perpetuum mobile

Transkript

perpetuum mobile

F r a n t i š e k
P o u z a r
PERPETUUM MOBILE
(seminární práce z fyziky)
2
0
0
5
FRANTIŠEK POUZAR - PERPETUUM MOBILE
OSNOVA SEMINÁRNÍ PRÁCE
ÚVOD
1. HISTORIE PERPETUUM MOBILE
2. TYPY PERPETUUM MOBILE
2.1 ROZDĚLENÍ PODLE PRÁCE S ENERGIÍ
2.2 ROZDĚLENÍ PODLE TERMODYNAMICKÝCH ZÁKONŮ
2.3 ROZDĚLENÍ PODLE PRINCIPŮ
3. REJSTŘÍK
4. BIBLIOGRAFIE
strana 2 z 32
strana 3 z 32
ÚVOD
Perpetuum mobile – [perpétuum móbile], lat. věčný pohyb – (utopický) stroj
pohybující se bez dodávání energie. Pro usnadnění četby a protože není třeba
skloňovat, dále jen PM.
Už odmala mě zajímaly všechny stroje a ze všeho nejvíc mě bavilo něco
vymýšlet. Nevěděl jsem však co – vše kolem mne už bylo vynalezené a bez zdánlivé
potřeby nějak zdokonalit. A tak jsem se nějak dostal k problematice PM. Jako pro
malého kluka pro mě byla hodně lákavá představa to, že bych mohl vymyslet něco,
co by se ostatním líbilo, co by se mohlo využít, a právě PM by bylo tím úplně
nejúžasnějším vynálezem, který bych mohl stvořit. Jako dítě jsem příliš nedbal na
rady starších – že něco takového nemůže existovat a že bych měl dělat něco
užitečnějšího než přemýšlet o takových utopických věcech. Škoda, že mi fyzikální
zákony, o kterých jsem se přesně dověděl až ve škole, sebraly naději na skvělý
vynález. Při rozhodování „o čem napsat seminární práci“ jsem přemohl svoji obvyklou
nerozhodnost a vzpomněl jsem si na své dětské zaujetí k PM. Při hledání materiálů
jsem objevil i „vynálezy“, které byly podobné těm mým z dětství. Na některých je na
první pohled zřejmé, že nemohou fungovat, u jiných zas dělá problémy pochopení
zamýšleného principu a u dalších si člověk musí chvíli lámat hlavu proč vlastně
nefungují.
V této seminární práci jsem se snažil zachytit historii hledání PM a přehled
jeho typů. U některých se chci pokusit i o fyzikální vysvětlení jejich nefungování. Při
čtení jejich popisu se může zdát, že se o jejich funkčnosti mluví jako o jistotě, ale při
přibližování jednotlivých vynálezů čtenáři jsem se chtěl zdržet předčasné kritiky
myšlenky PM, která by sice byla z dnešního pohledu mnohdy namístě, ale v dobách
a prostředí, kde některá PM vznikla, byl náhled na fyzikální zákony odlišný. A tak
jsou PM popisována s „presumpcí funkčnosti“, ale zklamání z toho, že napracují, se
stejně nikdy nevyhneme. PM v pravém slova smyslu prostě nemůže existovat.
Lze také namítnout, že PM nemůže existovat už kvůli tomu, že neexistují
materiály, které by dokázaly navždy udržet svůj tvar nebo že vesmír také jednou
zanikne, že naše planeta zanikne…, a tak PM nepoběží věčně, ale vynálezci PM
samozřejmě tato fakta nezohledňují a stačí jim, když jejich stroj běží nebo, ještě lépe,
navíc uvolňuje energii.
strana 4 z 32
1 HISTORIE
Je pochopitelné, že už odedávna se lidé pokoušeli vyvíjet stroje, které by jim
ušetřili sílu a manuální práci. Mnoho věcí se podařilo díky strojům usnadnit, byly
nakonec vynalezeny parní a spalovací motory a objevena elektřina, ale stále nebyl
vyvinut ten nejdokonalejší stroj – takový, kterému by se nemusela dodávat žádná
energie. Z dnešního pohledu se pokusy jej vymyslet zdají opravdu utopické, ale
alchymisté a učenci dříve neznali tolik fyzikálních zákonitostí jako my dnes a při
vývoji svých nezastavitelných strojů nemohli předpokládat, že jim nějaké neznámé
pravidlo zabrzdí jejich vynález. Snad až právě popsání prakticky všech fyzikálních
zákonů, obecně vyšší vzdělanost a vynalezení zařízení, která dokáží nahradit
člověka i na místech, kde se to nikdy nečekalo, umírnilo snahy „vědců“ vynalézat PM.
Dalo by se tedy říci, že poznání nám vzalo optimismus, neboť hledání skulinek ve
fyzikálních zákonech dnes už opravdu nemá smysl.
Kupodivu se PM nezabývali staří Řekové. Ač
měli rozsáhlé znalosti o jednoduchých i složitějších
strojích, v jejich záznamech nenajdeme ani jednu
zmínku o PM. Zřejmě byli zvyklí na tělesnou práci a
neměli nutkání si ji usnadnit mechanizací. Podobně se
zachovali i Římané, u kterých k tomu vedly i jiné
důvody.
Úplně nejstarší popis PM se dochoval z 11.
století v Indii – matematik a astronom Bhaskara byl
tedy zřejmě prvním kdo vymyslel princip kola, na
kterém se jedna strana nějakým mechanismem stává
vždy těžší, nebo dokáže působit větší pákou. Jeho
Nerovnovážné kolo
Villarda de Honnecourta
vynález sestává z kola, na jehož obvodu jsou mírně
odstátě umístěny podlouhlé nádobky se rtutí, tím jak se rtuť přelévá má působit na
jedné straně větší pákou (viz Typy PM). Sám o svém vynálezu napsal:
„Mechanismus se otáčí velkou silou, protože rtuť je na jedné straně blíže středu než
na druhé.“ Nápad nerovnovážného kola se pak objevil ještě několikrát – například
francouzský stavitel Villard de Honnecourt nakreslil v roce 1235 kolo, kde jeho
nerovnováhu nezajišťovala rtuť v nádobkách, ale lichý počet pohyblivých kladiv
strana 5 z 32
upevněných po obvodu kola. Bohužel i dnes se můžeme setkat s takto naivními
návrhy PM.
Plně se snahy o vynalezení PM rozvinuly v období renesance, kdy euforie
z objevování omámila mnoho lidí. Výsledkem demokratizace vynalézání PM jsou
mnohé návrhy tzv. suchých neboli recirkulačních mlýnů (viz Typy PM). Jedná se o
zařízení schopná přimět vodu obíhat v určeném cyklu, kde při pohybu dolů vykoná
voda tolik práce, že dalším mechanismem (často tehdy oblíbeným Archimédovým
šroubem) přepraví stejné množství vody nahoru a ještě trochu energie zbude. Voda
v takovýchto mlýnech byla nazývána aqua morta (mrtvá voda), zřejmě právě proto,
že nevykazovala žádný pohyb. Dochovalo se nám velké množství ilustrací např. od
Francisca di Giorgia, Cornelia Drebbela nebo Roberta Fludda. Nejen suché mlýny se
objevily, svůj příspěvek v podobě magnetického PM zanechal i jezuitský kněz
Johanes Taisnierus (viz Typy PM).
Příspěvky Leonarda da Vinciho do problematiky PM
Do snahy vynalézt PM se zapojil i Leonardo da Vinci. Je jedním
z nejplodnějších vynálezců vůbec, a tak se nákresů PM, o které se zajímal celý život,
dochovalo od něj také mnoho. Pracují na různých principech – pokoušel se
zdokonalit suchý mlýn F. di Giorgia, Bhaskarovo nerovnovážné kolo, vynalezl kola
s komůrkami, v nichž se měly pohybovat hmotné kuličky a uvádět tak kolo do rotace.
