Капиллярное притяжение и колеса из губок
|
Читателю, вероятно, приходилось наблюдать, как намокает полотенце, забытое на краю наполненной водой ванны. Происходит это оттого, что вода под действием так называемого капиллярного притяжения, пропитывая ткань, начинает подниматься вверх. Ряд изобретателей усмотрели в этом явлении возможность построения вечного двигателя.
Но прежде чем рассказать об этих изобретениях, я хотел бы рассмотреть несколько весьма своеобразных схем гидростатических вечных двигателей.
Гидростатический парадокс, который заключается в том, что очень малое количество жидкости уравновешивает очень большое ее количество, неоднократно предлагался в качестве способа построения очередного перпетуум-мобиле. Устройство, описанное физиком Дени Папеном (1647-1712) в «Философикэл транзекшнс» за 1685 год, по существу ничем не отличается от схемы вечного двигателя, приведенной на рис. 26. Изображенный на рисунке кубок может быть сделан из любого материала, но лучше всего, если он выдут из стекла. Ножка кубка имеет форму сужающейся полой трубки, которая загибается кверху и открытым своим концом нависает над кубком. Гипотеза изобретателя, конечно "же наивная с нашей точки зрения, состоит в следующем. Площадь поперечного сечения кубка в любой его плоскости больше площади поперечного сечения трубки. Поэтому под действием силы, создаваемой жидкостью в кубке, последняя будет передавливаться в полую трубку; гидростатическое равновесие в конце концов нарушится и жидкость будет выливаться обратно в кубок. Автор проекта искренне верил в то, что, однажды начавшись, такой круговорот воды никогда не остановится и жидкость будет течь по замкнутому контуру, пока не испарится. Доводом в пользу этого мнения служило то, что пинта воды в кубке весит больше, чем унция воды в трубке1. Естественно, изобретатель был обескуражен результатом эксперимента, показавшего, что уровень воды и в самом кубке, и в его узкой изогнутой ножке одинаков. Аналогичная схема гидростатического вечного двигателя была предложена аббатом де ла Рок и описана им на страницах парижского «Журналь де Саване» (1686). Устройство представляло собой V-образную трубку, колена которой имели разную длину. Трубка была установлена наклонно так, чтобы жидкость могла перетекать из длинного колена в отверстие более короткого. На этом простота устройства и оканчивалась, потому что короткое колено должно быть сделано из воска, а длинное — из металла. Полагая, что жидкость в металлической трубке «более сгущена», чем в восковой, изобретатель надеялся получить непрерывное, вечное движение жидкости из металлического колена в восковое (и далее по замкнутому контуру). Неудачи очень многих авторов проектов перпетуум-мобиле можно объяснить слабой научной подготовкой, а иногда и отсутствием элементарных знаний по физике. Этого, однако, никак нельзя сказать о знаменитом математике и философе Иоганне Бернулли (1667-1748), который также пытался создать вечно действующее устройство. Вот описание схемы вечного двигателя Бернулли в переводе с латыни: «Прежде всего сформулируем следующие условия: 1. Если имеются две жидкости, отношение плотностей которых выражается дробью вида G/L, то отношение высот равных по весу столбов этих жидкостей, находящихся в цилиндрах равного радиуса, выражается обратной дробью, а именно L/G. 2. Соответственно, если высота столба одной жидкости АС, содержащейся в сосуде ACDB находится в указанном отношении к высоте столба EF другой жидкости, помещенной в открытую с обоих концов трубку, так, как это показано на рисунке, то жидкости будут пребывать в состоянии покоя. 3. Но если отношение AC/EF будет больше отношения L /G, то жидкость в трубке будет подниматься и выливаться через ее край, если длина трубки ^недостаточно велика (это следует из гидростатического принципа). 4. Возможно наличие двух несмешивающихся разно- плотных жидкостей. 5. С помощью фильтра, дуршлага или какого-нибудь другого сепаратора можно отделить легкую жидкость, смешанную с более тяжелой.
