§ 89. ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАШИН

Вот уже около двухсот лет прошло с тех пор, как началось широкое использование человеком всевозможных машин. Эти машины приводятся в движение двигателями, которые в свою очередь получают энергию от того или иного источника.

С механической точки зрения использование машин сводится к тому, что с их помощью какие-то силы совершают работу. Но совершить работу — значит затратить энергию, по крайней мере равную этой работе. В наше время главные виды энергии, за счет которых совершается работа, — это энергия, освобождающаяся при сгорании топлива (угля, нефти, газа), энергия падающей воды и так называемая ядерная энергия, выделяющаяся в ядерных реакторах. Ни один из этих видов энергии не подается непосредственно к машинам.

На пути к машинам, в которых совершается работа, энергия претерпевает ряд превращений из одной формы в другую. Так, например, энергия взаимодействия частиц горючего и кислорода (потенциальная энергия) сначала преобразуется во внутреннюю энергию тех частиц, которые образуются при сгорании. Затем эта энергия в виде тепла передается водяному пару, а от него к паровой турбине, приводящей в движение электрический генератор. В нем механическая энергия вращения преобразуется в энергию электрического тока. Так работает тепловая электростанция. От генератора электростанции энергия передается по проводам к электрическим двигателям, установленным на бесчисленных станках и других устройствах. В двигателях энергия снова преобразуется в механическую энергию и с помощью различных передаточных механизмов, например рычагов, наклонных плоскостей, винтов, блоков, подается к станкам и другим машинам.

Мы привели здесь цепь превращений, которые испытывает энергия «по дороге» от топки тепловой электростанции к машине. К этому следует добавить, что само топливо появилось на Земле в результате сложной цепи превращений энергии, цепи, начало которой находится на Солнце — источнике жизни на нашей планете.

Рис. 204

Для нас здесь важно то, что все эти превращения (мы перечислили далеко не все) подчиняются закону сохранения энергии, из которого следует, что при любых превращениях нельзя получить энергии одного вида больше, чем затрачено энергии другого вида. Ни в одном двигателе нельзя получить больше механической энергии, чем затрачено электрической или тепловой. Ни один двигатель не может произвести больше работы, чем затрачено энергии.

Наоборот, в реальных двигателях часть энергии неизбежно теряется из-за сил трения. Теряется в том смысле, что часть энергии из-за работы сил трения преобразуется во внутреннюю энергию и приводит к нагреванию двигателя. Точно так же и работа, совершенная машиной, всегда несколько меньше затраченной энергии.

Обо всем этом стало известно только тогда, когда в середине XIX в. был открыт закон сохранения энергии, До этого времени в течение столетий упорно делались попытки создать такую машину, которая могла бы совершить больше работы, чем тратится энергии. Она даже заранее получила название «вечного двигателя» (perpetuum mobile). Но такая машина никогда не была создана, и она не может быть создана.

На рисунке 204 показана схема одного из бесчисленных проектов «вечного двигателя». Он состоит из двух колес (шкивов), помещенных в верхней и нижней частях башни, наполненной водой. Через шкивы переброшен бесконечный канат с прикрепленными к нему через некоторые интервалы полыми легкими ящиками. Из рисунка видно, что в каждый момент времени часть ящиков погружена в воду, в то время как другая часть находится в воздухе. Автор проекта уверял, что правые (по рисунку) ящики, всплывая под действием архимедовой силы, заставят вращаться колеса. На смену всплывающим ящикам в воду будут входить другие, поддерживая «вечное» движение. Вращающиеся колеса могли бы приводить в движение электрические генераторы, давая таким образом «бесплатную» энергию в неограниченном количестве, поскольку устройство действует «вечно».

В действительности, однако, в проекте есть ошибки и такой двигатель работать не может. Ведь если одни ящики всплывают, то другие, наоборот, входят в воду. И эти входящие в воду ящики должны двигаться против архимедовой силы. К тому же входят они в воду внизу, где на них действует давление всего столба воды. А сила этого давления всегда больше, чем подъемная сила Архимеда.

Подобные ошибки можно найти в любом проекте «вечного двигателя». Попытки создать такое устрвйство обречены на неудачу,

потому что закон сохранения энергии «запрещает» получение работы в количестве, большем затраченной энергии.

Интересно отметить, что и в наше время не перевелись «изобретатели», которые не оставляют бесплодных попыток создать вечный двигатель.

Задача техники не в том, чтобы пытаться обойти закон сохранения энергии, а в том, чтобы уменьшить потери энергии в машинах, двигателях, генераторах.

Упражнение 60

1. Попытайтесь объяснить назначение генераторов, двигателей, машин. Приведите известные вам примеры этих устройств.

2. В чем состоит идея «вечного двигателя»? Почему эта идея неосуществима?

3. Попробуйте объяснить: какие превращения энергии происходят при выстреле из ружья? При запуске ракеты?