Вечный двигатель
вчера и сегодня

DjVu

      Предисловие
      В истории науки насчитывается несколько «вечных» проблем, которые занимали изощренные умы в самые разные эпохи, однако так и не получали положительного решения. К их числу принадлежат квадратура круга, трисекция угла, поиски философского камня, создание эликсира жизни. Подобные проблемы часто поддерживали энтузиазм не только великих ученых, но и шарлатанов, порой становясь серьезной преградой на пути научного прогресса, а порой, наоборот, стимулируя разработку фундаментальных научных идей и технических нововведений. В механике к числу таких исторических проблем, прошедших через многие века и страны, вне всякого сомнения, относится вечный двигатель — средневековый перпетуум мобиле.
      На протяжении нового времени неоднократно предпринимались энергичные попытки вычеркнуть вечное движение из числа проблем, заслуживающих даже упоминания. Так, еще в 1775 г. Парижская академия наук приняла мотивированное решение, которым раз и навсегда отказалась принимать на рассмотрение любые проекты вечных двигателей. В XIX в. патентные службы различных стран одна за другой закрывали двери перед заявками на вечный двигатель. Еще полтора столетия назад один из пионеров немецкой химической промышленности Карл Кёстнер характеризовал перпетуум мобиле как вредную «химеру, которая многих завела в трясину безысходности».
      И вместе с тем вечный двигатель по сию пору занимает место на страницах всех научных и технических энциклопедий.
      Без анализа проблемы вечного движения не обходится ни один учебник физики, механики, термодинамики.
      Артур Орд — Хьюм, автор вышедшей недавно в русском переводе книги «Вечное движение», не случайно избрал для нее подзаголовок — «История одной навязчивой идеи». Однако справедливо ли с высоты современных знаний смотреть на перпетуум мобиле всего лишь как на навязчивую идею, химерическое порождение ошибок и заблуждений? И что же тогда заставляет нас вновь и вновь возвращаться к этой теме, в частности, к изданию и предлагаемой вниманию читателя книги чешского инженера Станислава Михала? Неужели сегодня, как и некогда, есть нужда предостерегать легковерную публику от шарлатанов современной модификации или отваживать от этой «химерической трясины» тех молодых людей, которые по лености своей не дают себе труда усвоить в полной мере курс физики по учебнику средней школы?
      Как ни странно, ответ на этот вопрос отнюдь не так прост и однозначен, и вовсе не эти цели вдохновляли автора открытой вами сейчас книги, когда он брался за перо.
      Александр Койре, известный французский историк науки, полагал, что «путь разума к истине — не прямая дорога, его следует изучать со всеми поворотами и лабиринтами, заходя в тупики, ошибаясь в направлении, повторяя уже пройденный путь для того, чтобы обнаружить те постоянные величины, из которых складывается исследование и истина». Эта мысль совершенно справедлива, но мы предпочли бы, пожалуй, несколько иное сравнение.
      Подобно тому, как альпинист при подъеме на горную вершину видит перед собой новые и новые горизонты, так и история науки, стоящая на высоте современных знаний, получает возможность охватить единым взором не только те редкие тропы, которые действительно вели нас к достигнутым успехам, но также и те обрывы, пропасти и трещины, путь через которые оказался заказанным. Более того, история науки призвана исследовать все эти расселины, чтобы создавать и корректировать методологию оптимального научного поиска или, продолжая наше сравнение, чтобы помочь тем, кто отважится на восхождение в будущем совершенствововать свое альпинистское снаряжение. Говоря проще, среди важных методологических задач истории науки следует обращать внимание на исследование исторического контекста, в котором происходили и становились достоянием человечества открытия законов природы — тех величественных законов, которые занимали место надежного фундамента дальнейшего прогресса науки и техники.
      «Вечные» проблемы древности и средневековья несправедливо относить к разряду навязчивых — и тем более докучных — идей. Долгие столетия они оставались «нервными узлами» науки, средоточием трудностей, решение которых вело к познанию новых истин. И именно эти проблемы зачастую играли главенствующую роль в том историческом контексте, изучение которого столь необходимо как для методологических исследований, так и для правильного понимания истоков современности.
      Ценность позиции автора настоящей книги в том, что он отнюдь не ограничивает свою задачу пересказом известных либо, наоборот, давно забытых проектов машин и механизмов. Его заслуга состоит в том, что он охватывает рассматриваемый предмет широко и тем самым вводит читателя в круг многих актуальных естественно — научных и философских проблем. Так, он не упускает случая совершить интересный экскурс в особенности творчества Леонардо да Винчи, касается связи вечного движения с вопросами алхимии, в споре о перпетуум мобиле не забывает познакомить читателя со взглядами «отцов церкви».
      Наверное, нет нужды в кратком предисловии освещать различные аспекты проблемы вечного двигателя, которые достаточно успешно освещены автором, хотя он не претендует на исчерпывающую полноту и не дает глубокого историко — научного исследования всей проблемы в целом. В ряде случаев
      С. Михал лишь двумя-тремя фразами намечает постановку вопросов, заслуживающих более детального рассмотрения. Хочется отметить, что в некоторых отношениях эта книга удачно дополняет уже упоминавшуюся работу А. Орд — Хьюма, которая привязана главным образом к англо — американским источникам.
      В живо и образно написанной книге С. Михала читатель найдет богатейший фактический материал. Думается, для него окажется небезынтересным прочесть и о знаменитых мистификациях незаурядных мошенников, которым удавалось обводить вокруг пальца не только коронованных особ, но и столь прозорливых ученых, как Лейбниц, познакомиться с некоторыми малоизвестными страницами русской истории эпохи Петра I, а также, разумеется, подробнее узнать о тех ученых, усилиями которых проблема вечного движения получила свое подлинное решение.
      Эту поучительную книгу без колебаний можно рекомендовать самому широкому кругу читателей.
      Профессор А. Т. Григорьян
     
      Введение в историю неосуществленного изобретения
      На страницах этой книги мы хотим поразмышлять над судьбой машины, которая никогда не была и не будет построена, — вечного двигателя. Зачем же нужна сегодня книга о перпетуум мобиле, о тщетном стремлении человека решить проблему вечного движения? Казалось бы, в эпоху научно — технической революции этим вопросом, ответ на который давно известен, уже никто всерьез не интересуется. Безуспешные попытки создания подобной машины, служившие в недавнем прошлом предметом жарких научных дискуссий, давно миновали бурный период своего расцвета и, в конце концов, полностью осужденные современным развитием науки и техники, оказались сегодня отвергнутыми навсегда как следствие человеческих заблуждений.
      И все — таки, действительно ли эта проблема целиком принадлежит прошлому? Всем ли ясна мысль о неосуществимости вечного движения и невозможности построить перпетуум мобиле?
      Ученые — статистики и картотеки патентных бюро свидетельствуют, что далеко не всем. С незапамятных времен в человеческом характере были скрыты стремление и потребность исследовать, изобретать, строить новые машины, решать сложные и запутанные проблемы. Если начать перелистывать увесистые тома технических энциклопедий, то может показаться, что нынешнее время со всеми своими невероятно хитроумными машинами почти не оставляет человеку возможностей для исследования не решенных пока задач. Говоря образно, белых пятен на карте современной техники день ото дня становится все меньше, а добраться до оставшихся оказывается все труднее. Среднему жителю нашей планеты представляется, что в окружающем его мире все уже давно открыто, изобретено и сконструировано. К тому же внушаемые ему со всех сторон мысли о непогрешимости сложнейших механизмов и электронных разумов, постепенно подчиняющих себе своих создателей, пробуждают в человеке трепетный страх перед полчищами машин и бесчисленными изобретениями. И все — таки на свете всегда находится достаточно людей, которые, отвергая всеобщие законы механики и физики, неустанно продолжают свои несчетные попытки изобрести машину всех машин — перпетуум мобиле.
      С психологической точки зрения идея вечного движения всегда была крайне заманчива: ведь практическая реализация искусственно созданного замкнутого энергетического цикла, несомненно, привела бы к эпохальному перевороту в науке и технике с глубокими общественно — экономическими последствиями. Кроме отрицания существа современных физических теорий это означало бы, что построенный вечный двигатель явился бы первой в мире машиной с идеальным рабочим циклом. Его совершенство и максимальная эксплуатационная экономичность оказали бы огромнейшее влияние на развитие мировой экономики. Человечество навсегда избавилось бы от страха перед нехваткой энергии, который неумолимо преследует его сегодня. Тем самым разработка такого реального вечного двигателя затмила бы все сделанные до сих пор изобретения и открытия.
      Конечно же, мысль об использовании перпетуум мобиле для проникновения в космическое пространство и изучения далеких планет представляется не более фантастичной, нежели пожелания изобретателей, которые вполне довольствовались бы тем, что их вечный двигатель помогает поливать садовый участок, освещать дом или приводит в действие настольные часы. Но именно такие люди не хотят отказываться от своих ошибочных представлений и тратят годы, а то и десятилетия на заведомо мертворожденное детище, посвящая ему все свободное время и жертвуя собственными деньгами, здоровьем, а иногда и жизнью.
      Последующие главы нашей книги призваны создать у читателя четкое представление о причинах возникновения проблемы перпетуум мобиле, ее зарождении, развитии и влиянии на взгляды общества в разные периоды его развития.
      Исследование истории вечного двигателя в ее начальной фазе наталкивается прежде всего на скудость информации и множество догадок и предположений. Для того чтобы точнее представить себе характер некоторых этапов развития идеи перпетуум мобиле, нам придется столкнуться с такими вопросами, которые на первый взгляд никак не связаны с проблемой
      вечного движения. Однако более широкий взгляд на развитие науки и общества поможет нам лучше разобраться, почему в тот или иной исторический период идея перпетуум мобиле то становилась весьма популярной, то предавалась забвению, то вновь получала признание, то опять, в который раз, отвергалась учеными.
      Что же такое перпетуум мобиле?
      На этот вопрос можно дать несколько ответов. Даже идею вечного двигателя многие считают беспочвенной фантазией и бессмыслицей, которая многих сбила с праведного пути. Физик скажет, что перпетуум мобиле представляет собой двигатель, который, будучи однажды приведен в движение, сам по себе удерживается в этом состоянии сколь угодно долго и при этом в случае необходимости способен еще совершать полезную работу. Но что подразумевается под словами «сколь угодно долго»? Означает ли это «вечно, всегда»? А что следует понимать под выражением «сам по себе»? Если заменить его, например, словами «собственной силой», то откуда и как возникает эта сила? Ученые разных времен подвергали приведенное определение обстоятельному анализу, однако в окончательных выводах они бывали единодушны далеко не всегда. Так, одной из наиболее примечательных проблем в полемике являлась, к примеру, задача сохранения вечного движения, т.е. поддержания его в условиях ограниченной прочности, старения материалов и увеличивающегося износа деталей двигателя. Другая спорная проблема заключалась, так сказать, во «внутренней ценности» такой машины, когда решался вопрос, можно ли считать вечным двигателем только ту машину, которая, будучи собранной полностью, немедленно начнет работать сама по себе, или все же допустимо сообщить подобному устройству некий начальный двигательный импульс. Спор велся и о том, относится ли к основным признакам перпетуум мобиле условие, чтобы он, будучи приведен в движение, одновременно совершал некоторую полезную работу.
      В старой научной литературе, например в «Физическом словаре» Гелера, изданном в Лейпциге в 1833 г., мы встречаемся с двумя основными категориями самодвижущихся машин — физическим вечным двигателем (perpetuum mobile physicae) и естественным вечным двигателем (perpetuum mobile naturae). К первой группе так называемых физических вечных двигателей относились самодвижущиеся устройства чисто механического ха —
      рактера, принцип действия которых основывался на использовании некоторого известного физического явления, например на действии силы тяжести, законе Архимеда, капиллярных явлениях в жидкостях и т.п. Проекты естественных вечных двигателей, относившихся ко второй группе, связывались преимущественно с циклически повторяющимися природными явленье тми или же основывались на принципах небесной механики. Другое важное определение вечного двигателя, с которым мы сталкиваемся у более поздних исследователей, исходит из представления об идеальной машине, которая работает без потерь и всю сообщенную ей энергию может преобразовать в полезную работу или в какой — либо другой вид энергии. Согласно обоим этим определениям, исходный принцип создания вечного двигателя кажется внешне необычайно простым. В то же время весьма примечательным и типичным для своей эпохи представляется рассуждение о перпетуум мобиле известного немецкого ученого Иоганна Фон Поппе, работавшего в Тюбингене в первой половине XIX в.:
      «В течение уже нескольких столетий существуют механики, в основном, правда, с не слишком глубокими познаниями, затрачивающие неимоверные усилия на изобретение перпетуум мобиле. Но, как утверждает Кёстнер, перпетуум мобиле есть химера, которая завела в трясину безысходности многих людей. Действительно, если мы будем понимать под этим объект, который все время, без привода энергии извне, находится в непрерьюном движении, а значит, не подвержен нашей обычной земной бренности, то каждый разумный человек сразу уяснит себе, что такая вещь никак не может существовать на свете. Однако же, если называть вечным двигателем машину, которая при своей работе способна беспрестанно восстанавливать первопричину своего непрерьюного движения, т.е. машину, в которой сила, вызывающая движение, действует непрерьюно и без какого бы то ни было внешнего влияния вплоть до момента, пока эта машина не остановится сама, из-за собственного износа (насильственная остановка не принимается во внимание), то изобретение такой машины, хотя и очень затруднительно, но, по мнению наших крупнейших математиков, является делом вполне возможным».
      Отметим, что в старых литературных источниках название перпетуум мобиле применяется иногда и для описания таких устройств, которые по принципу своего действия никак не могут отождествляться с вечным двигателем. Так, магдебургский бургомистр Отто фон Герике, известный своими опытами с вакуумом, пользовался, например, латинским термином sem — pervivum (всегда движущийся), семантическое содержание которого совпадает с понятием перпетуум мобиле, ...для описания беспрестанных колебаний столбика ртути в ртутном барометре.
      В эпоху средневековья работы над созданием вечного двигателя зачастую бывали окутаны покровом тайны и окружены всевозможными домыслами и суевериями. Многие тогдашние ученые упоминали изобретение перпетуум мобиле по своей значимости в одном ряду с получением философского камня, являвшегося заветной мечтой и наивысшей целью большинства средневековых алхимиков и правителей разных стран.
      Итак, с одной стороны, — страсть к богатству и жажда власти, а с другой — стремление изобрести машину, которая без каких-либо затрат выполняла бы работу множества людей.
      Наиболее ранние сведения о вечных двигателях
      Попытки исследования места, времени и причины возникновения идеи вечного двигателя — задача весьма сложная. Не менее затруднительно и назвать первого автора подобного замысла. К самым ранним сведениям о перпетуум мобиле относится, повидимому, упоминание, которое мы находим у индийского поэта, математика и астронома Бхаскары (И 14 — ок. 1185), а также отдельные заметки в арабских рукописях XVI в., хранящихся в Лейдене, Готе и Оксфорде. В настоящее время прародиной первых вечных двигателей по праву считается Индия. Так, Бхаскара в своем стихотворении, датируемом примерно 1150 г., описывает некое колесо с прикрепленными наискось по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Принцип действия этого первого механического перпетуум мобиле, как видно из рис. 1, был основан на различии моментов сил тяжести, создаваемых жидкостью, перемещавшейся в сосудах, помещенных на окружности колеса. Бхаскара обосновывает вращение колеса весьма просто: «Наполненное таким образом жидкостью колесо, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается само по себе».
      Интересно, что схемы первых вечных двигателей строились на основе простых механических элементов и даже в более поздние времена включали в себя все те же рычаги, которые закреплялись по окружности колеса, вращавшегося вокруг горизонтальной оси. Выбор этих механических элементов логически вытекал из того факта, что самыми доступными и наиболее глубоко исследованными областями науки в ту пору являлись механика твердых тел и механика жидкостей. Заслуживает внимания также и то обстоятельство, что в качестве основного конструктивного элемента использовалось именно колесо. Древнеиндийские философы учили, что регулярно повторяющиеся события, составляющие воображаемый круговой цикл, играют очень важную роль в жизни человека, являясь для него символом вечности и совершенства. Еще в ведической религии — религии древних индусов — колесо символизировало божественное начало. Размеренное движение солнечного диска, а также Луны с ее характерной круглой формой в период полнолуния служили источником вдохновения не только из-за своего внешнего вида, но и благодаря удивительной регулярности их циклически повторяющегося движения. Так колесо сделалось символом движения, а наука уже в самом начале своего развития стала заимствовать для своих целей некоторые религиозные атрибуты, воплощая их на практике в виде конструктивных элементов различных машин.
      В сознании человека того времени движение небесных тел представлялось образцом вечно продолжающегося движения, связанного прежде всего с божественным всемогуществом.
      Именно поэтому в движении космических тел многие ученые того времени стали усматривать знак или пример того, как в доступных человеку условиях смоделировать вечные и непрестанно повторяющиеся явления природы, связывавшиеся до тех пор лишь с неограниченными возможностями богов и их бессмертием. Впрочем, в мифологии почти всех народов мира существовали упоминания о созданных рукой человека предметах и вещах, проявление или действие которых обладало неограниченными временными характеристиками. С этой точки зрения одним из бесспорных видов перпетуум мобиле можно считать и описанную Блаженным Августином (354 — 430) вечную лампу, хотя, несомненно, недостаток внешнего сходства оказывается тут весьма ощутимым. Непрестанно продолжающееся движение подменено здесь вечным светом, который якобы испускала эта лампа в храме Венеры: несмотря на то, что лампу никогда не заправляли маслом, пламя ее было таким мощным и сильным, что его не могли загасить ни дождь, ни ветер. Лампа, упоминаемая Августином, не была единственной в истории всех этих странных и загадочных явлений. Так, сохранилась легенда о том, что в 1345 г. на могиле дочери Цицерона Туллии был найден аналогичный светильник, горевший без перерыва полторы тысячи лет.
      Сведения о горящих вечно лампах относятся к преданиям, которые, несмотря на свою неправдоподобность, свидетельствуют об огромной фантазии человека и стремлении построить или получить в свое владение нечто такое, что по своему постоянству приближается к представлению о связанном с вечностью божественном совершенстве. Вполне возможно также, что создатели этих легенд так выражали свою мечту о бессмертии.
      В арабских странах мы начинаем встречаться с проектами вечных двигателей, аналогичных по устройству механическому перпетуум мобиле индуса Бхаскары, уже примерно с 1200 г. На рис. 2 представлено одно из таких арабских самодвижущихся колес, пустотелый обод которого частично заполнен водой и ртутью. Согласно приведенной схеме сил, момент силы, создаваемый весом столбика воды Fv действующим на плечо г по направлению к центру вращения колеса, должен превышать момент силы, создаваемый весом ртути F2, действующим на плечо гт В качестве основного условия успешной работы этого устройства принималось выполнение неравенства F2 г2.
      Как видно из рис. 3, арабские механики пользовались и другими комбинациями основных конструктивных элементов, например сочлененными деревянными рычагами и т. п. Однако главной частью их машин все же продолжало оставаться большое колесо, вращавшееся вокруг горизонтальной оси. Все эти вечные двигатели, принцип действия которых был весьма сходен с работой индийских самодвижущихся колес, в арабских странах разрабатывались главным образом для того, чтобы приводить в действие устройства для заполнения водой оросительных каналов.
      Оба представленных примера перпетуум мобиле могли бы создать у читателя превратное представление об уровне средневековой арабской механики. Вышедший недавно в Англии перевод сочинения известного арабского изобретателя машин и автоматов ал-Джазари «Книга о познании хитроумных механических приспособлений», написанного автором в 1206 г., свидетельствует о высоком уровне арабской техники, основывавшейся на использовании вполне реальных функциональных принципов и элементов конструкций. Эта книга, состоящая из шести частей, содержит подробные описания разнообразных гидравлических машин, насосов, водяных часов — клепсидр, музыкальных автоматов со сложной механикой фигур и т. п. До опубликования труда ал-Джазари оставалось неясным происхождение многих конструктивных элементов, с которыми мы впервые сталкиваемся в Европе у инженеров эпохи Возрождения. Так, например, конический клапан, встречающийся в альбомах чертежей Леонардо да Винчи, мы находим уже у ал-Джазари. Арабские инженеры были знакомы также и с зубчатыми секторами, которые с 1364 г. первым в Европе стал систематически использовать в своих астрономических часах Джиованни де Донди. В период деятельности ал-Джазари арабам была известна, в частности, и техника отливки металлов в песчаные формы, введенная в Европе лишь с конца XV в.
      Вместе с тем нельзя не отметить следующего важного обстоятельства. В труде ал-Джазари, раскрывающем многие до сих пор не выясненные отношения между механикой Востока и ранней европейской техникой, не приводится, по существу, ни одного примера перпетуум мобиле, что, несомненно, является бесспорным свидетельством высокого уровня средневековых арабских инженеров.
     
