W naszym ostatnim artykule, który znajdziecie pod tym linkiem nie wyczerpaliśmy tematu perpetuum mobile, stąd kolejna jego część. Dla przypomnienia perpetuum mobile z języka łacińskiego oznacza „wiecznie poruszające się” i jest to maszyna, której zasada działania pozwala na jej nieskończoną pracę.
W tym artykule zastanowimy się, czy możliwe jest zaprojektowanie takiej machiny? Zaprezentujemy inne niż we wcześniejszym artykule, bardziej współczesne konstrukcje – przykłady z baz patentowych oraz z social mediów. Poznasz również wynalazki, które powszechnie uważane za przykład perpetuum mobile, tak naprawdę działają na zupełnie innej zasadzie. Po przeczytaniu tego artykułu, będziesz mógł ostatecznie sam stwierdzić, czy istnieje działające perpetuum mobile.
Perpetuum mobile pierwszego rodzaju
Według definicji perpetuum mobile I rodzaju, to taka maszyna, która działa, nie pobierając energii z zewnątrz, a wytwarza więcej energii, niż sama jest w stanie zużyć. Miałby to być samonapędzający się mechanizm – konstrukcja, która pracuje dzięki wytworzonej przez siebie energii.
Jest to sprzeczne z zasadą zachowania energii oraz z I zasadą termodynamiki, które zostaną opisane w kolejnym rozdziale.
Perpetuum mobile drugiego rodzaju
Perpetuum mobile II rodzaju miałoby być natomiast konstrukcją, która 100% pobranego z otoczenia ciepła zamienia na pracę mechaniczną. Nie oddaje ciepła do otoczenia, dzięki czemu nie wzrasta całkowita entropia układu, która jest miarą stopnia nieuporządkowania układu i rozproszenia energii.
Przykładem takiej maszyny byłby np. silnik cieplny pobierający z otoczenia ciepło, które następnie zamieniane byłoby całkowicie na pracę. Nie oddawałby on ciepła do otoczenia, a jego sprawność wynosiłaby 100%, co skutkowało by brakiem strat związanych z niepożądanymi przemianami energii. Idealizacją silnika cieplnego jest silnik pracujący na przykład według cyklu Carnota.
Działanie układu w ten sposób jest jednak niemożliwe, ponieważ stoi w sprzeczności z II zasadą termodynamiki.
Różnice pomiędzy perpetuum mobile pierwszego i drugiego stopnia
Aby zapamiętać, czym różni się perpetuum mobile pierwszego rzędu od drugiego, warto powiedzieć najprościej – perpetuum mobile pierwszego rzędu jest konstrukcją, która miałaby sama się napędzać, a perpetuum mobile drugiego rzędu miałoby pobierać ciepło z otoczenia i całość zamieniać na energię. Nasuwa się podstawowe pytanie – czy można stworzyć coś takiego?
Czy istnieje działające perpetuum mobile?
Jak widzimy wielu wynalazców próbowało różnych konstrukcji i projektów, aby stworzyć maszynę, która mogłaby działać w nieskończoność. Mimo różnorodności zaprezentowanych konstrukcji, żadna nie spełniała definicji perpetuum mobile.
Dzieje się tak, ponieważ nie jest możliwe stworzenie konstrukcji, która nie pobierając energii z zewnątrz i nie będąc w żaden sposób zasilana będzie działać wiecznie. Jest to sprzeczne z podstawowymi zasadami fizyki, które przedstawiliśmy poniżej.
Perpetuum mobile a prawa fizyki
Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona, takie urządzenie nie mogło zostać skonstruowane. Mówi ona, że:
„Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły się równoważą, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym względem nieruchomego układu odniesienia”.
Natomiast zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki głoszącej, że:
„Ciepło dostarczone do układu zużywa się na zwiększenie jego energii wewnętrznej i na wykonanie przez układ pracy przeciwko siłom zewnętrznym”
oraz ogólną zasadą zachowania energii, żadna konstrukcja nie może pracować przez dowolnie długi okres bez pobierania energii z zewnątrz, ponieważ wewnętrzna energia każdego ciała materialnego jest skończona.
Pierwsza zasada termodynamiki wyklucza więc powstawanie perpetuum mobile pierwszego rodzaju. Druga zasada termodynamiki mówiąca, że „W układzie termodynamicznie izolowanym w dowolnym procesie entropia nigdy nie maleje” wyklucza z kolei możliwość stworzenia perpetuum mobile drugiego rodzaju, czyli konstrukcji, która całkowicie zamienia energię cieplną na pracę.