Přes své celoživotní nadšení pro PM však učinil něco, co před ním nikdo neudělal –
fyzikálně vysvětlil nefungování jednoho PM, pracujícího na principu vynalezeném
Honnecourtem – pohyblivé páky na obvodu kola. Sám ze svého zjištění musel být
zklamán.
strana 6 z 32
V roce 1872 založil John Worrell Keely v New
Yorku společnost Keely Motor Company. Poté co
přesvědčil několik podnikatelů, aby ho finančně
podpořili (dohromady získal 5 mil. dolarů), vyvíjel se
svými společníky PM. Za 26 let existence společnosti
však neuvedli na trh ani jeden výrobek a slavnostní
představování nových vynálezů lze chápat spíše jako
kouzelnická vystoupení. Nebyl ale sám, kdo si takto
vydělával, lze najít zmínky o mnoha dalších, např.:
Charles Redheffer (1812), E.P. Willis (1870), Arnold
Burke (1977), J.M Aldrich (1899), Robert Stewart
Keelyho hydro-vakuový
motor
(1978), Dennis Lee (1988), Stanley Meyer (1996)
nebo Brian Collin (1998).
Jediným známým Čechem, který se výrazněji angažoval v problematice PM
byl (kromě Járy Cimrmana) F. Prachař. Roku 1922 vydal knihu „Jak jsem hledal a
nalezl perpetuum mobile“. V ní popisuje mnoho druhů PM, obzvlášť se zajímal o ty
na bázi permanentních magnetů, dokonce zdokonalil vynález Johanna Taisniera tak,
že ten se stal předchůdcem dnes velmi omílaného SMOTu (viz Typy PM). V jeho
knize lze najít i mnohé jiné jen upravené, ale tím mnohem schopnější vynálezy.
Je až neuvěřitelné kolik patentů bylo uděleno na PM a to nejen v minulosti.
Každoročně se objeví v seznamech patentů v USA, Francii a mnoha jiných zemích
stroje porušující fyzikální i jiné zákony. Jen v letech 1809 – 1865 bylo v Anglii uznáno
přes 100 unikátních PM. Proč tyto úžasné stroje nepoužíváme? Dokonce v nedávné
době podpořil jeden český kraj 300 tisíci korunami jistého vědce hlásajícího, že
vynalezl PM, ale potřebuje finance na jeho sestrojení.
strana 7 z 32
2 TYPY PERPETUUM MOBILE
Nečekal jsem, že tato kapitola bude tak obtížná. V jednotlivých pramenech se
totiž výrazně liší rozdělení PM. Někteří autoři zohledňují spíše podstatu, jiní fyzikální
a jiné principy chodu a další zase konstrukci PM. Nebylo by myslím seriózní rozebrat
jen jeden způsob dělení PM, a tak uvádím hned několik možných rozlišení. Popis
jednotlivých PM jsem zařadil do rozdělení podle jejich konstrukce, který je jakousi
kombinací všech způsobů dělení, ale i v tomto systému je zařazení některých
vynálezů nejednoznačné nebo sporné.
2.1 ROZDĚLENÍ PM PODLE PRÁCE S ENERGIÍ
A) Zařízení, kterému se nedodává žádná energie a které ani žádnou energii
neprodukuje, přesto je nějak zřejmý jeho pohyb. Jediným využitím by tedy bylo
ohromení pozorovatele. V jistém smyslu by takovýmto PM mohly být elementární
částice nebo naopak celý vesmír. Pokud by neexistovalo tření, byl by takovým
PM každý předmět uvedený do pohybu.
B) Zařízení, které bez dodání energie dokáže energii „vyrábět“ nebo zařízení,
kterému se dodává energie, ale samo jí vyprodukuje ještě více. Toto jsou
pochopitelně ty nejhledanější typy PM.
C) Zařízení, které dokáže využívat „volnou energii“, která je všude kolem nás,
v celém vesmíru a podle některých hlavně ve vakuu.
2.2 ROZDĚLENÍ PM PODLE TERMODYNAMICKÝCH ZÁKONŮ
PM můžeme rozdělit také podle toho, který termodynamický zákon porušují,
nebo se kterým nepočítají. Pojem teplo se zdá být poněkud nepatřičný a nelogický
(např. u magnetických či hydraulických PM je hůře pochopitelná představa tepla) , a
tak by mohl být ze současného pohledu nahrazen výrazem vnitřní energie. Známe
celkem 4 termodynamické zákony, ale prakticky žádné PM se nepokoušelo fungovat
strana 8 z 32
díky domnělé neexistenci nultého nebo třetího termodynamického zákona, a tak se
lze zaměřit jen na porušovače prvního a druhého:
A) PERPETUUM MOBILE NULTÉHO DRUHU
Podle nultého termodynamického zákona (který často není chápán ani jako
zákon) platí, že „když těleso A má stejnou teplotu jako těleso B a těleso B má
stejnou teplotu jako těleso C, tak i tělesa A a C mají stejnou teplotu“. Není ani tak
divné, že se nikdo nepokoušel svým PM vyvrátit toto nanejvýš logické pravidlo.
B) PERPETUUM MOBILE PRVNÍHO DRUHU
První termodynamický zákon zní: „Změna vnitřní energie soustavy ∆U se
rovná součtu práce W vykonané okolními tělesy působícími na soustavu silami a
tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě“:
DU = W + Q
Ve svém principu je první věta termodynamická zákonem zachování energie.
O porušení tohoto zákona se pokoušelo mnoho vynálezců, a tak je PM prvního
druhu nejčastějším věčným strojem.
V souvislosti s prvním termodynamickým zákonem zavádíme stavovou
veličinu nazývanou entalpie H. Její změny při izobarických dějích se projevují jako
teplo provázející tyto děje. Lze ji definovat jako množství energie, kterou obsahuje
určité množství látky.
H = U + p.V
[J]
Pro izobarický děj platí, že teplo dodávané soustavě za stálého tlaku se
spotřebuje na zvýšení vnitřní energie soustavy a vykonání objemové práce a je
rovno změně entalpie soustavy. Pro izochorický pak lze odvodit: „Teplo dodávané
soustavě za stálého objemu je rovno změně vnitřní energie soustavy.“
C) PERPETUUM MOBILE DRUHÉHO DRUHU
Druhý termodynamický zákon řeší přímo problematiku PM: „Není možné
sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by jen přijímal teplo od určitého
tělesa (ohřívače) a vykonával stejně velkou práci“. Tedy stroj přeměňující teplo na
práci vždy musí část přijatého tepla odevzdat chladiči. Neexistuje tedy stroj se
strana 9 z 32
100% účinností. Druhá termodynamická věta se dá v důsledku vyložit i takto: „Při
tepelné výměně těleso o vyšší teplotě nemůže samovolně přijímat teplo od tělesa
o nižší teplotě“.
Podle 2. termodynamického zákona navíc platí, že soustava, která se dostala
z jednoho stavu do druhého, se nemůže do toho prvního samovolně vrátit,
protože
by
se
tím
pravděpodobnost
jejího
stavu
snižovala.
Měřítkem
pravděpodobnosti stavu soustavy je veličina, kterou nazýváme entropie S. Pro
vratné děje je určována teplem, které nelze přeměnit v práci:
dS ∫
dQ
T
[ J .K-1 ]
,kde součin dS.T je změna vnitřní energie při malé změně tepla dQ.
Pro nevratné děje se mění v nerovnost:
dS >
dQ
T
Při dQ konstantním je dS tím větší, čím menší je T a naopak. Výraz dS tedy
kvantitativně definuje tzv. degradaci (degeneraci) tepelné energie: čím je dané
množství tepelné energie na nižší teplotní hladině, tím je teplo degradovanější, tj.
je méně účinně přeměňováno na práci, a naopak.
Z definice entropie vyplývá, že v izolované soustavě (dQ) mohou probíhat jen
takové procesy, při kterých je entropie konstantní (děje vratné) nebo roste (děje
nevratné). Protože reálné děje jsou vždy nevratné, vždy entropie roste. Entropie
se tak stává zásadním kritériem pro směr. Podmínka termodynamické rovnováhy
v izolované soustavě je tedy maximální entropie.
Entropie je mírou neuspořádanosti systému (je úměrná logaritmu počtu
realizací daného stavu). Při vratných dějích se hodnota entropie nemění, ale
s takovými ději se v přírodě nesetkáme (vratnost procesu je vždy doprovázena i
jinými změnami kvůli neinerciálnosti soustavy, vratné děje probíhají nekonečně
dlouhou dobu) – v praxi tedy probíhají jen nevratné děje a při nich hodnota
entropie roste. Izolované systémy samovolně směřují k většímu chaosu. Pro
neizolované systémy tvrzení neplatí, například pro živé organismy čerpající
energii
z okolí
dochází
k opačnému
procesu,
samoorganizaci.
