Perpetuum mobile

Perpetuum mobile cu bile

În accepția modernă, unperpetuum mobileeste un dispozitiv ipotetic care poate funcționa un timp indefinit fără a fi alimentat de la o sursă de energie externă. Un asemenea motor este imposibil de realizat, întrucât el ar încălcaprincipiile termodinamicii.Se discută despre următoarele tipuri de perpetuum mobile:

• Perpetuum mobile de speța întâi,care inițial viza încălcareaprimului principiu al termodinamicii.Actual în această categorie intră toate dispozitivele care încalcăprincipiul conservării energiei,indiferent în ce formă.
• Perpetuum mobile de speța a doua,care inițial viza încălcarea celui deal doilea principiu al termodinamicii.Actual în această categorie intră toate dispozitivele care violează comportareastatisticăamaterieila nivelmolecular.
• Perpetuum mobile de speța a treia,concept de dată recentă. În această categorie intră dispozitivele care, deși nu schimbăenergiecu exteriorul (suntsisteme izolate), își păstrează mișcarea pe timp nelimitat, încalcând ireversibilitatea fenomenelor.

Istoric

Roata cu ciocane a lui Villard de Honnecourt.

Istoricul mașinilor cu mișcare perpetuă se confundă cu istoriafizicii.Încercările de a realiza o astfel de mașină au dus la dezvoltarea cunoștințelor științifice.

• În jurul anului500 î.Hr.filozofulgrecAnaxagoraafirmă cădin nimic nu se obține nimic, și nimic nu poate fi anihilat.
• În jurul anului1100astronomulșimatematicianulindianBhāskara IIdescrie un perpetuum mobile format dintr-o roata cu spițe umplute cumercur.
• În anul1235meșterulfrancezVillard de Honnecourt descrie un perpetuum mobile format dintr-o roată dezechilibrată, cu șapte ciocane articulate.
• În1269Pierre de Maricourt (Petrus Peregrinus) descrie un perpetuum mobile care se baza pe acțiunea unuimagnetnatural.
• În jurul anului1480italianulFrancisco di Giorgio descrie câteva mecanismehidraulicecu circuit închis alapei.
• În1480Leonardo da Vinciface câteva schițe despre roata dezechilibrată și șurubul de apă al luiArhimede.În jurul anului1490Leonardo da Vinci explică momenteleforțelorla o roată cu greutăți și demonstrează imposibilitatea mișcării spontane a unei astfel de roți.
• În1562iezuitulgermanJohannes Taisnierus (Johann Tausner) descrie un perpetuum mobile format dintr-o rampă, un magnet și o bilă defier.
• În1586olandezulSimon Stevindemonstrează imposibilitatea funcționării unui perpetuum mobile bazat pe planuri înclinate.
• În1640matematicianulRené Descartesafirmă că „în natură, suma cantităților tuturor tipurilor de materie și a vitezelor lor este constantă”. Confuzia dintre energie și putere conduce la dispute.
• În1645A. Martin inventează unceashidraulic acționat princapilaritate.
• În1648englezulJohn Wilkins explică de ce nu funcționează mașina lui Taisnierus.
• În1660matematicianul, fizicianul și astronomul olandezChristian Huygensstabilește legile conservării momentului cinetic al corpurilor în rotație.
• În1685Robert Boyledescrie un perpetuum mobile chimic. Se presupune că ar fi observat o reacție chimică oscilantă.
• În1685Denis Papinpropune un perpetuum mobile care violează echilibrul lichidelor în tuburi comunicante.
• În1686Gottfried Wilhelm Leibnizrelevă erorile lui Descartes și definește energia potențială drept produsul forței și aînălțimii.
• În1712Johann Ernst Elias Bessler, zis Orffyreus prezintă în Germania prima sa mașină cu mișcare continuă. Primește bani pentru a construi alte mașini și scrie o carte,Perpetuum Mobile Triumphans.Descrierea mașinii îi este trimisă luiIsaac Newton,care însă nu răspunde. Frauda este descoperită în1727.
• În1742Johann Bernoullisenior descrie un mecanism bazat peosmozadintre două lichide.
• În1750Pierre Jaquet Droz construiește un ceas cu un mecanism cu lamăbimetalicăacționată de variațiile detemperaturăale mediului ambiant.
• În1751Louis Antoine LePlat construiește un ceas tras de un mecanism acționat devânt.
• În1763Andrew Doswill construiește un dispozitiv cu un rotor de fier care se rotește într-uncâmp magneticstaționar.
• În1775la sugestia luiPierre Simon Laplace,Academia Franceză de Științepublică în analele sale un text care începe cu:Construcția unei mașini cu mișcare perpetuă este absolut imposibilă.De atunci, Academia refuză examinarea oricărui dispozitiv care se pretinde a fi un perpetuum mobile.
• În1775englezul Coxe construiește un ceas acționat de recipiente cu mercur deplasat depresiunea barometrică.
• În1815un oarecare Ramis înMünchenprezintă un dispozitivelectrostaticcu mișcare perpetuă, acționat de fapt de pile galvanice Zamboni.
• În1827William Congreve, ofițer, savant și ceasornicar propune un perpetuum mobile acționat prin capilaritatea unor bureți scufundați într-un lichid.
• În jurul anului1815elvețianulDavid Robert Geiser construiește un ceas perpetuu, frauda fiind descoperită după moartea sa.
• În1843James Prescott Jouledetermină echivalentul mecanic alcalorieiși a altor forme de energie.
• În1848Hermann von Helmholtzformuleazăprincipiul conservării energiei.
• În jurul anului1880Ludwig Boltzmanninterpretează căldura drept un fenomen mecanic, care poate fi descris prin metode statistice.
• În1872John Worell Keely prezintă un dispozitiv oscilant care ar scoate energie dineter.După moartea sa, în1898se descoperă că dispozitivul era acționat cuaercomprimat.
• În1880James Clerk Maxwelldescrie experimentul mental alDemonului Maxwellian.
• În1880Rudolf Clausiusformulează primele două legi aletermodinamiciiîn forma cunoscută astăzi.
• În jurul anului1900biroul de patente german refuză cca. 320 de cereri de brevete pentru mașini cu mișcare perpetuă.
• În1903John William Strutt,(Lord Rayleigh) construiește un ceas curadiu,a cărei funcționare a fost explicată doar printeoria relativitățiia luiAlbert Einstein.
• În1910Walther Nernstformulează a treia lege a termodinamicii, lege reformulată ulterior deMax Planck.
• În1955rusulBelousov descoperă o reacție chimică oscilantă, care pare a contrazice principiul al doilea al termodinamicii. Cercetările sunt continuate în1968de Jabotinski.
• În1995Aldo Costa depune o cerere de brevet pentru o roată cu mișcare perpetuă gravitațională, obținută prin „unificarea mecanicilor clasică și cuantică”.
• În2003Mihail Smeretcianski obține un brevet francez pentru o mașină de tip perpetuum mobile, bazată peflotabilitate.

