклер считал себя автором столь замечательной идеи и без ложной скромности провозглашал себя единственным и неповторимым гением- теоретиком (да и практиком тоже). Он свято верил в правоту выдвинутых им положений и походил тем самым на бесчисленное множество других «гениев», которые на протяжении многих лет горько жаловались на тупость и бездарность механиков, не умевших воплотить столь очевидные и ясно изложенные идеи в практически действовавшие механизмы. Интересной особенностью беклеровских вечных двигателей с архимедовым винтом является форма лопастей, очень напоминающая лопатки современных турбин. Еще одно средство для подъема воды, приводящей в движение мельницу, состояло из ряда бачков, прикрепленных к веревке и образующих замкнутую цепь. Предполагалось, что эти бачки будут подавать воду прямо на мельничное колесо. Подобное самовращающееся колесо казалось современникам Беклера, вероятно, самым достоверным из его проектов. Колесо было сконструировано таким образом, что на одной его стороне постоянно оказывалось больше грузов. Поэтому изобретатель полагал, что оно не только будет все время вращаться, но и давать энергию, достаточную для работы водяного насоса. Колесный насос одного из вечных механизмов Беклера изображен на рис. 6. Самовращающееся колесо было подвергнуто углубленному анализу выдающимся немецким философом Якобом Леупольдом, который в 1724 году опубликовал в Лейпциге книгу под названием «Общий театр машин». Целый ряд механизмов Беклера воспроизведен здесь с такой точностью, что невольно напрашивается вывод о прямом заимствовании из более ранней работы Беклера. Но, в отличие от своего предшественника, Леупольд, как уже говорилось, тщательно проанализировал работу самовращающегося колеса и пришел к выводу, что оно должно вращаться, так как суммарный момент, создаваемый грузами на одной его стороне, всегда будет превышать суммарный момент от грузов на противоположной (?!) стороне. Нам не следует слишком строго судить Зимару, Беклера и других, ведь наши сегодняшние представления вобрали в себя мудрость, знания и опыт многих поколений исследователей. Напротив, мы должны быть им признательны за то, что они оставили нам письменное изложение знаний по механике и технике того периода, когда создание книги требовало поистине самоотверженных усилий. Уместно заметить также, что инженеры XVII века часто заблуждались, но никого никогда не дурачили. Этим они выгодно отличались от многих изобретателей более позднего времени. 
Рис 6. Георг Адреас Беклер описал большое количество самодвижущихся мельниц на основе винта Архимеда. На этом рисунке изображено устройство, в котором винт Архимеда применён для подъёма воды, а колесо, напоминающее турбину, - для вращения жерновов мельницы Интересно, что вера в винт Архимеда как в средство для решения проблемы вечного движения была разрушена не кем иным, как Уилкинсом, епископом Честерским. Его книга «Математическая магия» вышла в свет в 1648 году, то есть на тридцать восемь лет раньше беклеровского «Театра». Уилкинсу было тогда тридцать четыре года, и, подобно многим духовным лицам XVII века, он был еще и ученым и писателем. Решив заняться разработкой (и описанием) мащины вечного движения, он выполнил свое намерение с завидной скрупулезностью. В разделе книги, посвященном «водяным вечным двигателям», Уилкинс подробно говорит о преимуществах архимедова винта перед насосом, а затем продолжает: «Если рассматривать эти механизмы совместно, то может показаться, что построить вечный двигатель не так уже сложно. Для этого достаточно иметь водяное колесо, по которому бы опускался, приводя его в действие, ранее поднятый вверх поток воды. Это колесо вращало бы винт, поднимавший такое количество воды, которое было необходимо для движения всей машины в целом. Движение это было бы непрерывным, поскольку количество воды, выносимое вверх вращающимся винтом, равняется количеству воды, падающему по колесу вниз. Если же окажется, что действия воды на одно колесо недостаточно для приведения в движение архимедова винта, то почему бы не использовать несколько колес: два, три — словом, столько, сколько позволяют размеры всей машины. 
Рис. 7. В 1648 году епископ Уилкинс тщательно изучил действие архимедова винта и пришел к твердому убеждению, что на основе этого устройства невозможно создать вечный двигатель Обратимся теперь к рисунку. Здесь деталь LM, изображенная внизу, представляет собой деревянный цилиндр, в котором вырезан спиральный желоб. В устройстве этот цилиндр закрывается жестяными пластинами АВ. Три водяных колеса отмечены буквами Н, I, К, а расположенный внизу резервуар с водой — буквами CD. При вращении цилиндра вся вода, которая поднимается им из резервуара вверх, будет поступать в сосуд Е, а из этого сосуда выливаться на колесо Н и, следовательно, вращать и колесо и весь винт в целом. Если же для вращения винта количество воды, падающее на колесо Н, 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 К. Этот каскад можно продолжить, установив такое количество дополнительных колес, какое позволяют размеры всего устройства. Однако увеличение числа колес утяжеляет винт и для его вращения потребуется воды больше, чем он сможет поднять. Но если вода будет в избытке, то почему бы не использовать часть ее на хозяйственные нужды (при условии, конечно, что оставшейся воды будет достаточно для вращения винта)? Когда я впервые сделал такое открытие, то едва удержался от того, чтобы, подобно Архимеду, не закричать «Эврика!». Этот способ создания вечного движения казался мне столь безупречным, что вряд ли можно было бы найти против него какие-либо возражения. Однако после целого ряда попыток я пришел к выводу о полной несостоятельности своего замысла. Устройство не будет работать по двум причинам. Во-первых, вода, которая подымается наверх, не образует сколько-нибудь значительного потока, устремляющегося затем вниз. Во-вторых, этот поток, даже в виде каскада, не способен вращать винт». Таким образом, епископ Уилкинс не только задумал весьма оригинальный вечный механизм, но и взял на себя труд построить модель устройства и подвергнуть ее испытаниям. В результате этого исследования Уилкинс убедился в полной непригодности механизма и четко уяснил для себя причины идейной несостоятельности проекта. Если бы все изобретатели вечных двигателей следовали примеру славного епископа и, прежде чем предавать свои изобретения гласности, столь тщательно оценивали бы их! Например, уже знакомый нам Роберт Флудд предложил в 1618 году аналогичный вечный двигатель, но не пошел дальше его описания. В его проекте водяное колесо с помощью зубчатых колес приводит в движение насос, который доставляет воду, необходимую для вращения самого колеса. Подводя итоги сказанному, следует задаться вопросом: насколько широко была распространена в XVI и XVII веках идея создания вечного двигателя? 