Všechny
samovolné děje probíhají ve směru růstu entropie až po dosažení maximální
strana 10 z 32
hodnoty – ustavení termodynamické rovnováhy, která je nejpravděpodobnějším
stavem soustavy. Entropie tak vlastně vystihuje neustálou degradaci veškeré
energie
v
energii
tepelnou
(vnitřní).
Závažným
důsledkem
druhé
věty
termodynamické je nevratnost fyzikálních procesů na makroskopické úrovni
(rozbitý hrnek se už nikdy sám nesloží dohromady).
PM využívajících entropie se hlavně v poslední době urodilo mnoho, jejich
pochopení není tak snadnou záležitostí a na prokázání nefunkčnosti se často
musejí scházet celé vědecké týmy. Sami vynálezci si tak aspoň chvíli mohou
vychutnávat pocit, že vynašli něco převratného. Bohužel ani tyto stroje nefungují.
S tímto tématem souvisí i Carnotův princip určující horní hranici účinnosti
tepelných motorů:
h £ hmax =
T1 – T2
T1
,kde T1 je teplota páry nebo plynů vzniklých spalováním paliva a T2 je teplota
vycházející páry nebo výfukových plynů. Účinnost je tím vyšší, čím vyšší je
teplota ohřívače a čím nižší je teplota chladiče. Ze vztahu je zřejmé, že
k dosažení 100% účinnosti, by vycházející látka musela mít teplotu 0 K a nesmělo
by docházet k žádným jiným ztrátám. Třetí termodynamický zákon tvrdí, že
teploty 0 K se vlastně nedá dosáhnout, a tak i proto nemůže tepelný stroj se
100% účinností existovat.
teplota
(K)
výbuch
stlačení
expanze
výfuk
0
entropie
Závislost entropie na teplotě v Carnotově cyklu
pro ideální tepelný stroj
PM druhého druhu ve své podstatě neporušují zákon zachování energie.
Dokonce je možné je v principu zkonstruovat, ale budou fungovat jen po
omezenou dobu nebo ne cyklicky. Nejčastějším modelem je stroj odebírající teplo
strana 11 z 32
z oceánu (např. loď), energii by měl využívat 100%, protože ztráty by se
přeměňovaly opět na teplo a vracely se do oceánu a také třeba potřebou zastavit
loď u břehu by se energie nutná na zastavení opět přeměnila na teplo a byla zpět
ve vodě. Pokusy však ukazují, že takový stroj také nemůže fungovat dlouho,
ztráty se totiž nepřeměňují jen na teplo ve vodě, ale jistý odpor vykazuje i vzduch
a neinerciálně hospodaří s energií i turbulence vody a nečistoty. Ani tak široce
vymezená soustava, jakou je oceán, není inerciální. Stoprocentní účinnosti se
tedy ani takto nedosáhne. (viz PM a reverzní osmóza a Magnetické PM v Typech
PM)
Další úvahou jsou mechanismy, kde by studenější těleso spontánně předávalo
teplo teplejšímu objektu. Je vždy možné snížit entropii části tělesa nebo systému
(např. snížit teplotu), ale na její snížení je vždy třeba přesun nějaké energie. Ve
zbytku soustavy se entropie zvýší (např. se zvýší teplota) a navíc vykonaná práce
přispěje také ke zvýšení, a tak se celková entropie stejně zvýší. Lednička
fungující bez přísunu energie by se jistě líbila každému.
James Clerk Maxwell si pro vyhnutí se tomuto zákonu vymyslel v roce 1871
Maxwellova démona. Mělo to být mikroskopické stvoření schopné hýbat
molekulami. Tento démon by měl být podle něj schopen otevírat vrátka částicím
tak, aby mohly procházet z místa nižšího tlaku do většího. Získaný rozdíl tlaků by
se pak použil na pohon třeba pístu. Jak chtěl Maxwell svého démona přimět k této
činnosti se nikde nepíše.
D) PERPETUUM MOBILE TŘETÍHO DRUHU
Třetí termodynamický zákon nám říká: „Není možné konečným počtem dějů
ochladit látku na teplotu 0 K.“ Neumím si představit logicky konstruované PM,
které by mělo porušovat tento zákon. Dosažení absolutní nuly konečným počtem
dějů by umožnilo sestrojit tepelný stroj pracující se 100% účinností – PM druhého
druhu (pokud by nedocházelo ještě k dalším ztrátám).
strana 12 z 32
2.3 ROZDĚLENÍ PM PODLE PRINCIPŮ
Dalším možným rozdělením je mírně nefyzikální, ale z laického pohledu logické a
přehledné, rozlišení PM podle mechanismů, konstrukcí a principů, které jim umožňují
zůstávat v pohybu, nebo předávat „vyrobenou“ energii okolí:
A) MECHANICKÁ NEROVNOVÁŽNÁ KOLA A PÁSY
Do této skupiny patří i již zmíněný vynález Inda
Bhaskary
a
pozdější
napodobenina
Villarda
de
Honnecourta. Nápadů, jak nějakým mechanismem učinit
vždy jednu stranu pásu nebo kola těžší se v historii
urodilo mnoho. Bhaskara umístil na okraje kotouče
podlouhlé nádoby se rtutí a tím, jak se kapalina
pohybovala podle polohy kola, tak na jednu stranu vždy
měla působit větší páka. Vypadá to celkem rozumně, ale
Schéma Bhaskarova
nerovnovážného kola
bohužel se hmotnost rtuti vždy rozloží tak, že je kolo
v rovnováze, a tak nic nenutí kotouč k rotaci.
Několik návrhů k tomuto tématu vytvořil i Leonardo da
Vinci. Jeho ilustrace jsou vyobrazeny v kapitole Historie
PM.
Nejvýhodnější
princip
PM
nacházel
v kole
s komůrkami, v nichž se měly pohybovat kuličky a uvádět
tak soustavu do neustálé nerovnováhy. Další jeho ideou
bylo kolo, které mělo po obvodu kyvadélka přesouvající
Nerovnovážné kolo
využívající kuliček
s rotací kola i jeho těžiště. Bohužel ani takový génius
jakým byl da Vinci ale nedokázal vynalézt opravdové PM.
Buben s komůrkami a kuličkami, který asi jako první
namaloval
da
Vinci,
se
objevil
ještě
několikrát.
Nejjednodušší model je vyobrazen na ilustraci. Konkrétně
tuto konstrukci vymyslel Edward Somerset, markýz
z Worcesteru, v roce 1655. Kuličky se podle pozice kola
přesouvají ke středu či k obvodu, na jedné straně by tak
měla působit větší síla. Nefunkčnost tohoto konceptu
podtrhuje i na první pohled neurčitelný směr žádaného
Schéma Honnecourtova
strana 13 z 32
otáčení bubnu. Kuličky se vždy rozloží tak, že bude
kolo opět v neoblíbené rovnováze.
Nerovnovážné
kolo,
na
jehož
obvodu
jsou
upevněna kyvadélka, která se na vrcholu své
trajektorie přehoupnou, aby zapůsobila na jednu
stranu větší pákou, je značně podobné nápadu
Bhaskary. Jako první ho vynalezl Honnecourt, ale
vynález byl pak ještě mnohokrát patentován, vymyslel
jej i Leonardo da Vinci (viz Historie PM). Tento typ PM
je z pro mě neznámého důvodu nazýván arabské kolo
Takto vypadá systém
s vícekloubovými kyvadélky
nebo také indické PM. Později se objevily i jeho
složitější varianty s vícekloubovými kyvadélky či
s mechanismy předávajícími závaží z jedné strany na
druhou, jako to vymyslel George Linton v roce 1821
(viz ilustrace). Ani nakloněné roviny transportující
kuličky na stranu kola, kde se kyvadélka napřimují,
neušetří žádnou práci. Po krátkém prohlédnutí si
schématu je vždy jasné, že tento princip nemůže
fungovat, protože na levé straně je pořád větší počet
kyvadélek (na první ilustraci tohoto typu působí větší
pákou jen 3 kyvadélka a na druhé straně je jich hned
Jednoduchý mechanismus by měl
vracet závaží na druhou stranu
7 třeba vytáhnout nahoru), a tak se síly působící na
jednotlivé strany vyrovnají tak jako tak.
