61784 (694634)
Текст из файла
Поиск общей причины неудач ppm первого рода. «Закон сохранения силы»
В. М. Бродянский
Последние два века (XVII и VIII вв.) периода истории ppm характерны тем, что многие даже достаточно серьезные ученые верили в то, что вечный двигатель можно создать. Даже постоянные неудачи многочисленных изобретателей не могли поколебать их веру в ppm несмотря на труды Стевина, Галилея, Герике, Торричелли, Паскаля, Бойля, Ньютона и Лейбница, которые уверенно отрицали возможность его создания.
Теоретики иногда оказывались даже позади некоторых практиков, которых собственный опыт приводил к мысли о бесперспективности работы над ppm.
Подытоживая сложившуюся ситуацию, механик Я. Леупольд в сочинении «Театр машин» («Theatrum machinarum»), вышедшем в 1724 г., написал, что всегда на практике вместо perpetuum mobile получается perpetuum stabile (вечное равновесие, неподвижность).
Этот интересный феномен нельзя объяснить просто тем, что ученые «меньшего калибра» были далеки от идей своих великих современников и предшественников и не понимали их. Главная причина находилась глубже. Дело было в том, что положение о невозможности ppm, которое высказывали ведущие физики и философы, не подкреплялось никаким общим физическим законом, действовавшим в любой области. Пользуясь частными законами - моментов сил или равновесия тел на наклонной плоскости, можно было показать неработоспособность конкретного механического ppm. Законы гидравлики тоже позволяли доказать, что такой-то определенный гидравлический двигатель действовать не будет.
Однако сторонники ppm всегда могли возразить: «А я сделаю другой, который будет!» Все прошедшие неудачи за редкими исключениями (Леонардо, Стевин) связывались не с принципиальной невозможностью ppm, доказательств которой не было, а только с частными ошибками или недоработками, которые в дальнейшем, казалось, можно устранить. Дело мало менялось от того, что многие великие умы от Декарта до Ломоносова постепенно подготавливали фундамент общего закона природы, вообще запрещающего ppm. А пока всегда оставалась надежда «просочиться» в щель между частными законами, найти такие явления и конструкции, где они не действуют.
Только единый закон, распространяющийся на все явления природы, мог создать сплошной научный фронт, непроницаемый для любого ppm-1. Таким законом стал в XIX в. закон сохранения энергии. Когда он утвердился, «доэнергетическая» физика кончилась и с ней пришел конец1 вечному двигателю первого рода.
Становление закона сохранения энергии и самого понятия «энергия» проходило долго и с трудом. Борьба (именно борьба, и очень тяжелая)-за утверждение этого закона проходила по разным направлениям, но с непременным участием вечного двигателя.
В истории иногда наблюдаются парадоксальные ситуации, когда нечто не существующее (и даже не могущее существовать в принципе) оказывает существенное влияние на весьма реальные события. Интересный пример такого влияния - вечный двигатель. М. Планк писал «... поиски perpetuum mobile имели для физики столь же важное значение, какое имели для химии попытки искусственного получения золота, хотя в обоих случаях наука воспользовалась не положительными, а отрицательными результатами соответствующих опытов»
Формирование представления об общем законе сохранения, управляющем всеми формами движения материи, началось очень давно. Уже у античных авторов можно найти мысль о неуничтожимости не только материи, но и ее движения. Римлянин Тит Лукреций Кар (95-55 гг. до н. э.) в знаменитой поэме «О природе вещей» писал:
«Из ничего не рождаются вещи, Также не могут они, народившись,
в ничто обратиться».
И далее о движении мельчайших частиц материи:
«Материи плотные тельца
В вечном движенья находятся,
Непобедимы годами. Так и прочие вещи пламя дают, разогревшись
движеньем. Становится мягким
Даже и шарик свинцовый, когда его долго катают».
Из этих строк видно, что древние понимали (конечно, в общих чертах), как механическое движение переходит в тепловое движение частиц тела.
Идея о некоторой постоянной силе, передаваемой от одного тела к другому, сохранилась и в средние века. В своеобразной форме ее отразил, например, средневековый философ Жан Буридан1 (1300-1358 гг.). Он назвал такую силу impetus (натиск, напор) и выразил ее переход от одного тела к другому так: «В то время, как движущее движет движимое, оно запечатлевает в нем некую силу (impetus), способную двигать это движимое в том же направлении..., безразлично, будет ли это вверх, вниз, в сторону или по окружности». Несмотря на некоторую «ученую» тяжеловесность этой фразы, ее в принципе правильный смысл ясен.
О взглядах Леонардо да Винчи на сохранение движения мы уже упоминали раньше. Далее, начиная с XVI в., идея о сохранении движения (ограниченная, естественно, только механическим движением) и невозможности его возникновения из ничего (т. е. невозможности ppm-1) постепенно развивалась и укреплялась в сознании ведущих физиков. Предоставим слово им самим.
