Co to jest perpetuum mobile? – przegląd historycznych konstrukcji

2021-12-07

Perpetuum mobile z łacińskiego „wiecznie poruszające się”. Hipotetycznie – jest to maszyna, której zasada działania pozwala na jej nieskończoną pracę. Można więc powiedzieć, że maszyna ta, raz wprawiona w ruch działałaby „wiecznie”. Ale czy możliwe jest zaprojektowanie takiej konstrukcji?

W tym artykule zostanie przedstawiony przegląd historycznych „perpetuum mobile”, gdyż od czasu stworzenia pierwszych maszyn ludzkość stara się zbudować „urządzenie doskonałe”. Niestety dziś już wiadomo, że prawa fizyki rządzące wszechświatem na to nie pozwalają. Skupimy się na projektach, które przez lata pobudzały wyobraźnie wynalazców i dawały nowe spojrzenie na energie.

Historia perpetuum mobile

Najczęściej wybieraną konstrukcją podczas tworzenia pierwszych modeli perpetuum mobile było koło. Pierwsze wariacje na jego temat zostały przedstawione przez starożytnych wynalazców już w 1150 roku.

Poszczególni twórcy kierowali się różnorakimi pobudkami rozpoczynając od religijnych po te konstruktorskie. Poniższy przegląd pokaże podejście wynalazców do projektowania i budowy wiecznych maszyn.

Koło Bhaskara

Pierwsze udokumentowane perpetuum mobile zostało opisane przez indyjskiego autora Bhaskarę (ok. 1159). Było to koło z pojemnikami wypełnionymi rtęcią na obwodzie. Kiedy koło się obracało, rtęć miała w zamierzeniu przemieszczać się w pojemnikach w taki sposób, żeby koło było zawsze cięższe z jednej strony osi.

Niestety przelewająca się ciecz przenosiła środek ciężkości koła poniżej właściwej osi obrotu, co w praktyce sprawiło, że koło huśtało się raz w jedną raz w drugą stronę, aby ostatecznie się zatrzymać.

Była to nie tyle propozycja praktyczna, ile ilustracja dla indyjskiej filozofii cyklicznej. W buddyzmie określa ona koncepcje czasu i cykliczny porządek kosmiczny. Zakłada powstanie nowego świata z rozpadu świata poprzedniego, który starzeje się, aby sam w końcu ulec rozpadowi i stać się przyczyną świata kolejnego – istny wieczny mechanizm. Idąc tą myślą Wielki Wybuch, traktowany przez zachodnich fizyków jako prapoczątek wszechświata, jest jedynie efektem rozpadu Wszechświata poprzedniego w niekończącym się cyklu przemian.

Pomysł pojawiał się ponownie w wielu pismach arabskich, aż ze świata islamu idea dotarła również do Europy.

Indyjski matematyk i astronom Bhaskara
Pierwszy projekt perpetuum mobile

Koło Villarda

Villard de Honnecourt żył i pracował w północnej Francji w latach 1225-1250. Zachował się jego szkicownik z 250 rysunkami. Przedstawiają one projekty maszyn, mechanizmów katapult oraz kościołów. Villard jest często nazywany architektem, ale nie znamy żadnej budowli, którą zaprojektował, ani która byłaby mu przypisywana.

Najsłynniejszym z jego projektów maszyn było perpetuum mobile. Było to niewyważone koło z młotkami na zawiasach rozmieszczonymi równomiernie wokół jego obręczy. Opis autora tego projektu brzmiał następująco (w tłumaczeniu z języka francuskiego):

Niejednokrotnie zręczni robotnicy próbowali wymyślić koło, które by się samo obracało; oto sposób na zrobienie takiego koła za pomocą nierównej liczby młotków lub za pomocą rtęci.

Villard-de-Honnecourt
Projekt Villarda de Honnecourt

Koło Taccoli

Mariano di Iacopo, nazywany Taccola (prawdopodobnie urodzony w Sienie, żył w latach 1382-1458) był jednym z pierwszych artystów-inżynierów, którzy pisali ilustrowane teksty projektów inżynierskich, wykorzystując rysunki jako skuteczny środek komunikacji. Żyjąc w czasach częstych wojen, był aktywnie zaangażowany w różnorodne projekty z zakresu inżynierii wojskowej i cywilnej.