Princip neustálého zatěžování jedné strany kola
větší silou byl dotažen trochu dále u konceptu
skotského astronoma Jamese Fergusona. Z obrázku
není hned poznat zamýšlený princip, ale jedná se
pouze
o
kyvadélka
jaká
známe
z předchozích
příkladů, která jsou propojena se závažími (jakýmsi
pístem ve válci) vždy na protější straně kola. Tím by
se měla kyvadélka napřimovat jen při sestupné fázi a
působit tak větší pákou na pravé straně. Šedé
Fergusonův koncept
zahnuté výstupky vedle kyvadélek jsou pouze kladky, po kterých je vedeno
spojení kyvadélek s pístky. I v tomto případě narazíme na to, že závaží se
strana 14 z 32
rozmístní tak, že se kolo zastaví v rovnovážné
poloze. Hledání mezer ve fyzikálních zákonech
zjevně nejde ani jednoduchou ani složitější cestou.
Trochu jinou cestou šel i pařížský inženýr Pierre
Richard,
když
v roce
1858
patentoval
svoje
nerovnovážné kolo. Tento vynález působí hodně
naivním dojmem a při pohledu na něj pozorovateli
rychle dojde, že nemůže fungovat. Mohlo by se
zdát, že když je na pravé straně (tedy po obvodu
PM Francouze Richarda
kola) více článků „řetězu“ mohlo by se kolo točit, ale
po obvodu nepůsobí závaží přímo dolů, nýbrž ve
směru tečny ke kolu v daném místě, a tak se síly
bez problémů opět vyrovnají.
Další způsob, jak navždy roztočit kolo, vynašel
britský mechanik John Haywood v roce 1790.
K udržení rotace je pro změnu využito pružin. Těžko
popsatelná konstrukce je patrná z obrázku – díky
upevnění na rameno vykonává jakýsi „pavouk“
kruhový pohyb aniž by rotoval, a tak každá jeho
noha
vykonává
tentýž
pohyb
v kruhových
komůrkách po obvodu. V těchto drahách jsou
Vynález Johna Haywooda
naproti sobě umístěny dvě listové pružiny, které by
měly vždy po 180° posunout svoji nohu pavouka.
Díky fázovému posunu jednotlivých noh by se kolo
mělo soustavně pohybovat.
Na
zcela
jiném
principu
funguje
„prakový
urychlovač“, jehož zařazení do této skupiny není
jednoznačné.
Na
obrázku
je
princip
snáze
pochopitelný – hmotný objekt upevněný na lanku se
po uvedení do pohybu omotává kolem osy, opisuje
tedy spirálovitou křivku AB a zkracováním délky
volného lanka se zvyšuje jeho rychlost. Když
„Prakový urychlovač“- pohled
shora
dospěje do polohy B, určitý mechanismus pootočí osu o 360°, a tak se objekt
znovu dostane do bodu A. Vynálezce však počítal s tím, že si objekt při této
strana 15 z 32
změně udrží svoji rychlost a bude tedy stále zrychlovat nebo předávat svou
energii přes osu.
Mezi nerovnovážnými pásy byl jeden z prvních
anonymní „objev“, kterým se zabýval a později vysvětlil
jeho nefunkčnost matematik a inženýr Simon Stevin. Ten
si dlouho lámal hlavu s tím, proč se netočí pás (řetěz
tvořený koulemi na provázku) obtočený kolem objektu
tvořeného dvěmi různými nakloněnými rovinami. Dnes
nám připadá toto PM celkem jednoduché a beznadějné,
PM, kterým se zabýval
Simon Stevin
ale v letech 1548 – 1620, kdy pan Stevin žil, nefunkčnost
tohoto stroje jako samozřejmost brána nebyla. Autor přikládal nehybnost stroje
jenom „zpropadenému“ tření. Simon Stevin, ale přišel na pravý důvod proč se pás
netočí. Dokázal totiž, že je v rovnovážné poloze a nic jej tedy nenutí k pohybu. Ze
svých poznatků sestavil důležitý princip k analýze strojů – „princip virtuální práce“,
který je dodnes k nalezení v učebnicích strojních inženýrů. Zjednodušeně z něj
vyplývá, že kolo, pás či jiné zařízení se nebude samovolně otáčet, nebo jinak
pohybovat pokud se tím nezmění (nesníží) energetický stav soustavy. Princip
virtuální práce jednoduše vyvrací mnoho na první pohled nadějných PM.
B) MAGNETICKÉ A GRAVITAČNÍ MOTORY
PM využívajících magnetismu se urodilo poměrně mnoho. Schopnost
permanentních magnetů působit na předměty z některých kovů byla vždy pro
vynálezce PM trochu tajemná a i dnes je pro ně atraktivní. Na pomoc přicházejí i
materiály schopné celkem účinně zastínit magnetické působení. Svojí konstrukcí
většinou magnetické PM odpovídají nerovnovážným kolům či pásům, ale jejich
počet a originalita jim vysloužily samostatnou skupinu.
Gravitace využívá skoro každé PM, ale pod pojmem gravitační motor si
představme stroj využívající gravitaci jako by to byla magnetická síla nebo nějak
jinak misinterpretující gravitační působení. To nezní ani tak divně, ale gravitace se
nedá nijak zastínit – i přes jakoukoliv překážku stále působí. A právě na možnost
zastínit gravitaci spoléhal zhruba tak 100 let starý vynález. Bez gravitace na jedné
straně by přece jedna polovina disku byla pořád těžší. Avšak ani existence
gravitačního štítu (byl vynalézán badateli tak dlouho, až se pro něj ustálilo i vlastní
pojmenování – cavorit) by tomuto stroji neumožnila pohyb – když si představíme
strana 16 z 32
železný kotouč a na jedné straně pod ním magnet,
také by se to netočilo. Rotací kotouče se totiž nic
nezmění, soustava bude stále ve stejném stavu (viz
princip virtuální práce).
Bez přesné znalosti Gaussových a Stokesových
zákonů operujících s vektory není možné exaktně
vysvětlit nefunkčnost některých vynálezů, ale přesto
často postačí i samotný princip virtuální práce.
První návrh PM pracujícího na bázi stálých
magnetů přinesl Pierre de Maricourt už v roce 1269
ve své knize „Epistola de Magnete“, ve které se
Gravitační motor
s gravitačním štítem (černý
obdélník = cavorit)
zabýval hlavně obecnými vlastnostmi magnetů. Jako první rozlišil a pojmenoval
jižní a severní pól magnetu. Magnety měly tehdy nepoměrně horší kvalitu a sílu,
ale i dnes je velký rozdíl mezi jednotlivými druhy permanentních magnetů.
Nejznámější a nejrozšířenější klasické magnety (Fe2O3) jsou již dnes překonány
magnety tvořenými hliníkem, niklem a kobaltem nebo neodymem, železem a
borem, kterým například stačí jen 1,6kg hmotnosti na vyvinutí síly 10 000N.
(Klasický magnet by musel vážit tunu, aby působil takovou silou. V případě 60
gramového magnetu by ten klasický unesl jen 1,5kg závaží, kdežto moderní až
40kg.)
Asi nejznámější typ magnetického PM je na
ilustraci vpravo. Tvoří ho několik tyčových magnetů
sestavených do kruhu tak, aby směřovaly ke středu
stejným pólem, a ve středu umístěný částečně
zastíněný magnet, působící tak jen skrz dva otvory
u svých konců. Tyto dva díly se mohou vůči sobě
otáčet. Středový magnet by měl vyvíjet rotaci, neboť
jedna jeho strana přitahuje magnety na obvodu a
druhá je odpuzuje. Snadným zdokonalením a
zdvojnásobením síly stroje je postavení obvodových
Jednoduché magnetické PM
magnetů „na výšku“, středový magnet přesunout k jedné straně vzniknuvšího
válce a na opačný konec pak dát ještě jeden středový magnet, ale s opačnou
orientací. Celý stroj se dá ještě výrazně zjednodušit použitím podkovovitých
magnetů na „rotor“ a dutého válcovitého magnetu na „stator“. Ani tento princip ale
strana 17 z 32
nezaručí, aby bylo kolo nuceno se otáčet, stejně jako v předchozích případech se
totiž po otočení nezmění stav soustavy.
Trochu jiného principu využívá další koncept: ve středu je umístěn tyčový
magnet, po obvodu jsou radiálně umístěné komůrky, ve kterých se mohou
posouvat další magnety. Tím jak se postupně po
obvodu magnety odpuzují či přitahují od středového
a posouvají se tak ve svých komůrkách, zajistí se
nerovnováha kola. Na první pohled se zdá, že by
tento vynález mohl fungovat, ale středový magnet
bohužel nepůsobí jen jako posunovatel těžiště, ale i
jako brzda, neboť žádný obvodový magnet se mu
nechce přiblížit, když jej odpuzuje, a naopak se ho
žádný nechce pustit, když se přitahují. A tak se
silové působení přece jen vyrovná.
