О вечном двигателе

Размещено на http://www.allbest.ru/

О ВЕЧНОМ ДВИГАТЕЛЕ

Канарёв Ф.М.

Анонс. Проблему вечного двигателя изобретатели решают давно, но чёткого научного ответа на возможность его реализации до сих пор нет. Попытаемся найти его, посвящая эту статью молодым механикам Х-го Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, экспертный совет которого отказался принять наши доклады.

Вступительная часть

Российский Национальный комитет по теоретической и прикладной механике совместно с Институтом механики МГУ им. М.В.Ломоносова, Институтом проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН, Нижегородским государственным университетом им. Н.И.Лобачевского - Национальным исследовательским университетом при участии Российского федерального ядерного центра - ВНИИ экспериментальной физики, Нижегородского научного центра РАН, ОКБ машиностроения им. И.И. Африкантова проводит в г. Нижнем Новгороде 24-30 августа 2011 года X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. В рамках Съезда пройдут Вторая Всероссийская школа молодых ученых-механиков и Собрание Российского Национального комитета по теоретической и прикладной механике.

Оргкомитет Cъезда образован в следующем составе: Г.Г.Черный - председатель, Л.А.Игумнов, В.А.Полянский - заместители председателя; С.Ю.Литвинчук, И.Л.Панкратьева - ученые секретари. Члены Бюро Оргкомитета

В.А.Бабешко, И.Г.Горячева, В.Ф.Журавлев, Д.Л.Зверев, Д.М.Климов, В.В.Козлов, В.Е.Костюков, Г.Куликовский, В.А.Левин И.И.Липатов, А.Г.Литвак, Е.В.Ломакин Г.А.Любимов В.П.Матвеенко, Г.К.Михайлов, Н.Ф.Морозов, Ю.С.Осипов, С.Я.Степанов, В.М.Фомин, В.Е.Фортов, Ф.Л.Черноусько, Е.В.Чупрунов.

Российский Национальный комитет по теоретической и прикладной механике

Обычно под вечным двигателем понимают устройство, которое вращается вечно, не потребляет никакой энергии, но производит её в количествах достаточных для удовлетворения минимальных нужд человека. Пока такого двигателя не удалось создать и законы механодинамики отрицают возможность создания чистых механических вечных двигателей. Это следует из закона равномерного вращении тела, которое описывается уравнением механодинамики [1]

,

здесь - постоянный активный момент, вращающий тело равномерно; - инерциальный момент, направленный в сторону равномерно вращающегося тела; - момент сил сопротивления вращению.

При отключении постоянного активного момента , который вращает тело равномерно, имеем

.

Из уравнения (2) следует, что, если сумма моментов всех сил сопротивления вращению тела равна инерциальному моменту , то после отключения приводного активного момента , равенство моментов должно оставить тело в состоянии равномерного вращения. Но в реальности такого не бывает. Минимальные изменения суммарного момента сопротивляющегося вращению тела, переводят равенство (2) в неравенство [1]

и тело, которое до этого вращалось равномерно, переходит в режим замедленного вращения и останавливается.

Из этого следует, что без присутствия и действия активного момента (1) тело не может вращаться равномерно бесконечно долго. Есть интернетовские сообщения, что некоторые изобретатели смогли заставить вращаться тело равномерно с помощью постоянных магнитов и такие устройства вращаются равномерно достаточно долго. Продолжительность такого вращения определятся временем размагничивания постоянных магнитов. К тому же полезной энергии они генерируют очень мало и не имеют пока коммерческой ценности.

Чтобы избавиться от этого недостатка постоянных магнитов, надо заменить их электромагнитами. Однако, это сразу требует дополнительную энергию для формирования электромагнитных полей и идея вечного двигателя исчезает. Но идея уменьшения затрат энергии на привод вращающегося тела остаётся и уже имеет варианты своей реализации [2].

В первом приближении установившееся вращение маятника Фотиоса (рис. 1) можно считать равномерным. Тогда кинетическая энергия вращения шаров маятника будет равна

.

Так как маятник вращается равномерно, то его кинетическая энергия, произвёдённая в каждую секунду, равна механической мощности на валу маятника

.

