В этой статье вы найдете краткое руководство по тестированию вечных двигателей. Кроме шуток. Серьезно.
Как протестировать вечный двигатель?

К нам в редакцию с завидной регулярностью приходят письма с описанием конструкций вечных двигателей и предложениями помочь с постройкой действующего прототипа во имя вечного счастья для всего человечества. Мы с большим уважением относимся ко всем нашим читателям, в том числе и тем, которые считают первый и второй постулаты термодинамики досадным историческим недоразумением. Мало того, изобретательство мы считаем важнейшим из талантов и почетнейшим из хобби.

В помощь нашим читателям, занимающимся на досуге разработкой Perpetuum Mobile, мы решили описать несколько простых способов протестировать их машины и как можно скорее узнать, идут ли они верным путем или пора отправить готовые чертежи в корзину и сесть за новые.

История болезни

Доктор Дональд Симанек — весьма заслуженный физик: профессор Университета Пенсильвании, автор многочисленных публикаций как по физике электропроводников, так и по педагогике, а также стереофотограф, разработчик лабораторного оборудования и увлеченный популяризатор науки. Выйдя на пенсию в 1999 году, он посвятил себя написанию авторских колонок об изобретательстве в научно-популярных журналах.

Доктор Симанек считает строительство вечных двигателей отличным подспорьем в учебе, но ровно до тех пор, пока автор конструкции не начинает верить в то, что машина и вправду будет работать. К пренебрежению постулатами термодинамики заслуженный физик относится крайне нетерпимо. Видимо, поэтому он решил создать лекарство для больных, страдающих манией Perpetuum Mobile.

Дональд Симанек разработал ряд простых способов протестировать работу потенциального вечного двигателя в домашних условиях при минимальных затратах как на измерительные инструменты, так и на строительство самого прототипа. Болезнь, как правило, развивается по классическому сценарию. Пациент строит очередную конструкцию «вечного колеса» — колеса, одна сторона которого всегда оказывается тяжелее другой благодаря системе рычагов, перекатывающихся шариков, переливающейся жидкости и т.?д.

Обычно «вечное колесо» — довольно сложная механическая конструкция, реализовать которую на достойном техническом уровне весьма непросто. Многочисленные шарниры, подшипники, рычаги сложной формы всегда оставляют желать лучшего в плане качества изготовления. Поэтому на глаз сложно определить, почему машина останавливается: то ли концепция несостоятельна, то ли мешают трение и дисбаланс в неидеально изготовленных частях. Вечное колесо По‑английски «вечное колесо» называется overbalanced wheel, то есть «перебалансированное колесо». Это классическая концепция вечного двигателя, над которой работали многие великие математики, такие как Бхаскара II (Индия, XII век) и Леонардо да Винчи. На картинке видно, что благодаря системе коромысел и упоров грузы справа от колеса действуют через больший рычаг, чем слева. Однако, присмотревшись, вы увидите, что слева всегда оказывается больше грузов, и эта разница в массе точно компенсирует эффект рычага. Вместо грузов и рычагов могут использоваться трубки с перетекающей ртутью или пазы с перекатывающимися шариками. Результат неизменно отрицательный.

Так зарождаются сомнения. Автор прототипа запускает колесо, и оно вращается довольно долго. Все механизмы работают так, как задумано. Кажется, будто стоит еще совсем немного уменьшить трение — и механизм будет работать вечно. Так автор начинает верить в успех и убеждать окружающих, что если те проинвестируют покупку самых современных подшипников и самых точных 3D-принтеров, то счастье для всего человечества будет достигнуто, а Джоуль и Кельвин останутся в дураках.

Поверенный пинок

Проблема большинства изобретателей Perpetuum Mobile заключается в том, что они мыслят «по гамбургскому счету»: доказательством состоятельности их проекта может служить только движение в течение сколь угодно продолжительного времени. А значит, чтобы машина заработала и «все узнали», необходимо построить действующий прототип с применением всех необходимых технологий.

На самом же деле, чтобы доказать состоятельность концепции, вовсе не обязательно строить полномасштабную модель и заставлять ее вращаться вечно. Достаточно лишь продемонстрировать, что оригинальные элементы конструкции, как бы кустарно они ни были сделаны, генерируют хоть капельку энергии. Для этого достаточно сравнить поведение «вечного» колеса с обычным, создав для них одинаковые условия.

Как правило, чтобы привести в действие прототип «вечного колеса», необходимо придать ему первоначальный импульс — толкнуть рукой. Попробуем вместо стихийного «толчка» дать колесу строго определенное количество энергии. Для этого достаточно намотать на ось двигателя, скажем, десять оборотов шнура, а к другому концу шнура привязать груз, например килограммовую гирю.

Отпустите груз и позвольте ему раскрутить ось машины. Засеките время, через которое машина остановится. А затем проведите второй замер: зафиксируйте все механизмы, которые призваны смещать баланс колеса, так, чтобы колесо было полностью сбалансировано. Закрепив все шарики, рычаги и шарниры, скажем, скотчем, вы превратите «вечное» колесо в самое обыкновенное. Намотайте на ось те же десять оборотов, привяжите тот же один килограмм и засеките, через какое время колесо остановится. Если зачетное время «вечного колеса» превысит время обычного, можете смело звонить в Нобелевский комитет.