Przegląd zaprojektowanych „perpetuum mobile”
Pomimo jasnych dowodów oraz tłumaczeń fizyków i innych uczonych, znalazło się wielu, których marzenie o „zbudowaniu maszyny wiecznego ruchu” było większe niż naukowe stwierdzenia. Wymyślali oni coraz to nowsze konstrukcje, które miały sprzeciwiać się nauce.
Krótkie podsumowanie pierwszych dokonań w tym temacie możecie obejrzeć w tym filmie:
Przykładowe perpetuum mobile z baz patentowych
Przeprowadzono wstępne badania patentowe, polegające na przeglądnięciu baz patentowych w poszukiwaniu zgłoszonych konstrukcji perpetuum mobile. Znaleziono wiele ciekawych projektów, z których kilka przedstawiono poniżej.
Jeśli sam chciałbyś opatentować swój pomysł, przeprowadzić badania patentowe lub dowiedzieć się więcej w tej kwestii – umów się do nas na konsultacje!
FELIKS JAMUŁA PERPETUUM MOBILE P.315301
Jako pierwsze przedstawimy perpetuum mobile znalezione w bazie patentowej Urzędu Patentowego Rzeczpospolitej Polskiej. Jest to najstarszy z przedstawionych w artykule projektów, ponieważ pochodzi z 1996 roku.
Zasada działania sprężarki polega na tym, że otwieramy regulację dopływu powietrza (6) na wolne obroty i wałkiem napędowym (14) nadajemy prędkość obrotową wirnikom (5) z tłokami (8). Powodują one ruch powietrza w sprężarce i jego dopływ do dyszy (17) z trzech stron oraz wytworzenie kompresji energii kinetycznej z dyszy powietrznej do dyszy wlotowej. Sprężanie w sprężarce pochodzi od energii kinetycznej, powstałej z energii cieplnej powietrza. Ustawienie cylindrów (2) wprawia mechanizm w ruch i gdy tłok otwiera kanał wlotowy do następnej komory roboczej, energia kinetyczna kumuluje się od ruchu obrotowego powietrza. Siła odśrodkowa powstająca od przyspieszenia obrotów, powoduje pracę i kompresje. Prędkość obrotowa powietrza w sprężarce jest większa niż prędkość obrotowa tłoków. Tłoki popychane są przez kompresje i dalej poruszane przez jej powolny spadek.
PERPETUAL MOTION MACHINE OF THE FOURTH KIND RO132725A2
Wynalazek dotyczy maszyny perpetuum mobile, wykonanej z 8 kesonów lub bębna, uruchamianej przez grupę dźwigni bez ramion. Według wynalazku perpetuum mobile składa się z zespołu grawitacyjnego uruchamianego ośmioma dźwigniami klasy 0 o kontrolowanej entropii 99,9%. 16 obciążników porusza się wewnątrz 8 kesonów poprzez sprzężenie z niektórymi kołami zębatymi, gdzie 14 ciężarków porusza się w sposób ciągły, a dwa pozostałe są podnoszone, dzięki seryjnemu sprzęganiu specjalnego koła zębatego, które zawiera bęben z pojedynczym kanałem do nawijania liny. Koła zębate obracające się na łożyskach napędzanych przez 8 sektorów zębatych o promieniu odpowiednim do zazębienia są zamontowane na nieruchomej ramie, dzięki czemu podczas pracy turbiny dwa obciążniki są podnoszone prawie pionowo w każdym cyklu. W drugim etapie obciążnik w środku wirnika osiąga wymagany obwód i dzięki stałemu kształtowi orbity obraca się zespół grawitacyjny. Za pomocą drugiego wału wytwarzana jest bez kosztowo energia mechaniczna. Poza układem dźwigni działa ona za pomocą koła zębatego na powielacz prędkości, który w ostatnim etapie napędza co najmniej dwa generatory, które wytwarzają energię elektryczną prawie za darmo.
HRP960091A2 STATECZNIK GRAWITACYJNY SILNIKA DRUGIEJ GENERACJI
Grawitacyjny balast silnika ge2ge (B) jest jednym z wielu sześcianów, które tworzą okrągły, spójny silnik który nieustannie porusza się w powietrzu, jak i w nieruchomym płynie w naczyniu technicznym, gdzie balast na przemian pełni funkcję elementu wyporu, jednocześnie chroniąc powierzchnie. Balast ciśnienia z przeciwnego, niepożądanego kierunku charakteryzującego się tym, że balast B jest powiązany z różnicą ciśnień płynu membrany D, ponieważ jest elementem ciśnieniowym dla ciśnienia działającego na jego dolną powierzchnię i jednocześnie wirnika ciśnieniowego działającego na jego górną powierzchnię.