Na jednej ze stron jego rysunków widać projekty maszyn do naruszania fortyfikacji, a na nie nałożony jest duży rysunek koła z przegubami. Był to jego projekt perpetuum mobile, podobny do projektów wywodzących się ze źródeł arabskich.

Koło Taccoli

Wiatrak Zimara

Marcantonio Zimara (1460-1523), był uczonym, filozofem przyrody, lekarzem, astrologiem i alchemikiem. Były to zainteresowania typowe dla uczonych jego czasów. W 1518 roku opublikował dzieło o fizyce i metafizyce, w którym opisuje wskazówki do skonstruowania maszyny o ruchu ciągłym bez użycia wody lub ciężarka.

Instrukcja ta w tłumaczeniu miała następującą treść:

„Zbuduj koło o czterech lub więcej bokach, jak koło wiatraka, a naprzeciwko niego dwa lub więcej potężne miechy, tak ustawione, że ich wiatr będzie obracał koło szybko. Podłącz do obwodu koła lub do jego środka (w zależności od tego, co konstruktor uzna za lepsze) instrument, który będzie obsługiwał miech, gdy koło będzie się obracać (będzie to uhonorowanie pomysłowości twórcy). W efekcie wiatr, który pochodzi z koła będzie je obracać i same miechy, obsługiwane przez obracające się koło, będą dmuchać wiecznie. To, być może, nie jest absurdalne, ale jest punktem wyjścia do zbadania i odkrycia tej wzniosłej rzeczy, perpetuum mobile, punktem wyjścia, o którym nigdzie nie czytałem, ani też nie znam nikogo, kto by to rozpracował.”

Zasada działania perpetuum mobile Zimara polegała na tym, że urządzenie A napędzało urządzenie B, które z kolei napędzało A.

Zimara twierdził, że jest to jego oryginalny pomysł, jednak pozostawiał innym ten trudny problem zaprojektowania mechanicznego połączenia miecha z wiatrakiem.

Opis Zimara nie zawierał żadnego rysunku. Rysunek przedstawiony tutaj jest fantazyjną interpretacją artysty, z pewnymi geometrycznymi wadami inżynieryjnymi, które nawet po skorygowaniu nie pozwoliłyby na działanie tego urządzenia.

Wiatrak Zimara

Koło wodne Ramelliego

Agostino Ramelli opublikował w 1588 roku duże dzieło „Skarb pomysłowych maszyn szlachetnego i słynnego kapitana Agostino Ramelli” z tekstem zarówno w języku włoskim i francuskim. Zawierało ono 195 szczegółowych tablic z towarzyszącym im komentarzem. Jedna z nich, tablica 43, przyciąga szczególną uwagę.

Na pierwszy rzut oka to tylko pływające koło wodne do podnoszenia wody z rzeki (powszechne urządzenie w tamtych czasach), bardziej uważna analiza pokazuje, że ma ono w sobie dwa perpetuum mobile, koło Honnecorta (Villard’a) i koło z zakrzywionymi komorami, będące pomysłem arabskiego uczonego.

Przy bliższym przyjrzeniu się oryginalnej rycinie widać, że wewnętrzna część koła ma zakrzywione przegródki, w których coś się znajduje (woda/ kamyki/ śrut ołowiany). Koła takie były wówczas powszechnymi, choć nieefektywnymi urządzeniami do podnoszenia wody, napędzanymi prądem rzeki. Nazywano je kołem perskim, bębnem rogowym lub kołem De La Faye’a. Ta sama konstrukcja pojawia się w samodzielnych konstrukcjach kół samonapędowych. Na tym zdjęciu widać jednak wyraźnie, że wewnętrzna część koła nie jest napędzana przez wodę w rzece.

Agostino Ramelli
Koło wodne Ramelliego

„Odwrócona U-rurka” Vittorio Zonca

Konstrukcją perpetuum mobile według Vittorio Zonci była ogromna rura do podnoszenia wody. Zonca posiadał dużą, szczelnie zamkniętą odwróconą U-rurkę o większej średnicy z jednej strony. Na rysunku widać, że większa rura po lewej stronie opróżnia wodę na wyższym poziomie niż ujęcie wody po prawej stronie. Woda ta następnie wprawiała w ruch poziomą turbinę na dole, która napędzała koło młyńskie do mielenia ziarna. Uszczelniony port na górze miał ułatwić początkowe napełnienie rurki wodą.