Аналогичный способ тестирования — установить прототип на возвышении и засекать время, за которое груз опустится на землю или шнур полностью размотается. Важно проводить эксперименты качественно. Подбирайте такой груз, чтобы скорость вращения колеса была оптимальной для работы всех механизмов «вечного движения». Длина шнура должна обеспечивать более-менее продолжительное время эксперимента, как минимум 20 секунд. Поплавковый двигатель Архимедова сила поддерживает на плаву супертанкеры массой в сотни тысяч тонн, при этом их владельцам не приходится расплачиваться с океаном ни топливом, ни водой, ни чем-либо иным. Как не воспользоваться такой щедростью природы? Поплавковому вечному двигателю мешает работать то же самое, что создает архимедову силу, — давление водяного столба. Чтобы «сухой» поплавок вошел в водяной столб снизу, ему необходимо преодолеть давление — то самое, что выталкивает «мокрые» поплавки из воды. Баланс сил вновь оказывается не в пользу Perpetuum Mobile.

Тормоза придумали физики

«Вечное колесо» не теряет популярности со времен Леонардо да Винчи и даже более ранних. Первые концепции вечных двигателей, в которых смещение баланса обеспечивалось перетекающей от оси к ободу ртутью, приписываются индийскому математику по имени Бхаскара II (XII век), однако известны чертежи, датированные ранним Средневековьем.

Конечно же, в XXI веке возможностей для творчества гораздо больше. Последний писк моды — это двигатели на постоянных магнитах и неподвижные электромагнитные генераторы. Некий Том Бирден в 2002 году умудрился даже получить патент США на генератор, черпающий энергию из вакуума. История разрешилась грандиозным скандалом и массовой переаттестацией сотрудников патентного ведомства.

Протестировать двигатель на постоянных магнитах с помощью отвеса с грузом не получится. Современные концепции требуют более продвинутых инструментов. Однако даже их можно без труда соорудить дома из подручных материалов.

Измерить крутящий момент любого двигателя можно с помощью тормоза де Прони. Английский термин Break Horsepower, которым обозначают мощность двигателя в лошадиных силах, произошел именно от этого метода, изобретенного Гаспаром де Прони на рубеже XVIII—XIX вв.еков (break — тормоз). Чтобы соорудить тормоз де Прони, понадобятся шкив, надетый на вал двигателя, ремень и два динамометра. Под динамометром может подразумеваться любая пружина, степень растяжения которой хорошо заметна на глаз. Ремень надеваем на шкив и подвешиваем к неподвижной раме на двух динамометрах. Тормоз де Прони Несмотря на то что метод де Прони давно разменял вторую сотню лет, именно он лежит в основе современных измерений крутящего момента моторов.

Натяжение ремня подбирается таким образом, чтобы двигатель мог работать на оптимальных оборотах. Если натяжение в вашем случае окажется хоть немного значительным (что вряд ли), вы увидите, что показания динамометров разойдутся: тот, что располагается после шкива по ходу вращения, покажет меньшее усилие. Разница в показаниях динамометра — это и есть крутящий момент двигателя, то есть та польза, которую он принесет миру. Если посчитать обороты двигателя во время замера и умножить их на крутящий момент, вы получите мощность мотора.

Описанные выше тесты применимы практически ко всем моделям вечных двигателей. Доктор Симанек напоминает, что даже в самой сложной конструкции, состоящей из множества взаимодействующих частей, можно выделить относительно простой элемент, на котором зиждется вся концепция вечного движения. Вот его-то, а не дорогой полнофункциональный прототип, и нужно проверять.

Доверяй, но проверяй

Желание изменить мир и осчастливить человечество бесплатной энергией очень похвально. Мало того, строительство вечных двигателей — это увлекательное и поучительное хобби, которое широко распространено даже среди тех людей, которые ни на секунду не сомневаются в невозможности постройки реальной машины.

Если же вы верите в чудо — дерзайте, но прежде чем рассылать письма в журналы и закладывать дом, не поленитесь проделать два простейших теста. Кстати, мы описали только самые простые из существующих измерительных технологий. О множестве более продвинутых можно узнать, познакомившись непосредственно с работами Дональда Симанека. Если даже после этого вы останетесь верны своей мечте — мы искренне пожелаем вам удачи. Но предупреждаем, что постулаты термодинамики, проверенные столетиями, не сдадут позиции без боя. Капиллярный двигатель Удивительный капиллярный эффект действительно заставляет воду подниматься по тонкой трубочке, превозмогая действие силы тяжести. Казалось бы, грех не использовать это свойство для «бесплатного» подъема воды на высоту. К сожалению, вода, заполнив весь капилляр, так и не выльется из него. Капле помешает упасть эффект, родственный капиллярному, — поверхностное натяжение. В некоторых случаях похожие конструкции могут работать, поражая воображения зрителей. Секрет прост: вода вытечет из трубки при изменении атмосферного давления, то есть используя энергию воздушных масс. Такой «вечный двигатель» называется мнимым.
* Все Perpetuum Mobile делятся на вечные двигатели первого и второго рода. Первые стремятся добыть энергию из ничего, тем самым нарушая первый постулат термодинамики: в любой изолированной системе запас энергии остается постоянным (формулировка Джоуля). Пример такого двигателя — «вечное колесо». * Вечные двигатели второго рода стремятся использовать однажды полученную энергию многократно, нарушая второе начало термодинамики: энтропия изолированной системы не может уменьшаться, то есть нельзя совершать работу за счет передачи тепла от более холодного тела к более горячему. Пример — тепловой двигатель, отбирающий тепло у океана.

Статья «Тест на вечность» опубликована в журнале «Популярная механика» (№10, Октябрь 2014).