На главную


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. 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 этой 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, нрхитектор, 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 (Шлихтинг Г, - профессор Брауншвейгского университета, известный своими классическими работами по гидроаэродинамике, теории пограничного слоя и философским проблемам физики.- Прим. перев.) 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 всей системы.

  Внешне весьма заманчивая идея использовать силу воды 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 b с помощью той же воды приводит во вращение винт а». Между винтами а и b 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 b, 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, 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 Ep определенного количества воды равна произведению массы этой воды m 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.


предыдущая страница

оглавление

следующая страница