Несмотря на доступность разных Вечных Двигателей Второго Рода (ВДВР), схожих с ГЭС на Земле, по большому счету они остаются трудной задачей для науки и техники. По-настоящему серьезной проблемой при создании идеального ВДВР является не гарантия его дословно вечного действия, а эффективность его работы без непосредственного улавливания излучения Солнца рукотворными деталями ВДВР при одновременном уменьшении задействованных в ВДВР объемов окружающей среды - с планетарных до много десятков метровых, а еще лучше до примерно метровых размеров. Имеется ввиду, что идеальным будет мощный ВДВР со следующими характеристиками : полный внутренний объем порядка 1м3 без стенок или с габаритными стенками, через которые остывающая при работе внутренняя среда всё равно подогревается внешним неисчерпаемым теплом Земли ; отсутствие прямого излучения Солнца и отсутствие масштабных потоков внешней среды наподобие ветра ; из-за малых размеров устройства в его пределах ничтожный перепад по высоте для температур и давлений внутренней среды ; температура внутренней среды нормальная комнатная или атмосферная. Поскольку температура около 3000К , а не 00К , то почти вечная тепловая энергия несомненно присутствует. Но как превращать её в полезную работу, если нет движущих перепадов температур и давлений, нет макроскопических движений среды, и если бесполезны макроскопические принудительные манипуляции с рабочими объемами и давлениями среды (в чём совершенно права старая энергетика и термодинамика). Вот крупнейшая проблема на пути к идеальному по самодостаточности ВДВР.
Один из возможных способов решения поставленной задачи предполагает использование микроскопических движений молекул газа (воздуха) с помощью нанотехнологий и наноконструкций. Броуновское движение молекул заключает в себе огромную кинетическую энергию : к примеру, если с одной стороны поршня условия стандартной земной атмосферы, а с другой стороны поршня условия вакуума, то на каждый квадратный сантиметр поперечного сечения поршня от разницы давлений действует активная сила величиной 1 кГс. Если с обеих сторон поршня условия стандартной земной атмосферы, то броуновское движение продолжает работать, сдавливая поршень с двух сторон, но суммарное ходовое усилие на поршне становится нулевым. В этом и трудность использования броуновского движения молекул в некотором объеме для перемещения твердого тела, целиком помещающегося в этом охватывающем объеме. Ведь на то оно и броуновское (хаотическое равновероятное) движение, что удары молекул в тело со всех направлений уравновешивают друг друга. Преодолев эту трудность тем или иным способом, можно быть уверенным в постройке идеального мощного ВДВР. В частности, существует по меньшей мере одна нетривиальная форма твердого тела с наноячейками размерами в длины свободных пробегов молекул газа (воздуха), благодаря которой данное тело будет перемещаться поступательно непрерывно под действием импульсов молекул в броуновском движении. Далее не проблема передать перемещение данного тела, например, на ротор электрического генератора в ВДВР. Также можно использовать сборки данных тел для получения подъемной силы и продольной тяги у задарных летательных аппаратов в атмосфере Земли, но конечно не в открытом космосе.
Первое начало термодинамики (с отрицанием ВДПервогоРода) не имеет прав распространять свои внутренние частные запреты на более общие явления, такие как нетермодинамические задарные силы и взаимодействия: электро-магнитные, гравитационные и др. Второе начало термодинамики не так категорично относится к Вечному Двигателю Второго Рода и допускает преобразование внутренней энергии тел в механическую энергию, но в запале борьбы с "лженаукой" (изобретателями вечных двигателей) сама доводит свою позицию до абсурда и утверждает - "через бесчисленные миллионы лет вся Вселенная остынет, и будет неоткуда подпитывать ВДВР от тепла внешнего окружения, т.е. в итоге невозможен и ВДВР". Это отрицание термодинамикой ВДВР не имеет никакого практического значения в обозримой перспективе лет, и поиски ВДВР научно оправданы.
В качестве положительного решения вопроса ВДВР предлагается воспользоваться броуновским движением атомов газа, см. рис.1. Чтобы превратить хаотичные удары атомов в поступательное движение со скоростью V твёрдого предмета, последний должен состоять из нано-ячеек с характерными размерами порядка длины свободного пробега атомов газа. На рис.1 показан вариант нано-ячейки из скреплённых (синий пунктир) между собой пластин особого поперечного сечения.
Рис.1. Элемент ВДВР.
