Perpetuum mobile

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

În accepţia modernă, un perpetuum mobile este un dispozitiv care îşi menţine o mişcare ciclică permanentă incalcând legile de conservare acceptate, sau incalcând ireversibilitatea fenomenelor din natură, ireversibilitate de asemenea acceptată.

Se discută despre următoarele tipuri de perpetuum mobile:

Perpetuum mobile de speţa întâi, care iniţial viza violarea primului principiu al termodinamicii. Actual în această categorie intră toate dispozitivele care violează principiul conservării energiei, indiferent în ce formă.
Perpetuum mobile de speţa a doua, care iniţial viza violarea celui de al doilea principiu al termodinamicii. Actual în această categorie intră toate dispozitivele care violează comportarea statistică a materiei la nivel molecular.
Perpetuum mobile de speţa a treia, concept de dată recentă. În această categorie intră dispozitivele care, deşi nu schimbă energie cu exteriorul (sunt sisteme izolate), violează ireversibilitatea fenomenelor.

[modifică] Istoric

Roata cu ciocane a lui Villard de Honnecourt.

Istoricul maşinilor cu mişcare perpetuă se confundă cu istoria fizicii. Încercările de a realiza o astfel de maşină au dus la dezvoltarea cunoştinţelor ştiinţifice.

În jurul anului 500 î.Hr. filozoful grec Anaxagora afirmă că din nimic nu se obţine nimic, şi nimic nu poate fi anihilat.
În jurul anului 300 î.Hr. filozoful grec Aristotel afirmă că natura are oroare de vid, concept care a dus la stagnarea ştiinţifică timp de aproape 2000 de ani.
În jurul anului 1100 astronomul şi matematicianul indian Bhaskara descrie un perpetuum mobile format dintr-o roata cu spiţe umplute cu mercur.
În anul 1235 meşterul francez Villard de Honnecourt descrie un perpetuum mobile format dintr-o roată dezechilibrată, cu şapte ciocane articulate.
În 1269 Pierre de Maricourt (Petrus Peregrinus) descrie un perpetuum mobile care se baza pe acţiunea unui magnet natural.
În jurul anului 1480 italianul Francisco di Giorgio descrie câteva mecanisme hidraulice cu circuit închis al apei.
În 1480 Leonardo da Vinci face câteva schiţe despre roata dezechilibrată şi şurubul de apă al lui Arhimede. În jurul anului 1490 Leonardo da Vinci explică momentele forţelor la o roată cu greutăţi şi demonstrează imposibilitatea mişcării spontane a unei astfel de roţi.
În 1562 iezuitul german Johannes Taisnierus (Johann Tausner) descrie un perpetuum mobile format dintr-o rampă, un magnet şi o bilă de fier.
În 1586 olandezul Simon Stevin demonstrează imposibilitatea funcţionării unui perpetuum mobile bazat pe planuri înclinate.
În 1640 matematicianul René Descartes afirmă că „în natură, suma cantităţilor tuturor tipurilor de materie şi a vitezelor lor este constantă”. Confuzia dintre energie şi putere conduce la dispute.
În 1645 A. Martin inventează un ceas hidraulic acţionat prin capilaritate.
În 1648 englezul John Wilkins explică de ce nu funcţionează maşina lui Taisnierus.
În 1660 matematicianul, fizicianul şi astronomul olandez Christian Huygens stabileşte legile conservării momentului cinetic al corpurilor în rotaţie.
În 1685 Robert Boyle descrie un perpetuum mobile chimic. Se presupune că ar fi observat o reacţie chimică oscilantă.
În 1685 Denis Papin propune un perpetuum mobile care violează echilibrul lichidelor în tuburi comunicante.
În 1686 Gottfried Wilhelm Leibniz relevă erorile lui Descartes şi defineşte energia potenţială drept produsul forţei şi a înălţimii.