Рис. 1. Схема маятника Фотиоса

Таблица 1. Основные параметры маятника Фотиоса и результаты расчёта его энергетической эффективности

Момент инерции шаров маятника равен

При просмотре полного Видео о работе этого маятника видно, что автор увеличивает его обороты до заданного значения ступенчато [6], [7], [8], [9]. Но если бы он сразу задал параметры напряжения и тока, питающие электромоторы, которые приводят во вращение фрикционные диски, то время увеличения оборотов маятника до 160об/мин было бы около 4-х секунд. Тогда из кинематического закона ускоренного вращения маятника

находим величину его углового ускорения

.

Если учесть только инерциальный момент сопротивления ускоренному вращению шаров маятника, то он будет равен

.

В этом случае угол поворота маятника при его ускоренном вращении равен

Энергия, затраченная на ускоренное вращение маятника, равна кинетической энергии его равномерного вращения

.

Обращаем внимание на то, что мы не учитывали механические и аэродинамические сопротивления вращению маятника в фазе его ускоренного вращения, так как они минимум на порядок меньше инерциального момента сопротивления.

Автор маятника сообщает, что приборы, регистрировавшие расход электроэнергии на вращение фрикционных дисков, которые передавали импульсы механических моментов маятнику, показывали U=24B и I=17A (табл. 1). Это значит, что первичный источник питания реализовал мощность на питание электромоторов, равную P=UxI=24x17=408Вт [6].

Общая длина окружности, через которую передавались механические импульсы маятнику, равна , а общая длина дуги, с которой контактировали фрикционные диски, равна . Из этого следует, что скважность механических импульсов, вращающих маятник, равна S=L/l=7,03/0,06=116,63. Вполне естественно, что средняя величина импульсной механической мощности, реализуемой на привод маятника, равна

. (12)

Итак, чистая электрическая мощность, реализуемая на вращение маятника Фотиоса, равна 3,5 Ватта. Она в 1666,43/3,5=476 раз меньше механической мощности на валу вращающегося маятника. Вся остальная мощность (408-3,5=404,5Ватта) реализуется на холостой ход непрерывного вращения двух электромоторов, вращающих фрикционные диски.

Согласно закону сохранения энергии, невозможно иметь на выходе из системы больше энергии, чем на входе. Описанный эксперимент явно показывает, что механическая энергия на валу вращающегося маятника Фотиоса, многократно больше энергии, затрачиваемой на его вращение, то есть больше энергии на входе в механическую систему. Этого достаточно, чтобы забыть о невозможности получения энергии на выходе из механической системы больше, чем на входе.

Закону сохранения энергии безразлична возможность использования дополнительной энергии на наши нужды, поэтому эксперимент Фотиоса однозначно доказывает ошибочность закона сохранения энергии в его существующей формулировке и возникает необходимость в уточнении этой формулировки. Если вечным двигателем считать механическое устройство, вечно вырабатывающее дополнительную энергию, которую можно использовать на наши нужды, то возникает необходимость анализа реализации этой возможности. Проведём такой анализ, используя уже имеющиеся экспериментальные результаты испытаний маятника Фотиоса (рис. 1). Для этого упростим его схему (рис. 2).

Рис. 2. Схема упрощённого маятника Фотиоса

В момент, когда груз маятника Фотиоса, занимает верхнее положение (рис. 2), он имеют запас потенциальной энергии, равный

Однако груз опускается не строго вертикально, а по окружности с радиусом =0,51 м. В результате сила тяжести, действующая на груз, формирует момент, вращающий маятник (рис. 3). Возьмём за начало отсчёта точку А. Тогда в положении В сила тяжести груза будет формировать активный рабочий момент , вращающий маятник

В интервале А-В-С груз будет вращаться ускоренно и, в соответствии с принципом механодинамики, в любой точке траектории ускоренного движения в данный момент времени сумма моментов сил, действующих на него, будет равна нулю [1]. маятник кинетический энергия орбитальный

.

Рис. 3. Фазы вращательного движения груза маятника

В фазе ускоренного движения (А-В-С) потенциальная энергия груза генерирует механическую энергию на валу маятника, равную (рис. 3)

Вполне естественно, что после точки С, активный момент , генерируемый силой тяжести груза, станет равным нулю, но груз продолжит своё движение по окружности, как говорят по инерции, и начнётся фаза его замедленного вращения, которая описывается неравенством.

.

Конечно, если бы у маятника не было запаса кинетической энергии (4), то груз не достиг бы верхней точки А и остановился. Разность между кинетической энергией груза в условном равномерном вращении с частотой 160об/мин и потенциальной энергией, реализуемой им в каждом обороте, будет равна

Если не пополнять, запас кинетической энергии, равный 1666Дж, то груз начнёт вращаться замедленно, так как момент сил сопротивления вращению больше инерциального момента .