Удары атомов газа в крайнюю левую стенку ячейки уравновешиваются ударами в крайнюю правую стенку. Атомы, влетающие в зазор между пластинами снизу рис.1, ведут себя аналогично показанным (красным) атомам, влетающим сверху, причём наибольший вклад в передачу импульсов дают атомы с векторами скоростей под углом 45 градусов к горизонтали. Атомы с траекторией сплошной красной линии после трёх упругих столкновений с внутренними стенками ячейки - передают импульс влево для ячейки. Атомы с траекторией пунктирной красной линии после всего двух упругих соударений со стенками ячейки - если и передают импульс ячейке вправо, то много меньший импульса влево. Таким образом, вся нано-ячейка будет двигаться поступательно влево со скоростью V. Примечательно то, что в конструкции на рис.1 движение атомов (между пластинами по каналу, поперечному к линии вектора V), которое вроде бы не должно порождать продольное движение V ячейки - на деле его создаёт (как если бы какие-то атомы ударяли только справа в направлении на крайнюю правую стенку ячейки, перпендикулярную вектору V).
Конструкции похожие на рис.1 позволяют преобразовывать броуновское движение атомов газа (внутреннюю тепловую энергию вещества) в механическую энергию поступательного движения с ненулевым тяговым усилием на исполнительном механизме с последующей выработкой например электроэнергии. Эффективность этого преобразования тепла не обязана быть - больше 100% (по сумазбродному требованию термодинамики для признания ею вечного двигателя). Достаточно КПД в несколько процентов, и это уже будет истинный ВДВР. В описанных процессах рабочий газ несомненно охлаждается, но забирает тепло от окружающих тел. Так будет продолжаться пока всё вокруг не остынет до абсолютного нуля, но этого не дождаться. Броуновское движение атомов газа аналогично изученному можно "эксплуатировать" с помощью нано-пьезо-столбиков, в торцы которых ударяют, например, тяжёлые атомы паров ртути. Это ещё один из способов выработки электроэнергии на базе ВДВР.
Предварительное численное моделирование на ANSYS.
С целью проверки работоспособности конструкции рис.1 были проведены расчеты в динамическом приложении комплекса ANSYS (признательность Усманову А.Р., специалисту из С.-П.).
Общая постановка задачи, см. рис.2.
Плоская задача динамики материальной точки при абсолютно упругих столкновениях с абсолютно жесткими стенками.
Рис.2. Модель броуновского движения по единственной частице.
Внешняя рамка закреплена. Внутренний прямоугольник сначала неподвижен, но может перемещаться только вдоль пунктирной осевой линии. Материальная точка (с массой много меньше массы прямоугольника) при начальной скорости затем множество раз ударяется (без потери скорости) в прямоугольник и внешнюю рамку. Геометрия и размеры "прямоугольника" имеют два варианта исполнения. Требуется сравнить эти варианты по конечной скорости "прямоугольника".
Исходные данные предварительного расчета.
Тривиальная форма "прямоугольника", см. рис.3. Если бы атомарные частицы изначально двигались только горизонтально, то треугольник (равносторонний по 100мм) по рисунку 3 набирал скорость влево. Но при броуновском движении частиц (когда частицы ударяют треугольник и сверху и снизу) - треугольник останется неподвижным (аналогично действию статического нормального давления на треугольник). Подтверждение неподвижности треугольника нужно для проверки корректности расчетов по Ансис и последующего сравнения конкретных величин.
Рис.3. Простая форма несимметричного элемента ВДВР.
За исходные данные предварительного расчета принимается следующее. Треугольник находится в центре четырёхугольника 1000х1050х1100х1150мм, который должен быть несимметричным для исключения зацикливания на одной траектории частицы. Диаметр частицы 0,5мм, масса 1грамм. Масса треугольника 100000грамм. Начальное направление частицы произвольное. Скорость частицы 1000 метров в секунду.
На протяжение расчета частица должна несколько миллионов раз удариться в преграды. В пост-процессоре Ансиса необходимо вывести всю траекторию частицы для проверки равномерного заполнения ею пространства между внешними стенками и треугольником. Цель расчета - конечное положение треугольника относительно начального, и конечная скорость треугольника при нулевой начальной. Эти значения должны сравниваться с результатами НЕтривиального "прямоугольника" (по рис.1 и рис.2) при прочих равных исходных данных.
Результаты предварительного расчета.
Из-за быстроты контакта частицы со стенкой при ударах приходится уменьшать временной шаг решения уравнений Ансисом для достижения приемлемой точности. На обычном персональном компьютере десять столкновений одной частицы обсчитываются более минуты. Для моделирования броуновского движения по единственной частице требуется реализовать миллионы ударов, чтобы перебрать все возможные места и углы попаданий частицы в элемент ВДВР. Отсюда следует вывод, что подобное моделирование может быть выполнено только на супер-компьютере.
Основное численное моделирование на ANSYS.
Выполнить расчеты на обычном персональном компьютере позволяет другая методика. Она сводится к непосредственному исследованию нетривиального несимметричного элемента с рис.1. При этом, без внешней рамки (рис.2) "шеренгам" множества частиц задаются все возможные места и углы входа частиц в зазор элемента ВДВР. Такая расчетная схема показана на рис.4.