Roku 1562 popsal jezuita Johannes Taisnierus
Nerovnovážné magnetické kolo
další magnetické PM. Mělo spočívat v magnetu
otáčejícím se ve středu kola, na jehož obvodu byly
za sebou umístěny malé nakloněné roviny, tvořící
nakonec jakýsi negativ ozubeného kola. Jakmile se
konec magnetu přiblíží k obvodu, chce dosáhnout
vždy konce nakloněné roviny, a tak nabere rychlost,
která jej následně přenese k dalšímu „zubu“. Tím by
se měl magnet jako rotor udržovat v pohybu. Je
zřejmé, že se Taisnierus nechal výrazně inspirovat
vynálezem již zmíněného průkopníka magnetismu
První magnetické PM (1269)
Maricourta, jehož ilustrace je vyobrazena vpravo.
Taisnierus se ale nezapsal do historie PM jen
plagiátorstvím, neboť jako první vymyslel princip
magnetického PM, kterému se dnes říká SMOT
(simple magnetic overunity toy). Jeho konstrukce je
vidět na ilustraci. Zajímavé je, že tento vynález ani
neporušuje
zákon
zachování
energie
(1.
termodynamický), ale je v rozporu jen s druhým
Taisnierův předchůdce SMOTu
strana 18 z 32
termodynamickým. Už od prvního popsání této myšlenky se o ní
zajímalo mnoho vynálezců, a tak se stále zdokonalovala
konstrukce a vzniklo mnoho variací.
Prvním,
kdo
se
zabýval
Taisnierovým
vynálezem,
byl
spoluzakladatel anglické Royal Society biskup John Wilkins
(1614-1672). Ve své knize pospal tento objev, ale byl skeptický a
chtěl dokázat, že tento stroj nemůže pracovat. Fakta, na kterých
jeho teorie nefunkčnosti bazírovala, byla ale špatná a jako důkaz
nejsou uznávána. Další muž, který zasáhl do vývoje tohoto stroje,
byl Čech F. Prachař (viz Historie PM). Ve své knize, kterou vydal
Prachařův
předchůdce
SMOTu
roku 1922 na vlastní náklady v Praze, popsal
poměrně
pokročilou
myšlenku
vylepšení
Taisnierova vynálezu. Jeho změna konstrukce je
přímým předobrazem dnešního SMOTU. Prachař
umístil na nakloněnou rovinu dvě řady šikmo
položených tyčových magnetů, mezi nimiž vznikla
dráha
pro
železnou
kuličku.
Ta
by
měla
Schéma dnešního SMOTu a
dole fotografie funkčního
exempláře od J.-L. Naudina
působením magnetů vyjet nahoru. Konečně pak
roku 1997 Greg Watson dal vynálezu dnešní
podobu a název SMOT. Nejnovější verze SMOTu
využívá k urychlení kuličky silné magnety svírající
na
nakloněné
rovině
podélně
malý
úhel.
K hornímu konci nakloněné roviny jsou u sebe
blíže než dole, to nutí kuličku jet až nahoru.
Dosaženou rychlostí ale snadno přejede místo, kde
končí magnety a spadne z konce nakloněné roviny
zpět dolů, kde může být ale umístěna další taková
soustava a kulička tak může jet prakticky nekonečně
daleko. Tak by se alespoň podle vědců, kteří se
SMOTem zabývali, měla kulička pohybovat. Dosud
se však nikomu nepodařilo utvořit ze SMOTů kruh,
či nějak jinak přimět kuličku k cyklickému pohybu.
Ani princip na další ilustraci neřeší problém
Nefunkční variace na SMOT
strana 19 z 32
permanentního pohybu. Zdálo by se, že když kulička spadne z rampy dolů, bude
na ni stále působit síla magnetů, které jsou nahoře, víc, než magnetů, které jsou
na druhé nakloněné rovině. Podle odborníků však lze tento problém snadno
odstranit zastíněním magnetů vhodným materiálem. Teď by si člověk rád řekl: „jak
je to možné, když PM nemůže existovat“. Přestože se chování SMOTu tváří
převratně, nejedná se stále o PM. Jak již bylo řečeno, nelze uskutečnit cyklus na
tomto principu, a ten je podmínkou k hodnocení stroje jako PM. Zdá se přesto
neuvěřitelné, že tento vynález funguje. Pro zmírnění nadšení si lze však
představit určitou obdobu tohoto mechanismu. SMOT totiž s kuličkou provede
prakticky totéž, co samotný magnet na rovině. Pokud bychom chtěli přemístit onu
kuličku pomocí magnetické síly na nějaké místo, mělo by být použití SMOTu
ekvivalentní k použití pouhého jednoho silného magnetu. Kdybychom zanedbali
veškerý odpor nakloněných rovin i ostatních vlivů, tak by se síla onoho jednoho
velkého magnetu měla rovnat součtu sil všech magnetů použitých na všechny
SMOTy v soustavě. Při neustálém pohybu kuličky se může zdát paradoxní, že
kulička má stále stejnou energii. Na začátku má potenciální energii vůči
magnetickému poli magnetů na nakloněné rovině. Postupně, jak zrychluje,
získává energii kinetickou a po pádu má opět jen potenciální z dalšího
magnetického pole. Jediným skutečným PM dosažitelným tímto mechanismem by
bylo, jak se zatím zdá, postavení řady SMOTů kolem celé zeměkoule, ale
zrealizovat tak dlouhou řadu bez patrného tření není možné.
C) VZTLAKOVÉ MOTORY
Jak název napovídá, tento oddíl PM využívá vztlakového působení tekutin.
Často se velmi podobají nerovnovážným kolům nebo pásům, ale pro jejich
neobvyklý princip jsem si je dovolil zařadit do samostatné kategorie.
Nejjednodušší úvahy jsou vidět na ilustracích. Na první pohled je zřejmé, že
nepřekonatelným problémem je vždy vyřešení udržení putujících těles v oběhu. I
kdyby vztlaková síla udělila lehkému tělesu takovou rychlost, aby „vyskočilo“ nad
jednu hladinu a vedlejší (volnou) komorou dosáhlo druhé hladiny, tak mu
vztlaková síla, která by musela být zákonitě intenzivnější než v první části (aby se
utvořil rozdíl hladin, je třeba v jedné části mít tekutinu o vyšší hustotě), nedovolí
potopit se tak, aby se přemístilo zpět do první (plné) komory. Zdá se, že autor
vynálezu na první ilustraci (vlevo) chtěl rozdíl hladin vyřešit jinak – z nákresu se
strana 20 z 32
dá vyčíst, že tlak v komorách je vyrovnán
pomocí jakýchsi blan, těžko si lze však představit
těleso prostupující blánou, kterou neprojde
tekutina.
PM
na
druhém
obrázku
vypadá
realizovatelněji, ale bohužel i zde jsou fyzikální
zákony neúprosné. Kuličky jsou příliš husté na
to, aby stoupaly k hladině v levé komoře se
světlejší kapalinou. Stačí si jen uvědomit, že
tmavší kapalina má zhruba 8krát větší hustotu
než světlá kapalina (podle rozdílu hladin).
Příklady PM využívajících
vztlakové síly
Kulička musí mít podle obrázku hustotu rovnou
polovině hustoty tmavší kapaliny (zhruba polovina kuliček napravo je ponořená
pod hladinou; hustotu kuliček můžeme určit jako by všechny kuličky vpravo byly
jedno těleso). Kulička má tedy 4krát větší hustotu než světlá kapalina v levé
komoře, a tudíž nemůže stoupat k její hladině a cyklus se neuzavře.
Mírně podobného principu využívá i
další koncept PM. Jeho konstrukce je
však ještě pochybnější než u předchozí
myšlenky. V trubici tvaru písmene J je
kapalina. Skrz trubici a přes kladku je
nataženo lehké, ale objemné lano. Na
nižším
konci
trubice
je
okolí
lana
utěsněno tak, aby kapalina neutíkala, ale
přesto aby se lano pohybovalo bez tření.
Vztlak působící jen na jednu půlku lana by
měl zajistit, že se bude lano pohybovat.