Zasada działania konstrukcji była oparta na sposobie działania syfonu, z tym, że jedna jego część była szersza, a woda miała przepływać z niższego końca do wyższego końca.

Można więc założyć, że woda porusza się w kierunku dolnego końca syfonu, ponieważ tam jest cięższa. Byłoby to zgodne z dominującym poglądem, że kiedy coś jest cięższe z jednej strony, powoduje to ruch w kierunku cięższej strony. Jest to główna idea stojąca za wieloma propozycjami perpetuum mobile. Przypuszczano, że można sprawić, że krótszy bok będzie zawierał więcej wody niż długi bok, po prostu zwiększając średnicę krótszego boku. Zawierałby on większy ciężar wody, więc woda powinna płynąć w jego kierunku, nawet jeśli opróżniałby się on z wody na wyższym poziomie.

Czynnikiem, który uniemożliwiał działanie konstrukcji był fakt, że aby zapewnić prawidłowe działanie syfonu wylot musi znajdować się niżej niż wlot, a średnica rur nie ma wpływu na jego działanie. 

Odwrócona U – rurka Vittorio Zonca
Newsletter ABC Wynalazcy!

Samonapełniająca się kolba Boyle’a

Wynalazek Boyle’a był oparty na tej samej błędnej zasadzie działania co konstrukcja Zonci. Zakładał on, że większy ciężar po lewej stronie wymusza ruch wody w dół i wokół wąskiej szyjki, gdzie ciężar jest mniejszy, a następnie jej wypłynięcie z otworu na górze, aby uzupełnić wodę w wazonie. Paradoks polegał na tym, że choć dla wielu osób wydawało się to całkowicie rozsądne, nie działało to w ten sposób.

W rzeczywistości działał on zgodnie z jedną z zasad Arystotelesa, która mówiła, że woda dąży do wyrównania swego poziomu. Poziom wody z lewej i prawej strony był więc równy i taki pozostał, uniemożliwiając działanie „perpetuum mobile”.

Robert Boyle
Kolba Boyle’a

Włoski młyn recyrkulacyjny Fludd’a

Robert Fludd (1574-1637) był lekarzem, alchemikiem, astrologiem, filozofem i mistykiem. W wydanych przez niego dziełach zawierały się opisy maszyn, zarówno praktycznych, jak i fantazyjnych. Były to m. in. różnego rodzaju pompy wodne. 

Robert Fludd

Skonstruowane przez niego perpetuum mobile również działało na zasadzie pompy wodnej. Kolumna po prawej stronie to pompa z łańcuchem skórzanych krążków (A). Woda unoszona przez pompę napędza koło wodne, które poprzez układ kół zębatych ponownie wprawia tę pompę w ruch.

Włoch, zwiedziony swoimi przemyśleniami, stwierdził, że tyle wody zostanie podniesione przez tę pompę, ile utrzyma koło wiecznie w ruchu. Myślał, że więcej siły jest wymagane na krańcach tej maszyny niż w środku, ale ponieważ obliczył źle proporcje siły, w praktyce konstrukcja nie zadziałała zgodnie z oczekiwaniami.

Włoski młyn recyrkulacyjny Fludda

Perpetuum mobile Orffyreusza

Orffyreusz, a właściwie Johann Bessler – niemiecki uzdrowiciel, a później zegarmistrz, był jednym z wynalazców maszyn, które miały wiecznie pozostawać w ruchu. Bessler twierdził, że skonstruował ok. 300 różnych perpetuum mobile, ostatecznie tworząc dwie, według niego działające wersje.

Orffyreusz był znany ze swojej porywczości i wybuchowości. Kiedy więc jego pierwsza konstrukcja została skrytykowana przez wynalazcę i projektanta technicznego Andreasa Gärtner’a, Bessler zniszczył ją w przypływie złości. 