Конструкция устройства. Приняв во внимание сформулированные выше условия, я предложил следующий проект вечного двигателя. Возьмем две любые порции разноплотных жидкостей (для определенности — равных объемов) и наполним ими сосуд ACDB до уровня А. Пусть отношение плотностей этих жидкостей будет выражаться отношением G/L. Возьмем затем открытую с обоих концов трубку ЕЕ такой длины, что AC/EF > 2L/G+L. Закроем нижнее отверстие F трубки фильтром или каким-либо материалом, отделяющим более легкую жидкость от более тяжелой (см. условие 5). Установим подготовленную таким образом трубку на дно сосуда. Я утверждаю, что жидкость будет непрерывно проходить через фильтр в отверстии F трубки и выливаться через ее край Е обратно в сосуд. Доказательство. Согласно конструкции устройства отверстие F закрыто фильтром, который отделяет более легкую жидкость от более тяжелой. Поэтому при погружении трубки в сосуд более легкая жидкость должна через фильтр подняться вверх. Уровень жидкости в трубке при этом превысит уровень жидкости в сосуде (см. условие 2) и будет повышаться до тех пор, пока не будет достигнуто равенство AC/EF=2L/G+L. Но поскольку конструкция устройства выполнена так, что AC/EF > 2L/G+L, более легкая жидкость непременно должна стекать в сосуд и вновь смешиваться там с более тяжелой жидкостью. Затем она вновь будет просачиваться через фильтр, подымать уровень жидкости в трубке и вновь возвращаться в сосуд. Таким образом движение жидкости будет длиться вечно»; С помощью своей теории Бернулли объяснял непрерывный подъем воды в горы и стекание рек в моря, полагая в противовес «ложной теории капиллярных сил», что истинной причиной круговорота воды в природе является разность плотностей соленой и пресной воды. Эта замечательная теория, столь искусно изложенная авторитетным ученым, оставляет читателя в недоумении, ибо он должен, с одной стороны, выбирать между стройными и продуманными гипотезами, безупречной логикой доказательств, построенных в духе античности, и с другой стороны, столь важными выводами, основанными на весьма зыбком фундаменте. В отличие от Бернулли, верившего в возможность создания перпетуум-мобиле на основе различия плотностей жидкостей, Роберт Бойль (1627-1691) был убежден, что ключом к решению проблемы вечного движения являются капиллярные силы. Он считал, что некоторые явления природы могут быть объяснены исключительно действием этих сил. Размышления Бойля о капиллярных силах появились сперва в журнале «Атлас», а затем в 1827 году были перепечатаны журналом «Микэникс мэгэзин». «В природе постоянно имеет место огромное количество явлений, которые заставляют думать, что источником, дающим начало ручьям и рекам на вершинах и склонах гор, является возникающее под действием капиллярных сил скопление воды на возвышениях земного рельефа. Эти капиллярные силы действуют в больших скоплениях пористого материала или слоистых веществ». Пропитываясь водой, эти массы со временем становятся источниками, питающими ручьи и дающими начало рекам. В масштабах всей земли непрерывный круговорот поднимающихся вверх и вновь стекающих вниз вод и создает, как считал Бойль, вечное движение в самом прямом понимании этого термина. Однако вполне вероятно, что любая имитация этих явлений в искусственных лабораторных условиях не даст желаемого эффекта. Природа за счет огромного диапазона совершаемых в ней явлений способна создать непрерывный процесс, но простое копирование его человеком с помощью механических средств обречено на неудачу.
В основу вечного двигателя, предложенного сэром Уильямом Конгревом (1772-1828), также положено капиллярное притяжение. Сэр Уильям, политический деятель и инженер, изобретатель названной его именем ракеты, занимался проблемой вечного движения в 1827 году, набираясь сил после изнурительной болезни. 
Рис. 29. Это устройство с цепью из губок изобрёл около 1870 года Уильям Чейпер из Филадельфии. Правая половина замкнутой цепи находится в баке с водой. Предполагается, что трение губок о дно бака отсутствует.
В его механизме использовалась соответствующим образом измененная идея Стевина о наклонных плоскостях. В углах вертикально расположенной рамы, имеющей форму прямоугольного треугольника с одним из катетов в основании, на горизонтальных осях установлены три ролика. На ролики насажен ремень, к которому прикреплены губки, а поверх губок надета цепь с равномерно распределенными грузами. Нижняя часть устройства погружена в воду на такую глубину, что губки, находящиеся между нижними роликами, оказываются под водой. Под действием капиллярных явлений в губках ремень должен вращаться в направлении против часовой стрелки. На вертикальном участке замкнутого треугольного контура цепь с грузами не оказывает действия на губки, которые удерживают впитанную ими ранее воду. В то же время губки, находящиеся на наклонном участке рамы, сжимаются под действием грузов и отдают воду. Таким образом, губки вертикального участка имеют больший вес и тянут всю цепь вниз. Этим и обеспечивается непрерывное движение в устройстве.