Myšlenku lze velmi jednoduše vyvrátit
principem virtuální práce Simona Stevina.
Hned je každému jasné, že i po vyřešení
Další vztlakové PM
bezeztrátového utěsnění nebude tento stroj pracovat. Přesto se objevilo mnoho
modifikací – trubice byla krátká a působila tak jen na jednu stranu, nebo bylo lano
nahrazeno pásem s lehkými tělesy na obvodu, jak je vidět na dalším obrázku
zachycujícím vynález Belgičana Guillaumea z roku 1928.
strana 21 z 32
Často vznikaly tyto PM z nepochopení Archimédova zákona. V některých
z předchozích typů PM, by ani žádná vztlaková síla nepůsobila, neboť k tomu je
třeba, aby se kapalina dotýkala ponořeného tělesa seshora i zespoda. Pokud
tomu tak není, nemůže se vytvořit kýžený rozdíl tlakového působení, který právě
způsobuje vztlak. V případě lana nataženého svisle skrz utěsněnou nádobku
s kapalinou bude tlak vody působit jen v horizontálním směru, a tak nic nebude
nutit lano k pohybu.
Nesouměrné působení vztlakových sil inspirovalo
mnoho vynálezců, a tak existuje i koncept disku, který
je svojí jednou polovinou ponořen do dokonale
utěsněné lázně s kapalinou, a tak by na tu jednu
polovinu měla působit vztlaková síla a roztáčet tak disk.
Variantou bylo i nahrazení disku prstencem. Stejně jak
u předchozích typů PM, tak i zde nemůže tlak vody
působit jako vztlak a roztáčet kolo, tlaková síla bude
„Vztlakový disk“
vždy působit jen ve směru normál k disku, nebo i ve
směru opačném v případě prstence.
Velmi logicky a nadějně se tváří vynález, se kterým
asi jako první přišel jistý Angličan roku 1857. Je tvořen
pásem umístěným pod hladinou kapaliny. Na obvodu je
umístěn
sudý
počet
válcovitých
polootevřených
komůrek. Každá komůrka je propojena s další na
protější straně. V každé komůrce je pohyblivý píst. Písty,
které visí směrem dolů vysají plyn z komůrek na protější
straně, na které navíc působí váha vlastních pístů, a tak
na jedné straně vzniká větší vztlak a pás by se tedy měl
dát do pohybu. S přesunem plynu v komůrkách a
pohybem vody okolo pásu ale souvisí určitá práce a
právě ta stroj zastaví. Aby se přemístil plyn z jedné
„Vztlakový pás“
komůrky do druhé, musí se přesunout i stejné množství
kapaliny o stejnou vzdálenost. Zrodila se i velmi podobná varianta, která ale
nahrazuje kapalinu vzduchem a plyn v komůrkách kapalinou. Místo většího
vztlaku pak na jednu stranu působí větší tíhová síla.
strana 22 z 32
Velice odvážný byl vynález publikovaný
roku 1831 v jednom anglickém vědeckém
časopise. Jedná se o jakýsi dutý prstenec
naplněný
zčásti
mechanismem
kapalinou
je
v jedné
a
jistým
polovině
zaplaveného prostoru drženo pod hladinou
Utopická idea dalšího
vztlakového PM
těleso lehčí než kapalina. „Tím je na jedné
straně větší hmotnost a kolo se přece musí točit!“ říkal si zřejmě optimistický
autor. Nefunkčnost je opět zřejmá, nic nenutí prstenec k rotaci. Objevila se i
varianta nahrazující dutý prstenec pružnou hadicí zavěšenou na kladce.
Kompromisem mezi nerovnovážným kolem a
vztlakovým motorem je vynález z poloviny 19. století.
Je znázorněn na obrázcích vpravo. Je složen
z válcovité nádoby naplněné kapalinou. Po obvodu
nádoby jsou otvory, v nichž mohou volně bez tření
klouzat tyče, které mají na každém konci objemnou
kuličku; ta vně nádoby má velkou hmotnost, druhá
vnitřní má nízkou hmotnost. Vztlak kapaliny má
v jedné fázi překonat hmotnost vnějšího závaží a
vysunout tyč a nechat ji tak působit na soustavu větší
pákou. V další fázi se tyč opět zasune. Z boku vypadá
poloha tyče v jednotlivých fázích tak, jak je zachycena
na první ilustraci. Konstruktér počítal s tím, že právě
K popisu vztlakového PM
rozdíl momentů při pohybu dolu a nahoru udrží stroj
v pohybu. Důležitým poznatkem k pochopení nefunkčnosti tohoto stroje je fakt
vyplývající z Archimédova zákona – aby v tomto případě kapalina vytlačila těleso
o nějaké hmotnosti musí se přesunout stejná hmotnost vody na místo, kde
původně bylo ono těleso. Navenek se nádoba tváří homogenně, ale právě
přemisťování vody zajistí, že těžiště samotné nádoby není stále uprostřed. Ve
spojení s pohybem vnější kuličky se těžiště celé soustavy ustálí opět ve středu a
nic nebude nutit nádobu k rotaci.
strana 23 z 32
Podobně má fungovat i vynález nazvaný ICW generátor. Vynašel jej Phineas
Mason v roce 2002 (!). Jeho pochopení není tak rychlé, ale stojí za pozornost. Při
popisu vycházím přímo z obrázku vpravo. V objektu tvaru písmene Z naplněném
kapalinou se mohou pohybovat dva člunky (C1, C2) lehčí než voda. Každý ale jen
ve své polovině – to vymezují zarážky (A, B). V obou čluncích
je otvor, do kterého zapadá kulička (1, 2) těžší než voda. Celý
objekt se může otáčet kolem své osy. V úvodní pozici, která je
na ilustraci, je soustava v nerovnováze, a tak se začne točit po
směru hodinových ručiček. Když se převrátí, do člunku C1
zapadne kulička 1 a ten se pak (je nutné nějakým
mechanismem předejít předčasnému odplutí člunku) pohybuje
nahoru (ke středu). Člunek C2 se převrácením soustavy dostal
nahoru a opouští jej kulička 2. Tím se soustava vlastně
dostala do původní polohy a celý cyklus se může opakovat.
Škoda, že pro tento vynález platí stejná chyba jako pro
předchozí PM. Hmotnost vody, která se přesouvá kvůli
ICW generátor
stoupajícímu tělesu stále vyrovnává těžiště.
D) KAPILÁRNÍ KOLA A ŘEMENY
Několik
vynálezců
se
pokoušelo
vyvinout PM využívající kapilárního jevu.
Autoři většinou spoléhali na to, že
kapalina bude vytékat z horního konce
kapiláry nebo bočním otvorem a cestou
dolů pohánět vodní kolo, jak je vidět na Nejjednodušší a
nejnaivnější
obrázku. Ale smáčivá kapalina se chová
kapilární PM
v kapiláře vždy podle další ilustrace
Chování smáčivé
kapaliny v kapiláře
vpravo, a tak voda z kapiláry nikdy nevytéká.
Další
idea
kapilárního
PM
už
byla
promyšlenější. Jedná se o dva pásy umístěné
těsně vedle sebe tak, že škvírka mezi nimi má
vlastnosti
kapiláry.
Touha
kapaliny
stoupat
Schéma
ideálního
kapilárního
PM
Nezidealizované
schéma
kapilárního jevu
strana 24 z 32
kapilárou pak začne pásy pohybovat. Celý mechanismus je vidět na ilustraci
vpravo.
Bohužel i zde došlo ke zjednodušení fyzikální podstaty kapilárního jevu. Ani
v mnohých učebnicích se neobjevuje zcela přesné popsání kapilárního efektu. Ve
skutečnosti se objem vody vystoupivší do kapiláry rovná objemu vody, která
vzlíná na bocích kapiláry, jak je vidět na dalším obrázku. Tento jev se dá pochopit
tak, že kapalina podle vlastností povrchu různě intenzivně vzlíná a vždy má
vzedmutá část kapaliny stejný objem – závislý na délce styčné plochy a
vlastnostech povrchu a kapaliny. Pokud pak kapalina nemá dostatek prostoru na
utvoření plynulého přechodu viditelného na okrajích volné hladiny (u vody je to
známý jeden milimetr potřebný na nejširší skleněnou
kapiláru), tak vystoupá v omezeném prostoru tak vysoko,
aby zabírala stejný objem jako při vzlínání na volné hladině.