Elastomerową membranę (D), która jest połączona z balastem i okrąża go tylko z jednej strony, dzięki czemu porusza się wraz z nimi sprawiając, że membrana jako szczelna powierzchnia przemieszczająca się wraz z powierzchnią balastu wystawioną na działanie ciśnienia dwustronnego, może przejąć działanie niepożądanego ciśnienia od góry do dołu.
Jednocześnie dolna, przeciwległa strona ze swoją powierzchnią i całkowitą objętością pozostaje otwarta i dostępna na działanie wyporu płynu zgodnie z Prawem Archimedesa.
Co jest oczywiste, żadna z tych konstrukcji nie spełniała definicji perpetuum mobile i nie mogła zostać opatentowana, gdyż nie stanowiła także żadnego nowatorskiego rozwiązania problemu technicznego.
Perpetuum mobile z YouTube’a
Na platformie YouTube wielu twórców zamieszcza filmy ze skonstruowanymi przez siebie „perpetuum mobile”. Przedstawione przeze mnie poniżej przykłady nie mogą jednak zostać nazwane mianem prawdziwego perpetuum mobile, ponieważ zawierają one w większości silniki napędzające lub magnesy, które to tracą z czasem swoją moc, a ich użycie zaprzecza definicji wiecznego ruchu, bez dodawania energii z zewnątrz.
Bezpaliwowy generator elektromagnetyczny
Przytoczony film prezentuje maszynę, która po około minutowym poborze prądu z sieci, podczas którego pracuje silnik elektryczny napędza coś w kształcie bębna obłożonego sporą ilością magnesów. Po rozłączeniu maszyny od sieci, silnik nie przestaje się kręcić, tylko działa tak jak dotychczas, co według konstruktorów świadczy o tym, że ich urządzenie jest w stanie wygenerować nieskończoną ilość energii.
Konstrukcja maszyny jest dość tajemnicza, ponieważ nie wiadomo co znajduje się w środku bębna z magnesami. W jednym momencie filmu widać 6 superkondensatorów, które bez problemu mogłyby podtrzymać działanie maszyny przez czas dłuższy, niż czas trwania filmu.
Warto też zauważyć, że wał bębna oraz wał silnika kręcą się w znacznie różniących się od siebie prędkościach chociaż średnica obu krążków jest do siebie zbliżona, co może świadczyć o tym, że wcale się wzajemnie nie napędzają.
Generator energii z użyciem magnesów neodymowych
W tym filmie twórca przedstawia projekt konstrukcji „perpetuum mobile” z użyciem magnesów neodymowych. Używa w niej silnika prądu stałego, który jest napędzany dzięki oddziaływaniu między sobą magnesów. Samo użycie magnesów jest sprzeczne z definicją perpetuum mobile, a sam autor w opisie wspomina, że nie jest to „całkiem darmowa energia”.
Litewskie perpetuum mobile
W tym filmie twórca przedstawia projekt konstrukcji „perpetuum mobile” z użyciem magnesów neodymowych. Używa w niej silnika prądu stałego, który jest napędzany dzięki oddziaływaniu między sobą magnesów. Samo użycie magnesów jest sprzeczne z definicją perpetuum mobile, a sam autor w opisie wspomina, że nie jest to „całkiem darmowa energia”.
Konstrukcje mylnie uważane za perpetuum mobile
Kołyska Newtona
Wiele osób uważa, tak zwaną kołyskę Newtona, za perpetuum mobile. Składa się ona zazwyczaj z 4 jednakowych metalowych kulek zawieszonych na żyłkach/nitkach. Jej zasada działania polega na tym, że odchylając i puszczając jedną skrajną kulkę, kulka na przeciwległym końcu odchyla się. Nie ma to jednak żadnego związku z perpetuum mobile, a jest przykładem zasady zachowania pędu i energii podczas sprężystego zderzenia kulek.
Ptak „Pijak”
Kolejnym przykładem błędnego określenia jako perpetuum mobile jest pijący ptak wynaleziony w 1945 roku przez Milesa Sullivana. Są to dwie szklane kule (tułów i głowa) połączone rurką, która ma imitować ptasią szyję. Rurka ta ma swój jeden koniec wewnątrz dolnej bańki, która wypełniona jest chlorkiem metylenu. Całość umieszczona jest na osi i ozdobiona piórkiem imitującym ogon, filcowym dziobem i oczami.