În 1712 Johann Ernst Elias Bessler, zis Orffyreus prezintă în Germania prima sa maşină cu mişcare continuă. Primeşte bani pentru a construi alte maşini şi scrie o carte, Perpetuum Mobile Triumphans. Descrierea maşinii îi este trimisă lui Isaac Newton, care însă nu răspunde. Frauda este descoperită în 1727.
În 1742 Johann Bernoulli senior descrie un mecanism bazat pe osmoza dintre două lichide.
În 1750 Pierre Jaquet Droz construieşte un ceas cu un mecanism cu lamă bimetalică acţionată de variaţiile de temperatură ale mediului ambiant.
În 1751 Louis Antoine LePlat construieşte un ceas tras de un mecanism acţionat de vânt.
În 1763 Andrew Doswill construieşte un dispozitiv cu un rotor de fier care se roteşte într-un câmp magnetic staţionar.
În 1775 la sugestia lui Pierre Simon Laplace, Academia Franceză de Ştiinţe publică în analele sale un text care începe cu: Construcţia unei maşini cu mişcare perpetuă este absolut imposibilă. De atunci, Academia refuză examinarea oricărui dispozitiv care se pretinde a fi un perpetuum mobile.
În 1775 englezul Coxe construieşte un ceas acţionat de recipiente cu mercur deplasat de presiunea barometrică.
În 1815 un oarecare Ramis în München prezintă un dispozitiv electrostatic cu mişcare perpetuă, acţionat de fapt de pile galvanice Zamboni.
În 1827 William Congreve, ofiţer, savant şi ceasornicar propune un perpetuum mobile acţionat prin capilaritatea unor bureţi scufundaţi într-un lichid.
În jurul anului 1815 elveţianul David Robert Geiser construieşte un ceas perpetuu, frauda fiind descoperită după moartea sa.
În 1843 James Prescott Joule determină echivalentul mecanic al caloriei şi a altor forme de energie.
În 1848 Hermann Helmholtz formulează principiul conservării energiei.
În jurul anului 1880 Ludwig Boltzmann interpretează căldura drept un fenomen mecanic, care poate fi descris prin metode statistice.
În 1872 John Worell Keely prezintă un dispozitiv oscilant care ar scoate energie din eter. După moartea sa, în 1898 se descoperă că dispozitivul era acţionat cu aer comprimat.
În 1880 James Clerk Maxwell descrie experimentul mental al Demonului Maxwellian.
În 1880 Rudolf Clausius formulează primele două legi ale termodinamicii în forma cunoscută astăzi.
În jurul anului 1900 biroul de patente german refuză cca. 320 de cereri de brevete pentru maşini cu mişcare perpetuă.
În 1903 John William Strutt, (Lord Rayleigh) construieşte un ceas cu radiu, a cărei funcţionare a fost explicată doar prin teoria relativităţii a lui Albert Einstein.
În 1910 Walther Nernst formulează a treia lege a termodinamicii, lege reformulată ulterior de Max Planck.
În 1955 rusul Belousov descoperă o reacţie chimică oscilantă, care pare a contrazice principiul al doilea al termodinamicii. Cercetările sunt continuate în 1968 de Zabotinski.
În 1995 Aldo Costa depune o cerere de brevet pentru o roată cu mişcare perpetuă gravitaţională, obţinută prin „unificarea mecanicilor clasică şi cuantică”.
În 2003 Mihail Smeretcianski obţine un brevet francez pentru o maşină de tip perpetuum mobile, bazată pe flotabilitate.

[modifică] Tipuri de perpetuum mobile

În accepţie termodinamică se discută doar despre perpetuum mobile de speţa întâi şi a doua, corespunzător echivalenţei dintre lucru mecanic şi căldură. În sens larg, expresia este folosită la toate dispozitivele cu mişcare perpetuă, indiferent de formele de energie (elecrică, magnetică etc.) care intervin. Definitorii sunt legea conservării energiei şi problema ireversibilităţii. Unele dispozitive îşi obţin mişcarea din surse de energie neconvenţională, „ecologice”, însă, deşi apar ca noi surse de mişcare, evident, nu sunt nişte perpetuum mobile.