      2. Античная механика и перпетуум мобиле
      Первое упоминание о вечном двигателе относится лишь к 1150 г. Но означает ли это, что античная наука, и в частности механика, не интересовалась проблемой вечного движения? Ответить на этот вопрос нам поможет беглый взгляд на античное общество, на законы, по которым оно развивалось, а также на практику использования им орудий труда и инженерных знаний при постройке разного рода машин.
      Вечное движение являлось одной из тех традиционных проблем, которым в связи с исследованием физических явлений в окружающей жизни греческая философия уделяла много внимания. Приведем лишь один пример. Пифагорейцы, как и древние греки вообще, были буквально очарованы кругом. Они считали, что по круговым траекториям движутся не только небесные тела, но и человеческие души. Но в отличие от небесных тел, которые движутся по идеальным окружностям, а потому движение их вечно, человек не способен «проследить начало и конец своей дороги» и тем самым осужден судьбой на смерть.
      При исследований условий, определяющих круговое движение тел, греки пришли к выводам, даже теоретически исключающим всякую возможность существования на Земле искусственно созданного вечного движения, а следовательно, и вечного двигателя. С их точки зрения, движение тел на Земле ускоряется по направлению к ее центру. Правда, эти тела, если их заставить, могут перемещаться и по круговым траекториям, однако это движение не будет «совершенным». О телах, движение которых было бы действительно круговым, Аристотель говорит, что они не могут быть ни тяжелыми, ни легкими, так как эти тела «не способны приближаться к центру или удаляться от него естественным или вынужденным образом». Такому условию, однако, удовлетворяют только небесные тела. Это заключение привело далее Аристотеля к выводу, что движение космоса есть мера всех других движений, поскольку только оно одно является постоянным, неизменным и вечным.
      Оставим в стороне замечательные открытия Пифагора, Фалеса Милетского, Гераклита, Евклида и Апполония в области математики, выдающиеся астрономические труды Гераклида Понтийского, Аристарха Самосского и Эратосфена, философские воззрения Анаксимена и Гераклита относительно первичной материи нашей планеты, заслуги Анаксимандра в отрицании культа божественного в науке, а также первую теорию атомного строения вещества, предложенную Демокритом. Тем не менее нам останется еще для изучения обширная область, в которой существенную роль играют состав и структура основных элементов, использовавшихся античными механиками в своих машинах, а также их эволюция во времени.
      Основные представления о значении слова «машина» точно выражает определение, данное знаменитым римским архитектором Витрувием: «Машина есть взаимно связанное соединение деревянных частей, обеспечивающее наибольшую выгоду при поднятии тяжестей. Она приводится в действие искусственно, а именно круговым движением». Это слишком упрощенное представление античного мира об устройстве машины и ее назначении трактуется значительно шире в более раннем сочинении «Механические проблемы», приписываемом Аристотелю. В частности, автор этого труда перечисляет и описывает целый ряд простых и сложных механизмов, используемых механикой того времени, а именно: рычаг, тсолодезный журавль с противовесом, равноплечие весы, неравноплечие весы — безмен, клещи, клин, топор, кривошип, каток, колесо, блок, полиспаст, гончарный круг, пращу, руль, металлические или каменные колеса во взаимно противоположном вращении (под этим, вероятно, имелись в виду зубчатые колеса в зацеплении). Из этого перечня видно, что основными конструктивными элементами античных машин являлись простые механизмы: рычаг, клин, наклонная плоскость, колесо и блок. Более древним египетским механикам были известны только рычаг, клин, полиспаст и, по — видимому, наклонная плоскость.
      Главным и чаще всего используемым механизмом был рычаг, изобретение которого приписывается Кинирасу Кипрскому. Теоретической разработкой соотношений между силами, действующими на плечи рычага, занимался Аристотель, а математическую формулировку этих зависимостей вместе с описанием многочисленных практических примеров предложил Архимед. Первое применение рычага как основного структурного элемента точных механизмов разнообразных автоматов по праву приписывается Герону Александрийскому, так же как Периклу — первое использование его в боевой машине, которую, согласно Диодору, впервые построил механик Артемон при осаде Самоса в 439 г. до н. э. До конца еще не выяснен и вопрос об использовании наклонной плоскости при строительстве пирамид в III тысячелетии до н.э. Ее бесспорное влияние заметно, однако, у архимедова винта, первоначально служившего исключительно для поднятия воды, а позднее применявшегося в прессах для получения оливкового масла. Блоки использовали уже ассирийцы, а также, по — видимому, и египтяне. Вместе с тем уже Герон Александрийский прибегал к объединению нескольких блоков различного диаметра, в результате чего менялась быстрота движения фигур в его автоматах. Из блока же возник и полиспаст, который нашел самое широкое применение в технике римлян.
      К наиболее древним и чаще всего использовавшимся простым механизмам относится также клин, известный уже у очень старых культур, прежде всего в форме примитивных инструментов — долота и топора, а позднее — в качестве вспомогательного элемента при поднятии тяжестей. Колесо в своем первоначальном виде было призвано служить для замены трения скольжения трением качения при транспортировке крупных и тяжелых грузов. Первоначальные круглые деревянные пластины у первых телег в скором времени превратились в колеса с ободом, которые египтяне, греки, римляне и персы устанавливали на своих одноосных и двухосных повозках. Очень важное применение этот элемент нашел и в качестве педального колеса и колеса с конным приводом. По существу конный привод сделался важнейшей составной частью двигателей различного рода мельниц, в том числе водяных, в то время как основное назначение педального колеса, по Филону Византийскому, состояло в использовании его для привода водяных насосов и поднятия тяжестей.
     
      Рис. 4. Водяные автоматы с двигающимися и поющими фигурками птиц были излюбленным предметом изобретений Герона Александрийского. Вращение колесика приводило фигурку в движение, при этом одновременно поднимался пустотелый колпак в небольшом сосуде с водой. При опускании колпака под действием собственной тяжести воздух из него проходил через свисток.
     
      Рис. 5. Механизм Герона для автоматического открывания храмовых дверей. Теплый воздух вытеснял часть воды из котла в бадью, которая своим весом открывала двери храма. Когда огонь в жертвеннике гас, воздух охлаждался и частичное разрежение в котле заставляло воду переливаться обратно из бадьи в котел. Противовес поднимал бадью на первоначальную высоту, и двери закрывались. Этот автомат удачно иллюстрирует принцип действия теплового воздушного двигателя, изобретенного только в начале XIX в.
     