Рис. 8. В 1588 году в Париже увидел свет классический компендиум различных машин и механизмов эпохи Возрождения, принадлежавший перу Агостино Рамелли. Это поражающее воображение сочинение, названное автором «Различные хитроумные машины», содержит описание огромных водяных устройств для подъема воды на виадуки, сифонов, насосов двойного действия, роликовых подшипников с уменьшенной силой трения, реечных передач, эксцентриков, реверсивных зубчатых передач, «персидских колес», наклонных секционных желобов для подъема воды, а также превосходную коллекцию гравюр, изображающих сложные образцы военной техники, среди которых разборные понтонные мосты, переносные ручные инструменты для разрушения подъемных решеток крепостных ворот и снятия этих ворот с петель, прицелы для пушек и т. д. Рамелли был, несомненно, высокоталантливым инженером, любопытно, однако, что в его работе мы не встречаем никаких упоминаний о вечных механизмах. Некоторые предложенные им «хитроумные машины» близки к идее вечного двигателя, но все они имеют чисто практическое назначение. Вернее всего предположить, что, если бы Рамелли действительно был знаком с этой идеей, он наверняка попытался бы создать вечный механизм и оставил бы его описание. Отсутствие же перпетуум-мобиле в его книге свидетельствует о том, что сама идея вечного движения в XVI веке находилась еще в зачаточном состоянии. История, как известно, повторяется, и то же самое происходит, вероятно, и с изобретениями. В 1648 году епископ Уилкинс отверг идею «колесно-насосного» вечного двигателя, а более чем через двести лет модифицированный проект того же самого устройства с искренним энтузиазмом первооткрывателя был предложен неким читателем журналу «Инглиш микэник». Вот что писал изобретатель: «На рисунке буква A обозначает винт, ось которого закреплена в двух опорных точках G, G. Буквой В обозначена емкость, которая наполнена ртутью до уровня нижнего отверстия винта (ртуть, по мнению многих, предпочтительнее воды, потому что она не оседает на стенках резервуара, а также не испаряется подобно воде). Буквой С обозначен резервуар, в который при повороте винта попадает падающая сверху ртуть. Из этого резервуара выходит трубка, по которой вследствие действия силы тяжести ртуть перетекает на лопастную площадку Е (мы назвали ее так за неимением более подходящего термина). Лопасти представляют собой перегородки между различными секторами площадки. Ртуть, попавшая в секторы площадки, давит на лопасти-перегородки и приводит во вращение площадку и, следовательно, винт. Когда сектор в процессе вращения площадки поравняется с резервуаром Е, наклон перегородок оказывается таким, что ртуть стекает по желобу в этот резервуар, а затем оказывается в емкости G. Оттуда винт, находящийся в постоянном вращении, вновь подхватит ртуть и вынесет наверх». Нужно отдать должное творческой мысли изобретателя, выбравшего очень тяжелую и подвижную жидкость для приведения в действие «лопастной площадки». Жаль только, что это тяжелое вещество — ртуть — должно было подниматься с помощью винта. Мы-то ведь знаем, что это невозможно. Если бы этот изобретатель мог соединить знания инженера-механика и знания алхимика, он наверняка превратил бы ртуть в порошок алюминия или какой-нибудь газ, чтобы она могла легко подниматься по винту Архимеда. А затем, оказавшись сверху, эта волшебная субстанция вновь легко превращалась бы в тяжелую, подвижную ртуть, которая при падении вниз еще сильнее раскручивала бы винт. Печально, что такой проект даже менее реален, чем предыдущий. Тем же, кто убежден, что нет вещей более неосуществимых, чем просто неосуществимые, я позволю себе напомнить поговорку времен Второй мировой войны: «Невозможное мы совершаем мгновенно, а на чудеса требуется больше времени». 1 Тридцатилетняя война началась в Германии в 1618 году и после долгих и кровопролитных сражений окончилась подписанием Вестфальского договора 8 октября 1648 года. 2 Подъемник был устроен наподобие корабельной лебедки: вокруг вращающегося вала натягивалась веревка со свободно закрепляющейся петлей. 3 Или, по современной терминологии, цевочным колесом. — Прим. ред. |
загрузка...