Orffyreusz Johann Bessler

Drugą wersję swojego koła, które było większym odpowiednikiem poprzedniej konstrukcji, z niewielkimi jedynie poprawkami, niemiecki wynalazca zbudował na zamku Weissenstein pod pieczą księcia Karola – landgrafa Hesji-Kassel. Koło zostało wprawione w ruch i zamknięte w opieczętowanej komnacie w celu sprawdzenia czy pozostanie w ruchu, gdy nie będzie możliwości ingerencji osób trzecich. Kiedy komnatę otwarto po 14. dniach koło zdawało się poruszać nadal, z tą samą prędkością, co na początku.

Nie znamy dokładnej budowy besslerowskiego perpetuum mobile, ponieważ jego konstrukcja została pokryta płótnem, tak aby nie było widać wnętrza. Aby wprawić koło w ruch trzeba było je popchnąć, kierunek jego obrotu był dowolny. Koło było zamocowane na poziomej osi podtrzymywanej przez drewniane belki, w środku znajdowało się wiele ruchomych ciężarków, rozmieszczonych w celu utrzymywania koła w ciągłym niezrównoważeniu, co miało powodować jego nieustanny ruch.

Jedyną osobą, która miała możliwość zaglądnąć do środka maszyny, był książę Karol, jednak został on zobowiązany przez Besslera do zachowania tajemnicy.

Ponieważ dokładna budowa perpetuum mobile była nieznana, wielu wątpiło w jego prawdziwość. Istniały przypuszczenia, że konstrukcja jest wprawiana w ruch poprzez nakręcanie jej korbą z pomieszczenia obok lub mechanizm umieszczony wewnątrz osi koła. Służąca Orffyreusza twierdziła, że na zmianę z jego żoną i bratem nakręcali perpetuum mobile z komnaty obok, wsuwając długi żelazny pręt z hakiem w niewielki otwór w ścianie. Landgraf zatrudnił więc inżyniera z Leyden, aby zbadał konstrukcję Besslera. Ponieważ po „kontroli” Gravensande’a i wyznaniu jego służącej Orffyreusz zniszczył koło oraz wszystkie rysunki, nie możemy się dowiedzieć, czy naprawdę działałoby w nieskończoność. Można jednak przypuszczać, że nie było to prawdziwe perpetuum mobile i Orffyreusz miał coś do ukrycia, więc przez strach przed przyłapaniem zniszczył konstrukcję.

Perpetuum mobile Orffyreusza

Magnetyczne perpetuum mobile Wilkins’a

Po odkryciu magnetyzmu wielu uczonych próbowało znaleźć dla niego różne zastosowania. Jednym z nich był John Wilkins, który próbował skonstruować magnetyczne perpetuum mobile.

John Wilkins
Magnetyczne perpetuum mobile Wilkinsa

Jego konstrukcja składała się z dwóch ramp, żelaznej kulki umieszczonej na podeście, gdzie był przymocowany magnes (był to naturalny kawałek rudy magnetycznej zamknięty w żelaznej kuli).

Magnes umieszczony na górze przyciągał kulę wzdłuż prostej rampy, gdzie spadała przez otwór na niższą – zakrzywioną rampę, toczyła się w dół i przez kolejny otwór wracała na prostą rampę, gdzie została ponownie przyciągana.

Po szczegółowej analizie stwierdzono, że kulka nie wpadnie w otwór, a zostanie przyciągnięta przez magnes, co zaprzepaściło szansę na powodzenie eksperymentu i stworzenie działającego perpetuum mobile.

Perpetuum mobile z pasem gąbkowym Congreve’a

Innowacyjna konstrukcja perpetuum mobile została wymyślona przez angielskiego wynalazcę Sir Williama Congreve. W swojej konstrukcji Sir William użył pochyłej płaszczyzny, rolek prowadzących oraz łańcucha gąbek. Część gąbek była ciężka, ponieważ nasiąkły wodą, powodując działanie niezrównoważonej siły w dół. Gąbki przechodziły przez zbiornik, a następnie w górę płaszczyzny pochyłej. Kiedy były wyciągane, ciężarki znajdujące się nad nimi wyciskały wodę, co z kolei sprawiało, że gąbki stawały się lżejsze.

