Вечное движение... Наверное, великая и несбыточная мечта многих поколений инженеров, живших в течение многих и многих столетий, когда с момента появления первых механизмов, человек задумался о том, что было бы хорошо, если эти механизмы функционировали не ограниченно долго, не требуя внешних ресурсов!
Со временем, по мере развития науки, стало понятно, что «вечный двигатель», как таковой, невозможен, несмотря на многочисленные попытки его построить.
Что, впрочем, не исключает возможности «вечного» в целом ряде систем — атомы, при температуре абсолютного нуля, продолжают некоторые колебания, элементарные частицы продолжают движение по своим энергетическим уровням, налоги, два выходных в неделю :-B и т.д.
Попробуем разобраться во всех этих вопросах, и понять, есть ли здесь какие-то полезные возможности?
Понятие вечного двигателя, предположительно, относятся к средним векам, что косвенно можно отследить даже по собственно латинскому названию этого устройства — perpetuum mobile (вечно движущийся), так как именно тогда, латинский язык был принят (из-за неизменяемости со временем, т.к. мёртвый язык), в качестве языка науки.
Тем не менее, это только касаемо самого термина, так как, некоторые скудные, обрывочные данные приходят и из более ранних периодов, например, та же самая древнеиндийская идея «вечно движущегося колеса»…
Однако, в те ранние периоды, похоже, что из-за начального уровня развития науки, люди не разделяли ещё природные силы и внутреннюю энергию объектов, явлений, что, в более поздние периоды, естественным образом привело к идее разработки некоторого механизма, способного «обмануть природу».
Со временем, когда были открыты и сформулированы законы термодинамики, стало понятно (если, не углубляясь в детали) что невозможно создать устройство, которое могло бы или вечно совершать некое полезное действие (работу), не потребляя энергии при этом (называется «вечный двигатель первого рода») или переводящее всю потребляемую теплоту в работу, со 100%-эффективностью («вечный двигатель второго рода»)
А, согласитесь, было бы красиво: берём маленькую батарейку и запитываем весь город, на веки вечные!
Впрочем, если город виртуальный и всё происходит в компьютерной игре… :-B
Таким образом, мы видим, что, раз мы говорим о двигателе как таковом, — то есть, устройстве, позволяющим трансформировать некоторые ресурсы в полезную работу, то ключевым является понятие работы.
Почему этот нюанс важен: как мы видели выше, на примере тех же самых атомов, — в природе уже существуют определённые системы, которые могут «вечно» (или корректнее будет сказать «неограниченно долго») совершать некоторые действия, правда пользы нам от этого не будет никакой — мы не сможем из этого постоянно извлекать энергию или полезную работу.
Любопытно, что подобные «бесполезные» системы могут быть спроектированы и рукотворным образом — например, широко известная игрушка «пьющая птица»:
Во время функционирования, игрушка представляет собой постоянно раскачивающуюся фигурку птицы, которая периодически опрокидывается, окуная клюв в воду.
Принцип действия птицы выглядит следующим образом:
В основе конструкции находится герметически запаянная стеклянная колба, частично заполненная внутри легкокипящей жидкостью — обычно дихлорметаном с температурой кипения при обычном атмосферном давлении: 39,6°C где, с целью понижения температуры кипения, при производстве, воздух изнутри этой колбы откачивают; таким образом, внутри образуется вакуум, а температура кипения дихлорметана падает до 20-25°C — то есть, он становится сверхчувствительным к перепадам температуры и начинает кипеть практически при комнатной температуре (активного кипения внутри птицы визуально не наблюдается только из-за того, что колба после запаивания практически моментально самопроизвольно заполняется насыщенными парами испарившегося дихлорметана);
На верхнюю часть колбы надевается декоративная войлочная насадка, выполненная в форме головы птицы;
Колба устанавливается на подвес (декоративные «ноги»), таким образом, чтобы ось подвеса находилась в центре тяжести (центр тяжести может не совпадать с геометрическим центром колбы).