      Весьма существенным элементом древней механики являлось также зубчатое колесо, развившееся, по всей вероятности, из обычного колеса. И хотя еще до конца не ясно, можно ли упоминание в «Механических проблемах» рассматривать как самое первое сообщение о появлении зубчатого колеса, однако несомненно, что систематически мы начинаем встречаться с зубчатыми колесами только у Герона Александрийского в его знаменитом годометре — приборе для измерения пройденного расстояния — или, в аналогичной форме, в виде цевочных колес в ряде его автоматов (рис. 4).
      Как отдельную главу в истории развития античной механики можно рассматривать эволюцию гидравлических и пневматических машин и механизмов. Используя архимедов закон о выталкивающей силе, действующей на погруженное в жидкость тело, два наиболее известных механика и инженера древности Ктезибий и Герон Александрийский построили целый ряд оригинальных устройств. К ним относятся, например, изобретенный Ктезибием двухцилиндровый распылитель однократного действия и предложенный Героном автоматический механизм для открывания храмовых дверей, схема которого изображена на рис. 5. Гидравлика стала играть значительную
     
      Рис. 6. Упругость дерева или кости, из которых изготавливались дуги самострелов, Ктезибий заменил действием сжатого воздуха. При натягивании тетивы вращавшиеся на осях рычаги нажимали на поршни в воздушных камерах. После выпускания стрелы сжатый воздух возвращал рычаги в исходное положение.
     
      роль и в измерениях времени, особенно когда (начиная с 422 г. до н. э.) увеличилось число использовавших для этого водяных часов — клепсидр, из которых наиболее совершенные и наиболее сложные в конструктивном отношении разработал все тот же Ктезибий. Из машин — двигателей римлянам было известно только водяное колесо, приводимое в действие силой падающей воды, — важный элемент привода прежде всего для работы водяных мельниц.
      Весьма существенными для античного мира являлись и открытия в области аэромеханики. Кроме эолипила (парового шара) Герона — предшественника современных паровых турбин и реактивных двигателей — следует обязательно упомянуть также о построенном Ктезибием органе и особенно о его пневматическом самостреле (рис. 6), в котором действие аэромеханических элементов переносится на иную область приложений — создание военных машин. Поскольку античности не был
      известен порох, убойная сила оружия того времени зависела от упругости или гибкости дерева, кости и других материалов, из которых изготавливались дуги луков и самострелов. Замена Ктезибием дуги — классического элемента лука — пневматическим метательным механизмом несомненно свидетельствует о высоком техническом уровне его изобретений.
      В заключение этого краткого обзора состояния и уровня развития античной механики стоит хотя бы упомянуть о строительстве пирамид, оросительных каналов, акведуков, церковных храмов и амфитеатров. Античная наука, к которой наряду с математикой следует с полным правом причислить и механику, достигла весьма высокой ступени совершенства. Ведь только изобретений Ктезибия и Герона оказалось бы вполне достаточно для того, чтобы первая паровая машина появилась на две тысячи лет раньше. Тем не менее она так и не была изобретена даже несмотря на то, что древние с их развитой культурой хорошо представляли себе роль железа в технике и умели его добывать и обрабатывать. Анализ определения машины, данного Витрувием, создает, однако, впечатление, что античное общество почти не было заинтересовано в доведении новых открытий и изобретений до практического использования. Очевидно, большую роль играла здесь дешевизна рабочей силы, поскольку труд рабов в рабовладельческом обществе того времени оказывался более выгодным, чем создание новых, подчас мало кому понятных устройств. В силу этого в античный период значительного развития достигали лишь некоторые достаточно примитивные формы машин.
      Только отсутствием интереса к практическому использованию выдающихся открытий в естественных науках, и в частности в механике, можно объяснить, почему Ктезибий, Герон Александрийский и другие механики древности не оставили каких-либо упоминаний о механическом вечном двигателе. Быть может, подобное устройство имел в виду римский поэт Клавдиан, когда писал, что легендарный математик и механик древности Архимед якобы изобрел оригинальный прибор в виде сферы из стекла с изображением небесного свода, на котором воспроизводилось движение всех известных к тому времени небесных светил. Этот прибор, по свидетельству поэта, представлял собою некое автоматическое устройство, непрерывно вращавшееся само по себе.
      В упоминании об архимедовом стеклянном глобусе, содержащемся в одной из поэм Клавдиана, написанной около 400 г., говорится также о «запертом внутри духе», который поддерживает глобус в постоянном движении. Значение слова «дух», имеющего здесь, вероятнее всего, смысл движущей силы, объяснялось учеными по — разному. Так, например, польский иезуит Коханьский, современник Яна Амоса Коменского, принимал его за «парацельсов астральный газ» (о Парацель се см. ниже). Более правдоподобные сведения об этом глобусе приводятся Цицероном в его сочинении «О государстве». Современные же исследователи античной техники считают, что для вращения архимедова глобуса использовалась сила падающей воды.
     
      3. Распространение идеи перпетуум мобиле в Европе
      Первые попытки создания вечных двигателей
      В Европе первые чертежи вечных двигателей появляются одновременно с введением в обиход арабских (по своему происхождению индийских) цифр, т. е. в начале XIII в. Главную роль в том, что средневековая феодальная Европа, как раз вступавшая в начальную фазу своего интенсивного развития, свела знакомство с перпетуум мобиле, играли, по — видимому, все более расширявшиеся торговые связи с восточными странами. Сходство между арабскими и первыми европейскими вечными двигателями, свидетельствуя о непосредственном влиянии Востока на науку и культуру средневековой Европы, позволяет достаточно точно установить, откуда и какими путями идея перпетуум мобиле проникла на европейский континент.
      Первым европейцем, автором идеи «самодвижущейся машины», т. е. вечного двигателя, согласно имеющимся в настоящее время данным, считается средневековый французский архитектор Вийяр д’Оннекур родом из Пикардии, — известный строитель кафедральных соборов и создатель целого ряда интересных машин и механизмов. Он был одним из первых всесторонне образованных инженеров, вместе с которыми пришел в Европу так называемый «технический ренессанс». О необыкновенных способностях Вийяра свидетельствуют проекты некоторых его изобретений, например машины для обрезания свай под водой, гидравлической пилы с автоматической подачей
      древесины (рис. 7), винтовых домкратов для подъема тяжелых грузов и ряда других любопытных приспособлений.
      Его основные технические идеи дошли до наших дней в виде единственного альбома эскизов, содержащего чертежи тридцати трех устройств. На одном из рисунков этого альбома (рис. 8) воспроизведена и предложенная им схема перпетуум мобиле. По принципу действия машина Вийяра очень напоминает некоторые схемы, использовавшиеся его арабскими предшественниками. Единственное отличие заключается в том, что вместо сосудов, наполненных ртутью, или сочлененных деревянных рычагов автор размещает по периметру своего колеса 7 небольших молоточков. Как строитель церковных сооружений и соборов Вийяр, несомненно, мог видеть на их башнях барабаны с прикрепленными к ним молоточками — эта конструкция постепенно заменяла в Европе колокола. Вероятно, именно принцип действия этих молоточков и колебания барабанов при откидывании грузов натолкнули Вийяра на мысль использовать аналогичные железные молоточки, установив их по окружности колеса своего вечного двигателя.
      Конечно, Вийяр понимал, что не первым пытается создать механический перпетуум мобиле. Это подтверждают и его слова, содержащие известную долю удивления и иронии по поводу попыток его предшественников. По всей видимости, сам Вийяр был уверен в собственном успехе, поскольку на рисунке, изображающем схему этого перпетуум мобиле, он оставил следующую запись: «Долгое время мастера спорили о создании колеса, которое вращалось бы само по себе. Смотри здесь, как привести такое колесо в движение с помощью нечетного числа молоточков или посредством ртути».
      Проект вечного двигателя Вийяра почти несколько столетий привлекал к себе внимание. Так, архитектор из Кремоны Александр Капра в своем сочинении «Новая военная архитектура», увидевшем свет в Болонье в 1683 г., исходил непосредственно из представлений Вийяра о механическом перпетуум мобиле. При этом он изменил лишь число и форму откидных молоточков на окружности колеса.
      Спустя почти четверть столетия после появления проекта Вийяра совершенно иная схема перпетуум мобиле была предложена французским ученым Пьером де Марикуром, который занимался в то время опытами с магнетизмом и, в частности, исследованием свойств магнитов.
     
      Рис. 9. Магнитный перпетуум мобиле Пьера де Марикура, датируемый 1269 г. Образцом для него послужил механизм Вселенной с циклическим обращением планет.
     
      Вийяр, как и все его предшественники, при создании своего вечного двигателя исходил из эффекта действия силы тяжести, под влиянием которой откидывались противовесы или переливалась ртуть в размещенных по периметру колеса сосудах. Работа же самодвижущегося устройства Пьера де Марикура основывалась на использовании до той поры практически не известных и мало исследованных магнитных сил. Для нас, однако, его перпетуум мобиле — он изображен на рис. 9 — оказывается похожим скорее на принципиальную схему вечного космического движения, нежели на «реальный» вечный двигатель. Хотя возникновение магнитных сил Пьер де Марикур объяснял божественным вмешательством и потому источниками этих сил считал «отнюдь не земные, а небесные полюса», он, разумеется, не мог отрицать того обстоятельства, что магнитные силы всегда проявляют себя там, где поблизости присутствует магнитный железняк. Эту взаимосвязь Пьер де Марикур объяснял тем, что данный минерал, к которому он относился почти как к философскому камню, управляется тайными небесными силами и олицетворяет собой связь между макро и микрокосмом. В то же время он должен воплощать в себе все те мистические
      силы и чудесные возможности, которые помогают ему осуществлять в наших земных условиях непрерывное круговое движение. Это круговое движение, которому так поклонялся Пьер де Марикур, по его мнению, не могло быть ничем иным, как отображением вечного движения космических сил.
      Труды Пьера де Марикура существенно обогатили нашу весьма скудную информацию о первых исследованиях проблемы вечного движения в Европе. Однако своими путаными рассуждениями об источнике и характере действия магнитных сил он затруднил себе дальнейшие объективные исследования сущности природных явлений, направив все свое внимание на создание структуры, которая явилась бы некоей копией механизма движения планет в нашей гелиоцентрической системе.
     
      Перпетуум мобиле в эпоху Возрождения
      Растущий интерес к проблеме вечного движения и стремление дать ее решение в виде описания некоторого конкретного устройства характерны для эпохи Возрождения, которое вновь обратилось к философским и научным течениям античности, а главное, к забытым или в течение долгого времени отвергавшимся теоретическим знаниям и практическому опыту античной механики. Математика, механика и астрономия опять, как и в античные времена, стали относиться к разряду «благородных» наук: сразу появилось множество не решенных до того времени задач, среди которых оказалась и проблема вечного движения. Инженеры и механики Возрождения охотно обращались к этоц заманчивой идее, находившейся в полном согласии с официальными взглядами католической церкви, которая не только в политическом и культурном, но и в научном развитии Европы того времени обладала решающим голосом при обсуждении важности и необходимости выбиравшихся для исследования проблем. Среди тех, кто часть своих многосторонних интересов уделял проблеме вечного движения, были три знаменитых инженера эпохи Возрождения: Мариано ди Жако — по, Франческо ди Мартини и Леонардо да Винчи. Так, например, на рис. 10 воспроизведен эскиз перпетуум мобиле, изображенный на страницах одной из рукописей Мариано, относящейся к 1438 г.; вполне очевидна общность принципа действия этого устройства с вечным двигателем Вийяра, отличающимся лишь конструкцией откидных рычагов на окружности колеса.
      Как известно из истории, наиболее благоприятная почва для возрождения античной механики оказалась в тот период в Италии — земле бесчисленных памятников былой славы некогда могучей Римской империи. Своим пробуждением и обращением к давним традициям и богатому культурному наследию прошлого эта страна, только что пережившая несколько столетий мрачного феодализма, была обязана прежде всего выгодному географическому положению, которое превратило ее в важнейший стратегический и торговый перекресток между Востоком и Западом. При этом некоторые итальянские города, как, например, расположенная в глубине Апеннинского полуострова Флоренция, постепенно начали играть ту роль, которой некогда могли похвастать лишь Афины или Рим, — они становились центрами культурной жизни своей страны. В то время как расположенные на побережье Генуя, Пиза и Венеция оставались только перевалочными пунктами, через которые морскими путями проникала в Италию византийская культура, Флоренция сумела преобразовать складывающиеся в новой среде восточные, а также вновь возрождающиеся античные и романские традиции в собственную итальянскую культуру, добавив к ним некоторые позитивные эволюционные элементы своего прошлого.
      Именно в этой обстановке и работал большую часть своей жизни Леонардо да Винчи — выдающийся художник, скульптор, архитектор, ученый и гениальный инженер, — человек, которого по праву называли Архимедом средневековья. Будучи самоучкой, Леонардо рано осознал бесполезность хотя и пользовавшихся широкой популярностью, но мало к чему пригодных технических игрушек и потому направил свои усилия на разработку лишь практически применимых и нужных человеку машин. В стремлении же к усовершенствованию этих машин он прежде всего старался найти пути к снижению трудоемкости современных ему технологий и производств. На страницах его рукописей, в его рисунках и чертежах содержится масса замыслов и идей, которые через два с половиной столетия после смерти Леонардо привели к настоящей революции в промышленности, — это и автоматическая прядильная машина, и любопытнейшее по конструкции приспособление для стрижки овец, и станок для насечки напильников, и машинка для изготовления игл, и множество других проектов, имевших своей целью увеличение степени механизации или даже полуавтоматизацию производственных процессов.
      Леонардо да Винчи прекрасно понимал, что, пока машина не заработала, она бездействует, она — мертва. Именно поэтому основу дальнейшего развития процесса механизации он видел прежде всего в реально существующей и работающей машине — двигателе. Подобный ход рассуждений закономерно привел его к вопросу о перпетуум мобиле. Оказывается, однако, что все же гораздо больше внимания Леонардо уделял не этой проблеме, а практическим задачам, и в частности, усовершенствованию ветряных и водяных колес. Так, от предложенной им гидравлической турбины оставался всего лишь один шаг до винтового аппарата вертикального взлета. Но даже здесь великий инженер не упустил возможность, которую предоставила ему его врожденная изобретательность, и... сумел разработать теорию подъемной силы на несущих поверхностях вращающегося винта. Он изобрел еще великое множество других механизмов и устройств, объединявшихся одним общим признаком, — Леонардо никогда не приступал к проектированию будущей машины, тщательно не разработав ее полную теорию. Например, прежде чем взяться за чертежи своего летательного аппарата, он подробно изучил анатомию птиц и характер их полета. Затем он рассчитал длины кинематических плеч, определил величины сил, действующих на них, и наконец пришел к выводу, что человеческие руки слишком слабы для того, чтобы опираться о воздух с помощью крыльев.
      Сохранилось много чертежей и описаний водяных колес и водяных мельниц, к которым Леонардо постоянно обращался в своих исследованиях. Правда, с аналогичными устройствами мы можем встретиться и в трудах Мариано ди Жакопо и Франческо ди Джорджио Мартини. Однако эти авторы в большинстве случаев ограничивались лишь тщательным исполнением своих проектов без какого бы то ни было объяснения принципа действия или анализа структуры предложенных механизмов. В действительности же многие из этих машин никогда не смогли бы работать из-за чрезмерного трения или даже просто потому, что авторы проектов исходили из ошибочных представлений о сущности машины — двигателя. Франческо ди Джорджио называл такие устройства «мельницами, которые работают на мертвой воде» {aqua morta). Надо полагать, что Леонардо да Винчи был прекрасно знаком с работами Франческо, поскольку в одном из своих сочинений он упоминает о «механиках, которые полагают, будто они могут заставить мертвую воду двигаться посредством вечного движения». В другом месте Леонардо заканчивает эту недосказанную мысль, прямо утверждая: «Невозможно привести мельницы в движение с помощью мертвой воды».
      Как уже отмечалось выше, необычайно глубокий интерес к исследованию сущности физических явлений в конце концов привел Леонардо к проблеме перпетуум мобиле и к необходимости ее анализа с точки зрения ученого — механика. В «Атлантическом кодексе», в «Кодексе Форстера» и других фрагментах сочинений Леонардо сохранились наброски вечных двигателей, выполненные им в возрасте примерно 28 лет. На рис. 11 представлена модельная реконструкция одного из этих проектов. По существу она представляет собой все ту же классическую схему перпетуум мобиле с четырьмя рычагами; на конце каждого из них укреплена замкнутая металлическая камера, наполненная ртутью. Шлихтинг в своей книге «Энергия как движущая сила нашей жизни», изданной в 1970 г., упоминает и о другом оригинальном устройстве, предложенном Леонардо. Основной его частью являлся специальный лабиринт с металлическими шарами, движение которых должно было вызывать перемещение грузов — противовесов и тем самым изменять положение центра тяжести всец системы.
      Внешне весьма заманчивая идея использовать силу воды
     
