4. Природные магниты, электромагнетизм и пар

Мечта человека о создании вечного двигателя с помощью электричества или магнитов тоже родилась в очень давние времена. Уже самое раннее знакомство человека с черными металлами раскрыло перед ним замечательное свойство, присущее некоторым веществам,- магнитное притяжение. Природные магниты, или, попросту говоря, кусочки магнитного железняка, магнетика, состоящего из окиси и закиси железа, были известны многим народам. В древности крупные залежи природных магнитов находили в железорудных копях в Германии, Швеции, Норвегии, Испании, Италии, Китае и других странах. Темно-серого цвета, с металлическим блеском, они обычно имели форму правильных октаэдров, а удельный вес их составлял 4,25. В те далекие времена высоко ценилась "особая" сила магнита и его способность, соприкасаясь с железом или сталью, сообщать им часть своих свойств. Намагниченные таким образом предметы именовались искусственными магнитами^*.

^* (О магните в той или иной связи писали Пифагор, Аристотель, Гиппократ, Гален, Платон, Эпикур, Плутарх, Птолемей, Лукреций, Плиний... Китайцы называли его "чу-ши", греки - "адамс" и "коламита", французы - "айман", индусы - "тхумбака", египтяне - "кость Оро", испанцы - "пьедрамант", немцы - "магнесс" и "зигельштейн", англичане- "лоудстоун". Добрая половина этих названий переводится как "любящий", "любовник". Так поэтично люди называли куски магнетита, обладающего свойством притягивать - любить - железо.)

Название "магнит", утверждает Платон, дано магнетиту Еврипидом, называвшим его в своих драмах "камнем из Магнезии". По другой более красивой, но менее правдоподобной притче Плиния, заимствованной им у Никандра, название дано в честь волопаса Магнисса, который будто бы случайно наткнулся на неведомые камни с чудесным свойством - к ним прилипали сандалии, подбитые железными гвоздями.

По-видимому, слово "магнит" в действительности происходит от названия греческой провинции Магнезия (о магните и магнитных явлениях можно прочитать в книге В. Карцева. Магнит за три тысячелетия. М., Атом-издат, 1978).

Знаменательно, что одна из самых ранних попыток создания вечного двигателя связана с использованием этого природного явления. И предпринял ее Пьетро Перегрино, живший примерно в середине XIII века. Его имя часто связывают с именем Роджера Бэкона, может быть, самого великого ученого средневековья^*. Изучив свойства природных магнитов, Пьетро пришел было к заключению о возможности использования магнитов в машине вечного движения. Он, однако, оказался гораздо прозорливее других изобретателей, ибо очень скоро отказался от этой затеи и перенес свои усилия на дела более реальные.

^* (Не совсем ясно, что имеет в виду А. Орд-Хьюм. Известно, что Роджер Бэкон (1214-1294) по крайней мере в трех своих сочинениях цитировал Перегрино.)

Тем не менее в 1269 году, находясь в военном лагере среди войск, осаждавших итальянский город Лючеру, Перегрино написал свое знаменитое "Послание о магните". Для нас наибольший интерес представляет та часть "Послания", в которой говорится о перпетуум мобиле^*. Перегрино описывает устройство зубчатого железного колеса, расположенного по отношению к магниту таким образом, что каждый зубец в определенный момент времени оказывался наведенным на этот магнит. Каким-то необъяснимым образом отталкиваясь от магнита, зубец поворачивал все колесо, вследствие чего позицию наведения на магнит занимал следующий зубец. Сам Перегрино считал, что установка приходит во вращение за счет какого-то значительного по величине стороннего импульса, без которого совершение первого цикла работы было бы невозможно.

^* ("Послание о магните", датированное 8 августа 1269 года, адресовано пикардийскому дворянину Сигеру. Оно состоит из двух частей. В первой части говорится о замечательных свойствах магнита, во второй приводится описание различных приборов, в том числе магнитного компаса и вечного двигателя, сделанного с "чудесным хитроумием" (см.: P. Peregrinus. Epistle on the magnet. Ed. by Silvanus P. Thompson. London, 1902).