Tipuri de perpetuum mobile

În accepție termodinamică se discută doar despreperpetuum mobile de speța întâi și a doua,corespunzător echivalenței dintre lucru mecanic și căldură. În sens larg, expresia este folosită la toate dispozitivele cu mișcare perpetuă, indiferent de formele de energie (electrică, magnetică etc.) care intervin. Definitorii sunt legea conservării energiei și problema ireversibilității. Unele dispozitive își obțin mișcarea din surse deenergie neconvențională,„ecologice”,însă, deși apar ca noi surse de mișcare, evident, nu sunt niște perpetuum mobile.

Perpetuum mobile de speța întâi

Un perpetuum mobile de speța întâi este un sistem fizico-chimic care ar funcționa ciclic și ar efectua, într-un număr de cicluri complete, lucru mecanic, fără a primi din exterior energie sub formă de lucru mecanic sau căldură. Imposibilitatea de a realiza un astfel de sistem este o consecință a primului principiu al termodinamicii. Din acesta rezultă imposibilitatea realizării, atât a acestui perpetuum mobile, cât și a reciprocului său, adică a unui sistem care să funcționeze ciclic și să primească, într-un număr de cicluri complete, lucru mecanic, fără să cedeze în exterior energie sub formă de lucru mecanic sau căldură.

