|
|
||
Показывается принципиальная возможность использования гравитационной энергии и ошибочность отнесения конвертеров гравитационной энергии к категории "вечных двигателей" | ||
1. Из истории 'вечных двигателей'.
Идея создания 'perpеtuum mobile' (вечно движущихся) технических устройств уходит своими корнями в философию Древнего Востока. Оттуда же исходят и первые документальные свидетельства о создании двигателей, использующих силу тяжести. Таково, в частности, 'самовращающееся колесо' Бахаскара (Индия) с тангенциально-расположенными трубами, до половины заполненными водой, которое демонстрировалось в середине ХII в. В Европе первые проекты такого рода механических 'вечных двигателей' относятся к ХIII в. (колесо с семью грузами В. Оннекура (V. de Honnecourt, Франция, 1245, Франция); аналогичное колесо В. Марикура (V. Маricourt, 1269, Франция). Ряд чертежей устройств такого типа, где падающие вертикально вниз грузики или вода вращают колесо, производя полезную работу, оставил Leonardo da Vinci. В Италии в 1438 г. М. Жакопо построил систему из восьми стержней, радиально расположенных в плоскости вращения и сгибающихся в одном направлении. Благодаря этому левая половина системы отличается по весу от правой, обеспечивая вращение системы. В 1610 г. (предположительно) создал перпетуум-мобиле К. Дребель (Cornelis Drebbel), алхимик и маг. Большое количество устройств такого типа к 1630 г. разработал Р. Флад (Robert Fludd). Позднее, в 1870 г., многие пытались получить патенты на различные вариации устройства Фладда. В 1664 г. в Германии разработал 'шариковый' перпетуум-мобиле У. Карнах (Ulrich von Carnach). В 1667-1748 гг. проект устройства флюидной энергии представил известный ученый Ж. Бернулли (Jean Bernoulli). В 1686 г. Боклер (Bockler) сконструировал 'самовращающиеся мельницы', используя различные варианты винтов Архимеда.
В Англии первый патент на перпетуум-мобиле был выдан в 1635 г. на четырехметровое колесо Э. Соммерсета (E. Somerset) с 14-ю грузами по 25 кг. Испытания машины с блеском прошли в Лондоне в присутствии короля Карла, о чем имеется запись в архивах. Одно из таких колес Е. Сомерсет демонстрировал в 1638 г. королю Франции. Характерно, что к 1903 г. в Англии было выдано уже 600 патентов на подобные устройства [4].
Наибольшую известность в начале XVIII века приобрело колесо Ж. Бесслера (J. Bessler), более известного как Орфериус (Orffyreus). На протяжении нескольких десятков лет он публично демонстрировал различные модели своего колеса, приводившегося в движение грузами внутри колеса, создававшими ассиметричный момент сил при его вращении. Последняя из его конструкций имела 6 футов в диаметре, 12 дюймов толщиной и вращалось со скоростью 42 об/мин. Это колесо не только поддерживало непрерывное вращение, но и позволяло совершать полезную работу, например, поднимать груз массой 16 кг на высоту 1.5 метра. Его работу неоднократно проверяли известные ученые и официальные лица, а немецкий принц Карл, посвященный в его устройство, выдал Орфериусу сертификат на 'Вечный двигатель'. Под контролем компетентной комиссии из 11 человек (среди членов которой был профессор Грависант, близкий друг Ньютона) в 1717 г. колесо сорок дней проработало в замкнутом опечатанном помещении и при внезапной проверке было обнаружено по-прежнему вращающимся со скоростью 26 об/мин. Опыты многократно повторялись, при этом комиссией тщательно проверялась возможность существования скрытых приводов (для чего колесо меняло местоположение).
Как видим, созданием вечных двигателей занимались вовсе не шарлатаны. К тому же именно кругооборот воды в природе, обусловленный именно силами гравитации, обеспечивал в те времена работу водяных колес. Поэтому вовсе не к чести одной из наиболее авторитетных в то время Парижской Академии Наук следует отнести ее решение в 1775 г. (т.е. задолго до открытия закона сохранения энергии) 'раз и навсегда' не рассматривать такие проекты. Нелишне отметить, что ранее та же Академия отказалась рассматривать существование метеоритов, считая абсурдным возможность падения камней с неба. Всем известно, каким конфузом это обернулось. Вполне вероятно, что если бы французские академики не отмахнулись от внимательного и объективного рассмотрения подобных устройств, пути развития энергетики и науки в целом были бы иными. Однако в реальной жизни наблюдалась обратная картина: когда публично демонстрировалось работающее устройство, выдававшееся за 'рerpеtuum mobile', обоснованного опровержения не следовало, и обычно дело заканчивалось, как и в случае с колесом Орфериуса, журнальным памфлетом.