Ptak ten nie jest jednak przykładem perpetuum mobile, a pełnoprawnym silnikiem cieplnym, który wykorzystuje różnice temperatur do zamiany energii cieplnej w różnicę ciśnień wewnątrz konstrukcji w celu wykonania pracy. Ptak nie będzie „pił wody” wiecznie, a tylko wtedy kiedy w szklance będzie znajdowała się woda. Źródłem energii napędzającej ptaszka jest ciepło powietrza z otoczenia, a różnica temperatur powstaje dzięki zjawisku parowania wody. Zabawka ta nie będzie działała, w momencie gdy wilgotność powietrza w otoczeniu osiągnie 100%, co uniemożliwi parowanie wody z filcu i nie powstanie różnica temperatur.
Sprawdzamy czy koncepcja perpetuum mobile działa – modelowanie i druk 3D
Po przestudiowaniu tak wielu pomysłów zdecydowano się na stworzenie prototypu perpetuum mobile inspirowanego pierwszymi konstrukcjami.
Na początkowym etapie określono zarys pomysłu na podstawie którego zaprojektowano prototyp oraz ustalono jak będzie przebiegała praca. Oczywiście podczas projektowania i tworzenia miniatury założono, że powstały model będzie działał 😉
Koncepcja perpetuum mobile
Przed rozpoczęciem modelowania wybranej konstrukcji perpetuum mobile, wykonano jej szkic koncepcyjny.
Tworząc projekt perpetuum mobile wzorowano się na jednej z pierwszych historycznych koncepcji, w której to toczące się metalowe kule wyprowadzają koło ze stanu równowagi.
Modelowanie 3D wiecznie działającej maszyny
Ponieważ rekonstrukcja perpetuum mobile ma być ruchoma, zamodelowano poszczególne części jako osobne komponenty w celu ich późniejszego złożenia, a także optymalizacji druku na drukarce 3D. Modelowanie części jako osobnych komponentów i połączenie ich odpowiednimi wiązaniami pozwoliło również na wykonanie animacji. Prototyp składa się z koła, podstawki, pręta mocującego, łożysk oraz pokrywek na łożyska. Elementy zamodelowano, biorąc pod uwagę późniejszy montaż, dlatego też część z nich posiada kołki, część otwory na śruby.
Do zamodelowania prototypu, a także do wykonania animacji oraz wizualizacji projektu użyto programu Fusion360. Aby nauczyć się pracy w środowisku tego programu odwiedź nasz kanał na Youtube – WynalazcaTV, gdzie znajduje się wiele filmów instruktażowych związanych z oprogramowaniem, a także inne przydatne informacje.
Renderowanie modelu perpetuum mobile
Renderowanie to proces, który pozwala stworzyć realistyczną wizualizację naszego modelu poprzez dobór odpowiednich materiałów, oświetlenia i tekstur. Daje to możliwość wprowadzania nieograniczonych zmian i poprawek, m.in. dobranie odpowiedniej kolorystyki czy scenerii.
Stworzenie wizualizacji 3D pozwala na poznanie faktycznego wyglądu naszego projektu i sprawdzenie, czy spełnia nasze oczekiwania. Jest także świetnym narzędziem promocji – może zostać stworzona zanim jeszcze powstanie fizyczny produkt.
Proces tworzenia takiej wizualizacji jest dość skomplikowany, a podstawowym wymogiem jest posiadanie modelu 3D oraz odpowiedniego oprogramowania i sprzętu.
Jeśli chciałbyś się dowiedzieć więcej na temat tworzenia wizualizacji 3D produktu przeczytaj ten artykuł.
Na potrzeby wykonanego projektu perpetuum mobile stworzono jego wizualizację używając kolorów i materiałów z których będzie wykonany docelowy model rzeczywisty.
Animacja perpetuum mobile
Tworzenie animacji pozwala na pokazanie w jaki sposób zaprojektowane urządzenie może się poruszać, jak ma działać, i jak wyglądać z każdej strony. Taka symulacja daje ogólne wyobrażenie i pozwala zaciekawić klienta, bez potrzeby posiadania rzeczywistego przedmiotu.
Jeśli chciałbyś zwizualizować swój pomysł, a nie wiesz jak, zgłoś się do nas tutaj!