Tento fakt vysvětluje nefunkčnost PM z předchozího
obrázku, neboť výsledná síla působící v kapiláře a na
ostatních místech styku pásu s kapalinou je nulová.
Dalším zdokonalením pásového kapilárního PM bylo
použití jiných materiálů na každou stranu pásu, tak aby na
jednom povrchu kapalina smáčela a na druhém ne. Opět se
však silové působení vyrovná (viz ilustrace vpravo).
Do této kategorie patří i velmi podobný vynález –
Schéma kapilárního
pásového PM, kde má
každá strana pásu jiné
vlastnosti
kapilární kolo. Vymysleli jej a požádali o patent v roce 1864
Angličané Johann Ernst Friederich Lüdeke a Daniel
Wilckens. Jejich dílo je vidět znovu na ilustracích vpravo. Má
pracovat na totožném principu a na stejném principu i
nefunguje. Skládá se ze dvou otočných disků svírajících
malý úhel. V tenčí mezeře se utvoří kapilární prostředí, a tak
by měla být jedna strana kola zatížena více. Kvůli
v předchozích odstavcích popsanému jevu však nemůže
fungovat. Znovu se totiž utvoří vzedmuté hladiny na všech
površích a silové působení se vyrovná. Disky nemusejí být
umístěny vedle sebe, ale i za sebou s částečným překrytím
vytvářejícím také kapiláru.
Kapilární kolo pánů
Lüdecka a
Wilckense
strana 25 z 32
E) PM A REVERZNÍ OSMÓZA
Osmóza je jev, při kterém proudí voda z prostředí s menší koncentrací přes
polopropustnou membránu do prostředí s větší koncentrací. Reverzní osmóza je
jev opačný, ale voda proudí skrz normální membránu a navíc neprobíhá
samovolně – je nutné vyvíjet tlak. Aby například mořská voda (má menší
koncentraci vody než sladká voda) prošla takovou membránou a tím se zbavila
soli, je zapotřebí tlak asi 20 atmosfér. Zařízení na tomto principu se používá k
desalinizaci mořské vody na jachtách. Reverzní osmóza je nejjemnější známý
druh filtrace. Kromě běžných nečistot se totiž při ní odstraní i molekuly s iontovými
vazbami (např. soli).
Nanejvýš zajímavým nápadem je vynález, který se objevil v prosincovém čísle
časopisu Scientific American roku 1971. Počítá s tím, že v místě nejhlubšího
moře na Zemi (10 924 m – Mariánský příkop) se umístí velmi dlouhá trubice
sahající od hladiny až ke dnu oceánu, na jejímž dolním konci je membrána
pro reverzní osmózu. I když se pak trubice naplní sladkou vodou, díky vyšší
hustotě mořské vody bude na membráně zajištěn dostatečný rozdíl tlaků (asi 28,7
atmosfér, ρm = 1025 kg.m-3, ρs = 998,2 kg.m-3), aby mohla probíhat reverzní
osmóza. Rozdíl tlaků je tak velký, že hladina sladké vody bude nad hladinou moře
(teoreticky až 87 m), a tak můžeme vytékající vodou pohánět například vodní
kolo. Nezískali bychom tak jen prakticky nevyčerpatelný zdroj pitné vody, ale i
zdroj nekonečné energie. V praxi ale není možné počítat s takovýmito ideálními
podmínkami. S hloubkou se nemění jen tlak, ale i slanost mořské vody a hustota,
přesto by snad rozdíl tlaků měl být dostatečný. Nevím, ale zda-li by reverzní
osmóza probíhala za tak vysokých tlaků, zřejmě právě to je největším omezením
tohoto geniálního objevu.
Tento vynález lze nazvat typickým PM druhého druhu. Stejně jako „tepelná
loď“ i tento stroj by chtěl se 100% účinností používat energetické zásoby oceánu.
Z mého pohledu je toto asi nejnadějnější koncept PM, který se ani se znalostmi
středoškolské fyziky nedá vyvrátit. Po pochopení principu nic nebrání uvěření, že
by toto mělo fungovat, ale v tomto případě se asi vyplatí říci si, že PM prostě
nemůže existovat.
strana 26 z 32
F) MECHANICKÉ UZAVŘENÉ CYKLY
Uzavřené cykly často využívají stejných principů jako nerovnovážná kola či
pásy, ale látky či tělesa zajišťující pohyb nejsou vázána přímo na nějakou osu,
obíhají tedy téměř volně ve vytyčeném prostoru.
Od mechanických nerovnovážných kol a pásů se kromě zmíněné nepřímé
vázanosti pracovních látek nebo těles na osu zjevně liší svojí složitostí. Uzavření
cyklu je většinou zajišťováno různými převody. Tento typ PM byl velmi oblíbeným
objektem vynálezců. Snad právě díky naivitě základní myšlenky se objevuje tak
často. Zpravidla je na konstrukcích hned vidět, jak by měly fungovat – základem
je vždy nějaká kapalina nebo větší počet těles, které se po oběhnutí dráhy, kterou
jim vynálezce vytyčil, a po nezbytném vykonání určité práce, vracejí zpět na
začátek cyklu a mohou tak donekonečna produkovat nějakou energii. Na první
pohled je tedy jasné, že ztráty způsobené třením nedovolí, aby se cyklus
opakoval, natož aby energie ještě vznikala.
Většina těchto PM se dá označit za tzv. suché mlýny (viz Historie PM). Jejich
vynalézání bylo velmi oblíbené v období renesance. Dochovalo se poměrně
mnoho nákresů. Nejvíce exemplářů je připisováno Robertu Fluddovi.
Typické příklady jsou vidět na obrázcích na následující stránce.
strana 27 z 32
Ukázky mechanických uzavřených
cyklů
strana 28 z 32
G) OSTATNÍ A NEZAŘADITELNÉ PM
Do
žádné
z předchozích
skupin
se nehodí
PM
vynalezené profesorem univerzity v Glasgow Georgem
Sinclairem roku 1669. Jedná se o jednoduché zařízení
využívající podtlaku v horní baňce k nasátí vody ze spodní
nádobky.
Následující
pohyb
vody
je
už
poněkud
fantastičtější, autor totiž předpokládal, že trubice s větší
délkou než první přivádějící vodu do baňky si vytvoří ještě
silnější podtlak a vysaje z oné baňky vodu a vrátí ji tak zpět
PM George Sinclaira
do nádobky.
Na podobném principu má pracovat „sifonový mlýn“ od
Vittoria Zoncy z roku 1861. Vychází z nepochopení tehdy
používaného sifonového vodovodního potrubí. Tento Ital
spoléhal na to, že podtlak vytvořený ve spojovací trubici,
dokáže přimět vodu k pohybu opačným směrem, než by
tekla bez sifonu. Podobným systémem se zabýval i Robert
Boyle
(1627-91),
když
chtěl,
aby
cirkulovala
voda
v jednoduchém zařízení vyobrazeném vpravo. Tomu mělo
dopomoci to, že horní část trubice je užší než dolní. Tlak
většího množství kapaliny pak měl vytlačit kapalinu nahoru.
Hydraulickými PM se zabýval i Denis Papin (1647-1712).
Údajně navrhl stejný princip jako Boyle nezávisle na něm.
Sifonový mlýn Vittoria
Zoncy
Velice známým „napůl PM“ je hračka zvaná „pijící
ptáček“, čáp nebo podobně. Narozdíl od samotné hračky je
fyzikální vysvětlení jejího principu málo rozšířené, a tak se
má interpretace fungování této velice zajímavé hračky
může lišit od skutečnosti:
„Je to zpravidla precizně zhotovený skleněný útvar
mající skutečně rysy ptáka. Je tvořen baňkou (tělem),
Nápad Roberta Boylea i
Denise Papina
naplněnou zčásti kapalinou (většinou barevnou pro lepší efekt), a trubicí (krkem),
na jejímž konci je hlava se zobákem. Na zobáku je vrstva porézního materiálu.
Trubice je propojena s baňkou pod hladinou kapaliny. Ve zbytku prostoru uvnitř
ptáka je plyn (s co nejlepší tepelnou rozpínavostí). Celý pták je zavěšen v místě,
kde by měl křídla tak, aby se mohl houpat. Místo zavěšení musí být blízko těžiště.
strana 29 z 32
Pohyb ptáka začne, když zobák namočíme do
skleničky vody, která je postavena před ptákem.