К сожалению, такое положение дел сохранилось и до настоящего времени. До сих пор основным аргументом против создания преобразователей гравитационной энергии в механических устройствах типа несбалансированного колеса является утверждение, что при возврате грузов в исходное положение их потенциальная энергия в поле Земли принимает первоначальное значение, так что такой двигатель не потребляет гравитационной энергии и потому относится к вечным двигателям первого рода. Ошибочность этого положения становится ясной только с позиций энергодинамики, согласно которой гравитационная энергия принадлежит всей совокупности тяготеющих тел [1].
2. Теоретическая возможность использования энергии гравитационного поля.
Традиционное доказательство невозможности совершения полезной работы гравитационными машинами типа 'несбалансированного колеса' базируется на законе Ньютона для двух тяготеющих масс m и М >> m , который игнорирует наличие других тяготеющих тел. Согласно ему, сила притяжения двух тел Fg пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними:
Fg = Gg mМ/R2 , (1)
где Gg - гравитационная постоянная.
Согласно (1), удаление пробного тела на расстояние dR требует затраты элементарной работы đWg = - FgdR. Для циклически действующей машины типа несбалансированного колеса с грузами массой m эта работа выражается круговым интегралом
Wg = Wц = - FgdR . (2)
Вынося за знак интеграла силу Fg ввиду её постоянства в цикле, вместо (2) имеем
Wg = Wц = - Fg dR = 0, (3)
поскольку dR = 0, т.к. система двух тел m и М каждый раз возвращается в исходное положение. Отсюда и следует принадлежность таких машин к 'вечным двигателям 1-го рода'.
Совсем другим будет результат, если мы обобщим закон Ньютона на случай наличия 'сторонних' масс. Особенно простым выглядит такое обобщение для случая трех тел, когда 'пробная' масса расположена на одной линии между двумя 'полеобразующими' телами с массами М1 и М2 . Для этого случая сила притяжения пробной массы определяется выражением [1]:
Fg = mGg(М1/R12 - М2/R22), (4)
где R1, R2 - расстояния от пробной массы соответственно до центра 1-го и 2-го тела. Этот закон тяготения имеет значительно большую общность, поскольку допускает включение в М2 масс всех остальных тел с соответствующей коррекцией расстояния R2 до общего центра их массы.
Нетрудно заметить, что согласно (4) сила притяжения пробного тела Fg зависит от распределения масс в пространстве и может достигать нуля при определенном положении (например, при R1 = R2 , если М1 = М2). Эта зависимость исчезает лишь при R2 →∞, когда выражение (4) переходит в классический закон тяготения Ньютона (1). Таким образом, этот закон в принципе не применим, когда речь идет об использовании гравитационной энергии всей совокупности тяготеющих тел. Тогда становится ясным, что возврат несбалансированного колеса в исходное положение (т.е. равенство нулю dR1 ) вовсе не означает сохранения расстояния до всех остальных тяготеющих тел (равенства нулю dR2), которое может изменяться в процессе преобразования гравитационной энергии в другие её формы.Типичным примером может служить приливная ГЭС, работа которой основывается на гравитационном взаимодействии Землм и Луны. Тем самым мы приходим к выводу, что проблема гравитационного 'вечного двигателя' порождена недостаточной общностью закона тяготения Ньютона, который не учитывает наличия других тяготеющих тел. Этот недостаток и устраняет энергодинамика, согласно которой любые силовые поля (гравитационные, электростатические, магнитные или электромагнитные) порождены неоднородным распределением в пространстве соответствующего энергоносителя Θi (масс М, зарядов Θе или токов Je), а не ими самими [1].