Теперь, чтобы запустить функционирование птицы, необходимо:
Смочить её войлочную головку водой;
Слегка её подтолкнуть, чтобы она начала раскачиваться на своей оси.
Раскачивание приводит к тому, что жидкость внизу колбы начинает активно омывать стенки колбы, забирая теплоту от окружающей среды — а мы ведь помним, о чём выше уже говорили — в вакуумированном объёме, легкокипящий дихлорметан становится сверхчувствительным к малейшим перепадам температуры и, в результате простого омывания стенок колбы начинает активно испаряться, увеличивая давление паров, которые начинают вытеснять жидкость всё дальше вверх по центральной трубке колбы.
Это движение становится возможным и из-за падения давления сверху — над столбом жидкости внутри трубки, находятся насыщенные пары дихлорметана, которые, при комнатной температуре, имеют одно давление; однако, если смочить войлочную головку водой, — то, из-за охлаждения верхней части трубки, давление паров также падает.
Этот процесс ещё усугубляет и то, что вода начинает активно испаряться с войлочной головки, ещё больше отбирая энергию и понижая температуру верхней части трубки.
Таким образом: в верхней части трубки образуется разрежение, а в нижней части — нарастает давление.
В результате, система всё больше и больше теряет равновесие, раскачиваясь всё сильнее и сильнее, так как столб жидкости поднимается вверх, смещая центр тяжести; параллельно и давление растёт всё быстрее и быстрее — так как от активного раскачивания, жидкость начинает всё активнее омывать колбу в нижней части, забирая ещё больше теплоты от окружающей среды.
В результате, всё это приводит к тому, что:
Колба опрокидывается, и птичка опускает голову в воду;
Нижний конец центральной трубки поднимается над поверхностью жидкости в нижнем резервуаре — в результате этого, так как столб жидкости, находящийся внутри трубки, больше ничего не поддерживает снизу (раньше поддерживала жидкость в резервуаре, когда конец трубки был в неё окунут) — то жидкость начинает выливаться из трубки, в результате чего, центр тяжести снова смещается, и птичка поднимает голову из воды;
Таким образом, в верхнюю часть трубки попадают нагретые пары из нижней части, после чего, так как головка смочена — это приводит к конденсации паров и падению давления в верхней части трубки и процесс повторяется снова…
Постоянное окунание птицей «головы» в воду, по сути, нужно только лишь для того, чтобы поддерживать влажность и охлаждающие свойства этой стороны колбы, только и всего — то есть, чтобы вода не испарилась полностью и эта сторона колбы была всё время влажной.
Таким образом, мы видим, что в основе подобного механизма, обманчиво просто выглядящего (на первый взгляд), находится относительно сложная теория функционирования!
Ну и, само видео, как это выглядит в работе:
Ну и, как показывает практика, даже на таких птицах можно собирать электрогенераторы:
Было бы ошибкой считать, что подобный принцип теплового сжатия и расширения годится только «птичек качать» — так как, с его помощью, например, приводятся в действие и часы известной старинной торговой марки механических часов Atmos, успешно продающихся и по сей день, и не требующие никакого подзавода — где энергию для своей работы они черпают из окружающей среды (опять не вечный двигатель, вот досада! :-D):
Источником энергии в часах является так называемый «сильфон» — гофрированная металлическая трубка, грубо говоря, сильно похожая на меха ручной гармони.
Сильфон заполняется этилхлоридом (температура кипения 12,27 °C), который переходит то в жидкую, то в газообразную форму, что приводит к изменениям размера сильфона, в результате чего, растягивается и сжимается мощная приводная пружина часов, соединённая с ним.
Устройство весьма эффективно: при перепаде температур всего лишь в 1°С — обеспечивается подзавод пружины, достаточный для хода часов в течение двух суток!
Посмотреть чертёж часов, с сильфоном в их составе, а также и ознакомиться с их историей и моделями можно здесь — там же, на схеме, показано и как меняется размер сильфона при перепадах температуры.