Сочинение Перегрино впервые было опубликовано в 1558 году.)

В 1570 году иезуит Иоганн Тэснериус предложил устройство, приводимое в действие с помощью природного магнита. Это был первый "магнитный" вечный двигатель, описание которого сопровождалось иллюстрацией. Под действием магнита, который изобретатель поместил на верх колонны, металлические шары должны были вкатываться по прислоненной к колонне наклонной плоскости^*.

^* (И. Тэснериус, архиепископ Кельна в 1558 году, - один из приближенных императора Карла V. По Ф. Ихак-Рубинер, описанный Тэснериусом вечный двигатель имел иную конструкцию и состоял из колеса с "тяжелыми полосками железа", вращающегося относительно "магнитного камня" (см.: Ф. Ихак-Рубинер. Вечный двигатель, с. 57-59).)

Я уже упоминал о сочинении епископа Уилкинса "Математическая магия". Епископ подробно изучил проекты Тэснериуса по книге, опубликованной отцом иезуитом до 1579 года и посвященной решению проблем вечного движения с помощью магнетизма.

Комментируя принцип действия "колонны Тэснериуса" Уилкинс писал: "Среди всех изобретений этого рода наиболее достоверным представляется устройство, в котором природный магнит установлен таким образом, чтобы притягивать стальное ядро, движущееся вверх по наклонной плоскости. Приблизившись к магниту, ядро падает вниз через отверстие на плоскости и затем возвращается к тому месту, откуда началось его движение. Далее магнит снова начинает притягивать ядро, заставляя его двигаться вверх до тех пор, пока оно вновь не достигнет отверстия и не упадет вниз. Движение ядра будет вечным, что легко понять, глядя на рисунок".

Рис. 22. Самый изящный и самый простой из всех проектов вечных двигателей, когда-либо созданных! Американский изобретатель Ф. Дж. Вудворд считал, что если между двумя вращающимися цилиндрами поместить тяжелое кольцеобразное колесо, одна половина этого колеса всегда будет тяжелее другой. К сожалению, изобретатель ошибался

Далее Уилкинс объяснял, что хотя природный магнит и не обладает силой притяжения, достаточной для подъема шара прямо с земли, это легко можно сделать с помощью магнита и наклонной плоскости.

Нетрудно видеть, однако, что если магнит будет обладать силой притяжения, достаточной для подъема шара по уклону, то он вряд ли позволит шару упасть вниз через отверстие. Следовательно, маловероятно, чтобы шар вернулся к исходной точке своего движения. К такому же заключению пришел и епископ Уилкинс, считавший, что в данном случае движение вообще невозможно, не говоря уже о движении вечном. Но он замечал при этом: "Итак, ни один из этих ранее проведенных магнетических экспериментов не в состоянии обеспечить вечное движение. Тем не менее я полагаю, что в будущем свойства магнита все-таки могут быть использованы при создании вечного двигателя".

Как видно, вера в осуществление идеи вечного движения так никогда и не покидала досточтимого священнослужителя.

Сердечники из магнито-мягкого материала, скользящие по спицам колес и притягивающиеся к неподвижно установленным магнитам, превращая нашего старого знакомца неуравновешенное колесо в колесо магнитоуправляемое,- вот идея, которая привлекала многих изобретателей начала девятнадцатого столетия. Впервые она была, вероятно, высказана англичанином У. Стефаном. Конструкция его перпетуум мобиле (1799) состояла из деревянного колеса с прямоугольными прорезями, в которых скользили намагниченные железные бруски. Колесо вращалось между магнитами противоположных полярностей.