Próby zbudowania konstrukcji opisanej przez Congreve’a skończyły się fiaskiem, a on sam, choć nigdy nie podjął się próby jej stworzenia, bronił swojej idei na łamach wydanej na własny koszt broszury.

Sir William Congreve
Perpetuum mobile z pasem gąbkowym Congreve’a

Podsumowanie – Co to jest perpetuum mobile? – przegląd historycznych konstrukcji

W tym artykule przybliżyliśmy historię perpetuum mobile na przestrzeni wieków oraz wyjaśniliśmy dlaczego żadnemu genialnemu umysłowi tamtych czasów nie udało zbudować się działającego perpetuum mobile.

Mimo, że wiele z tych maszyn nie działało lub było zwykłym oszustwem, projekty te zadziały na wyobraźnie współczesnych twórców, a przegląd ich rozwiązań znajdziesz w kolejnej części artykułu do którego przeczytania zachęcamy: Co to jest perpetuum mobile? – czy uda nam się wprawić je w wieczny ruch?

Zapraszamy również do obejrzenia krótkiego podsumowania w formie filmu , który pozwoli lepiej zwizualizować sobie ruch niektórych wiecznych maszyn.

Jeśli po przeczytaniu tego wpisu, projekty dawnych uczonych cię natchnęły i chciałbyś zlecić nam stworzenie własnego prototypu – 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.

Zarabiaj ze sprzedaży swojego pomysłu

Współautorka: Katarzyna Grzywacz

Literatura:
[1] Jeżewski, Wojciech. 1999. „Podstawowe Aspekty Etyki Buddyjskiej”. Etyka 32 (grudzień), 23-32.

Źródło Grafik:
[1] https://www.booksfact.com/science/ancient-science/bhaskaracharya-greatest-mathematician-introduced-concept-infinity.html [20.06.2021]
[2] https://mostre.museogalileo.it/motoperpetuo/en/before-leonardo/indian-and-arab-origins/perpetual-overbalanced-wheel-with-mercury.html [20.06.2021]
[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Villard_de_Honnecourt#/media/Plik:Villard_de_Honnecourt.jpg [20.06.2021]
[4] https://pl.wikipedia.org/wiki/Villard_de_Honnecourt#/media/Plik:Villard_de_Honnecourt_-_Sketchbook_-_09.jpg [20.06.2021]
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Taccola#/media/File:Taccola_overbalanced_wheel.jpg [20.06.2021]
[6] https://1.bp.blogspot.com/-IRTzCzE8mgY/XucjYtbXIwI/AAAAAAAAAZs/vqmHWNAbhCoYPRh-11yk6t-0IaiGsiwCQCK4BGAsYHg/s320/20200615_121642.gif [20.06.2021]
[7] https://www.lockhaven.edu/~dsimanek/museum/people/ramel-w.jpg [20.06.2021]
[8] http://facsimilium.blogspot.com/search/label/Vittorio%20Zonca?m=0 [20.06.2021]
[9] https://www.britannica.com/biography/Robert-Boyle [30.11.2021]
[10] https://i0.wp.com/bshm.org.uk/wp-content/uploads/2017/02/Robert-Fludd.jpg?w=447&ssl=1 [20.06.2021]
[11] https://www.lockhaven.edu/~dsimanek/museum/people/fludd-recirc.jpg [20.06.2021]
[12] https://www.researchgate.net/figure/Diagram-of-the-wheel-built-by-Orffyreus-in-Merseburg-taken-from-Ref-2-and-based-on-an_fig2_234114184 [20.06.2021]
[13] https://alchetron.com/cdn/johann-bessler-4e7b5fe3-2070-4fe0-8cfe-f54c9f75a65-resize-750.gif [20.06.2021]
[14] https://en.wikipedia.org/wiki/John_Wilkins#/media/File:Rev_John_Wilkins,_Chester.jpg [01.12.2021]
[15] https://i.stack.imgur.com/qGiAE.jpg [20.06.2021]
[16] https://www.nmspacemuseum.org/wp-content/uploads/Inductees/Sir_William_Congreve_2nd_Bt_by_James_Lonsdale.jpg [20.06.2021]
[17] https://base.imgix.net/files/base/ebm/americanmachinist/image/2019/03/americanmachinist_5880_graphic_7.png?w=768 [20.06.2021]