Perpetuum mobile de speța a doua

Un perpetuum mobile de speța a doua este un sistem fizico-chimic care ar funcționa ciclic și ar efectua, într-un număr de cicluri complete, lucru mecanic, schimbând căldură cu o singură sursă de căldură, sursa fiind un sistem fizico-chimic de temperatură uniformă. Imposibilitatea de a realiza un astfel de sistem este o consecință a celui de al doilea principiu al termodinamicii. Problemademonului lui Maxwelleste până azi un obiect de discuție.

Unele dispozitive electrochimice capilă Karpenpot valorifica căldura mediului ambiant în mod izoterm.

Perpetuum mobile de speța a treia

Expresiaperpetuum mobile de speța a treiaeste de dată recentă, nu este legată de termodinamică și se referă la sisteme fizico-chimice izolate care, odată puse în mișcare, deoarece nu schimbă energie cu mediul ambiant și nu-și schimbă forma energiilor din sistem (în jargon tehnicsunt lipsite de pierderi) își păstrează mișcarea pe timp nelimitat. Imposibilitatea de a realiza un astfel de sistem derivă din ireversibilitatea fenomenelor.

Exemple de perpetuum mobile

Perpetuum mobile care nu funcționează

Acestea sunt dispozitive care nu funcționează, iar explicația de ce nu funcționează a fost dată.

Roata dezechilibrată.Se presupunea că masele dintr-o parte a roții (bile pe tije, bile libere, ciocane, mercur etc.) pot dezechilibra roata, care se va roti, producând lucru mecanic. Echilibrul forțelor și al momentelor unei astfel de roți (figura alăturată) a fost demonstrat de Leonardo da Vinci. Situația este comună tuturor roților mecanice „magice”.
Roata lui Orffyreus.Roata lui Orffyreus este, după cum a fost desenată de Johann Bessler (figura de alături, sus) un volant care odată pus în mișcare se învârte fără oprire. Secretul este descoperit în 1727, când servitoarea sa dezvăluie cum impulsiona ea mașina (figura de alături, jos), impuls suficient pentru menținerea roții în rotație câteva zile.
Planuri înclinate.Simon Stevin a conceput un perpetuum mobile în care a presupus că cele patru bile de pe o pantă a planului vor trage cele două bile de pe cealaltă pantă, rezultând o mișcare continuă. Nefuncționarea dispozitivului a dus la descoperirea echilibrului forțelor pe un plan înclinat. Problema (și explicația nefuncționării) este similară la toate dispozitivele gravitaționale pe bază de lanțuri cu diferite lungimi și poziții.
Șurub hidraulic.Șurubul hidraulic al luiArhimede,aplicat la o mașinărie din jurul anului1660.În aplicația din imaginea alăturată se intenționa ca apa ridicată de un șurub Arhimede în partea de sus a instalației să fie folosită la acționarea unei roți hidraulice. Această roată acționa, printr-un angrenaj, șurubul hidraulic și o piatră de tocilă. Autorul schiței presupunea că debitul de apă era suficient nu numai pentru acționarea roții hidraulice, ci și pentru răcirea pietrei de tocilă. Randamentele roții și a șurubului hidraulic, datorită frecărilor și neetanșeităților, nu permit funcționarea perpetuă a instalației.
Curea care plutește.Corpurile galbene sunt corpuriflotante,care sunt împinse în sus în ramura cu lichid de forța arhimedică, acționând roțile. Introducerea corpurilor în partea de jos necesită însă o forță care echilibrează exact flotabilitatea. Frecările și neetanșeitățile opresc mișcarea.
Roată plutitoare.Autorul propunerii presupunea că roata, fiind confecționată din lemn, în apă plutește. Deci sfertul de roată imersat este împins de forța arhimedică în sus, acționând roata. În realitate, forța arhimedică esterezultantapresiunii lichidului asupra părții imersate a obiectului, rezultantă care la această construcție este zero. ca urmare, roata nu se mișcă. Situația este comună tuturor roților imersate în două sau mai multe fluide cu densități diferite.
Cupa lui Boyle.Ideea se baza pe capilaritate. Lichidul trebuia să aibă otensiune superficialămai mică decât forța de adeziune la pereți (de exemplu apă în vas de sticlă), ceea ce duce la ridicarea lichidului în tubul capilarC.Acesta readuce lichidul în vas, realizând o mișcare perpetuă. Dispozitivul nu fucționează deoarece forțele capilare rețin lichidul în tubul capilar, nu-l eliberează în vas. Tubul capilar poate fi înlocuit cu corpuri poroase (fitile, bureți), cu același rezultat și motiv de nefuncționare.
Dispozitivul lui Maricourt.Acest dispozitiv a fost propus tocmai în scopul studierii proprietăților magneților.Aeste unmagnetcare atrage bilaBîn sus pe planul înclinatM.Cînd ajunge sus, bila cade prin orificiulCpe panta în formă de arc decicloidăN,unde gravitația o accelerează spreD,unde se întoarce pe rampaMși mișcarea continuă. Dispozitivul nu funcționează deoarece forțele magnetică și gravitațională se echilibrează într-un punct de pe traseu (punct situat de fapt pe cicloidă), iar frecarea oprește mișcarea în acel punct.
Grup motor-generator electrice.Acest sistem se presupune că ar funcționa în modul următor: motorul electric antrenează prin transmisia mecanică generatorul electric, care produce curent, care alimentează motorul electric, obținându-se mișcarea perpetuă. Sistemul nu funcționează deoarece atât motorul, cât și generatorul doar transformă o formă de energie (cea mecanică, respectiv cea electrică) în alta, transformare care nu poate genera nimic în plus, ba chiar pierderile limitează randamentul transformărilor. Ca urmare, odată consumată energia impulsului inițial, sistemul se oprește.

