Видео: Почему вечных двигателей не существует
Вечный двигатель, а вернее его отсутствие, всегда беспокоило людей. Чем больше людей рождается на планете, тем больше энергии они потребляют, а значит, в любой момент может настать ее дефицит. Еще несколько сотен лет назад ученые задумались о создании такого прибора, который бы работал сам по себе вечно и вырабатывал столько энергии, чтобы хватало питать себя и других. Но тут возникают препятствия, которые упираются в законы физики. Подробнее о них рассказывает автор видео, которое приложено внизу.
Самым первым человеком, который задумался о вечном двигателе, был Бхаскара II еще в 1150 году. Он был индийским ученым и астрономом, переживающим за свой народ. Тогда он вообразил колесо с перегородками, между которыми была ртуть. По мере движения колеса жидкий металл бы поднимался вверх, затем стекал вниз — и колесо бы постоянно вращалось. С тех пор многие физики озадачились такой целью, и были изобретены разные схемы вечного двигателя, включая жульнические. Но способны ли они выполнять задачи, нужные человечеству?
Дело в том, что любой двигатель, который может работать сам по себе, вырабатывает столько энергии, сколько тратит на себя и свою дальнейшую бесперебойную работу. Его же задача — давать столько энергии, чтобы заряжать ею и другие предметы. По этой причине у нас нет эффективных вечных двигателей. Кроме того, чтобы настоящий вечный двигатель работал, он не должен использовать сторонние факторы поддержки. Примером являются ветряные или водяные мельницы, которые работают без остановки только благодаря ветру или воде. При отсутствии последних мельничный механизм остановится.
С одной стороны, генерация бесконечной энергии — это заманчивая цель, но она нарушает все законы термодинамики. На данный момент мы не в силах переступить через законы физики и изобрести вечный двигатель, но мы еще очень многого не знаем о нашей Вселенной и тех возможностях, которые там скрыты. Может быть, человечество сможет открыть новый вид материи, которая будет обеспечивать его бесперебойной энергией.
Присоединяйся к нашему сообществу в телеграмме, нас уже более 1 млн человек ��
Почему вечный двигатель невозможен
Когда речь заходит о вечном двигателе, главная проблема — путаница в формулировках. Почему-то некоторые считают, что вечный двигатель – это машина, которая движется постоянно, что она никогда не останавливается. Эта правда, но лишь отчасти.
Действительно, если вы однажды установили и запустили вечный двигатель, он должен будет работать до «скончания времён». Назвать срок работы двигателя «долгим» или «продолжительным» – значит сильно преуменьшить его возможности. Однако, ни для кого не секрет, что вечного двигателя в природе нет и не может существовать.
Но как же быть с планетами, звездами и галактиками? Ведь все эти объекты находятся в постоянном движении, и это движение будет существовать постоянно, до тех пор пока существует Вселенная, пока не наступит время вечной, бесконечной, абсолютной темноты. Это ли не вечный двигатель?
Именно при ответе на этот вопрос и вскрывается та путаница в формулировках, о которой мы говорили в начале. Вечное движение не есть вечный двигатель! Само по себе движение во Вселенной «вечно». Движение будет существовать до тех пор, пока существует Вселенная. Но так называемый вечный двигатель — это устройство, которое не просто движется бесконечно, оно еще и вырабатывает энергию в процессе своего движения. Поэтому верно то определение, которое даёт Википедия:
| Вечный двигатель — это воображаемое устройство, вырабатывающее полезную работу бо́льшую, чем количество сообщённой этому устройству энергии. |
В интернете можно найти множество проектов, которые предлагают модели вечных двигателей. Глядя на эти конструкции, можно подумать, что они способны работать без остановки, постоянно вырабатывая энергию. Если бы нам действительно удалось спроектировать вечный двигатель, последствия были бы ошеломляющими. Это был бы вечный источник энергии, более того, бесплатной энергии. К сожалению, из-за фундаментальных законов физики нашей Вселенной, создание вечных двигателей невозможно. Разберёмся, почему это так.
Физика работы вечного двигателя
В нашей Вселенной безраздельно властвует закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия всегда сохраняется. Это означает, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена. Вместо этого она просто переходит из одного состояния в другое. Чтобы движение осуществлялось постоянно, энергия системы должна всегда оставаться постоянной и никуда не выделяться. Из одного этого факта следует, что вечный двигатель построить нельзя.
