Номер 1, страница 88 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Подготовьте сообщение на тему: «Модели вечных двигателей первого рода».

Вечный двигатель первого рода (perpetuum mobile) — это воображаемая машина, которая способна совершать работу бесконечно долго, не черпая энергию из какого-либо внешнего источника. Другими словами, это гипотетическое устройство, которое производит больше энергии (в виде работы), чем потребляет, фактически создавая энергию из ничего.

Принципиальная невозможность создания такого двигателя следует из первого начала термодинамики, которое является формулировкой всеобщего закона сохранения энергии. Этот закон утверждает, что энергия в изолированной системе не создаётся и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Для любого термодинамического цикла изменение внутренней энергии системы равно нулю ($ \Delta U = 0 $). Согласно первому началу термодинамики, $ \Delta U = Q - A $, где $ Q $ — количество теплоты, подведённое к системе, а $ A $ — работа, совершённая системой. Для вечного двигателя первого рода предполагается, что он совершает работу ($ A > 0 $) без подвода энергии извне ($ Q \le 0 $). Если он работает циклически, то $ A = Q $. Для совершения положительной работы ($ A > 0 $) необходимо получать энергию извне ($ Q > 0 $). Идея же двигателя, который бы работал без потребления энергии ($ Q=0 $), но совершал работу ($ A>0 $), противоречит этому закону.

Несмотря на это, история знает множество попыток спроектировать подобные механизмы. Рассмотрим некоторые классические модели.

Колесо с перекатывающимися грузами

Это одна из самых старых и известных концепций, приписываемая индийскому математику Бхаскаре II (XII век) и позже независимо описанная многими, включая Виллара де Оннекура (XIII век). Конструкция представляет собой колесо, на котором закреплены несимметрично расположенные грузы. Например, это могут быть шарнирно подвешенные молоточки или шарики, перекатывающиеся в изогнутых спицах. Идея состоит в том, что на стороне колеса, которая движется вниз, грузы из-за силы тяжести будут находиться дальше от центра оси вращения, чем грузы на стороне, которая движется вверх. Создатели предполагали, что это создаст постоянный избыточный крутящий момент с одной стороны, который заставит колесо вращаться вечно.

Почему это не работает:

Хотя плечо силы для каждого отдельного груза на «тяжелой» (опускающейся) стороне действительно больше, количество этих грузов в данном секторе всегда оказывается меньше, чем количество грузов на «легкой» (поднимающейся) стороне. Детальный анализ моментов сил ($ M = F \cdot l $, где $ F $ — сила, а $ l $ — плечо) показывает, что суммарный крутящий момент, создаваемый грузами с одной стороны, в любой момент времени в точности равен суммарному моменту, создаваемому грузами с другой стороны. Система всегда будет стремиться к положению устойчивого равновесия, в котором ее центр масс займет самое низкое возможное положение, и на этом движение прекратится.

Ответ: Колесо не вращается вечно, так как суммарный крутящий момент от грузов, стремящихся повернуть колесо в одну сторону, всегда точно уравновешивается моментом от грузов, стремящихся повернуть его в другую. Закон сохранения энергии соблюдается, и без внешнего подвода энергии система приходит в состояние покоя.

Капиллярный двигатель

Эта модель основана на использовании капиллярного эффекта — способности жидкости подниматься по узким трубкам (капиллярам) вопреки силе тяжести. Проект такого двигателя может выглядеть так: сосуд с водой, в который опущен фитиль или пучок капилляров. Верхний конец фитиля свешивается над лопастями небольшого водяного колеса. Предполагается, что вода будет непрерывно подниматься по фитилю, капать с него на колесо, заставляя его вращаться и совершать работу, а затем стекать обратно в сосуд, создавая вечный цикл.

Почему это не работает:

Авторы идеи не учитывают, что те же самые силы межмолекулярного взаимодействия (поверхностное натяжение), которые заставляют воду подниматься по капилляру, будут удерживать ее на выходе из него. Вода образует на конце фитиля мениск (вогнутую поверхность), и сила поверхностного натяжения, действующая вдоль края этого мениска, создает силу, направленную обратно в капилляр. Эта удерживающая сила полностью уравновешивает подъемную силу капиллярного эффекта. В результате жидкость поднимется на определённую высоту и остановится, не имея возможности оторваться от фитиля и совершить работу.

Ответ: Капиллярные силы, поднимающие жидкость, одновременно и препятствуют её свободному истечению. Система быстро достигает равновесия, и движение прекращается. Для отрыва капли от фитиля требуется совершить работу, которая как минимум равна той, что была получена от подъема этой капли.

Гидростатический двигатель на плавучести

Еще один популярный проект, использующий силу Архимеда. Устройство представляет собой цепь с прикрепленными к ней поплавками, перекинутую через два шкива (верхний в воздухе, нижний под водой в резервуаре). Идея в том, что на поплавки, находящиеся в воде, действует выталкивающая сила, направленная вверх. Эта сила, по замыслу, должна тянуть эту часть цепи наверх, в то время как другая часть цепи опускается вниз под действием силы тяжести в воздухе, что должно приводить к непрерывному вращению.

Почему это не работает:

Этот проект игнорирует ключевой момент: чтобы замкнуть цикл, необходимо "вталкивать" поплавки в воду снизу. На поплавок, входящий в воду, действует гидростатическое давление, которое создает силу, направленную вниз. Эта сила, действующая на площадь поперечного сечения поплавка, оказывается больше, чем сила Архимеда. Точный расчет показывает, что работа, которую необходимо совершить против сил давления, чтобы погрузить один поплавок в воду, в идеальном случае (без учета вязкости) в точности равна работе, которую производит сила Архимеда, поднимая этот поплавок. В реальных условиях, с учетом трения и вязкости, работа по погружению будет даже больше.

Ответ: Двигатель не будет работать, так как работа, производимая выталкивающей силой Архимеда, полностью компенсируется работой, которую необходимо совершить против сил гидростатического давления для ввода поплавков в воду. Система неспособна совершать полезную работу.