[modifică] Perpetuum mobile de speţa întâi

Un perpetuum mobile de speţa întâi este un sistem fizico-chimic care ar funcţiona ciclic şi 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 consecinţă a primului principiu al termodinamicii. Din acesta rezultă imposibilitatea realizării, atât a acestui perpetuum mobile, cât şi a reciprocului său, adică a unui sistem care să funcţioneze ciclic şi să primească, într-un număr de cicluri complete, lucru mecanic, fără să cedeze în exterior energie sub formă de lucru mecanic sau căldură.

[modifică] Perpetuum mobile de speţa a doua

Un perpetuum mobile de speţa a doua este un sistem fizico-chimic care ar funcţiona ciclic şi 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 consecinţă a celui de al doilea principiu al termodinamicii. Problema demonului lui Maxwell este până azi un obiect de discuţie.

[modifică] Perpetuum mobile de speţa a treia

Expresia perpetuum mobile de speţa a treia este de dată recentă, nu este legată de termodinamică şi se referă la sisteme fizico-chimice izolate care, odată puse în mişcare, Deoarece nu schimbă energie cu mediul ambiant şi nu-şi schimbă forma energiilor din sistem (în jargon tehnic sunt lipsite de pierderi) îşi păstrează mişcarea pe timp nelimitat. Imposibilitatea de a realiza un astfel de sistem derivă din ireversibilitatea fenomenelor.

[modifică] Exemple de perpetuum mobile

[modifică] Perpetuum mobile care nu funcţionează

Acestea sunt dispozitive cunoscute, care nu funcţionează, iar explicaţia de ce nu funcţionează a fost dată.

Roata dezechilibrată. Se presupunea că masele dintr-o parte a roţii (bile pe tije, bile libere, ciocane, mercur etc.) pot dezechilibra roata, care se va roti, producând lucru mecanic. Echilibrul forţelor şi al momentelor unei astfel de roţi (figura alăturată) a fost demonstrat de Leonardo da Vinci. Situaţia este comună tuturor roţilor 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 mişcare se învârte fără oprire. Secretul este descoperit în 1727, când servitoarea sa dezvăluie cum impulsiona ea maşina (figura de alături, jos), impuls suficient pentru menţinerea roţii în rotaţie 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 mişcare continuă. Nefuncţionarea dispozitivului a dus la descoperirea echilibrului forţelor pe un plan înclinat. Problema (şi explicaţia nefuncţionării) este similară la toate dispozitivele gravitaţionale pe bază de lanţuri cu diferite lungimi şi poziţii.
Şurub hidraulic. Şurubul hidraulic al lui Arhimede, aplicat la o maşinărie din jurul anului 1660. În aplicaţia din imaginea alăturată se intenţiona ca apa ridicată de un şurub Arhimede în partea de sus a instalaţiei să fie folosită la acţionarea unei roţi hidraulice. Această roată acţiona, printr-un angrenaj, şurubul hidraulic şi o piatră de tocilă. Autorul schiţei presupunea că debitul de apă era suficient nu numai pentru acţionarea roţii hidraulice, ci şi pentru răcirea pietrei de tocilă. Randamentele roţii şi a şurubului hidraulic, datorită frecărilor şi neetanşeităţilor, nu permit funcţionarea perpetuă a instalaţiei.
Curea care pluteşte. Corpurile galbene sunt corpuri flotante, care sunt împinse în sus în ramura cu lichid de forţa arhimedică, acţionând roţile. Introducerea corpurilor în partea de jos necesită însă o forţă care echilibrează exact flotabilitatea. Frecările şi neetanşeităţile opresc mişcarea.
Roată plutitoare. Autorul propunerii presupunea că roata, fiind confecţionată din lemn, în apă pluteşte. Deci sfertul de roată imersat este împins de forţa arhimedică în sus, acţionând roata. În realitate, forţa arhimedică este rezultanta presiunii lichidului asupra părţii imersate a obiectului, rezultantă care la această construcţie este zero. ca urmare, roata nu se mişcă. Situaţia este comună tuturor roţilor imersate în două sau mai multe fluide cu densităţi diferite.
Cupa lui Boyle. Ideea se baza pe capilaritate. Lichidul trebuia să aibă o tensiune superficială mai mică decât forţa de adeziune la pereţi (de exemplu apă în vas de sticlă), ceea ce duce la ridicarea lichidului în tubul capilar C. Acesta readuce lichidul în vas, realizând o mişcare perpetuă. Dispozitivul nu fucţionează deoarece forţele capilare reţin lichidul în tubul capilar, nu-l eliberează în vas. Tubul capilar poate fi înlocuit cu corpuri poroase (fitile, bureţi), cu acelaşi rezultat şi motiv de nefuncţionare.
Dispozitivul lui Maricourt. Acest dispozitiv a fost propus tocmai în scopul studierii proprietăţilor magneţilor. A este un magnet care atrage bila B în sus pe planul înclinat M. Cînd ajunge sus, bila cade prin orificiul C pe panta în formă de arc de cicloidă N, unde gravitaţia o accelerează spre D, unde se întoarce pe rampa M şi mişcarea continuă. Dispozitivul nu funcţionează deoarece forţele magnetică şi gravitaţională se echilibrează într-un punct de pe traseu (punct situat de fapt pe cicloidă), iar frecarea opreşte mişcarea în acel punct.
Grup motor-generator electrice. Acest sistem se presupune că ar funcţiona în modul următor: motorul electric antrenează prin transmisia mecanică generatorul electric, care produce curent, care alimentează motorul electric, obţinându-se mişcarea perpetuă. Sistemul nu funcţionează deoarece atât motorul, cât şi 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 iniţial, sistemul se opreşte.