Pseudo perpetuum mobile

Acestea sunt sisteme care aparent funcționează, iar explicația de ce funcționează și ce fel de surse de energie folosesc, uneori mascate, a fost dată.

• Mișcareaelectronilorîn jurul nucleului.Acest fenomen se petrece la scarăsubmoleculară,scară la care statistica aplicată fenomenelor moleculare nu se aplică. Fenomenele de la această scară se abat de la mecanica clasică și sunt explicate demecanica cuantică.

• Mișcareaplanetelor.Pierderile energetice ale fenomenului sunt foarte mici, astfel că la scara temporală a vieții unuiommișcarea pare neîncetinită. La scară temporală auniversuluimișcarea planetelor se modifică foarte mult. Conform principiului al doilea a termodinamicii mișcările planetelor (ca și orice altă mișcare) se vor opricând entropia va atinge maximul,rezultând „moartea termică a universului”. În aceste considerații se omite că principiul al doilea a termodinamicii se referă lasistemefinite, la scara accesibilă în momentul de față omului, sisteme ale căror limite sunt în contact cu „mediul ambiant”, noțiuni care-și pierd sensul la scara universului.

Pasărea care bea apă.

• Pasărea care bea apă.Dispozitivul execută o mișcare oscilantă, pasărea muindu-și periodic ciocul in apă. Este unmotor termicclasic, mai exact unmotor Stirling,la care agentul termic este un lichid foarte volatil. Folosește două surse de căldură: drept sursă caldă folosește atmosferă, iar drept sursă rece o cantitate de apă înmagazinată în structura poroasă a capului, apă care preia căldură prinevaporare.Fără o cantitate de apă care trebuie furnizată în stare lichidă și iese din sistem sub formă de vapori dispozitivul nu funcționează. Desigur, aceste surse se găsesc în natură din abundență (aerul și apa mărilor), însă realizarea practică a unui asemenea dispozitiv este neeconomică datorită proprietăților fizice ale substanțelor, mai precis,conductivitatea termicăa agentului termic, care limitează viteza de evaporare.

• Ceasul care se trage singur.Astfel de dispozitive sunt mașini termice acționate de variațiile de temperatură saupresiune(ceasul Atmos) ale mediului ambiant. Pentru a funcționa, drept a doua sursă servește dispozitivul propriu-zis, masele căruia trebuind să fie în dezechilibru termodinamic cu mediul ambiant. Dacăparametrii de stareai mediului rămân constanți dispozitivul se oprește.