Рис. 23. Магнит поднимает стальной шар по наклонной плоскости до тех пор, пока он не проваливается в отверстие в верхней части плоскости. Далее шар скатывается вниз и через отверстие в нижней части плоскости возвращается к началу движения. В дальнейшем магнит вновь притягивает шар и т. д

Многие изобретатели тратили время и силы, пытаясь найти или создать особое вещество, которое нейтрализовало бы действие магнитной силы. Пластина из такого вещества, помещенная между магнитом и сердечником, должна была в нужные моменты как бы включать и выключать магнитное притяжение. Предполагалось использовать этот эффект для непрерывного вращения медного колеса, несущего на спицах скользящие железные грузы и расположенного между двумя магнитами. Сколько изобретателей претендовало на открытие такого чудо - вещества! Самое интересное из этих "открытий" сделал башмачник из шотландского городка Линлитгоу по фамилии Спенс. Он заявил, что нашел некое черное вещество, нейтрализующее действие магнитного притяжения и отталкивания, и изготовил две машины, движущиеся благодаря использованию этого вещества. Жульничество было очень быстро раскрыто, но стоит упомянуть о том, что сэр Дэвид Брюстер (1781-1868), известный физик (и, кстати, изобретатель калейдоскопа), поддался на обман и счел нужным упомянуть об изобретении Спенса в "Анналес де хими" за 1818 год. "Мистер Плейфэер и капитан Катер осмотрели обе машины и с удовлетворением пришли к выводу, что проблема вечного движения решена", - писал Брюстер^*. На самом же деле ни сам Спенс, ни его черное вещество не смогли обойти законы термодинамики.

^* (Генри Катер (1777-1835) -английский геодезист, изобретатель "обратимого маятника", прибора для определения ускорения силы тяжести в данном месте. Джон Плейфэер (1748-1819) - шотландский математик.)

Рис. 24. а) Лондонец В. Стефан получил патент на этот механизм в 1799 году. Магниты, скользящие в прорезях сплошного колеса, выполняют роль неуравновешенных грузов, с помощью которых одна сторона колеса становится тяжелее другой. Полюса поочередно притягиваются или отталкиваются магнитами, прикрепленными к поворотным опорам с каждой стороны колеса; б) Стальной шар С постоянно притягивается к магниту В, который расположен так, что под его влиянием вращается колесо со щелями на ободе. Пока шар движется, вращается и колесо. Так во всяком случае считал изобретатель, который не учел, однако, что сила тяжести и магнитное притяжение уравновешивают друг друга

Не менее абсурдными были попытки найти средство, способное приостанавливать действие силы тяжести. А поиски такого средства стимулировались все той же проблемой перпетуум мобиле. Некоторые ученые мужи утверждали, что ключом к решению проблемы вечного двигателя является создание "прерывателя" действия силы тяжести, с помощью которого уже хорошо знакомое нам неуравновешенное колесо действительно превратилось бы в перпетуум мобиле. Этот простейший механизм состоял бы из закрепленного на оси самого обычного колеса, одна половина которого находилась над "прерывателем". Незащищенная от действия силы тяжести половина колеса всегда была бы тяжелее, и колесо смогло бы вращаться с большой скоростью.

К началу девятнадцатого столетия относятся первые, еще робкие шаги в области исследований электромагнетизма (явление статического электричества было изучено ранее). Со времени водяных мельниц наука шагнула далеко вперед. Подвинулись в своих поисках волшебного "эликсира движения" и изобретатели "вечных двигателей". Вода как источник энергии уступила место неуравновешенным грузам, затем им на смену пришли магниты и электричество. В тот период, когда природа многих физических явлений оставалась еще очень неясной (вспомним хотя бы епископа Уилкинса с его металлическим шаром, притягиваемым вверх по наклонной плоскости природным магнитом), попытки ученых использовать явление магнетизма наталкивались и на целый ряд практических трудностей. Однако пришло время, когда навыки, приобретенные механиками и в часовом деле, и в конструировании различных машин, могли быть использованы энтузиастами идеи вечного движения. Хорошо уравновешенные колеса на драгоценных камнях, "доведенные" или отполированные скользящие части, высокоточные детали - все это позволило уменьшить силу трения, а вместе с тем повысить шансы на успех создателей перпетуум мобиле. Не нужно было более тратить усилия на поиски антимагнитов, "прерывателей" действия силы тяжести и тому подобные вещи. Все внимание изобретателей сосредоточилось теперь на электромагнитных явлениях.