Jelikož je v ten moment zadek ptáka těžší, vrací se
pták hned zpět do svislé polohy. Na jeho porézním
zobáku však ulpělo trochu vody, která se pohybem
začne odpařovat, tím dochází k ochlazování zobáku
a tedy celé hlavy, sníží se tak tlak plynu v hlavě a
trubici, podtlak nasaje trochu kapaliny z baňky. Toto
množství ale stačí na to, aby se pták převážil a
Fáze pohybu ptáka
zhoupne se opět tak nízko až se znovu napije.
Poloha při pití však způsobí, že dolní ústí trubice se
ocitne nad hladinou a tlaky plynů i hladiny kapalin se
vyrovnají a pták má tak lehký předek , a tak se
narovná zpátky, ale to už se zase začne odpařovat
voda na zobáku a… Pták se pak houpe dokud
nedojde voda ve skleničce nebo se výrazně
nezmění teplota.“
Velmi
tajemným
vynálezem je „jednosměrné
kolo“ Johanna Ernsta Eliase
Besslera zvaného Orffyreus
(1680-1745).
dochovalo
Přestože
mnoho
se
ilustrací,
nikdo dnes již neví, jak měl
tento
vynález
pracovat.
Dokonce jsou záznamy, že
nechal jeden svůj stroj běžet
od 12. listopadu 1717 do 4.
ledna
1718
v uzamčené
místnosti a po otevření se
kolo stále točilo. Po Německu
instaloval
jednosměrná
zřejmě
kola
čtyři
–
ve
Dochované ilustrace Besslerova kola
strana 30 z 32
městech či hradech Reuss, Draschwitz, Mekelberg a ve svém domovském
Kasselu na zámku Weissenstein. Žádný exemplář se ale nedochoval, neboť autor
kromě PM proslul i svými záchvaty agresivity a při jednom takovém amoku zničil i
své vynálezy. Během svého života prý sestrojil přes 300 typů PM, ale jen dva byly
funkční.
Bob
Shadewald
vymyslel
stroj
počítající s tím, že hodnota gravitační
konstanty g neustále klesá. Zdá se, že
tento stroj by měl být zařazen do skupiny
Magnetické a gravitační motory, ale podle
mne využívá výrazně jiného principu než
ostatní magnetické či gravitační motory, a
tak jsem se rozhodl vyčlenit ho sem. Má
pracovat následovně: na velmi těžké
kyvadlo otáčející se na bezeztrátových
ložiskách by mělo při cestě dolů působit
Humorná ilustrace PM rádoby
využívajícího snižování hodnoty
gravitační konstanty g
vyšší g než při stoupání, rozdíl energií by
umožňoval pohánět třeba dynamo. Sám
autor přiznal že se jedná o žert.
Objevily se dokonce i vynálezy typu
„Vůz honící svůj vlastní
magnet“ od H.-P.
Gramtkeho
„pes honící svůj ocas“. Kdy síly působící
v rámci soustavy mají uvádět soustavu do
pohybu vůči okolí. Humorným příkladem
takové naivní myšlenky je ilustrace PMauta od Hanse-Petera Gramatkeho, který
spravuje server, jenž mi byl také bohatým
zdrojem informací. Podobným nesmyslem jakým je vyobrazený vůz je i poměrně
známý obraz námořníka foukajícího do vlastní plachty.
Kromě již popsaných typů se objevily i vynálezy chemických, elektrických či
elektromagnetických PM. Dokonce ani kvantová mechanika či speciální teorie
relativity nebyly ušetřeny útoků vynálezců PM. Fyzikální případně chemická
pravidla jsou však stále exaktní, a tak se ani těmito metodami nedosáhlo cíle.
strana 31 z 32
3 REJSTŘÍK
Archimédův zákon 21,22
Bessler, Johann 29
Besslerovo kolo 29
Bhaskara 4, 5, 12
bibliografie 32
Boyle, Robert 28
Carnotův cyklus 10
Carnotův princip 10
cavorit 15,16
čáp 28-29
české PM 6, 18
Drebbel, Cornelius 5, 27
elektrické PM 30
elektromagnetické PM 30
entalpie 8
entropie 9-11
Ferguson, James 13
Fludd, Robert 5, 26, 27
„funkční“ PM 3, 17-19, 25
di Giorgio, Francisco 5, 27
Gramatke, Hans-Peter 30, 32
gravitační motor 16
gravitační PM 15-16, 30
Guillaume 20
Haywood, John 14
historie PM 4
de Honnecourt, Villard 4, 12,
13
hydraulické PM 19-23, 28
chemické PM 30
ICW generátor 23
jednosměrné kolo 29
kapilární motor 24
kapilární PM 23-24
kapilární jev 23-24
Keely, John Worrell 6
Keely Motor Company 6
kvantová mechanika 30
Leonardo da Vinci 5, 12, 13
Linton, George 13
Lüdeke, Johann 24
magnet 16
magnetické PM 6, 15-19
magnetický motor 16-17
magnetismus 16
de Maricourt, Pierre 16,17
Mason, Phineas 23
Maxwell, James 11
Maxwellův démon 11
mechanické PM 12-15
mechanické uzavřené cykly
26-27
motor gravitační 16
motor kapilární 24
motor magnetický 16-17
motor vztlakový 19-23
Naudin, Jean-Louis 18
nerovnovážné kolo 4, 5, 1217, 19, 21-24, 29
nerovnovážný pás 12, 14, 15,
19-22, 23-24
Orffyreus 29
osmóza 25
osnova 2
Papin, Denis 28
patenty 6
permanentní magnet 16
perpetuum mobile 3
„pes honící svůj ocas“ 30
pijicí pták 28-29
PM = perpetuum mobile 3
PM české 6, 18
PM druhého druhu 8-11, 1719, 25
PM elektrické 30
PM elektromagnetické 30
PM „funkční“ 3, 17-19, 25
PM gravitační 15-16, 30
PM – historie 4
PM hydraulické 19-23, 28
PM chemické 30
PM kapilární 23-24
PM magnetické 6, 15-19
PM mechanické 12-15
PM nultého druhu 8
PM první 4
PM prvního druhu 8, 12-17,
19-24, 26-30
PM třetího druhu 11
PM – typy 7-30
PM vtipné 30
PM vztlakové 19-23
použitá literatura 32
Prachař, F. 6, 18
prakový urychlovač 14
princip virtuální práce 15, 16,
20
první PM 4
pták pijící 28-29
recirkulační mlýn 5, 26-27
reverzní osmóza 25
Richard, Pierre 14
rozdělení PM 7-30
Shadewald, Bob 30
sifonový mlýn 28
Sinclair George 28
Somerset, Edward 12
speciální teorie relativity 30
Stevin, Simon 15
SMOT 17-19
suchý mlýn 5, 26-27
Taisnierus, Johannes 6, 1718
teorie relativity 30
typy PM 7-30
uzavřené cykly 26-27
úvod 3
da Vinci, Leonardo 5, 12, 13
vtipné PM 30
„vůz honící svůj magnet“ 30
vztlakové PM 19-23
vztlakové motory 19-23
vztlakový disk 21
vztlakový pás 21
Watson, Greg 18
Wilckens Daniel 24
Wilkins, John 18
zákon Archimédův 21,22
zákon 0. termodynamický 8
zákon virtuální práce 15, 16,
20
zákon zachování energie 3,
8, 10
Zonca, Vittorio 28
strana 32 z 32
4 BIBLIOGRAFIE
(1) Simanek, D. E., The Museum of Unworkable Devices [online].
http://www.lhup.edu/~dsimanek/museum/unwork.htm
(2) Gramatke, H.-P., Perpetuum Mobile [online].
http://www.perpetuum.hp-gramatke.de/
(3) Kilty, K. T., Perpetual Motion [online].
http://www.kilty.com/pmotion.htm
(4) Naudin, J.-L., S.M.O.T. [online].
http://jnaudin.free.fr/html/smotidx.htm
(5) Břicháč, P., Pro malé systémy neplatí druhá věta termodynamická, Aldeberan
Bulletin [online].
http://www.aldebaran.cz/bulletin/index.html
(6) Comorek, F., Formátování seminárních prací. 1.vyd. České Budějovice, 2003.
7 s.
(7) Klimeš, L., Slovník cizích slov. 3.vyd. Státní pedagogické nakladatelství, 1985.
816 s. 14-621-85.
32

perpetuum mobile

Transkript

Podobné dokumenty

Celý článek si můžete přečíst zde.