      Рис. И. Модельная реконструкция перпетуум мобиле из альбома эскизов Леонардо да Винчи (XV в.). Система откидных рычагов с помощью зубчатой передачи связана с крестовиной, несущей четыре металлические камеры, наполненные ртутью.
     
      в качестве рабочего тела вечных двигателей явилась толчком для не прекращавшихся в течение нескольких столетий многочисленных опытов с гидравлическими перпетуум мобиле. Кратковременность работы подобных устройств весьма озадачивала изобретателей, но вместе с тем создавала у них впечатление, что, усовершенствовав некоторые части машины, все же удастся удержать ее в непрерывном движении. Анализируя работу одного из гидравлических перпетуум мобиле, эскиз которого был найден среди бумаг Леонардо, автор рисунка утверждает:
      «Винт а (рис. 12) поднимает воду к винту b, а винт Ъ с помощью той же воды приводит во вращение винт а». Между винтами а и Ъ размещается малый сосуд с водой. Предположим, что в целях достижения большей продолжительности работы всего устройства используется сосуд большего объема. В начальный момент этот сосуд должен быть наполнен водой; затем вытекающая вода начнет вращать винт Ъ, а тот приведет в движение винт а, который в свою очередь будет поднимать воду обратно в сосуд, находящийся между этими двумя винтами* Однако винт а, играющий роль насоса, не сможет поднять в сосуд то же самое количество воды, которое было необходимо для приведения во вращение винта b, поскольку коэффициент полезного действия винта а будет меньше 100%. Поэтому объем воды в сосуде будет постоянно уменьшаться, и после полного его опорожнения устройство остановится. Еще через триста лет после Леонардо изобретатели гидравлических вечных двигателей усматривали ключ к успеху в создании более эффективных и более мощных насосов. Леонардо да Винчи, хотя и был далек от того, чтобы сформулировать закон сохранения энергии, видел причину этих неудач в другом. В его рукописях мы находим несколько замечаний относительно того,
      Рис. 12. Гидравлический перпетуум мобиле со спиральным колесом и архимедовым винтом из альбома эскизов Леонардо да Винчи.
      что падающая с определенной высоты вода не может поднять ту же воду (т. е. такое же количество воды) на исходную высоту. Подтверждением того, что у Леонардо сложилось вполне отчетливое представление о тесной взаимосвязи различных физических законов, служит следующее его высказывание, заимствованное из «Атлантического кодекса»: «Падающая вода поднимает такое же количество воды, если прибавить к ней силу «напора»..., однако же от усилия машины должно отнять то, что теряется от трения в опорах».
      Современная формула для подсчета потенциальной энергии поднятой воды имеет вид Ep=mgh, т. е. потенциальная энергия Ер определенного количества воды равна произведению массы этой воды т на ускорение силы тяжести g (для наших широт g = 9,81 м/с2) и на высоту h. Поскольку «сила напора», согласно Леонардо, пропорциональна высоте и ускорению силы тяжести, то фактически именно здесь Леонардо впервые подошел к косвенному определению потенциальной энергии. Одновременно с этим он наметил своим последователям правильный путь к повышению эффективности (т. е. коэффициента полезного действия) машин посредством снижения пассивных потерь в них и в первую очередь потерь на сопротивление трению во вращающихся или перемещающихся поступательно деталях.
      Леонардо да Винчи не смог полностью сформулировать основные законы сохранения и превращения энергии, открытые человечеством гораздо позже, однако как тонкий наблюдатель физических явлений, и прежде всего как механик, обладавший огромной эрудицией при выборе правильных методов для решения разнообразных технических проблем, он неминуемо пришел к логическому выводу о тщетности всех усилий, направленных на создание вечного двигателя. Взгляд ученого на проблему перпетуум мобиле лучше всего характеризует следующее его высказывание: «О, исследователи вечного движения, сколько суетных планов создали вы при подобных исканиях. Станьте лучше алхимиками!»
      Средневековые схоласты считали движение свойством живого организма. Леонардо да Винчи противопоставил этому тезису дерзкое утверждение, что как живое, так и неживое при движении подчиняется одним и тем же законам. Вообще говоря, смелость его высказываний оказывалась иногда просто поразительной. Так, в противовес алхимикам, астрологам и даже отцам церкви он выдвинул весьма неприятное для них возражение, направленное против духов. Если бы, утверждал Леонардо, духи захотели открыться людям, они должны были бы прежде всего материализоваться, с тем чтобы стать видимыми. Приобретая же материальную форму, они, естественно, перестают быть духами, поскольку дух отличается от живого существа именно своей нематериальностью. Если вспомнить трагическую судьбу многих еретиков — современников Леонардо, то было бы не удивительно, если бы в списках этих несчастных нам в конце концов встретилось и его имя. Причина того, что Леонардо не подвергался преследованиям инквизиции, заключается, по всей вероятности, в том, что он не выступал открыто против церкви со своими революционизирующими идеями, а скорее анализировал с их помощью глубинную суть вещей и явлений.
      Против работ самого Леонардо да Винчи неоднократно выдвигалось следующее возражение: если он был настолько гениален, то почему не осуществил на практике свои обширнейшие планы создания летающих машин, водяных и паровых турбин, текстильных автоматов и множества других устройств? Почему большая часть этих идей осталась лишь на страницах его рукописей, хотя многие из предложенных им проектов вполне могли бы продвинуть мировую технику на десятки или даже сотни лет вперед? Думается, что сам он ответил бы на подобные вопросы примерно так: «Изучая труд ремесленников, я увидел в нем много несовершенства. Поэтому, когда люди научатся хорошо обрабатывать металлы, когда они наконец откроют все основные законы механики, только тогда они познают цену идей, содержащихся в моих чертежах. И только тогда, оценив мои замыслы, они смогут создать новые машины, которые во много раз превзойдут все то, что когда — то было предложено мною».
      Если еще раз обратиться к рис. 12 и мысленно отвлечься от того, что речь идет здесь именно о вечном двигателе, то при более глубоком анализе становится ясным, что изображенным на рисунке устройством Леонардо более чем на сто лет опередил своего соотечественника Джиованни Бранку, которому история обыкновенно приписывает изобретение спирального водяного колеса. Другим ярким примером, подтверждающим выдающиеся способности и прозорливость великого инженера, является реактивная турбина Леонардо, работа которой фактически представляет собой простое обращение принципа действия архимедова винта.
      Леонардо да Винчи, подробно изучавший геометрию и механику по античным сочинениям, прекрасно понимал, что он находится почти в том же положении, что и когда — то механики античности. Действительно, в пору его деятельности еще не сложились условия для появления кардинально новых технических решений, хотя изобретатели того времени часто оказывались буквально в двух шагах от них. Поэтому смелые планы Леонардо, касавшиеся механизации медлительного ручного труда, должны были еще долго дожидаться своего часа, пока наконец колеса новых машин не привели в движение главный мотор промышленной революции в Европе — паровую машину.
      Сейчас мы прекрасно понимаем, что время установило четкие границы между античностью и эпохой Возрождения. Хотя оба этих исторических периода способствовали всестороннему развитию человеческих талантов, гуманизм Ренессанса основывался на принципе равенства всех людей. В то же время он исходил из идеи своеобразия каждой отдельной личности, свободы человеческой натуры и принципа самостоятельности научных исследований. Поэтому наступление эпохи Возрождения сопровождалось ослаблением прежнего авторитета церкви и ее главного орудия — средневековой схоластики. При этом особенно действенную поддержку гуманистические тенденции находили среди представителей культурных и коммерческих кругов Италии, стремившихся к освобождению науки и искусства от оков суровых церковных доктрин.
      После Леонардо да Винчи, который сам в значительной степени был активным участником этого сложного этапа развития современного ему общества, человечеству осталось множество эскизов, рисунков и расчетов разнообразных машин — от самых простых механизмов до сложнейших устройств. И все же от проектов неосуществленных вечных двигателей отмежевался прежде всего он сам — строгий и беспощадный критик.
     