• Pompele de căldură.Opompă de căldurăapare a avea oeficiențămult supraunitară (de câteva ori). Aici este vorba de o neînțelegere de termeni, prin „eficiența” unei pompe de căldură se înțelege raportul dintre cantitatea de căldurăvehiculatăde pompă (nugenerată) și lucrul mecanic consumat pentru această vehiculare. Evident, în cadrul bilanțului energetic pompa preia această căldură de la sursa rece, de obicei mediul ambiant și o transmite sursei calde, având nevoie pentru asta de un consum de lucru mecanic, căci, conform principului al doilea al termodinamicii căldura nu trecede la sinede la sursa rece la sursa caldă (însă trecerea poate fi forțată consumând lucru mecanic).

• Radiometrul Crookes.Este format dintr-o morișcă foarte ușoară, care are frecări în lagare foarte mici, plasată într-un balon de sticlăvidatparțial. Paletele sunt pe o față negre, iar pe cealaltă albe sau lustruite. Dispozitivul, expus la oradiație luminoasă sau infraroșieîncepe să se învârtă. Explicația este că paletele îndreptate cu partea neagră spre sursa radiantă se încălzesc mai mult de la radiație, cedează căldura moleculelor degazcare mai sunt în balon și asupra lor apare oreacțiunemai mare decât asupra paletelor opuse, ca urmare morișca se mișcă. Din punct de vedere termodinamic este un motor cu două surse de căldură, paletele negre și mediul ambiant. Acest radiometru a fost construit deWilliam Crookesîn1873.

• Un dispozitiv electromagnetic oarecare,privind prin prisma legilor termodinamicii. Un motor electric cedează mediului și lucru mecanic, și căldură, aparent încălcând primul principiu al termodinamicii. Evident, aici este vorba de consumul echivalent al unei alte forme de energie (energia electrică), dispozitivul conformându-se legii conservării energiei.

Dispozitive cu mișcare perpetuă neexplicată

Acestea sunt dispozitive care funcționează, aparent sfidând legile cunoscute ale fizicii. Un exemplu sunt curenții electrici încircuite supraconductibile.Acest fenomen este încadrat ca perpetuum mobile de speța a treia și cercetările sunt în curs, fiind implicate fenomenele cuantice.

Dispozitive controversate

• PilaArhivatîn11 februarie 2008,laWayback Machine.luiNicolae Vasilescu-Karpen
• Generatorul N-1 Homopolar al lui De PalmaArhivatîn8 martie 2017,laWayback Machine.
• Roata gravitațională a lui Aldo CostaArhivatîn27 septembrie 2007,laWayback Machine.
• Motorul cu magneți al lui PerendevArhivatîn27 septembrie 2007,laWayback Machine.
• Dispozitivul cu flotabilitate variabilă al lui Smeretcianski

Brevete de invenții

Brevetele de invențiiasigură protecția ideii tehnice, aproprietății intelectuale.Oficiile de brevete ale unor țări, cum este Germania, cer ca aceste idei să fie și realizabile practic. Ca urmare, având în vedere avizul negativ al comunitățiiștiințifice,ele nu acceptă cererile de brevete pentru dispozitive care se declară a fi perpetuum mobile. Oficiile altor țări lasă în responsabilitatea autorului realizarea practică, considerând că nu este cazul să decidă ele dacă o invenție este realizabilă sau nu. Sigur că daca o idee nu este realizabilă, ea nu poate fi realizată nici de cei ce nu dețin brevetul, deci nu poate exista litigiu. Dacă este relizabilă, protecția funcționează, ceea ce și este scopul brevetului.

Bibliografie

• Răduleț, R.și colab.Lexiconul Tehnic Român,Editura Tehnică,București, 1957-1966.
• Perelman, Ia. I. –Zanimatelnaia fizika,Ed. a 17-a, Ed. Nauka, Moscova, 1965.

Legături externe

• enHans-Peter's Mathematick Technick Algorithmick Linguistick Omnium Gatherum
• enMuzeul dispozitivelor nefuncționale
• enIstoria perpetuum mobilelor de Donald Simanek
• enColecție de dispozitive de tip Bhaskara
• enRoata Bessler
• enPagina mișcării perpetue de Kevin Kilty
• enCâteva dispozitive propuse
• BREVETE DE INVENȚIE - Întrebări frecventeArhivatîn22 noiembrie 2016,laWayback Machine., Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci

Vezi și

• Energie
• Mașină termică
• Termodinamică