Сэр Уильям произвел расчет количества работы, которую можно, как он думал, получить с помощью его машины. Согласно подсчетам, хорошая губка способна впи- тать такое количество воды, что уровень последней понизится на один дюйм. При толщине ремня с губками в один фут и ширине в шесть футов площадь оказавшейся под водой части устройства составит 864 квадратных дюйма. Следовательно, общий вес воды, поднятой под действием капиллярных сил, достигнет тридцати фунтов. Этого, по мнению Конгрева, должно быть достаточно, чтобы превысить потери на трение при движении ремня с губками вдоль рамы. 
Рис. 33. В отличие от большинства изобретателей конца XIX века, экспериментировавших с воздухом, нагнетаемым в резервуар с водой, автор этого проекта попытался создать вечный двигатель, используя идеи XVIII века. Он обратился к традиционным элементам — водяному колесу, насосу и кривошипу. Торжество изобретателя было столь же недолгим, сколь и пребывание воды в коллекторе этого «вечного» двигателя. Хотя Конгреву удалось запатентовать устройства, он так и не смог переубедить своих критиков, утверждавших, что «вечный двигатель» не сдвинется с места. Что только не испробовали искатели вечного движения: погружаемые в воду губчатые колеса; пневматические механизмы с резиновыми мехами, которые под водой наполнялись воздухом, затем конвейерным ремнем подымались вверх и вновь опускались в воду пустыми; устройства, в которых использовалось изменение давления воздуха и вакуума... 
Рис. 34. В 1865 году швейцарец Герман Леонард изобрел этот «поплавковый» мотор, столь же простой, сколь и нереализуемый. В 1825 году журнал «Микэникс мэгэзин» поместил на своих страницах описание весьма замысловатого, но, тем не менее, совершенно неосуществимого устройства. Вот что писал о нем комментатор: «Я позволю себе предложить вашему вниманию этот прибор. Признаюсь, я не сразу понял, в чем заключалась ошибка автора проекта, хотя она совершенно очевидна. Идея прибора состоит в том, чтобы заставить тело, которое тонет в легкой среде и плавает в тяжелой, последовательно проходить из одной среды в другую, осуществляя это круговое движение постоянно. Сказать, что невозможно сделать такие клапаны, которые позволят телу проникать из одной среды в другую по предложенной автором схеме, значит упустить ту главную причину, по которой вся идея этого прибора является ошибочной. Предполагается, что конструкция имеет форму двуколенной трубки, желательно стеклянной (чтобы можно было наблюдать движение шаров внутри трубки). Эти шары, попадая из воздуха в воду и из воды в воздух, всплывают на поверхность или тонут. Нижний Конец трубки помещен в воду, но принцип действия прибора не изменится, если трубку снизу закрыть.
Описание рисунка. Левое колено прибора 1 наполнено водой до отметки А; Клапаны 2 и 3 открываются только вверх; правое колено 4 заполнено по всей длине воздухом: клапаны 5, 6 открываются только вниз. Предполагается, что весь аппарат воздухо- и водонепроницаем. Кружки 7 схема изображают полые шары, которые могут погружаться в воду на четверть своего объема. Вес трех шаров, помещенных в правом колене над четвертым шаром, удерживает последний у самой поверхности воды В. Добавление еще одного шара в правое колено вытеснит нижний шар к основанию левого колена С, в результате чего он начнет подниматься. Таким образом все устройство приходит в движение. Шар 8, поднимающийся вверх по левому колену, доходит до клапана 3, ударяется в него и за счет выталкивающей силы воды открывает его, проходя выше по колену. После прохода шара клапан 3 с помощью соответствующих грузов и пружин закрывается. Дойдя до следующего клапана 2, шар сходным образом проходит и через него и устремляется еще выше. Достигнув точки А, шар 8 всплывает на поверхность воды на три четверти своего объема. Следующий шар, поднимающийся по левому колену следом за шаром 8, полностью вытеснит его из воды. Проходя мимо точки D, шар 8 попадает в правое колено (заполненное воздухом) и падает на клапан 5, который под действием удара открывается и пропускает шар ниже по колену. После этого клапан закроется с помощью пружин и грузов. Далее шар 8 будет катиться по изогнутой части правого колена прибора к клапану 6, который преодолевается уже описанным способом. Изгиб позволяет увеличить время движения шаров по правому колену и делает более наглядными происходящие в приборе процессы. Затем, упав на четыре шара, находящиеся в нижней части правого колена, шар 8 заставляет самый нижний из них сместиться к точке С. На этом цикл работы заканчивается». 