[modifică] Pseudo perpetuum mobile

Acestea sunt sisteme care aparent funcţionează, iar explicaţia de ce funcţionează şi ce fel de surse de energie folosesc, uneori mascate, a fost dată.

Mişcarea electronilor în jurul nucleului. Acest fenomen se petrece la scară submoleculară, scară la care statistica aplicată fenomenelor moleculare nu se aplică. Fenomenele de la această scară se abat de la mecanica clasică şi sunt explicate de mecanica cuantică.

Mişcarea planetelor. Pierderile energetice ale fenomenului sunt foarte mici, astfel că la scara temporală a vieţii unui om mişcarea pare neîncetinită. La scară temporală a universului mişcarea planetelor se modifică foarte mult. Conform legii a doua a termodinamicii mişcările planetelor (ca şi orice altă mişcare) se vor opri când entropia va atinge maximul, rezultând „moartea termică a universului”. În aceste consideraţii se omite că legea a doua a termodinamicii se referă la sisteme finite, la scara accesibilă în momentul de faţă omului, sisteme ale căror limite sunt în contact cu „mediul ambiant”, noţiuni care-şi pierd sensul la scara universului.

Pasărea care bea apă.

Pasărea care bea apă. Dispozitivul execută o mişcare oscilantă, pasărea muindu-şi periodic ciocul in apă. Este un motor termic clasic, mai exact un motor Stirling, la care agentul termic este un lichid foarte volatil. Foloseşte două surse de căldură: drept sursă caldă foloseşte atmosferă, iar drept sursă rece o cantitate de apă înmagazinată în structura poroasă a capului, apă care preia căldură prin evaporare. Fără o cantitate de apă care trebuie furnizată în stare lichidă şi iese din sistem sub formă de vapori dispozitivul nu funcţionează. Desigur, aceste surse se găsesc în natură din abundenţă (aerul şi apa mărilor), însă realizarea practică a unui asemenea dispozitiv este neeconomică datorită proprietăţilor fizice ale substanţelor, mai precis, conductivitatea termică a agentului termic, care limitează viteza de evaporare.