      4. Механические и гидравлические вечные двигатели
      Период наивысшего расцвета идеи перпетуум мобиле
      Когда Архит Тарентский еще задолго до возникновения христианства пытался построить из дерева небольшого голубя, который, согласно древней легенде, умел летать и хлопать крыльями, он и не предполагал, что более чем через полторы тысячи лет человечество вновь обратится к подобным проблемам. Например, известия о говорящем механическом человеке — роботе, якобы построенном в XIII в. Альбертом Великим, создали этому ученому славу волшебника и мага, наделенного сверхъестественными способностями. Разнообразные механические устройства — автоматы, которые своим внешним видом и движениями подражали различным животным или человеку и даже имитировали их голоса, пользовались большой популярностью довольно долгое время, вплоть до XVIII в. Правда, такие уникальные и чрезвычайно дорогостоящие игрушки были по карману лишь наиболее состоятельным представителям знати.
      В средние века, в период интенсивного строительства храмов, пышных кафедральных соборов и княжеских дворцов наиболее талантливые мастера и ремесленники сосредоточивались при дворах европейских правителей. Там, в королевских и императорских мастерских придворные умельцы, состязаясь друг с другом в мастерстве, создавали весьма совершенные художественные произведения и технические шедевры.
      Легко можно представить, с каким удовольствием английский король Яков I демонстрировал изумленным гостям подвижный глобус с календарем, построенный для него голландским физиком и инженером Корнелиусом Дреббелем из Альцмара. В своем сочинении «Об изобретении вечного двигателя», вышедшем в 1621 г. с посвящением этому монарху, Дреббель хотя и не утверждает, что создал вечный двигатель, но пытается доказать, что движущей силой космоса является огонь, и именно в этом усматривает ключ к созданию перпетуум мобиле. Исследованиями, связанными с глобусом Дреб — беля, занимался целый ряд ученых, в том числе и Ян Амос Ко — менский, считавший, что этот глобус приводился во вращение теплом от спрятанной под ним лампы.
      Многие изобретатели, с тем чтобы привлечь к своему детищу, а стало быть, и к самим себе интерес и внимание публики, умышленно выдавали за перпетуум мобиле различные астрономические приборы, механические игрушки и фигурные автоматы. Особенно много таких автоматов со скрытым приводным механизмом появилось в XVIII в.; число их увеличивалось по мере совершенствования физических, хронометрических и астрономических приборов того времени. В Европе в искусстве создания многофигурных автоматов и разнообразных механических игрушек выделялся французский механик Вокансон. Впоследствии большое число его автоматов было собрано в парижском Музее искусств и ремесел, где наряду с изобретениями Вокансона сохранилась также обширная коллекция моделей и оригинальных конструкций вечных двигателей, изготовленных в XVII — XVIII вв.
      В ту пору, когда Галилей пытался доказать вращение Земли, в Европе появлялись все новые дреббели и вокансоны, имена которых со временем стёрлись в памяти человечества, точно так же, как были забыты и их изобретения, которыми эти люди удивляли когда — то современников. Механизмы их машин хотя и поражают тщательностью исполнения, но в большинстве своем состоят из стандартных элементов и лишь изредка отличаются особой оригинальностью или принципиальной новизной. Часто окутанные таинственными легендами, такие устройства вносили оживление в однообразие человеческой жизни, побуждая людей к совершенствованию собственных технических навыков и развитию творческой фантазии. Если только изобретателю удавалось ловко укрыть внутри своей таинственной машины приводной механизм (как правило, он представлял собой обычную часовую пружину), стремительно распространялась весть о том, что где — то, скажем при дворе Людовика XVI, создан и демонстрируется публике новый вечный двигатель. К тому же обыватели в большинстве своем не видели особой разницы между фигурными механическими автоматами и перпетуум мобиле, а потому в качестве вечных двигателей часто рассматривались даже машины с плохо скрытым приводом.
      Появлялись, разумеется, и такие личности, которые беспощадно срывали завесу тайны с изобретений своих конкурентов, правда, чаще всего лишь для того, чтобы бережно обернуть ею собственные творения. Пытались они обращаться и к помощи природных стихий, а также всякого рода непостижимых для них или непонятных сил, не оставляя без внимания даже силы сверхъестественные. В этом лабиринте интриг механика не раз смешивалась с алхимией, так что многие из претендентов на звание изобретателя перпетуум мобиле завоевывали себе одновременно и славу знаменитых алхимиков. При этом даже самые образованные ученые с трудом различали границы, отделявшие истину от лжи или выдумки.
      Быстрое развитие науки и техники, необходимость создания новых источников энергии, а также исследования тайн окружающей природы требовали значительных финансовых затрат. Естественной реакцией на такое положение вещей явились попытки открыть способ изготовления золота, сосредоточившиеся прежде всего в лабораториях алхимиков. Корни средневековой алхимии необходимо искать в древней химии, в сумме ее знаний, связанных с особенностями отдельных веществ и их свойств. В результате тесного контакта химии и алхимии возникло своеобразное содружество наук, важность которого, несмотря на его существенные недостатки и теневые стороны, вполне определенно ощущается и поныне. Ведь именно алхимикам мы должны быть благодарны за открытие технологии изготовления фарфора, различных красок, рубинового стекла и многих других материалов. Юстус фон Либих, выдающийся немецкий химик XIX в., сказал как — то, что он признателен алхимикам в их поисках путей получения золота за то, что результаты этих поисков помогли ему открыть способ получения искусственных удобрений.
      Несмотря на полезные открытия, которые, правда, не позволяли изготовить искусственное золото и потому, как правило, оставались незамеченными современниками, большинство алхимиков искало прибежища во лжи и обмане, о чем свидетельствует длинный список средневековых мошенников. Упомянем, например, жившего в конце XVII в. некоего Дона Каэтано, который выдавал себя за обладателя философского камня, или Леонгарда Турнайссера из Базеля, который обманывал легковерных, продавая им слитки якобы изготовленного им золота, которые на самом деле содержали внутри свинец.
      Эти и другие алхимики, искавшие и находившие приют при княжеских и королевских дворах, обычно имели довольно времени, чтобы открыть «собственный» секрет изготовления искусственного золота. При этом для успешного обмана доверчивого мецената достаточно было использовать, например, сосуд с двойным дном, где пряталось немного настоящего золота, которое, после того как легкоплавкое фальшивое дно расплавлялось, оказывалось непосредственно в самом сосуде. Тем же целям хорошо служил и обычный уголь, который после соответствующей обработки использовался для маскировки отверстия, где было спрятано настоящее золото.
      Во времена поздней готики и зарождающегося Ренессанса в Европе возникло несколько центров, где работали известные алхимики. В чешские земли алхимия начала проникать уже в первой половине XIX в. Так, первую в Праге алхимическую лабораторию организовал в собственном доме вблизи тогдашнего Скотного рынка князь Вацлав Опавский в 1347 г. К ярым сторонникам алхимии принадлежали также Ян из Газенбурка и В ил ем из Рожемберка. Замки Вилема в Тршебони и Крумлове стали убежищем многих чешских алхимиков.
      В конце XVI — начале XVII вв. внимание европейских алхимиков сосредоточилось прежде всего на Праге. В это время Чехией правил император «Священной Римской империи» Рудольф II, коллекционер произведений искусства и богатейший меценат, оказывавший свое покровительство таким прославленным ученым, как Тихо Браге и Иоганн Кеплер, а также известным изобретателям точнейших и красивейших часов и искусных астрономических приборов Йосту Бурги и Эразму Хабермелу. Наиболее признанным пражским алхимиком периода владычества Рудольфа II был англичанин Эдвард Келли. Из других известных ученых — алхимиков следует упомянуть поляка Михаэля Сендивогию (Сендивойю), современника Келли, а также австрийца Рихтгаузена, работавшего в Праге в середине XVII в. уже при императоре Фердинанде III. В Англии очень хорошо известно имя Джеймса Прайса, жившего некоторое время в Праге и позднее ставшего членом Королевского химического общества. В 80 — х гг. XVIII в. в своей лаборатории в графстве Суррей он демонстрировал английскому королю некий «трансмутационный процесс». Правда, впоследствии, получив приглашение ко двору, где ждали раскрытия секретов проводившихся им «трансмутаций», Прайс предпочел покончить с собой. Кроме Келли и других алхимиков, в Праге, бывшей в то время одним из крупнейших центров европейской науки, техники и культуры, работало много искусных механиков и инженеров, которые так или иначе сталкивались с проблемой вечного движения. Одним из них был Кристоф Марграф — пражский часовщик, прославившийся изобретением оригинального хронометрического прибора, который рассматривался многими как реальный перпетуум мобиле.
      В начале XVII в. при построении шагового часового устройства широко использовался довольно неуклюжий механизм с набором металлических шариков, скатывавшихся по некоторой замкнутой траектории. Фиксированный временной интервал, необходимый собственно для измерения времени, определялся длительностью прохождения очередным шариком выбранного пути. Еще Галилей обратил внимание на то, что цилиндр или шар, скатывающийся по наклонной плоскости заданной длины (при постоянном угле наклона. — Перев.), проходит этот путь за одно и то же время. Из этого правила исходил и Марграф, который заменил в своих часах наклонную
      плоскость винтовой канавкой, образованной двумя параллельными проволочными направляющими. Как только шарик, скатывавшийся по направляющим канавки, оказывался внизу, мгновенно срабатывало особое устройство, которое выпускало сверху в канавку следующий шарик. Скатывавшиеся шарики приводили в действие счетчик, показания которого фиксировались на специальном циферблате. В описании, к сожалению, отсутствуют сведения о способе подъема шариков обратно к верхней части канавки. По всей видимости, опираясь именно на эту схему, построил свои шариковые «вечные» часы и французский дворянин Никола Гролье (рис. 13), который мог познакомиться с часами Марграфа во время своей службы в австрийской армии.
      В описи имущества Дрезденского двора, относящейся к 1603 г., также упоминаются шариковые часы некоего Ганса Шлоттхайма; главной их частью опять-таки была спускавшаяся вокруг восьмигранной башни длинная винтовая канавка, по которой шарики, выпущенные из верхней галереи, скатывались ровно за 60 с. За эту работу, которая по существу представляла собой один из вариантов часов Марграфа, Шлоттхайм в 1601 — 1603 гг. получил 4800 рейнских золотых. В самой центральной башне, кроме устройства для измерения времени, располагался музыкальный механизм — некое подобие органа с двумя регистрами по 17 воздушных трубок-свистков каждый. Механизм боя и музыкальный механизм дополнялись автоматически двигавшимися фигурками музыкантов и символическими знаками планет, размещавшимися снаружи на специальных внешних балкончиках. Равномерно скатывающиеся шарики с искусно спрятанным устройством, возвращавшим их в исходное положение, были, очевидно, причиной ошибочного впечатления, что речь идет действительно о вечном двигателе. Слухи, что сам Марграф отвергал возможность создания перпетуум мобиле, косвенно подтверждаются свидетельствами о том, что изобретатель, дабы преодолеть скептическое отношение заинтересованных лиц, всячески отвергал приписываемый его изобретению метафизический смысл. Вместе с тем вполне очевидно, что непосвященная публика легко принимала подобные часовые механизмы за перпетуум мобиле. Многие вообще были склонны рассматривать в качестве вечного двигателя любое устройство, которое после придания ему начального импульса приводилось в непрерывное движение и оставалось в этом состоянии достаточно долго без явного подвода энергии извне.
      Конечно, мошенничества и обман не были привилегией и отличительным свойством одних лишь алхимиков. В истории техники мы нередко встречаемся с сообщениями о том, как широкая публика вводилась в заблуждение лишь для того, чтобы честолюбивый изобретатель мог привлечь к себе внимание окружающих.
      Уже в начале нашего столетия в Филадельфии умер некий Джон Кили, скромный, тихий человек, который свыше четверти века изо дня в день усердно корпел над какими — то исследованиями в своей лаборатории, помещавшейся в арендованном им частном доме. Соседи нередко слышали раздававшиеся оттуда странные звуки, похожие на отдаленные взрывы или раскаты грома. Распространялись слухи, будто Кили работает над изобретением особого мотора, приводимого в действие некоей эфирной субстанцией, в которой собственно и заключается главный секрет его машины. Все чаще упоминалось о том, что в стенах этого таинственного дома действует неизвестный перпетуум мобиле, который сам вырабатывает необходимую ему для работы субстанцию. Так как загадочные звуки не прекращались, лабораторию Кили стали обходить стороной. В конце концов эта история привлекла внимание прессы. В одних газетах появились сообщения о том, что машина Кили являет собой переворот в технике, в других — что Кили создал огнестрельное оружие огромной мощности, не нуждающееся в использовании пороха. Сам же Кили наотрез отказывался что — либо комментировать, настаивая лишь на том, что созданная им машина еще недостаточно применима для промышленного использования. Но печать уже сделала свое дело: одни произносили его имя с благоговейным трепетом, другие сомневались, третьи подвергали его изобретение резкой критике, — в результате тихий и незаметный человек приковал внимание тысяч людей.
      После смерти Кили в подвале под лабораторией был найден источник пресловутой эфирной субстанции — обычный компрессор, которым Кили приводил в действие работавший на сжатом воздухе мотор, сконструированный по образцу воздушной пушки. Тайна загадочных взрывов и природа еще более таинственной движущей субстанции были раскрыты. Однако своим молчанием Кили сумел добиться как раз противоположного эффекта: он стал центром внимания публики, его имя было на устах у окружающих, о нем писали газеты. Кили сознательно подогревал любопытство людей именно своей скрытностью ; приводя, например, посетителей на порог своей мастерской, он в последний момент захлопывал перед ними двери.
      Ранняя история развития науки и техники часто изобиловала как настоящими изобретениями, так и подобными мошенничествами. Однако если для алхимиков откровенная неудача грозила потерей имущества, положения или даже самой жизни, то для тех, кто хотел изобрести вечный двигатель, речь шла только об известности и славе. Философский камень и вечный двигатель одновременно оказались основными целями усилий постепенно формировавшейся светской науки. Однако только идея перпетуум мобиле смогла достаточно долго преодолевать те ловушки, которые выставляли на ее пути время и растущие знания человечества. И хотя общество давно смирилось с тем, что философский камень навсегда останется нерешенной проблемой алхимии, мысль о вечном дигателе все еще продолжала волновать сознание людей: тогдашнее увлечение проблемой перпетуум мобиле пронизывало буквально все слои общества — ею интересовались инженеры, физики, философы, священнослужители и даже главы государств. В XVII-XVIII вв., в пору наибольшей популярности этой идеи, не проходило и месяца, чтобы не появлялась новая схема или новая модель вечного двигателя. Земное притяжение, вода, воздух, огонь, магнетизм, даже сверхъестественные силы — все привлекалось для оправдания усилий и трудов исследователей в погоне за этой беспримерной иллюзией. Именно об этих усилиях, а также о том, какими путями шло развитие идеи перпетуум мобиле и как складывалась его судьба в пору расцвета, мы хотим рассказать в последующих разделах, посвященных разнообразным типам вечных двигателей и создавшим их людям.
     