Na potrzeby naszego modelu wykonano bardzo prostą animację, którą widzisz poniżej:
Przygotowanie modelu do druku – format STL
W celu wydrukowania naszego modelu konieczny był jego eksport do formatu STL. Format STL pozwala na przedstawienie geometrii powierzchni naszych modeli w postaci siatki trójkątów, dzięki czemu można je zaimportować do przestrzeni roboczej drukarki 3D.
Poniżej widać dwie części modelu perpetuum mobile przedstawione za pomocą siatki trójkątów:
Druk 3D modelu perpetuum mobile
Druk 3D jest jedną z metod przyrostowych (addytywnych) tworzenia modeli przestrzennych. Polega na nakładaniu materiału (filamentu) warstwa po warstwie i jego utwardzaniu. Aby model w trakcie wytwarzania nie tracił zadanego kształtu oraz aby umożliwić wydruk części „wiszących w powietrzu” potrzebne są podpory, które można dodać w środowisku roboczym drukarki automatycznie lub ustawić samemu. Ważne jest zoptymalizowanie ustawienia elementów na stole drukarki tak, aby zminimalizować ilość potrzebnych supportów, a tym samym zużycie materiału.
Dokładność wydruku zależy od bardzo wielu czynników, m.in. od użytego filamentu, czasu wydruku, dokładności drukarki. Aby uzyskać dobre dopasowanie elementów do siebie w naszym modelu każdy z otworów powiększono o ok. 0,2 mm.
Aby złożyć model konieczna jest obróbka mechaniczna wydruków, czyli m.in. usunięcie podpór, ewentualne powiększenie otworów, wygładzenie powierzchni elementu.
W przypadku modelu perpetuum mobile najbardziej pracochłonną częścią postproccessingu wydruku była obróbka części składowych koła, ponieważ składa się ono z wielu drobnych niesymetrycznych poprzeczek i otworów.
Po obróbce otworów, w tym otworów na łożyska przystąpiono do złożenia części w całość.
Podczas modelowania zrezygnowano z druku łożysk oraz kulek wprawiających koło w ruch i zdecydowano się na ich zakup, aby zoptymalizować cały proces.
Łożyska pasowano ciasno, pokrywy do łożysk zostały zamontowane na śrubkach. Dwie części koła zostały połączone za pomocą kołków, do środka każdej przegrody włożono po jednej metalowej kulce. Podstawka została połączona kołkami, a jej konstrukcję wzmocniono klejem.
Końcowy efekt przedstawiono na poniższych zdjęciach.
Po wykonaniu modelu i złożeniu wydruku podjęto próbę wprawienia naszego prototypu „wiecznej maszyny” w ruch. Niestety tak jak się spodziewaliśmy – z marnym skutkiem. Koło co prawda obraca się, ale wykonuje tylko parę obrotów, po czym zaczyna huśtać się, aby ostatecznie zatrzymać.
Nasza próba zakończyła się fiaskiem, z tych samych powodów, z których nie mogło działać koło Bhaskary. Przetaczające się kulki nie napędzały perpetuum mobile swoim zmiennym ciężarem, a jedynie wprawiały w lekki ruch poprzez przeniesienie środka ciężkości koła.
Nasze próby wprawienia w ruch perpetuum mobile możecie zobaczyć na tym filmie:
Podsumowanie – Co to jest perpetuum mobile? Przykładowe konstrukcje
W tej części artykułu przedstawiliśmy przykłady perpetuum mobile, omówiliśmy generacje oraz wyjaśniliśmy dlaczego nie można zbudować działającego perpetuum mobile.
Jednocześnie na potrzeby wpisu stworzono replikę jednej z najstarszych koncepcji perpetuum mobile – a mianowicie wariację koła Bhaskara.
Dzięki temu artykułowi możesz dowiedzieć się jak wykonać model 3D, jego wizualizację i symulację działania, a także na czym polega druk 3D oraz postprocessing i montaż modelu.
Jeśli po przeczytaniu tego wpisu chciałbyś zlecić nam tworzenie własnego prototypu, czy materiałów takich, jak wizualizacje 3d – koniecznie do nas napisz na: kontakt@wynalazca.tv
W przypadku, gdy sam jesteś wynalazcą i być może pracujesz nad własnym przełomowym projektem koniecznie dowiedz się JAK CHRONIĆ SWÓJ POMYSŁ zapisując się do naszego DARMOWEGO kursu: Poradnik ABC Wynalazcy. Współautorka: Jowita Guzek
- Co to jest perpetuum mobile? – czy uda nam się wprawić je w wieczny ruch? - 21 lutego 2022
- Fotowoltaika – jak to działa? Zastosowania i projekt ławki - 26 listopada 2021