Ceasul care se trage singur. Astfel de dispozitive sunt maşini termice acţionate de variaţiile de temperatură sau presiune (ceasul Atmos) ale mediului ambiant. Pentru a funcţiona, drept a doua sursă serveşte dispozitivul propriu-zis, masele căruia trebuind să fie în dezechilibru termodinamic cu mediul ambiant. Dacă parametrii de stare ai mediului rămân constanţi dispozitivul se opreşte.

Pompele de căldură. O pompă de căldură apare a avea o eficienţă mult supraunitară (de câteva ori). Aici este vorba de o neînţelegere de termeni, prin „eficienţa” unei pompe de căldură se înţelege raportul dintre cantitatea de căldură vehiculată de pompă (nu generată) şi lucrul mecanic consumat pentru această vehiculare. Evident, în cadrul bilanţului energetic pompa preia această căldură de la sursa rece, de obicei mediul ambiant şi o transmite sursei calde, având nevoie pentru asta de un consum de lucru mecanic, căci, conform principului al doilea al termodinamicii căldura nu trece de la sine de la sursa rece la sursa caldă (însă trecerea poate fi forţată consumând lucru mecanic).

Radiometrul Crookes. Este format dintr-o morişcă foarte uşoară, care are frecări în lagare foarte mici, plasată într-un balon de sticlă vidat parţial. Paletele sunt pe o faţă negre, iar pe cealaltă albe sau lustruite. Dispozitivul, expus la o radiaţie luminoasă sau infraroşie începe să se învârtă. Explicaţia este că paletele îndreptate cu partea neagră spre sursa radiantă se încălzesc mai mult de la radiaţie, cedează căldura moleculelor de gaz care mai sunt în balon şi asupra lor apare o reacţiune mai mare decât asupra paletelor opuse, ca urmare morişca se mişcă. Din punct de vedere termodinamic este un motor cu două surse de căldură, paletele negre şi mediul ambiant. Acest radiometru a fost construit de William Crookes în 1873.

Un dispozitiv electomagnetic oarecare, privind prin prisma legilor termodinamicii. Un motor electric cedează mediului şi lucru mecanic, şi 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.

[modifică] Dispozitive cu mişcare perpetuă neexplicată

Acestea sunt dispozitive care funcţionează, aparent sfidând legile cunoscute ale fizicii. Un exemplu sunt curenţiii electrici în circuite supraconductibile. Acest fenomen este încadrat ca perpetuum mobile de speţa a treia şi cercetările sunt în curs, fiind implicate fenomenele cuantice.

[modifică] Dispozitive controversate

[modifică] Brevete de invenţii

Brevetele de invenţii asigură protecţia ideii tehnice, a proprietăţii intelectuale. Oficiile de brevete ale unor ţări, cum este Germania, cer ca aceste idei să fie şi realizabile practic. Ca urmare, având în vedere avizul negativ al comunităţii ştiinţifice, ele nu acceptă cererile de brevete pentru dispozitive care se declară a fi perpetuum mobile. Oficiile altor ţări lasă în responsabilitatea autorului realizarea practică, considerând că nu este cazul să decidă ele dacă o invenţie este realizabilă sau nu. Sigur că daca o idee nu este realizabilă, ea nu poate fi realizată nici de cei ce nu deţin brevetul, deci nu poate exista litigiu. Dacă este relizabilă, protecţia funcţionează, ceea ce şi este scopul brevetului.

[modifică] Bibliografie

Răduleţ, R. şi colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, Bucureşti, 1957-1966.
Perelman, Ia. I. – Zanimatelnaia fizika, Ed. a 17-a, Ed. Nauka, Moscova, 1965.

[modifică] Legături externe

[modifică] Vezi şi