      Механические перпетуум мобиле
      В предыдущих главах мы подробно рассмотрели самые ранние образцы вечных двигателей Бхаскары, Вийяра, Леонардо да Винчи и других изобретателей. Во всех этих машинах движущей силой являлась сила земного тяготения, а принцип их действия основывался на известной теореме моментов, справедливость которой для случая рычага была доказана еще Архимедом.
      Приведем еще несколько примеров. Так, известный механик середины XVII в. Эдуард Сомерсет, маркиз Вустерширский, в свои пятьдесят лет решил на удивление всем заняться постройкой перпетуум мобиле доселе невиданных размеров. Честолюбивые намерения этого достопочтенного и преданного короне дворянина нашли полную поддержку у его государя Карла I. Старый лондонский Тауэр стал свидетелем грандиозных приготовлений. Вместе со своими помощниками маркиз соорудил огромное колесо диаметром более 4 м с размещенными по его периметру 14 грузами весом по 50 фунтов каждый. К сожалению, в сообщениях об этом широко разрекламированном опыте, при котором присутствовал сам король со своим двором, о результатах экспериментов подробно не говорится. Известно лишь, что к этому своему опыту Сомерсет никогда более не возвращался; позднее он занимался строительством парусного экипажа и другими смелыми по тому времени проектами.
      Некоторое видоизменение машины Сомерсета представляет собой перпетуум мобиле, показанный на рис 14; откидывающиеся грузы заменены в нем шарами, свободно перекатывающимися в клиновидных камерах, прикрепленных к ступице колеса. Автор проекта исходил из предположения, что шары, подкатившиеся к внешнему краю колеса, будут обладать большим силовым моментом, чем шары, находящиеся в суженной части камер вблизи его оси.
      Примерно в то же самое время, в первой половине XVII в., известный астроном и член ордена иезуитов Христофор Шейнер сделал важное открытие — он обнаружил пятна на поверхности Солнца. Однако для нас более интересным представляется его сочинение «Комментарий к основаниям гномоники», изданное в Инголыптадте в 1616 г. В нем автор описывает оригинальную идею еще одного перпетуум мобиле, которому он дал громкое название «шейнеров гномон в центре мира». Схема этого вечного двигателя изображена на рис. 15. Постоянное движение гномона Шейнер обосновывал следующим образом. Произвольная точка, выбранная в качестве центра мира, одновременно будет являться и центром гравитации. Если раскрутить рычаг с перпендикулярно установленным на одном его конце гномоном так, чтобы свободный конец рычага проходил через этот центр гравитации, вся система придет в непрерывное вращение, потому что сила, притягивающая гномон с рычагом к центру гравитации, будет одинаковой во всех точках траектории.
      Идея Шейнера сразу ж вызвала многочисленные возражения современников. Так, собрат Шейнера по ордену иезуитов астроном Джиованни Баптиста Риччиоли утверждал, что гномон моментально упадет в центр гравитации по наикратчайшему пути. Другой математик того времени Марио Беттино не без иронии заявил: «Да, это будет перпетуум, но не мобиле, а покоя!»
      Хотя Галилей и не был приверженцем идеи перпетуум мобиле, один из его учеников — Клеменс Септимус попытался построить вечный двигатель, подобный тому, что представлен на рис. 16. У этого устройства вместо обычных грузов в плотно закрытом с концов цилиндрическом барабане вращалась плоская непроницаемая лопатка, разделявшая два вещества различной плотности. Одна половина цилиндра, FAG, наполнялась ртутью или водой, другая, FBG, — маслом или воздухом (т.е. более легким веществом. — Перев.). Работа этого устройства предполагалась следующей. Поскольку на СА действует больший вес ртути, то плечо рычага перейдет в положение DE, а центр тяжести окажется в некоторой точке D, лежащей между А и С. Так как ртуть несжимаема и вместе с тем она не может проникнуть в другую половину цилиндра, то весь барабан начнет вращаться в направлении G. Но вследствие этого движения центр тяжести системы опять переместится в исходное поеожение, и все повторится сначала. На основе построенной таким образом функциональной схемы Клеменс пришел к выводу, что данный перпетуум мобиле сразу же после его изготовления должен прийти во вращательное движение и оставаться в этом состоянии вечно без какого — либо подвода энергии извне.
      Против ошибочных взглядов Клеменса Септимуса выступил его друг итальянский физик Альфонсо Борелли. В опубликованном в 1670 г. трактате «О естественном движении и подвешенных грузах» он подробно описывает машину Клеменса, категорически отрицая возможность ее работы.
      С циклическим движением шаров по замкнутому пути мы уже сталкивались в вечных двигателях Марграфа и Гролье. Несколько иной внешний вид имеет перпетуум мобиле Вильгельма Шреттера, изображенный на рис. 17. Источником движущей силы здесь является, с одной стороны, совокупность шаров, обращающихся в системе колёс К, расположенных в камерах А и В, а с другой — система трех рычагов X, Y, Z с грузами на концах. Оба этих механизма связаны зубчатой передачей, размещенной в левой части корпуса — в камере С.
      Каспар Шотт в своем сочинении «Достопримечательности техники», увидевшем свет в 1664 г., помимо вполне традиционных проектов вечных двигателей описывает построенный Иоганном Иоахимом Бехером так называемый физико — механический вечный двигатель, специально для которого курфюрст Майнца Ханс Филипп Шенборн в 1660 г. приказал возвести отдельную каменную башню. У этого перпетуум мобиле, схема которого воспроизведена по чертежу того времени (рис. 18), циклическое движение шаров не являлось основой для отсчета точных временных промежутков, — просто сами эти шары служили в качестве грузов, обеспечивавших постоянно действующую силу, необходимую для приведения в ход отдельного хронометрического устройства. В зависимости от передаточного отношения системы зубчатых колес ЛВС такие часы могли идти целые недели или даже месяцы, поскольку колесо D под действием веса каждого шара поворачивалось всего лишь на 1/8 полного оборота. После этого данный шар попадал во вращающийся барабан Е; одновременно из верхней части барабана выпускался другой шар, который катился по направляющему желобу, вновь приводя в действие часовой механизм. Весь этот процесс скатывания и возвращения шаров в исходное положение управлялся сложной системой зубчатых колес и рычагов, которые приводились в движение силой падающей с башни воды. Сам Шотт в комментариях по поводу работы машины Бехера высказывал сомнение, что подобное устройство могло бы работать как перпетуум мобиле, утверждая, что в земных условиях вообще невозможно обеспечить вечное движение. То же самое писал о своих опытах и сам Бехер: «Десять лет я занимался этим безумием, потеряв кучу времени, денег и погубив свое доброе имя и славную репутацию — все это лишь для того, чтобы сегодня с полной убежденностью сказать: вечное движение {motus perpetuus) — неосуществимо».
      С механизмами, аналогичными схеме непрерывного движения шаров по замкнутому пути, мы встречаемся в целом ряде хронометрических устройств. Одну из таких попыток, хотя и относящуюся к сравнительно недавнему времени, иллюстрирует рис. 19. Правда, из-за своей сложности и неуклюжести подобные механизмы производят в целом весьма необычное впечатление, и поэтому не удивительно, что между изобретателями перпетуум мобиле такого типа всегда возникала масса споров о приоритете и об оригинальности самой конструкции.
      В 60 — х годах XVIII в. интересный вариант перпетуум мобиле с неуравновешенными шарами предложил некий Ульрих из Гранаха. Из рис. 20 видно, что для подачи шаров к верхней части ведомого колеса автор использовал архимедов винт, т. е. элемент, с которым мы встречались еще у Леонардо да Винчи.
      Вечные двигатели с неуравновешенными шарами имели много разновидностей. В большинстве случаев принцип их действия оказывался по существу одинаковым, а доставка шаров обратно в исходную точку их траектории осуществлялась различными способами. Так, в перпетуум мобиле, изображенном на рис. 21, шары поднимаются наверх с помощью бесконечной ленты с черпаками. А согласно рис. 22, где представлена схема вечного двигателя Джорджа Ливтона из Мидлсекса, шары, увеличивающие крутящий момент всей системы, переносятся наверх на концах гибких шарнирно — сочлененных рычагов. При этом перемещение шаров в верхнее положение, как видно из рисунка, осуществляется с помощью самих рычагов.
      О том, сколько внимания уделялось изобретателями вечным двигателям с неуравновешенными шарами, свидетельствуют рисунки, взятые из иллюстрированного дополнения к рукописи Ханса Хольтцхамера (1602 г.), хранящейся в Государственной технической библиотеке в Праге (рис. 23-31).
      Авторы большинства механических перпетуум мобиле, приводившихся в действие силой тяжести, либо обращали мало внимания, либо вообще пренебрегали влиянием пассивных сил, которые были главной причиной неудач их экспериментов. В определенном смысле исключением является схема вечного двигателя, представленная на рис. 32. Пытаясь устранить нежелательные силы сопротивления, создатель проекта предложил, чтобы из камеры, в которой шар двигался без трения по «идеально» гладкой поверхности, полностью откачивался воздух. Другим важным условием успешной работы этого устройства являлась, по мнению автора, «абсолютная» упругость шара.
      В следующем примере, заимствованном из того же источника, движущим элементом перпетуум мобиле вновь является сила тяжести. Правда, при первом взгляде на рис. 33 вам не может не показаться, что этот вечный двигатель несколько великоват: ведь главная его часть — это вся наша Земля с просверленным насквозь от полюса к полюсу прямым каналом, герметически закрытым с обоих концов. По представлению изобретателя, массивный шар, изготовленный из достаточно плотного материала, должен колебаться от одного конца канала к другому сколь угодно долго. Точно так же, как и в устройстве, показанном на рис. 32, одним из условий функционирования подобной схемы автор считает наличие вакуума в рабочем пространстве канала.
      В заключение этого краткого обзора наиболее часто встречающихся типов механических вечных двигателей приведем еще два интересных примера. Принцип действия первой из этих машин (]рис. 34) по внешнему виду необычайно прост: разница в весе между более длинной частью ремня, проходящей между промежуточными роликами, и его прямой, вертикальной частью, обеспечивает неравенство сил, служащее причиной постоянного движения всей системы. Подобный тип перпетуум мобиле был, по — видимому, прежде необычайно популярен, поскольку он часто встречается в литературе во многих вариантах (с ремнями, цепями и т.п.).
      Еще один перпетуум мобиле, состоявший из звездчатого колеса с восемью рычагами (рис. 35), имел дополнительно четыре пары взаимно соединенных мехов. Связь между противоположными мехами осуществлялась с помощью полых трубчатых рычагов, наполовину заполненных ртутью. Прикрепленные к мехам грузы при повороте колеса поочередно сжимали и разжимали меха, при этом ртуть внутри рычагов переливалась так, что возникавшее в результате неравновесие сил приводило всю систему в режим постоянного вращения.
      Многочисленные попытки создания перпетуум мобиле, приводимого в действие силой тяжести различных масс в виде откидных рычагов, неуравновешенных шаров и т. п., с самого начала исходили из неверного предположения о том, что для приведения такой машины в непрерывное движение достаточно сместить центр тяжести ее вращающейся части (колеса, рычагов и т.д.) из положения равновесия, т.е. сдвинуть его с оси вращения. Это ошибочное понимание закона тяготения, по всей видимости, имело своими главными причинами несколько консервативный взгляд на статику тел, а также почти полное отсутствие опыта практического применения новых законов динамики, установленных Галилеем.
      До сих пор при исследовании эволюции идеи перпетуум мобиле мы продвинулись не слишком далеко, сумев подробно рассмотреть лишь механические вечные двигатели, приводившиеся в действие гравитационными эффектами. Колеса, молотки, шары, противовесы, цепи, ремни, рычаги, зубчатые передачи — вот главные детали того «конструктора», из которого собирали элементы своих фантастических машин изобретатели тех времен. При этом большинство из них было абсолютно убеждено в глобальной справедливости своей идеи, или же, по крайней мере, проникнуто твердой верой в нее. В самом деле, вряд ли можно найти человека, который занимался бы постройкой какой — нибудь машины, специально задавшись целью доказать ее бессмысленность.
      И все же в истории перпетуум мобиле такой случай имеется. Член английского Королевского общества механик и астроном Джеймс Фергюсон в качестве протеста против все умножавшихся проектов новых вечных двигателей, в бессмысленности которых он нисколько не сомневался, построил модель перпетуум мобиле, показанную на рис. 36. По внешнему виду эта модель мало чем отличалась от описанных выше устройств. Правда, в дополнение к откидывающимся грузам на концах звездообразно расположенных рычагов Фергюсон использовал еще набор грузов, передвигавшихся в особых каретках в направлении касательной к окружности вращения и перпендикулярно соответствующему рычагу. Одновременно перемещение грузов с помощью совокупности специальных блоков и тросиков связывалось с движением откидывающихся рычажков; при этом каждый рычажок соединялся тросиком с тем грузом, который отстоял от него по окружности на 90° в направлении движения часовой стрелки. С помощью подобной взаимной комбинации исходных элементов Фергюсон намеренно хотел усилить действие исследуемой машины, чтобы, если все попытки рривести ее в движение окажутся безуспешными, наглядно показать, что идея перпетуум мобиле целиком принадлежит царству фантазии. Весьма вероятно, что модель Фергюсона была не единственным выступлением против самой сущности идеи вечного двигателя, поскольку с критикой разных типов этих машин мы встречаемся и в целом ряде других сочинений того времени.
      Отметим, что, пожалуй, никто из изобретателей перпетуум мобиле не задавался более легкой задачей, чем Фергюсон: ведь для своего эксперимента он мог выбрать любую машину своих противников, будучи заранее уверенным, что его попытка доказать невозможность вечного двигателя непременно окажется успешной.
     