Почему? Чтобы поддерживать постоянное движение, мы должны соблюсти много требований к нашему устройству:
- Машина не должна иметь каких-либо «трущихся» частей. Любая движущаяся часть не должна касаться других деталей. Трение, которое будет создано между деталями, в конечном счете приведёт к тому, что двигатель потеряет свою энергию. Создание гладкой поверхности недостаточно, так как не существует идеально гладких объектов. Тепло всегда будет генерироваться при трении двух частей (образование тепла требует энергетических затрат, поэтому двигатель будет терять энергию).
- Машина должна работать в вакууме (без воздуха). Этот пункт напрямую связан с причиной, указанной в предыдущем пункте. Эксплуатация машины не в вакууме приведет к потере ее энергии за счет трения между движущимися частями и воздухом. Хотя потеря энергии из-за трения деталей двигателя о воздух очень мала, помните, что мы говорим о вечных двигателях. То есть, если существует малейший механизм потерь, то двигатель в конце концов потеряет свою энергию (даже если это займет очень много времени).
- Двигатель не должен воспроизводить звук. Звук также является формой передачи энергии. Если машина издает какие-либо звуки, это ведёт к потере энергии. Хотя эта проблема исчезнет, если двигатель будет работать в вакууме, поскольку в вакууме звук распространяться не может.
И даже если предположить, что когда-нибудь мы сможем соблюсти все эти условия и построить такое устройство, которое будет двигаться вечно. Сможем ли мы получать из него энергию? Да, но только ту энергию, которая использовалась для приведения этого устройства в движение. Вечный двигатель в реальной жизни будет просто хранить изначально переданную ему энергию. Мы должны помнить, что энергия не может быть создана; она всегда лишь преобразуется из одной формы в другую. Так что, если вам удастся построить идеальную машину, способную двигаться вечно, вам понадобится энергия, чтобы запустить её. Это единственная энергия, которую вы сможете в конечном итоге получить обратно.
Материал подготовлен репетитором по физике на Юго-Западной Сергеем Валерьевичем
Почему невозможно создать вечный двигатель?
Примерно в 1159 году математик по имени Бхаскара Ученый придумал дизайн колеса, содержащего в себе изогнутые резервуары со ртутью. Он предполагал, что когда колесо вращается, ртуть будет перетекать вниз каждого резервуара, постоянно делая одну из сторон колеса тяжелее другой. Этот дисбаланс заставил бы колесо вращаться вечно.
Рисунок Бхаскара был одним из ранних дизайнов вечного двигателя, устройства, которое должно работать бесконечно, без использования внешнего источника питания. Представьте себе ветряк, создающий ветер, необходимый ему для вращения. Или лампочку, которая своим светом создает для себя электричество. Такие устройства владели умами многих изобретателей, поскольку могли бы изменить наши взаимоотношения с энергией.
К примеру, если бы вы могли построить вечный двигатель, использующий людей в качестве элемента такой идеально эффективной системы, он мог бы поддерживать жизнь бесконечно. Но есть одна проблема. Они не работают. Все идеи создания вечного двигателя нарушают один или несколько законов термодинамики, раздела физики, который описывает взаимоотношения между разными формами энергии.
Первый закон термодинамики гласит, что энергию невозможно создать или уничтожить. Невозможно получить больше энергии, чем было затрачено. Соответственно, вечный двигатель невозможно создать, поскольку никакое устройство не может выработать больше энергии, чем оно потребляет. Не может быть избытка, чтобы привести в движение автомобиль или зарядить телефон. Но что, если мы хотим устройство, которое приводит в движение само себя? Изобретатели предлагают множество идей. Некоторые из них были разновидностями дисбалансного колеса Бхаскара, с перекатывающимися шариками или весами на подвижных плечах. Ни одно из них не работало.
Подвижные элементы, которые делают одну сторону колеса тяжелее, также смещают центр его тяжести ниже собственной оси. С низким центром тяжести, колесо лишь качается вперед-назад, как маятник, а потом останавливается. А что, если попробовать другой подход? В 17-м веке, Роберт Бойль выдвинул идею самонаполняющегося сосуда. Он предположил, что капиллярность и притяжение жидкостей и поверхностей, продвигающие воду по тонкой трубке могут заставить воду циркулировать по сосуду. Но если капиллярность настолько сильна, что преодолевает гравитацию, поднимая воду вверх, она же и не позволяет ей попадать обратно в сосуд.