Кстати говоря, использование сильфонов не ограничено только часами, — они используются, например, и в барометрах:
В качестве ещё одного комментария к этому устройству: оно мне сразу напомнило низкотемпературные двигатели Стирлинга, работающие от простого нагрева солнцем:
Многие из подобных устройств, на первый взгляд, вызывающие некоторую оторопь и крамольные мысли из разряда «а может, вот оно, вечный двигатель?!» — на поверку оказываются всего лишь вполне легальными системами, просто хитроумно задействующими законы природы — взять, хотя бы, тепловые насосы, которые мы рассматривали совсем недавно и где мы узнали, что можно делать парадоксальные вещи, например, обогреваться морозным воздухом, «высасывая» из него остатки тепла, как бы складывая друг с другом порции холодного воздуха, в результате чего, получать вполне себе плюсовую температуру, вплоть до 60° C! (прямо как в математике, «минус на минус — даёт плюс» :-D).
Кстати говоря, ничего в этом удивительного нет, — насколько я знаю, все кондиционеры типа «сплит-система» умеют это.
На первый взгляд, кажется, что это какой-то абсурд и нарушение законов сохранения энергии, так как подобные системы обогрева постулируют выдачу вплоть до 4 кВт тепла, на 1 кВт затраченной электрической энергии!
Но... Всё становится на свои места, после выяснения принципа действия: это всего лишь тепловые насосы, не производящие тепло напрямую из электричества, а только лишь перекачивающие его из одного места (с улицы), в другое место (квартиру).
Но делающие это вполне себе хитроумно и интересно, в этом не откажешь! :-)
Я много думал, как бы вывести универсальные принципы, опираясь на которые, можно было бы создавать подобные интересные системы — как полезные, так и бесполезные? Например, как если бы мы захотели создавать подобные интересные системы самостоятельно?
В результате размышлений, я пришёл к следующему подходу: что, по сути, нужно отойти от конкретных инженерных решений, потому что это очень сильно сковывает мышление.
Образно говоря, если привезти в качестве аналогии компьютерные науки, то это был бы переход к мышлению на уровне интерфейсов, протоколов, структур данных и типов самих данных — без рассмотрения конкретной аппаратной и программной реализации.
Переводя эту аналогию на реальный мир, — то это было бы рассмотрение на уровне явлений, процессов, способов перетекания одних в другие.
И только потом, после того как построена теоретическая непротиворечивая система в голове — можно было бы начать рассматривать конкретные аппаратные реализации.
Таким образом, аппаратная реализация как бы всегда остаётся за скобками, и мы о ней даже не думаем, мысля только на уровне природных явлений.
Чем-то мне это напоминает, знаете, такие самодельные хобби-системы, когда мраморный шарик катится по жёлобу, толкает стоячие костяшки домино, они падают, толкают какой-то футбольный мяч, который катится, нажимает на какой-то рычаг…Только здесь это всё на уровне законов физики, процессов, явлений, перетекания одного в другое… Ну, вы поняли :-)
Да, для этого потребуется хороший кругозор! Но, с другой стороны, и задача интересна…;-)
Напоследок, отмечу, что неожиданный взгляд на физику процессов, их трансформацию из одного в другое, а также умозрительное помещение одного типа процессов — в другие условия, где до этого они не применялись, позволяет добиваться просто поразительных результатов.
На самом деле, это очень интересная тема для исследований и разработок, о чём я ещё расскажу в следующей статье, где мы ознакомимся с ещё одной неожиданной стороной и потенциальной возможностью для создания устройств, о которой почти никто не говорит (и в интернете информации тоже мало). ;-)
И в результате таких разработок, можно получить ещё один образец изделия, глядя на которое, кто то, возможно, в очередной раз задаст себе вопрос: «да неужели...?!» и поэтому подытожить этот рассказ я хочу известной фразой знаменитого писателя-фантаста и футуролога Артура Кларка:
«Любая, достаточно развитая технология — неотличима от магии»…
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