      Гидравлические перпетуум мобиле
      Один из неписаных законов жизни утверждает, что авторы самых важных открытий и изобретений часто остаются безвестными — время уносит имена этих людей раньше, чем окружающие успевают заметить их свершения. Вот уже тысячи лет вертятся лопатки водяного колеса — замечательнейшей машины давнего прошлого, машины, сопровождавшей развитие цивилизации с самого начала ее зарождения до настоящего времени. Тысячи мельниц, пил и насосов приводил в действие этот двигатель, который наряду с мускульной силой человека и животных столетиями являлся единственным реальным источником их двигательной силы. Правда, несмотря на свою простоту, водяное колесо обладало и существенным недостатком — оно нуждалось в достаточном количестве проточной воды вне зависимости от времени года. Должно быть, именно поэтому большой популярностью пользовалась идея работы водяного колеса в замкнутом цикле, что позволило бы сделать его независимым от изменчивых водяных потоков и тем самым обеспечить более широкое его использование. Слабость же этой идеи заключалась в том, что оставалось неясным, как доставлять воду обратно, к лотку, питающему лопатки водяного колеса.
      На рис. 37 — 39 представлены старинные, относящиеся к 1661 г., гравюры, изображающие так называемые сухие водяные мельницы. Подобные мельницы приобрели широкое распространение в конце XVII в., создание их часто связывается с именем Хайне, кузнечных дел мастер из Лемсала. Водяные мельницы Хайне привлекли внимание графа Меллина, составившего подробный обзор этих устройств — «Иллюстрированное описание так называемой сухой водяной мельницы в городе Лемсале в Лифляндии», опубликованный в «Торговой газете» в 1796 г. С аналогичными рисунками и чертежами мы встречаемся и у Каспара Шотта, Атанасия Кирхера, Якобо де Страды и др. Авторы всех этих проектов, взятых из книги Бёк — лерна «Новый театр машин», изданной в Нюрнберге в 1661 г., использовали для подачи воды в верхний лоток так называемую коклею (водяную спираль), или архимедов винт. К наиболее интересным элементам, изображенным на этих рисунках, относится пропеллерная (лопаточная) турбина, постепенно заменявшая привычное водяное колесо. Предложенный де Страдой в 1629 г. проект перпетуум мобиле, в котором использовалось водяное колесо с верхней подачей воды (по внешнему виду он был аналогичен вечным двигателям, представленным в книге Бёклерна), предназначался для привода шлифовальных кругов.
      Схемы сухих водяных мельниц, создававшихся по принципу гидравлического перпетуум мобиле, так никогда и не были реализованы на практике. Об этом свидетельствует целый ряд проектов, отличающихся друг от друга лишь некоторыми деталями конструкции. В попытках увеличить количество воды, подаваемой к верхнему лотку колеса, авторы подобных проектов часто прибегали к объединению двух или более архимедовых винтов (рис. 39). Гидравлическим перпетуум мобиле с архимедовым винтом занимался также английский епископ Джон Уилкинс, подробно описавший его в своем сочинении «Математическая магия», опубликованном в 1648 г. Еще один проект гидравлического перпетуум мобиле, чертеж которого приведен на рис. 40, представляет собой нечто среднее между трехступенчатым водяным колесом и турбиной в тройном каскаде, сидящими на общем наклонном валу. Внутри этого вала размещался архимедов винт, поднимавший воду из нижнего резервуара на лопатки самого верхнего колеса. Чтобы выяснить всю несостоятельность этих проектов, проанализируем кратко работу водяного колеса и проведем примерную оценку его энергетического баланса. Рассмотрим сначала водяное колесо с подачей воды сверху — этот единственный гидравлический двигатель, в котором непосредственно используется потенциальная энергия падающей воды. Действительно, находящаяся в верхнем лотке вода падает в ковши рабочего колеса и своей тяжестью заставляет их двигаться вниз до тех пор, пока колесо не повернется примерно на пол — оборота и вода не выльется в отводящий канал. Диаметр водяных колес обычно выбирался приблизительно равным высоте используемого перепада уровней. Следовательно, в случае значительных перепадов водяное колесо теряло ряд своих преимуществ, поскольку оно становилось слишком большим и тяжелым. Мощность, развиваемая колесами водяных мельниц и пил, составляла обычно от 3,5 до 11 кВт при перепаде от 3 до 12 м и секундном расходе воды порядка 0,1-0,8 м3. При этом колесо всегда располагалось строго над поверхностью воды в отводном канале, с тем чтобы при повышении уровня в нем нижний край колеса не оказывался бы в воде. Именно это обстоятельство не позволяло полностью использовать всю потенциальную энергию воды, определявшуюся теоретически только разностью высот верхнего и нижнего уровней. Общая сумма потерь даже у тщательно изготовленного водяного колеса с верхней подачей воды достигала примерно 20%, так что коэффициент полезного действия такого колеса никогда не превышал 80%. В эту цифру не включены, однако, потери энергии в передаточном механизме, представляющем собой необходимый элемент каждого двигателя. Таким образом, после подсчета всех потерь и пассивных сопротивлений собственно колеса и передаточных звеньев коэффициент полезного действия всего устройства падает уже до 50 — 60%; эффективность же колес с подачей воды на среднем и нижнем уровне оказывается еще более низкой. В случае использования водяного колеса в качестве движущего элемента перпетуум мобиле приводимое им в действие перекачивающее устройство должно было доставлять к верхнему лотку ровно такое же количество воды, которое в тот же самый момент вытекало на лопатки самого колеса. Даже если при этом не учитывать потери в перекачивающем насосе, то потребляемая насосом мощность должна в точности соответствовать потенциальной энергии воды, которая определяется упомянутой разностью верхнего и нижнего уровней и которую, как говорилось выше, никакое водяное колесо полностью использовать не может. Это обстоятельство уже само по себе доказывает, почему не может существовать сухая водяная мельница с замкнутым круговоротом воды.
      К аналогичному выводу еще в 1724 г. пришел Якоб Jley — польд, подробно рассматривавший этот вопрос в своей книге «Всеобщий театр машин», изданной в Лейпциге; свою отрицательную точку зрения на подобные устройства он выразил следующими словами: «Один фунт (т.е. груз — Перев.) способен удержать другой фунт в равновесии, но никогда не сможет привести его в движение».
      Чертеж, приведенный на рис. 41, заимствован из рукописи, в которой содержится описание двух любопытных машин, предложенных в 1788 г. флорентийским аббатом Винсентом Ольми. Ведущее колесо изображенного здесь гидравлического перпетуум мобиле имеет лопатки ложкообразной формы, несколько напоминающей форму лопаток современной турбины Пелтона (ковшовой турбины). Подача воды осуществляется с помощью сужающегося желоба, направленного на определенную лопатку в нижней части колеса, которое вращается в вертикальной плоскости; тем самым используется как потенциальная, так и кинетическая энергия воды. Интересно, что это техническое решение оказывается очень похожим на сопловой аппарат турбины Пел тона. Сам Ольми утверждал, что его перпетуум мобиле способен перекачивать большие объемы воды и при том сам приводится этой водой в движение. Вместо архимедова винта для подъема воды из нижней емкости в сборный резервуар выходного сопла здесь используются два черпаковых насоса. В безупречности своего проекта, которому на самом деле нельзя отказать в определенной доле оригинальности, сам Ольми, судя по всему, абсолютно не сомневался, поскольку на последующих страницах рукописи он приводит даже подробные чертежи отдельных его частей. Кроме перпетуум мобиле Ольми занимался разработкой и проектированием других интересных машин. Например, в том же сочинении он описывает и дает чертежи устройства для подъема и транспортировки тяжестей на горных склонах, а также различных вспомогательных приспособлений, предназначенных для военных целей.
      На старинном чертеже из парижского «Журнала ученых», относящемся к 1678 г. (рис. 42), показан другой вечный двигатель — гидравлический перпетуум мобиле Станислава Сольско — го, который он демонстрировал при дворе польского короля в 1609 — 1610 гг. Принцип его работы, по замыслу автора, заключался в следующем. Главными частями этого вечного двигателя являлись водяной насос и колесо тт. По мере опускания груза V ушат Р постепенно поднимается вверх. Одновременно с ним поднимается клапан в насосе, и вода начинает поступать в сосуд abed. Через выпускной канал п она попадает в круглый резервуар g, открывает в нем заслонку и через кран г выливается в ушат Р. В результате ушат Р под тяжестью воды начинает опускаться, однако в некоторый момент посредством натянувшейся веревки t, прикрепленной с одной его стороны, он наклоняется и опорожняется. Пустой ушат Р вновь поднимается наверх, груз V опять начинает опускаться, и вся процедура повторяется заново. Колесо тт в этом случае должно совершать только колебательные движения.
      Два следующих перпетуум мобиле, описания которых мы приводим ниже, должны были работать в соответствии с законом Архимеда о подъемной силе в жидкостях. Главной частью первого из них, как ясно из рис. 43, является вращающийся вокруг горизонтальной оси барабан с наглухо закрытыми торцами, внутри которого располагались две взаимно перпендикулярные перекрещивающиеся тяги с насаженными на них большими пробковыми шарами. На внешних концах этих тяг, пропущенных сквозь боковую поверхность барабана через водонепроницаемые вводы, укреплялись металлические грузы. При этом пробковые поплавки должны были отклонять тяги в соответствующем направлении, что обеспечивало бы необходимое неравновесие сил, приводившее барабан в непрерывное и равномерное вращение.
      Гораздо более сложный тип гидравлического вечного двигателя представлен на рис. 44. В бак с жидкостью погружен ротор, от которого отходят 6 трубчатых рычагов с пузырями на концах. Сами рычаги укреплены в специальной обойме, вращающейся на полом валу. При вращении ротора через щель в валу воздух из полости вала последовательно поступает в трубки рычагов. Создание избыточного давления и перекачивание воздуха производятся с помощью специального меха, расположенного под баком и приводимого в действие непосредственно от кривошипа на валу ротора. Выпускание воздуха из пузырей обеспечивает обозначенный на рисунке черным кружочком специальный кулачок, находящийся над поверхностью жидкости в баке. Для закрывания заслонки в трубке служит другой кулачок, остающийся ниже поверхности жидкости. Принцип действия этого вечного двигателя вполне очевиден из чертежа.
      Очень простым по устройству представляется и гидравлический перпетуум мобиле, показанный на рис. 45. Погруженная в воду часть деревянного барабана, согласно закону Архимеда, подвергается действию выталкивающей силы. Автор этого проекта исходил из предположения, что если эта выталкивающая сила окажется больше силы трения в оси барабана, то барабан будет непрерывно вращаться в направлении, указанном на рисунке стрелкой. В действительности же движения не будет вообще, поскольку архимедова сила будет направлена не вверх, а перпендикулярно к поверхности барабана. В самом деле, если разбить искривленную поверхность барабана на элементарно малые плоские участки и представить, что на каждый из этих участков действует элементарная выталкивающая сила, направленная к центру вращения колеса, то результирующая сила, будучи суммой элементарных сил, также окажется направленной к оси колеса. Понятно, что сила, действующая в радиальном направлении, не сможет вызвать никакого вращательного движения колеса.
      Несколько непривычный вид имеет гидравлический вечный двигатель, изображенный на рис. 46. Основной его частью является равноплечее коромысло с двумя шарнирно — подвешенными бачками на концах. Находясь в верхнем положении, один из бачков автоматически открывает отверстие в дне верхнего резервуара и наполняется вытекающей из него водой. Под тяжестью наполненного водой бачка плечо коромысла начинает опускаться до тех пор, пока бачок не коснется поверхности воды в нижнем резервуаре. При этом специальный неподвижный штырь открывает заслонку в самом бачке и выпускает из него воду в нижний резервуар. В тот же самый момент начинается аналогичный рабочий цикл для бачка на противоположном конце коромысла. Перекачивание воды обратно в верхний резервуар автор намеревался предоставить двум поршневым насосам, приводимым в действие самим коромыслом.
      Особую группу гидравлических перпетуум мобиле составляли устройства, в которых использовались известные законы капиллярного поднятия жидкостей. В литературе мы довольно часто сталкиваемся с описанием вечного двигателя, в котором вода или масло поднимаются по капиллярам ткани фитиля в расположенный выше сосуд, далее по другому фитилю рабочая жидкость поднимается еще выше и т.д., пока наконец она не достигает самого верхнего сосуда, откуда и подается по желобу к лопаткам водяного колеса. Колесо поворачивается, жидкость стекает в нижний сосуд, и весь процесс капиллярного поднятия повторяется заново. Если бы мы на самом деле изготовили такое устройство, то оказалось бы, что лопастное колесо этой машины никогда не станет вращаться, поскольку в верхнем сосуде не окажется ни капли воды. Дело в том, что капиллярные силы хотя и позволяют преодолеть силу тяжести, поднимая жидкость в ткани фитиля, но они же и удерживают ее в порах ткани, не позволяя ей вытечь из них. Допустив тем не менее, что под действием капиллярных сил жидкость все — таки может попасть в верхний сосуд, мы одновременно должны считаться и с тем, что она точно так же может стекать по фитилю обратно в нижний сосуд.
      В литературе очень часто упоминается еще об одной попытке создания перпетуум мобиле, использующего капиллярные свойства жидкостей, — о вечном двигателе Вильяма Конгрева, подробно описанном Иоганном фон Поппе в его книге «Перпетуум мобиле и искусство управления», изданной в Тюбингене в 1832 г. С точки зрения механики устройство экспериментальной машины Конгрева (рис. 47) было очень простым. Она представляла собой надетую на три ролика бесконечную замкнутую ленту из пористого материала с цепочкой грузов, укрепленных по ее внешнему контуру. Автор предполагал, что его машина будет работать следующим образом. При погружении всей системы в воду так, чтобы оба нижних ролика оказались ниже поверхности воды, погруженная часть ленты пропитается водой. При этом за счет капиллярных сил вода будет подниматься до определенной высоты и по передней, вертикальной части ленты. Грузы же на наклонной части ленты выдавят из нее воду, впитавшуюся в поры материала в то время, пока эта часть ленты находилась под водой. При выдавливании воды из наклонной части ленты нарушится равновесие сил, определяемых весом воды на вертикальном и наклонном участках ленты, поскольку вертикальная часть ленты, не сдавливаемая грузами, сохранит впитавшуюся в поры воду и тем самым окажется тяжелее ровно на вес воды, поднятой в ней за счет капиллярных сил. Так, если в соответствии с приведенными рассуждениями вода на вертикальном участке ленты поднимется на 1 дюйм (2,54 см), то лента шириной и толщиной в 1 фут будет обладать тяговым усилием за счет пропитавшей ее воды, равным примерно 30 фунтам (133,4 Н). Если же лента придет в движение, в чем Конгрев абсолютно не сомневался, то поверхность воды в местах ее соприкосновения с лентой немного прогнется, в результате чего высота поднятия воды за счет капиллярных сил окажется несколько большей. Автор считал, что при высоте капиллярного поднятия около 5 дюймов движущая сила достигнет 150 фунтов (667 Н), а при высоте 9 дюймов и окружной скорости движения ленты 13,7 м/мин эта сила возросла бы