Д. Кардана (1501-1576 гг.): «Нельзя устроить часы, которые заводились бы сами собою и сами поднимали гири, движущие механизм».
Г. Галилей (1564-1642 гг.): «Машины не создают силу; они только ее превращают. Кто надеется на другое, тот ничего не понимает в механике».
Р. Декарт (1596-1650гг.): «Я принимаю, что во всей созданной материи есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает».
«Мне пришлось видеть много квадратур круга, вечных двигателей и разных других мнимых доказательств, которые оказались ложными».
X. Гюйгенс (1629-1695гг.): «И если бы изобретатели новых машин, напрасно пытающиеся построить вечный двигатель, пользовались этой моей гипотезой (о невозможности системы тел изменить положение своего центра тяжести без внешних сил. В. Б.),то они легко бы сами осознали свою ошибку и поняли бы, что такой двигатель нельзя построить механическими средствами».
И. Бернулли (1667-1748 гг.): «Ничтожная часть позитивной причины не может исчезнуть, не производя взамен такого действия, при помощи которого эта потеря может быть восстановлена. Таким образом, ничего из сил не исчезает, хотя бы по видимости такое исчезновение и имело место».
Г. Лейбниц (1646-1716 гг.): «Принцип равенства причины и следствия, т. е. принцип исключенного вечного двигателя - основа моего вычисления живой силы. Согласно этому принципу живая сила сохраняет свою неизменную тождественность.
В течение этих действий (поднятия груза на определенную высоту, сжатия пружины для сообщения определенной скорости) не происходит ни малейшей прибыли, ни малейшей убыли живой силы. Конечно, часть живой силы (этой частью никогда нельзя пренебрегать) поглощается неощутимыми частицами самого тела или других тел.
Мнение, которое я здесь защищаю, не основывается, конечно, на опытах по ударам тел, но на принципах, которые сообщают смысл самым опытам. Эти принципы позволяют высказывать суждения о случаях, еще не проверенных экспериментом. Единственный источник этих принципов есть равенство причины и следствия».
М. В. Ломоносов (1711 -1765 гг.): «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оной от себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Две последние цитаты показывают, что у Лейбница и особенно у Ломоносова представления о законах сохранения приобретают наиболее обобщенный характер.
Важно еще отметить, что уже у Лейбница принцип сохранения выходит за пределы простого механического движения тел; он говорит и о «поглощении силы неощутимыми частицами тела», т. е. о тепловой форме движения. У Ломоносова эта мысль была развита еще дальше («Рассуждение о природе тепла и холода» - 1744 г.).
Ломоносов был противником господствовавшей в то время теории теплорода - некоей «невесомой материи», добавление которой в тело сообщало ему тепло. Он придерживался мнения, что теплота есть результат движения «нечувствительных частиц» (т. е., говоря современным языком, молекул). Из этого непосредственно следовало, что формулировка о сохранении движения распространяется и на тепловое движение. Закон сохранения энергии не мог утвердиться, пока теория теплорода не была отвергнута; пока он существовал, невозможно было объяснить переход механической работы в тепло; идея этого перехода была ясна и Лейбницу, и Ломоносову.
Интересно, что ломоносовскую кинетическую теорию тепла отвергли именно по этой причине даже в первой половине XIX в.
В солидном немецком физическом словаре Геллера упоминалось о теории тепла Ломоносова, но она критиковалась не за ее действительные недостатки (Ломоносов учитывал только вращательное движение молекул), а за ее главное достоинство - за то, что она опровергала теорию «теплорода».
Работы Лейбница и Ломоносова завершают первый период развития учения о законе сохранения энергии - его идейную подготовку. В течение этого периода сформировалось в основе правильное представление о «сохранении силы» и переходе ее от одного тела к другому и из механической формы в тепловую. Нужно было сделать следующий, решающий шаг: найти количественные связи между формами движения, измерить их и распространить на все известные его формы. Но это требовало не только постановки соответствующих экспериментов и правильного осмысления их результатов, но и в первую очередь ниспровержения теории теплорода, ставшей тормозом дальнейшего движения науки.
Решить эту задачу удалось только в XIX в.; первыми были С. Карно, Р. Майер и Д. Джоуль. Именно их работы определили окончательное установление закона сохранения энергии.
Важную роль сыграло уточнение и разграничение учеными-механиками двух основополагающих понятий - сила и работа.
Термин «работа» впервые был введен французским ученым-механиком Ж. Понселе в 1826 г. («Курс механики в приложении к машинам»), чему предшествовало установление этого понятия (правда, под другими названиями - «сила», «действие», «момент действия», «механический эффект») как меры производительности машин. Им уже широко пользовались во второй половине XVIII в. Например, в курсе механики Котельникова (1774 г.) дано четкое определение величины «действия», впоследствии названного работой: «Действие махины или действующая посредством ея силы равно тягости, умноженной на пройденный ею путь».