Особенно наглядным становится возможность совершения работы несбалансированным колесом, если эту работу выразить произведением крутящего момента L на угол поворота колеса dφ:
Wц = Ldφ . (5)
Разбивая круговой интеграл (5) на участки 1-2 и 2-1 (в пределах которых угол φ изменяется от 0 до180R и от 180R до 0), и обозначая L и φ на этих участках цикла соответственно одним и двумя штрихами (M΄, φ΄ и M ˝, φ˝), с учетом противоположного знака моментов на этих участках (L ˝= - L΄) можем вместо (5) написать:
Wц = . (6)
Это выражение показывает, что работа цикла гравитационного конвертора может быть отличной от нуля, если крутящий момент L на различных участках цикла имеет разное значение, как это показано на рис.1. Рассмотрим работу такого двигателя на примере колеса Фрага (рис.2). Предположим, что в начальный момент этот груз занимал крайнее нижнее положение (угол φ с вертикалью составляет 0R). Приложив внешнее усилие, повернем колесо против часовой стрелки на угол 180R так, чтобы плечо груза Rg΄ и крутящий момент M ΄= Fg΄Rg΄ оставались минимальными (процесс 1-2). При этом будет затрачена работа, выражаемая дважды заштрихованной площадкой. По достижении крайнего верхнего положения произойдет 'переброска' груза, и дальнейшее вращение колеса будет происходить самопроизвольно (процесс 2-1). Совершаемая при этом работа, выражаемая заштрихованной площадкой под кривой 2-1, будет больше затраченной ввиду увеличения Rg˝ и соответствующего ему среднего значения крутящего момента M ˝= Fg˝Rg˝. В дальнейшем подъем грузов в процессе 1-2 будет осуществляться без вмешательства извне, поскольку среднее значение противодействующего момента M ˝ будет меньшим. Естественно, что при Rg΄= Rg˝, т.е. при отсутствии 'разбаланса' мощность установки станет равной нулю в полном соответствии с теорией и опытом. В этом и состоит принцип действия 'самовращающихся' колес, которые, таким об-разом, не нарушают никаких законов физики. Последнее обстоятельство означает, что отнесению их к разряду 'вечных двигателей' [2,3], ошибочно. Разумеется, мощность таких конверторов чрезвычайно мала в связи с малой плотностью гравитационной энергии. Поэтому экономические показатели таких установок (в расчете на единицу их массы) делают их в большинстве случаев неконкурентоспособными. Однако это не останавливает энтузиастов. Полезно поэтому привести некоторые современные их конструкции [4].
3. Современные конструкции преобразователей гравитационной энергии.
Одно из наиболее внушительных устройств такого рода (рис.3) построил сравнительно недавно А. Коста (патент Франции ?95/12421, 1995). Его 18-метровое несбалансированное колесо лучше всяких слов свидетельствует о серьезности подхода и об уверенности изобретателя в работоспособности создаваемой им конструкции. Это колесо работает на том же принципе и содержит 236 подвижных элементов, обеспечивающих его вращение. Оно может вращаться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Как отмечает изобретатель, главная трудность его изготовления состояла в том, чтобы получить изменение положения масс 'в нужном месте и в нужное время'.
В 2006 г. энергетическая компания 'Environ' объявила о готовности к выпуску на рынок генератора SPEGG, производящего электроэнергию без затрат топлива. Генератор представляет собой самовращающееся колесо 'Warannlinc', рис. 5, которое присоединяется к генератору тока и имеет 16 спиц, 8 из них содержат грузики, движущиеся поступательно и сжимающие при этом пружины. Колесо устроено так, что оно всегда тяжелее с одной стороны. Это нарушает равновесие колеса в поле тяжести, вынуждая его вращаться. Таким образом, заманчивая идея использования неисчерпаемых 'живых сил' природы имеет вполне реальные основания. К сожалению, удельная (отнесенная к единице массы установки) мощность установок типа "несбалансированное колесо" столь мала, что они вряд ли представят практический интерес.
Литература
1. Эткин В.А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии).- СПб.: Наука, 2008. 409 с.
2. Бродянский В. М. Вечный двигатель - прежде и теперь. - М.: Физматлит, 2001. - 260 с.
3. Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель. М., 1922.
4. Михал С. Вечный двигатель вчера и сегодня. М.: Мир, 1984.
|