Существуют также версии с магнитами, как эта система наклонных поверхностей. Предполагается, что шарик будет притягиваться вверх магнитом, падать в дыру и скатываться вниз, повторяя этот цикл. Но и это не работает поскольку, как и самонаполняющийся сосуд, магнит будет просто удерживать шарик на вершине. Даже если бы шарик двигался, сила притяжения магнита со временем снизится и он перестанет работать. Чтобы все эти механизмы работали, они должны генерировать дополнительную энергию, чтобы система смогла преодолеть сдерживающий фактор, нарушая первый закон термодинамики.
Кажется, что есть механизмы, которые работают, но в реальности, оказывается что они неизбежно используют энергию из какого-либо внешнего источника. Даже если бы инженерам удалось создать механизм, который не нарушал первого закона термодинамики, он все равно бы не смог заработать из-за второго закона. Второй закон термодинамики гласит, что энергия склонна распределяться из-за таких процессов, как, например, трение.
Любой действующий механизм имеет подвижные элементы, или взаимодействует с молекулами воздуха или жидкостей, что создает незначительные количества трения и теплоты, даже в вакууме. Из-за нагрева теряется энергия, и ее утечки неизбежны. Это снижает количество энергии, доступной для самой системы, приводя, в итоге, к необратимой остановке. До сих пор, эти два закона термодинамики ставили в тупик все идеи вечного двигателя и мечты об идеально эффективном создании энергии, следующие из них.
Однако, трудно безапелляционно утверждать, что нам никогда не изобрести вечный двигатель, поскольку мы все еще многого не знаем о вселенной. Возможно, мы найдем новые, экзотические формы материи, которые заставят нас пересмотреть законы термодинамики. А может быть, вечное движение существует в миниатюрном квантовом масштабе.
В чем нам стоит быть уверенными, так это в том, что мы никогда не остановим поиски. На сегодня, единственное, что действительно кажется вечным, это наш поиск.
Почему нельзя создать вечный двигатель, или закон сохранения энергии и границы познания
Мое изложение будет кратким, но на важных моментах я остановлюсь подробнее. Дополнительные детали и математические подробности можно, как всегда, найти в Википедии.
Несмотря на многочисленные попытки, никому не удавалось построить вечный двигатель, производящий полезную работу без воздействия извне. Ученые стали догадываться, что вечный двигатель построить нельзя. В 19 веке была построена наука термодинамика. Одной из основ термодинамики стал закон сохранения энергии. Он не следовал из каких-либо теоретических принципов, но являлся обобщением многих экспериментальных фактов.
Термодинамику можно использовать для описания работы ряда механизмов, например, двигателей внутреннего сгорания или холодильных установок. Если известно, как и при каких условиях работает механизм, можно рассчитать, сколько работы он произведет.
В 1918 году Эмма Нётер доказала важную теорему для теоретической физики, согласно которой в системе, обладающей симметриями, появляются сохраняющиеся величины. Сохранению энергии соответствует однородность времени.
Как нужно понимать «однородность времени»? Пусть у нас есть какое-нибудь устройство. Если я его включаю сегодня, завтра или через много лет, и оно работает каждый раз одинаково, то для такой системы время однородно, и в ней будет работать закон сохранения энергии.
К сожалению, школьных знаний недостаточно, чтобы доказать теорему Нётер. Но доказательство математически строгое, и связь между однородностью течения времени и сохранением энергии однозначна. Попытка построить вечный двигатель, работающий сколь угодно долго, — это попытка обмануть природу. Такая же бессмысленная, как и попытка преодолеть 1000 километров за 10 минут на автомобиле со скоростью (помните формулу s = vt?).
Что же получается, энергия всегда сохраняется? Не установили ли физики границу познания со своим законом сохранения энергии? Конечно нет! В общем случае, если в системе нет однородности времени, энергия не сохраняется. Примером такой системы является Вселенная. Известно, что Вселенная расширяется. Сегодня она не такая, как в прошлом, и в будущем изменится. Таким образом, во Вселенной нет однородности времени, и для нее закон сохранения энергии неприменим. Более того, известно, что энергия всей Вселенной не сохраняется.
Дают ли такие примеры отсутствия сохранения энергии надежду на построение вечного двигателя? К сожалению, не дают. На земных масштабах расширение Вселенной совершенно незаметно, и для Земли закон сохранения энергии выполняется с огромной точностью. Вот так физика объясняет невозможность построения вечных двигателей.