И вот появился проект колеса, приводимого во вращение кривошипом, который был связан с подвижным контактом электромагнита. Когда цепь питания электромагнита замыкалась, магнитное притяжение толкало связующий шток и поворачивало колесо. В процессе вращения колеса питание к электромагниту подводилось с помощью двух угольных щеток. После того как колесо совершало полный оборот, ток питания прерывался, затем вновь включался (для совершения следующего оборота) и так далее. Автор этого проекта считал, что, начав однажды движение, колесо будет вращаться, пока детали его не износятся. Увы, изобретатель заблуждался - неизбежные потери энергии на трение и электрическое сопротивление делают и этот проект совершенно несбыточным. Что касается установок, использующих неуравновешенные колеса, то некоторые оптимисты пытались вмонтировать в них пружины, чтобы усилить эффект вращения, совершенно забывая о том, что для сжатия и растяжения самой пружины нужна дополнительная энергия, причем гораздо большая, чем та, которую вырабатывает установка.

Самым распространенным проектом вечного двигателя, использующего силу тока, был электромотор, приводящий в действие генератор, который, в свою очередь, обеспечивал этот мотор энергией. Одни варианты этого проекта были проще, другие сложнее, и лишь немногие были созданы действительно талантливыми инженерами. Но, конечно, ни один из этих моторов так и не заработал по принципу перпетуум мобиле.

Летом 1902 года газета "Дейли мейл" поместила заметку одного из своих корреспондентов под названием "Заявка на выдающееся изобретение, подлинность которого еще не удалось установить". Заявка была сделана синьором Фигейрасом с Канарских островов, который длительное время был профессором физики в колледже Св. Августина в Лас-Пальмасе.

Я цитирую: "Многие годы, не предавая дело огласке, синьор Фигейрас работал над методом прямого использования атмосферного электричества в практических целях без затрат какой-либо движущей силы. Он заявляет о том, что изобрел генератор, способный накапливать и хранить электричество, а по мере надобности снабжать им магазины, железные дороги или, скажем, фабрики. Синьор Фигейрас не раскрывает тайны своего изобретения, но считает удивительным, что для обнаружения некого простого научного факта потребовалось так много времени. И это, по его мнению, является самым необычным в его изобретении. Из писем, полученных в Лондоне другом изобретателя, мистером Э. Ли, мы узнаем о том, что синьор Фигейрас сконструировал весьма несовершенный аппарат, с помощью которого, несмотря на малые размеры и имеющиеся дефекты, он получает напряжение в 550 вольт и использует его для освещения своего дома и для приведения в действие мотора мощностью в 20 лошадиных сил. Синьор Фигейрас в скором времени прибудет в Лондон, и не с эскизами или моделями, а с действующим аппаратом. Изобретенная им установка включает генератор, мотор и регулятор. Она настолько проста по своему устройству, что с ней может обращаться ребенок".

Что же все-таки изобрел уважаемый профессор? Аккумуляторную батарею или какой-то странный вечный двигатель? Увы, это так и осталось тайной. Пятисотпятидесятивольтовая установка для домашнего пользования была, конечно, определенным достижением, правда, весьма опасным для жизни.

Чтобы читатель понял, какие странные представления об электричестве бытовали в то время, напомню, что в том же 1902 году французский ученый-вулканолог Теквин на страницах журнала "Ревью сайнтифик" подверг резкой критике тех, кто считал причиной извержения вулканов огонь, бушующий в недрах земной коры. Теквин утверждал, что вся история наблюдений за вулканическими извержениями дает основание считать, что они вызваны исключительно зарядами электричества, в возникновении которых повинны Солнце и даже Луна. Горы, по мнению этого ученого, являлись преградой для электрических зарядов и превращали их в огонь. Вода же в горах меняла свои химические свойства и становилась легко воспламеняющимся веществом. И этот человек, заметьте, считался видным специалистом-вулканологом!^*.