Рис. 36. Джон Сатклифф из Хантсвилла, штат Миссури, получил патент на «поплавковый» мотор в 1882 году. Мехи приводились в действие кривошипом и поджимались тяжелым шаром L. Они нагнетали воздух в резиновый пузырь, когда последний находился под водой. 
Рис. 37. Все это тяжеловесное описание не оставляет читателю никаких сомнений в том, что автор проекта был не только человеком, далеким от практики, но и в том, что он имел совершенно нелепые представления о физических свойствах воды и воздуха. Как можно было ожидать, чтобы полый шар — «в одну четверть веса воды» — проходил через изогнутую трубку или открывал клапаны в левом колене, преодолевая давление на них столба воды! Джон Фин в своей книге «Семь заблуждений науки» (Лондон, 1913) приводит описание более простой, но от этого не более реальной схемы, найденной им на страницах журнала «Пауэр» и относящейся к началу нашего столетия. Основным элементом устройства является загнутая на одном конце трубка. Оба конца ее открыты, но нижний сужается на конус. Хорошо промасленная пеньковая веревка проходит через трубку и подвешивается на блоке, который установлен над нею. Загнутая часть трубки выполняет роль нижнего блока или направляющей в этой системе, а ее конусообразный конец так плотно обхватывает веревку, что между трубкой и веревкой образуется герметичный затвор. Затем трубка до краев заполняется водой. Предполагается, что погруженная в воду часть промасленной веревки начнет подниматься вверх, а веревка на другом конце блока под действием силы тяжести и начавшегося движения погруженной в воду части веревки будет двигаться вниз. Описанная схема практически неработоспособна, поскольку основывается на совершенно невыполнимых условиях взаимодействия ее элементов. В частности, вечному движению здесь препятствуют значительные силы трения, возникающие при контакте веревки с сужающимся концом трубки (не говоря уже о трении в подшипниках блока). Понятно, что, для того чтобы воспрепятствовать утечке жидкости из трубки, сужающийся конец последней должен оказывать определенное давление на веревку. Если попытаться увеличить «мощность на поднимание», удлинив прямую часть трубки, то увеличится объем и вес воды, а значит, возрастет вероятность ее утечки из конусообразного сужения. В свою очередь, это вызовет необходимость еще туже зажать веревку в конце трубки, увеличив тем самым трение между веревкой и трубкой... Коэффициент полезного действия такого устройства будет значительно меньше единицы, а ведь вечное движение возможно лишь тогда, когда этот коэффициент, напротив, больше единицы. Чтобы хоть немного увеличить коэффициент полезного действия губчатых колес, изобретатели испробовали сочетания самых различных жидкостей. Я уже описал устройство, в котором использованы две разные среды — воздух и вода. Предлагались, однако, и такие сложные системы, основанные на действии капиллярных сил, построить которые было просто невозможно. Приведу описание одной из них. Замкнутый губчатый ремень проходит через два ролика, один из которых погружен в жидкость, находящуюся в баке, а другой находится в воздухе над баком. Бак разделен по вертикали: в одной части находится чистая вода, а в другой — соляной раствор. Губчатый ремень проходит через сальник, в котором отсутствует трение и который каким- то образом зажат между двумя жидкостями. Автор изобретения с большим оптимизмом относился к задаче практической реализации такого двигателя. Более того, он утверждал, что механизм будет работать с большей скоростью, если одна половина бака будет наполнена водой, а вторая — керосином. Похоже, что, в отличие от изобретателей самовращающихся колес, которые, как правило, доискивались до причин постигавших их неудач, большая часть экспериментаторов, занятых капиллярными системами, была несведуща в фундаментальных вопросах физики и механики. Исключение составляет, пожалуй, лишь сэр Конгрев. Его схема губчатого колеса была, по крайней мере, на йоту более реалистичной, чем все остальные. И хотя неудача есть неудача, независимо от приведших к ней причин, тот путь, пусть ошибочный, который проделал этот изобретатель, снискал ему уважение современников, а нас заставил еще раз задуматься над проблемой. 1 Пинта(англ.) = 0.57 литра, 1 унция = 28,35 миллилитра. - Прим. ред. |
загрузка...