График изменения энергии маятника Фотиоса за один его оборот, можно представить в виде, показанном на рис. 4. Если вращение маятника считать равномерным с частотой 160об/мин, то на его валу будет постоянно присутствовать кинетическая энергия, равная 1666Дж. Меняющаяся величина потенциальной энергии грузов, будет периодически увеличивать и уменьшать кинетическую энергию маятника (рис. 4) В фазе ускоренного движения (рис. 3, интервал А-B-С) постоянно присутствующая кинетическая энергия на валу маятника () будет получать солидную прибавку (рис. 4), а в фазе замедленного движения (рис. 3, интервал С-D-А) - забирать эту же прибавку.

Рис. 4. Изменение энергий грузов маятника Фотиоса в интервале его одного оборота

Таким образом, на валу маятника будет присутствовать постоянно 1666Дж кинетической энергии, которую надо пополнять, иначе маятник остановится. Пополнение идёт за счёт дополнительных механических импульсов, генерируемых фрикционными дисками, приводящимися электромоторами (рис. 1).

Предварительный расчёт показывает, что мощность электромоторов, реализуемая на привод маятника, равна 3,5 Вт. Чтобы определить её точно, надо записать осциллограмму на клеммах первичного источника питания. Снять с неё амплитуды импульсов напряжения и тока, перемножить их и разделить на скважность импульсов дважды. Предварительно можно утверждать, что амплитуда тока будет значительно больше его средней величины, которую показал прибор I=17A. Величина же напряжения будет близка к 24В. Перемножая амплитудные значения напряжения и тока, и деля полученный результат на квадрат скважности импульсов , получим реальную величину электрической мощности, реализуемой на равномерное вращение маятника Фотиоса. Она будет меньше 3,5Вт. Подобную величину мощности можно реализовать с помощью уже существующих импульсных электромоторов-генераторов, КПД которых больше единицы [1].

Итак, маятник Фотиоса убедительно доказывает, что энергия на выходе из системы, может быть значительно больше энергии на входе. Такие же результаты получены и при испытании электромоторов-генераторов. Из этого следует, что часть большей энергии на выходе из системы можно использовать для зарядки первичного источника питания, главным образом аккумулятора, а остальную часть - на полезный технологический процесс. В результате появляется возможность разработать автономный источник энергии с длительным сроком службы. Это приведёт к усилению внимания учёных к разработке автономных источников энергии и постепенному переключению внимания изобретателей вечного двигателя на увеличение экономности автономных источников энергии [5].

Ученые мало уделяют внимания анализу вечных двигателей, созданных Природой. Таким двигателем является и наша матушка - Земля. Новые законы механодинамики позволяют определить орбитальный инерциальный момент, который был сообщён нашей планете в момент её рождения [4]. Он вращает её вокруг Солнца до сих пор в полном соответствии с новыми законами механодинамики. Так как во Вселенной нет сил сопротивления, эквивалентных тем, что рождаются в поле гравитации самой планеты, или они неизмеримо меньше, то неравенство (3), управляющее вращением тел в поле гравитации, становится таким

.

Новые законы механодинамики позволяют определить инерциальный момент , вращающий нашу Землю относительно Солнца. Кинетическая энергия орбитального вращения Земли равна

.

Вполне естественно, что кинетическая энергия нашей планеты в орбитальном движении за одну секунду генерирует мощность, численно равную, её кинетической энергии, то есть

.

Поскольку угловая орбитальная скорость Земли равна , то орбитальный инерциальный момент, вращающий Землю вокруг Солнца, равен

.

Учитывая радиус орбиты , находим силу инерции, движущую Землю по орбите

В микромире также существуют вечно вращающиеся частицы. Главная из них - протон. Он вращается в ядрах атомов, можно сказать, вечно [3].

Заключение

Гравитационные силы нашей планеты, генерируют силы сопротивления, которые однозначно исключают возможность создания вечного механического двигателя. Однако, в совокупности с магнитными силами они создают возможность для разработки очень экономных автономных источников энергии.

Литература

1. Канарёв Ф.М. Механодинамика. III -я часть учебника «Теоретическая механика».

2. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. 15-е издание. 2011.

Размещено на Allbest.ru