      Рис. 47. Относящийся к началу XIX в. перпетуум мобиле Вильямса Конгрева является одним из многочисленных гидравлических вечных двигателей, в которых использовались капиллярные свойства жидкостей.
      Рис. 48. Horarium hydraulicum — вечные водяные часы, предложенные А. Мартином в 1640 г. Этот проект также возник на основе неправильного представления о действии капиллярных сил.
      до 180 фунтов (801 Н). В этом случае машина Конгрева по своей производительности уже значительно превзошла бы возможности человека. Несмотря на свои утопические представления относительно увеличения размеров подобной машины, по сообщению «Лондонского журнала ремесел» за май 1827 г., автор сумел разработать перпетуум мобиле огромных размеров полезной мощностью 58,7 кВт.
      Примерно около 1640 г. неким А. Мартином были изобретены и построены знаменитые «гидравлические часы», изображенные на рис. 48. Самодвижущийся механизм этого устройства предназначался для вращения стрелок на циферблате часов. Находящаяся в герметически закрытом сосуде вода под действием капиллярных сил должна была подниматься по длинной, узкой, загибающейся наверху трубочке и вытекать из нее на лопатки водяного колеса. Уже при первом взгляде на схему «вечного» хронометрического устройства Мартина становится очевидным, что у его создателя также было несколько преувеличенное представление о возможностях капиллярных сил. Дело в том, что явление капиллярности основано на различии величины межмолекулярных сил между отдельными частицами жидкости и сил взаимодействия между этими частицами и твердой стенкой трубки. Именно результирующая этих двух сил определяет, что будет наблюдаться в капилляре: повышение или понижение уровня жидкости, т. е. так называемое капиллярное поднятие или капиллярная депрессия. Это явление ограничивается, однако, определенными рамками. Изобретатель, повидимому, и не предполагал, что вода в узкой трубке поднимается лишь на такую высоту, при которой гидростатическое давление поднятого водяного столба не превышает величину капиллярных сил сцепления. Так, в стеклянной трубке с внутренним диаметром 1 мм вода, например, поднимется на 30, спирт — на 12, а эфир — на 10 мм.
      Авторы проектов механических и гидравлических перпетуум мобиле всегда оказывались в затруднении при решении вопроса о доставке грузов или жидкости назад, в исходное положение, что позволяло бы обеспечить непрерывность рабочего цикла их машин. Вместе с тем на всех этих примерах мы могли убедиться, что пути, которыми шли многие из них, оказывались весьма извилистыми и с самого начала не сулили им много успехов. Большинство их экспериментов походило на блуждания в заколдованном круге, где одни изобретатели повторяли ошибки других в надежде оказаться более удачливыми.
      Джамбаттиста Порта, знаменитый ученый, экспериментатор и изобретатель «волшебного фонаря», изучая устройство сифона, предложенного еще Героном Александрийским, пришел к идее нового перпетуум мобиле, который он намеревался использовать для перекачивания воды. Между тем его замыслы побудили архитектора Витторио Цонку заняться непосредственной разработкой проекта такого «сифонного» перпетуум мобиле. Необъяснимое поведение жидкостей в сифоне (например, тот факт, что вода сама поднимается по одной трубке сифона, протекает через изгиб и через вторую трубку вытекает в расположенный ниже сосуд) дало повод к появлению нового понятия — так называемой боязни пустоты (horror vacui). Сам великий Галилей утверждал, что природа действительно боится пустоты. По его мнению, именно стремление воспрепятствовать возникновению безвоздушного пространства заставляет воду подниматься и опускаться в трубках сифона. В свое время анализу понятия вакуума посвятил часть своих философских рассуждений еще Аристотель. Так, он утверждал, что вакуум никогда не может появиться в природе, потому что для возникновения стремительного движения всегда необходим воздух, который бы сначала расступался перед телом, а затем опять смыкался за ним. Из учения Аристотеля, благодарно воспринимавшегося консервативно настроенными схоластическими кругами, постепенно и развилась средневековая теория «боязни природы перед пустым пространством», которая послужила основой многих фантастических попыток использовать эту «боязнь» в своих целях.
      Известно, что работа, затрачиваемая на подъем жидкости в сифоне, производится давлением воздуха, обусловленным разницей уровней жидкости в сосудах, которые соединяют оба колена сифона. В то же время для того, чтобы жидкость могла протекать через сифон, максимальная высота его изгиба не должна превосходить высоту столба жидкости, уравновешиваемого давлением внешнего воздуха. Для ртути, например, эта высота при нормальном барометрическом давлении составляет 76 см, а для воды — около 10 м. Конечно, Джамбаттиста Порта всего этого мог тогда и не знать — ведь он был уверен, что с помощью своего «вечного» сифона сможет перекачивать воду даже через высокие горы.
      Как мы уже упоминали, перенос этой идеи в область разработки перпетуум мобиле впервые осуществил городской архитектор из Падуи Витторио Цонка. Правда, в отличие от Порты он вовсе не собирался строить гигантские сифоны для перекачивания воды через горные хребты. На рис. 49 представлено изображение предложенной им сифонной мельницы с турбинным водяным колесом. Работу этой «сухой мельницы» Цонка представлял себе примерно так. После закрытия обоих концов трубы через отверстие в ее наивысшей точке трубу до самого верха заливают водой. Затем верхнее отверствие закрывается; при открытии же обоих нижних отверстий сифона в мельнице, по мнению автора, автоматически должно возникнуть установившееся течение воды.
      В 1607 г., когда Цонка опубликовал описание своего изобретения в книге «Новый театр машин и сооружений», свойства барометрического давления практически еще не были известны. Впрочем, это следует уже из самого рисунка машины Цонки. Ведь если отверстие всасывающего колена сифона лежит ниже выходной горловины, то перекачка воды оказывается невозможной, даже если высота точки изгиба трубы удовлетворяет указанному ранее условию. Цонка попытался преодолеть возникшую перед ним трудность, расширив сечение трубы вблизи выпускной горловины в надежде, что увеличение массы воды, сосредоточенной в этой части сифона, увеличит всасывающий эффект в другом его колене.
      Горняки и колодезных дел мастера в своей работе часто сталкивались с эффектом «боязни пустоты», однако в своих рассуждениях они не считали полностью правыми ни Порту, ни Цонку, поскольку, например, оказывалось, что обычные поршневые насосы не в состоянии были выкачивать воду больше, чем с десятиметровой глубины. Сам Галилей признавал, что «боязнь пустого пространства» в природе имеет свои границы, определяемые «неспособностью водяного столба удерживать в трубе собственный вес». Только после его смерти Торричелли сумел раскрыть сущность этого явления, использовав в своих опытах с вакуумом вместо воды ртуть. При этом он экспериментально установил, что столбику ртути высотой в 76 см соответствует десятиметровый столб воды — это и была как раз та граница, которую не могли преодолеть копавшие колодцы мастера, не раз старавшиеся увеличить высоту всасывания своих насосов. При этом Торричелли указал, что не «страх» перед безвоздушным пространством, а давление окружающего воздуха удерживает ртуть или воду в запаянной наверху трубке с открытым нижним концом. Своим открытием Торричелли одновременно решил две проблемы: во-первых, он нанес тяжелый удар общепризнанной до того времени механике Аристотеля и, во — вторых, показал, насколько нереальными являлись представления Порты и Цонки по поводу мнимого «страха» природы перед пустотой с точки зрения создания перпетуум мобиле.
      К сожалению, неудачи в попытках построения вечных двигателей на основе использования законов гидростатики и эффекта капиллярности не являлись для сторонников гидравлических перпетуум мобиле достаточно весомым аргументом в научных спорах. Исследованию подобных возможностей отдали дань даже некоторые известные ученые — физики. На рис. 50 приведена схема перпетуум мобиле, предложенного знаменитым математиком Иоганном Бернулли — старшим. Принцип действия этого вечного двигателя основывался на использовании явления осмоса — взаимной диффузии двух жидкостей, разделенных пористой стенкой. Устройство Бернулли не имело никаких движущихся частей — непрерывное движение обеспечивалось одной из использовавшихся в нем жидкостей. Главной и по существу единственной его частью являлся сосуд со вставленной в него стеклянной трубкой, нижний конец которой закрывался мембраной, пропускавшей через свои поры только более легкую жидкость. Автор предполагал заполнить сосуд тяжелой жидкостью В, а снабженную мембраной трубку — менее плотной жидкостью А. При этом длину трубки а и высоту жидкости b в сосуде он рекомендовал выбирать таким образом, чтобы выполнялось соотношение Ъ/а 2В/(А 4 — В). По мнению автора, при выполнении этого условия более легкая жидкость проникала бы через мембрану из сосуда в трубку, в результате чего смесь обеих жидкостей переливалась бы через верхний край трубки и вновь попадала в сосуд — весь этот процесс должен был продолжаться бесконечно. Сам Бернулли утверждал, что принцип, использованный им в этом устройстве, является, собственно, не его идеей, а чистой аналогией грандиозного естественного явления — круговорота воды в природе. С его точки зрения, природа сама доказывает возможность существования перпетуум мобиле с замкнутым циклом влагооборота. Ведь именно в природе вода сама поднимается из глубин океана к поверхности и, испаряясь, выпадает потом на склоны гор, откуда через родники, ручьи и реки стекает обратно в океан. Морская же вода содержит много солей, следовательно, ее плотность больше, чем у чистой воды. Мембраной, или по существу гигантским фильтром, является здесь сама Земля, задерживающая в себе соли и пропускающая к родникам одну лишь чистую воду. Иоганн Бернулли-старший был не единственным, кто интересовался принципом двухжидкостного перпетуум мобиле. Его современник, французский аббат Жан От-Фёй, известный физик, механик и часовых дел мастер, исходя из тех же предположений, выбрал, однако, более сложный путь — создать вечный двигатель с использованием химической реакции. Полость А его устройства, изображенного на рис. 51, заполняется растворами винного камня и купороса. При их перемешивании начинается реакция с выделением газов, которые, закрывая клапаны у отверстий на концах двухколенной изогнутой трубки С, выдавят часть смеси в камеру Д где с определенного момента возникает избыточное давление. Это давление закрывает действующий лишь в одну сторону клапан на конце трубки В и отделяет тем самым жидкость в камере D от жидкости, оставшейся в полости А. Аббат От Фёй предполагал, что смесь из камеры D будет постепенно отфильтровываться так, что в одном колене трубки С окажется чистый раствор винного камня, а в другом — раствор купороса. При этом через нижние клапаны оба раствора должны были снова вытекать в полость А и объединяться в исходную смесь. К сожалению, рассуждения автора основывались на неправильном допущении, что по окончании химической реакции, возникшей при смешивании первичных веществ, возможно вновь получить оба компоненты в исходном их состоянии и тем самым продолжать процесс бесконечно.
      В 1685 г. в одном из выпусков лондонского научного журнала «Философские труды» был опубликован предложенный французом Дени Папеном проект гидравлического перпетуум мобиле, принцип действия которого должен был опровергнуть известный парадокс гидростатики. Как видно из рис. 52, это устройство состояло из сосуда, сужавшегося в трубку в форме буквы С, которая загибалась кверху и своим открытым концом нависала над краем сосуда. Автор проекта ошибочно предполагал, что вес воды в более широкой части сосуда обязательно будет превосходить вес жидкости, находящейся в трубке, т. е. в более узкой его части. Это означало, что жидкость своей тяжестью должна была бы выдавливать саму себя из сосуда в трубку, по которой ей вновь приходилось бы возвращаться в сосуд, — тем самым достигалась требуемая непрерывная циркуляция воды в сосуде. К сожалению, Папен не осознавал того, что решающим фактором в данном случае является не разное количество (а с ним и различный вес жидкости в широкой и узкой частях сосуда), а прежде всего свойство, присущее всем без исключения сообщающимся сосудам: давление жидкости в самом сосуде и изогнутой трубке всегда будет одинаковым. Гидростатический парадокс как раз и объясняется особенностями этого по существу своему именно гидростатического давления. Называемый иначе парадоксом Паскаля, он утверждает, что суммарное давление, т. е. сила, с которой жидкость давит на горизонтальное дно сосуда, определяется только весом столба жидкости, находящейся над ним, и совершенно не зависит от формы сосуда (например, от того, сужаются или расширяются его стенки) и, следовательно, от количества жидкости в нем.
      На рис. 53 — 57 представлены примеры различных гидравлических перпетуум мобиле с водяными колесами, поршневыми насосами и нориями (черпаковыми подъемниками). Далее, на последующих иллюстрациях (рис. 58-60) изображены некоторые типы вечных двигателей с использованием принципа сифона и эффекта капиллярного поднятия в том виде, как они представлялись их конструкторам на рубеже XVI — XVII вв. Из того же источника заимствованы изображения двух перпетуум мобиле на рис. 61 и 62; они привлекают наше внимание несколько необычным решением своих кинематических механизмов. Первый из них (рис. 61) представляет собой вечный двигатель, относящийся к тому небольшому классу машин, в которых в качестве рабочего тела использовался сыпучий материал — песок. Ковши, укрепленные на специальных рычагах рабочего колеса, подавали песок в верхний наклонный желоб. Далее по нижнему желобу песок возвращался обратно, в камеры, размещенные между щеками рабочего колеса. По мере вращения колеса камеры поочередно оказывались в крайнем нижнем положении; в этот момент песок из них высыпался и затем снова подхватывался ковшами, в результате чего весь цикл должен был повторяться вновь. На рис. 62 изображен вечный двигатель, который приводился в движение сжатым воздухом, поступавшим к нему от кузнечного меха. При этом работа меха обеспечивалась с помощью неравноплечего рычажного механизма, связанного с кривошипом, который в свою очередь должен был приводиться в действие зубчатой передачей от вала лопастного колеса воздушного мотора.
      Анализ собрания старинных чертежей и рисунков из рукописи Хольтцхамера вновь подтверждает тот факт, что исследование проблемы вечного движения являлось весьма благодарной темой для ученых и инженеров эпохи позднего Возрождения и раннего барокко; при этом среди большого количества стандартных технических решений и однотипных идей мы обнаруживаем и такие, которые выделяются известным остроумием и значительной долей оригинальности.
      Если бы мы захотели подвергнуть рассмотрению и разбору проекты всех без исключения гидравлических перпетуум мобиле, это заняло бы у нас слишком много места и времени. Правда, с некоторыми из них мы еще встретимся в главах, где описываются попытки создания вечных двигателей в XIX и XX вв. Однако и на этих примерах мы опять сможем убедиться в главном — основой для комбинаций, из которых современные изобретатели создавали десятки конструктивных вариантов, всякий раз выдавая их за оригинальное решение, почти всегда служили все те же несколько основных физических принципов.