ФИЗИКА

Учебник для 7 класса

§ 28.5. От великого заблуждения к великому открытию. Развитие темы

Долгое время «золотое правило» механики рассматривали как один из основных законов природы. Но после открытия закона сохранения энергии выяснилось, что «золотое правило» механики — следствие закона сохранения энергии.

Действительно, если бы при использовании простого механизма можно было получить выигрыш в работе, эту «дополнительную» работу можно было бы использовать, например, для подъема груза. В результате сумма энергий простого механизма и этого груза увеличилась бы — а это противоречит закону сохранения энергии.

Из закона сохранения энергии следует и намного более общее утверждение, относящееся к любым механизмам — не только простым, но и сколь угодно сложным: невозможно существование вечного двигателя, который мог бы вечно совершать работу без затраты энергии.

До открытия закона сохранения энергии многие ученые и инженеры упорно пытались создать вечный двигатель. История сохранила множество проектов, рассказывающих об удивительной изобретательности их творцов.

На рис. 28.3, а изображен самый древний из известных проектов вечного двигателя. На колесе укреплены длинные закрытые сосуды, наполовину наполненные ртутью. Конструкция колеса такова, что при любом положении колеса в его левой части находится больше ртути, чем в правой. Из-за этого, по замыслу изобретателя, колесо должно вращаться вечно и может даже вращать какое-то устройство, вечно совершая работу.

Рис. 28.3. Некоторые проекты вечных двигателей

Однако изобретатель этого «вечного колеса» не учел, что хотя в правой части колеса ртути меньше, зато она находится дальше от оси колеса. Расчет показывает, что моменты сил, с которыми действует на колесо ртуть в левой и правой части колеса, в точности равны. И поэтому колесо будет находиться в равновесии.

Более поздние изобретатели «вечных колес» использовали откидывающиеся рычаги или перекатывающиеся шары. На рис. 28.3, б изображен один из проектов великого итальянского художника, ученого и инженера Леонардо да Винчи. Он предполагал, что колесо с шариками будет вращаться вечно, потому что шарики, находящиеся дальше от оси вращения колеса, должны всегда перевешивать шарики, находящиеся ближе к оси.

Однако если подсчитать, сколько шариков находится с каждой стороны колеса, то мы увидим, что слева шариков больше. И снова расчет показывает, что моменты сил, вращающих колесо в противоположные стороны, в точности равны. Установив на опыте, что его «вечное колесо» все-таки останавливается, Леонардо сделал этот расчет и пришел к выводу, что «существование вечно вращающегося колеса невозможно». Это был первый вывод о невозможности вечного двигателя — задолго до открытия закона сохранения энергии!

Изобретатели вечных двигателей пытались использовать и свойства жидкости. Вот два проекта.

Вращающийся на оси деревянный барабан частично погружен в воду (рис. 28.3, в). По замыслу автора изобретения, на погруженную в воду часть барабана согласно закону Архимеда действует выталкивающая сила, направленная вверх. Поэтому барабан, казалось бы, должен вращаться вечно.

Изобретатели не учли, однако, что силы давления воды, действующие на различные участки поверхности барабана, направлены перпендикулярно поверхности. Поэтому эти силы не вращают барабан, а только стремятся искривить ось, на которую насажен барабан.

По замыслу автора конструкции, изображенной на рис. 28.3, г, вода в широкой части сосуда должна всегда перевешивать воду в более узкой его части. В результате жидкость должна была бы постоянно выдавливать саму себя в узкую часть сосуда, из которой она снова выливалась бы в широкий сосуд. Предлагаем вам самим найти ошибку, допущенную изобретателем.

Неизбежные неудачи в изобретении вечных двигателей заставили ученых по-новому взглянуть на проблему, что и привело в конце концов к открытию закона сохранения энергии.

Один из открывателей закона сохранения энергии, Роберт Майер пытался построить вечный двигатель, когда ему было всего десять лет. Юного изобретателя постигла неудача — так же как и всех других изобретателей вечного двигателя. Но в отличие от них Майер с тех пор непрестанно размышлял о причинах неудачи. Эти размышления и привели его к открытию закона сохранения энергии.

Герман Гельмгольц, другой из ученых, открывших закон сохранения энергии, вспоминал, что на мысль о законе сохранения энергии его навели постоянные неудачи всех изобретателей вечных двигателей.