Еще более общее представление о работе (когда направление силы не совпадает с направлением движения) содержится в книге французского инженера, ученого и политического деятеля Великой французской революции Лазара Карно. В сочинении «Опыт о машинах вообще» (т. е. в курсе прикладной механики), вышедшем в 1783г., он показал, что значение момента действия (т. е. работы) определяется произведением силы на путь и на косинус угла между ними.
После того как термин «работа» окончательно установился (в XIX в.), исчезла и двойственность понятия «сила». Теперь под силой понималось только воздействие, вызывающее движение тела в определенном направлении.
Так или иначе, в механике «закон сохранения силы» (а затем работы) не подвергался сомнению среди серьезных ученых уже во второй половине XVIII в. Парижская Академия наук в 1775 г. приняла официальное постановление о том, что она «не будет рассматривать никакой машины, дающей вечное движение».
В литературе обычно это решение цитируется очень кратко. Между тем в части, относящейся к ppm2, содержатся интересные мысли .
«...Создание вечного двигателя абсолютно невозможно: даже если трение и сопротивление среды не уменьшают длительности воздействия движущей силы, она не может произвести равного ей эффекта. Причина этого состоит в следующем: если мы хотим, чтобы эффект, производимый силой конечной величины, действовал бесконечное время, необходимо, чтобы произведенный эффект был бесконечно мал.
Предположим, что тело, которому сообщили движение, при отсутствии трения и сопротивления способно сохранить это движение постоянно; но при этом не идет речь о других телах. Это вечное движение возможно было бы только в этих условиях (которые, впрочем, не могут существовать в природе); оно было бы совершенно бесполезно по отношению к другим объектам, предлагаемым обычно творцами вечного движения..» Здесь (правда, применительно только к механическому движению) закон сохранения «силы» и вытекающая из него невозможность вечного двигателя первого рода выражены совершенно четко. И далее:
«...Такой способ исследования, несомненно, дорого обходится; он уже разрушил много семей. Часты случаи, когда механик, который мог бы занять достойное место, растрачивал на это свою славу, время и талант. Таковы принципы, на которых основано решение Академии: постановляя, что она больше не будет заниматься этими вопросами, Академия заявляет о своем мнении о их бесполезности, для сведения тех, кто будет ими заниматься. Часто говорят, что, занимаясь химерическими проблемами, люди открывали полезные истины. Такая точка зрения была бы обоснованна в те времена, когда метод поиска центы был истины во всех областях. В настоящее время, когда он известен, наиболее верный способ поиска истины - искать ее».
Эта часть решения звучит и теперь вполне современно. Здесь указано не только на бесполезность занятий химерическими проектами и пагубность их для самих изобретателей. Обращено внимание на необходимость применять, говоря современным языком, правильную методологию научного поиска. Нынешним ученым изобретателям ppm неплохо было бы вдуматься в умные слова, сказанные французскими академиками более 200 лет назад.
При всей важности и дальновидности решения Парижской Академии в нем не упоминалось о других формах движения и особенно о тепловой; вопрос об их связи с механическим движением оставался открытым. Соответственно оставалась и «щель» для идеологии, разрешающей ppm. Блестящие прозрения Лейбница и Ломоносова имели общий, философский характер. Развитие техники (паровые машины и другие тепловые двигатели, например машина Стирлинга требовало осмысления процессов превращения тепла в работу и работы в тепло, точного их количественного анализа.
Первым правильно поставил (и в основе решил) задачу определения теплового эквивалента работы французский военный инженер Николай Леонар Сади Карно (1796-1832 гг.), сын Л. Карно. Он опубликовал в 1824 г. ставшую впоследствии знаменитой небольшую книжку «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В ней С. Карно заложил основы не только теории тепловых машин, но и второго закона термодинамики. Мы еще вернемся к труду Карно в следующей главе, когда займемся ppm-2. Здесь же нас интересуют взгляды Карно на ppm-1 и его вклад в «закон сохранения силы», из которого вышел закон сохранения энергии - первый закон термодинамики.
О ppm С. Карно писал в своей книге: «Если бы это было возможно, то стало бы бесполезно искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале; мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы бесконечно черпать». И далее: «...могут здесь спросить: если доказана невозможность ppm для чисто механических действий, то сохраняется ли это при употреблении тепла или электричества; но разве возможно для явлений тепла или электричества придумать какую иную причину, кроме какого-либо движения тел, и разве эти движения не должны подчиняться законам механики?».
Что касается «сохранения силы» при взаимных превращениях тепла и работы, то позиция С. Карно была четко сформулирована в его более поздних записях:
«Тепло - не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел возникает повсюду, где происходит уничтожение движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила.
Таким образом, можно высказать общее положение: , движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один вид движения, то другой, но никогда не исчезает. По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла».
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