^* (Трудно согласиться с А. Орд-Хьюмом: измышления Теквина никак не могут служить свидетельством "странных представлений об электричестве", якобы бытовавших в начале века. Сумасбродные и прочие ненаучные идеи и "теории", которых немало и в наше время, никоим образом не являются показателем уровня развития науки и техники.)

В 1870 году в городе Ньюарк, штат Нью-Джерси, некий Пейн выставил на всеобщее обозрение электромагнитную машину. В компанию по сбору средств для ее "дальнейшего усовершенствования" было вовлечено немало людей, среди них оказались и те, кто получил достаточное образование. Осмотрев как-то машину, один из жителей города, доктор Генри Мортон, счел возможным заявить, что с ее помощью можно пилить лесоматериалы, приводить в действие токарные станки и другие механизмы. Машина начинала работать в тот момент, когда ее соединяли с маленькой батареей, состоящей из четырех элементов. Целый день Мортон изучал устройство, но так и не смог определить, как же его создателю удалось так ловко одурачить доверчивую публику.

Рис. 25. Каким подарком для велосипедистов был бы этот 'вечный' мотор! Масса гонщика, сидящего в седле, оказывает давление на воду в полой трубке D, и она вытекает через выпускные отверстия, вращая колесо В. После этого вода поступает в камеру G, из которой затем вновь перекачивается насосами H в трубку D. Насосы приводятся в движение колесом В посредством цилиндрической передачи. Вертикальный шпиндель М имеет паз, в который входят блоки, находящиеся на каждом штоке насоса. Велосипед приводится в движение ременной передачей от колеса В. Очевидно, что, для того чтобы остановить велосипед, достаточно приподняться над седлом

А обман тем не менее был налицо: машина потребляла гораздо больше энергии, чем ее могли выработать маленькие электрические элементы. Наступил вечер, и Пейн, чтобы еще раз продемонстрировать работу машины, соединил ее с батареей. Но на этот раз машина оставалась неподвижной. Изобретатель, извинившись перед собравшимися, объяснил причину неудачи поломкой какой-то детали. Мортон решил уйти, но, выходя из помещения, где демонстрировалось изобретение, взглянул на часы - они показывали 18 часов 5 минут. В том же здании размещались мастерские со множеством механизмов, которые приводились в действие паровым двигателем, расположенным этажом ниже. Все работы в мастерских заканчивались в шесть часов вечера. Совпадение времени "поломки" машины и окончания работ показалось Мортону очень странным, и он заключил, что электрическая батарея в установке Пейна могла служить двум целям: либо с ее помощью машина подключалась к хорошо спрятанному приводу, работающему от парового двигателя, либо она включала сигнализацию для помощника Пейна, который выполнял это подключение.

Вскоре после этого вкладчики предприятия Пейна обнаружили, что изобретатель и его машина исчезли. В помещении для демонстрации осталась лишь часть железной рамы, которая поддерживала устройство Пейна. Рама оказалась полой, и размеры полости были вполне достаточны, чтобы из нижнего помещения прямо к машине подвести приводной ремень. Итак, электромагнитный двигатель приводился в действие паром.

Заявки на изобретение перпетуум мобиле делали и создатели паровых двигателей. Одним из таких проектов был воздушно-паровой двигатель. Это был обычный двигатель, в котором предусматривалось поступление воздуха в цилиндр во время хода поршня. Целый ряд экспериментов показал, что с помощью этого скорость двигателя можно было увеличить примерно на двадцать процентов. Казалось, что, используя воздух в качестве топлива, можно построить двигатель воздушного цикла. Позже, однако, было установлено, что несовершенная конструкция котла в этих экспериментальных двигателях не могла обеспечить достаточного количества пара для создания высокой скорости движения поршня и, таким образом, противодавление значительно снижало ее. Введение воздуха в нужный момент цикла снижало это противодавление, и поэтому скорость двигателя увеличивалась.

Подобную же волну энтузиазма вызвало предложение использовать в качестве топлива воду. Как ни странно, вода действительно применяется сегодня как средство увеличения мощности некоторых реактивных двигателей (в камерах сгорания она превращается в пар), но отнюдь не как топливо.