Жирные стержни абсолютно жёсткие. Они соединены пунктирными жёсткими стержнями ЕК, которые "прозрачны" для частиц. Вся стержневая конструкция имеет единственную степень свободы - может перемещаться вправо-влево вдоль горизонтальной штрих-пунктирной осевой линии. Масса конструкции 100000грамм.
При каждом заданном угле атаки получается прямоугольный треугольник АВС. На стороне АВ располагаются частицы диаметром 0,5мм и межцентровым расстоянием 1,0мм. Масса каждой частицы 1грамм. Частицам сообщается скорость 1метр в секунду параллельно линии ВС. Частицы, при встрече проходя сквозь друг друга, ударяются в стержни, и после выхода всех частиц из зазора между жирными стержнями - расчёт останавливается. Стержневая конструкция получает конечную постоянную горизонтальную скорость со знаком плюс+вправо или минус-влево (при нулевой начальной). Эти скорости после анализа позволяют оценить работоспособность предлагаемого броуновского ВДВР.
Рис.4. Расчетная схема (в миллиметрах) основной модели.
Задаваемые углы атаки (заведомо исключая 0 и 90 градусов) в первом приближении имели шаг 15 градусов. А именно: 15, 30, 45, 60, 75 градусов по рисунку 4 при движении частиц вправо; и зеркально те же градусы при начальном движении частиц справа налево (и вниз в зазор элемента ВДВР). Меньший шаг по градусам угла атаки увеличивает количество проводимых расчетов Ансис, но принципиально не изменяет итог численного моделирования.
Результаты расчетов основной модели.
Расчетная схема рис.4 требует оптимизации параметров конечных элементов и пр., т.к. при ударах частиц в Ансисе занижается угол отскока в сравнении с углом подлёта к стержням. Кроме того, после отскока частицы заметно теряют скорость. Т.е. абсолютно упругий удар не наблюдается. Поэтому, соответствующий пакет ANSYS проблематично годен к подобным механическим расчетам. Например, для угла атаки 45 градусов (см. рис.4 при зеркальном влёте частиц справа) легко получается [1] аналитическое значение скорости каркаса 0,000440 м/с при заданных условиях задачи. Решение ANSYS (на которое, для справки, уходит более 40 минут работы процессора) даёт 0,000250 м/с, что недопустимо неточно. Аналогичное несовершенство ANSYS было обнаружено ранее [2], когда при моделировании гидродинамики ANSYS не способен правильно рассчитывать лобовые напоры и разрежения от потоков в толще жидкости (где НЕприменимо трубное уравнение Бернули, взятое за основу в ANSYS и во всей теоретической гидро-газо-динамике).
Точный расчет поведения элемента ВДВР на рис.1 под воздействием броуновского движения частиц может быть сделан с помощью других специализированных вычислительных комплексов, или путем прямого программирования динамики частиц и каркаса на основе физических уравнений и математического аппарата линейной алгебры. Точные расчеты позволят найти скорректированную оптимальную (по наибольшему приданию импульса наноячейке) геометрию для модели на рис.4 и вцелом для элемента ВДВР.
Полный набор основных расчетов ANSYS по схеме рис.4 с учётом поправок до правильных значений скоростей - показал получение стержневой конструкцией импульса от хаотичного броуновского движения частиц. Абсолютно точные методики моделирования должны подтвердить положительный результат и работоспособность предлагаемого движителя. Изготовленные по нанотехнологиям макро-сборки элементов рис.1 будут создавать крутящий момент на роторе ВДВР, или подъёмную силу и горизонтальную тягу для атмосферных бестопливных летательных аппаратов разнообразного назначения. Но полностью безопорным такой движитель не будет. Ведь после вылета из зазора на рис.1 молекулы газа будут объединяться в газовые струи, направленные противоположно скорости V сборки наноячеек. В герметичном газонаполненном сосуде [2] такие струи будут полностью компенсировать тягу сборки наноячеек, и всесредный Безопорный движитель так не создать.
Говоря о Вечном Двигателе Второго Рода, если его ротор со сборками будет размещаться в герметичном газонаполненном сосуде, то на внутренней поверхности сосуда необходимо монтировать выступающие рёбра. Последние должны останавливать вихри газа, вращающиеся противоположно ротору. Кроме того, рёбра на стенках ВДВР будут играть роль эффективного теплообменника. С его помощью внешняя (к ВДВР) тёплая среда будет подогревать остывающий при работе рабочий газ. Тем самым, внутренний (в ВДВР) рабочий газ не будет терять свою энергию и движущую способность.
Список литературы.
1. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962, 208 с.
2. Болдин А.Ю. Лжефизика. Том 2. Безопорный движитель. Выдержки из архива независимого физика-исследователя. - М.: БИ, 2007, 85 с.
