Заглянув в Интернет, можно найти множество хитроумных «самодвижущихся» устройств, в которых трудно определить внешний источник энергии. Авторы устройств, стремятся создать вечный двигатель, несмотря на запрет, вытекающий из первого закона термодинамики. Есть ли практическая польза от «вечных двигателей»? Конечно, создать машину, которая производит работу без внешнего источника энергии невозможно. Тем не менее, изучать «вечные двигатели» полезно по двум причинам: во-первых, иногда в них реализуются оригинальные технические решения, которые полезно знать, во-вторых, возникают познавательные задачи, связанные с анализом работы этих устройств. Рассмотрение «вечных двигателей» в учебном процессе, безусловно, полезно, поскольку активизирует познавательную деятельность студентов и развивает их творческие способности.
В настоящей работе произведен теоретический анализ «вечного двигателя», изобретенного в 1927 году G. D. Hiscox, M. E. Norman, W. Henley (vk.com/video30605519_163650583?list=204728e0ba66398c01).
Цель исследования — определение источника энергии и рассчитать временной ресурс работы данного устройства.
Рассматриваемый двигатель состоит из колеса с закрепленной осью, стального шарика и магнита (рис. 1).
Рис. 1. Демонстрация работы двигателя
Колесо расположено в вертикальной плоскости на оси, которая закреплена на неподвижной опоре. Колесо может свободно вращается вокруг оси, возникающее при этом трение мало. Колесо сделано из диамагнетика, т. е. материала который не намагничивается. На внутренней поверхности колеса имеется паз, по которому может кататься стальной шарик. Полосовой магнит располагается в плоскости паза колеса как показано на фотографии (рис. 1). Шарик притягивается к магниту и колесо начинает вращаться вокруг оси. Шарик при этом тоже вращается вокруг оси, проходящей через его центр, оставаясь на неизменном расстоянии от магнита. Теоретически анализируя работу данного двигателя, прежде всего, необходимо выяснить какие силы и моменты действуют на шарик и колесо. Рассмотрим силы, действующие на шарик. Это, кончено, сила тяжести, а также магнитная сила, действующая со стороны магнита (рис.2).
Рис.2 Силовой анализ механизма
Поскольку шарик вращается, то результирующая магнитная сила приложена не к центру, а несколько выше его. Можно перенести эту силу и приложить к центру шарика, но при этом необходимо добавить вращающий момент Мвр (рис. 2). Сложив силу тяжести и магнитную силу, получим силу 
, линия действия которой проходит через центр колеса. Эта сила образует угол с вертикалью 
. Сила 
проходит через центр шарика, следовательно, она не может вызвать его вращение. Под действием момента Мвр шарик приходит во вращательное движение и, создается сила сцепления с колесом 
. Кроме этого на шарик действует нормальная реакция 
. В следствие деформаций шарика и поверхности, по которой он катиться, линия действия силы отстоит от центра шарика на некотором расстоянии 
(коэффициент трения качения). Силы 
образуют пару сил с плечом 
, то есть создаётся момент трения качения:
. (1)
Так как вращение шарика происходит с постоянной угловой скоростью, то можно записать:
. (2)
Следовательно, 
определяется по формуле:
. (3)
Нормальную реакцию поверхности, действующую на шарик 
, можно выразить через известную силу тяжести:
. (4)
Подставляя (4) в (3), получим формулу для вычисления, вращающего момента:
. (5)
Далее рассмотрим моменты сил, действующие на колесо. Колесо вращается за счет момента, который создает сила сцепления, возникающая между колесом и шариком. За счет трения в осевом подвесе возникает момент 
. Поскольку колесо вращается с постоянной угловой скоростью, то эти моменты уравновешивают друг друга (рис. 3):
, (6)
где R — радиус колеса.
Запишем уравнение сил в проекции на ось х:
, (7)
и определим силу сцепления шарика с колесом:
. (8)
С учетом (8) выражение (6) примет вид:
. (9)
Колесо и шарик вращаются с постоянными угловыми скоростями, следовательно, имеет место энергетический баланс:
, (10)
где 
— угол поворота колеса, 
— угол поворота шарика. Подставляя в (10) выражения (5) и (9), и учитывая передаточное отношение между колесом и шариком: 
, получим формулу для силы сцепления:
. (11)
Соответственно момент трения в оси колеса равен:
. (12)
Используем данные: радиус колеса 
, радиус шарика: r=1,5см=0,015м, угол отклонения шарика от вертикали: 
, коэффициент трения качения для металлических сплавов 
. Подставляя, эти данные в исходную формулу для момента трения в оси колеса, получим окончательный результат:
.
Момент сил трения в оси колеса является внешним для системы «колесо-шарик». Он совершает отрицательную работу. Для постоянного движения системы необходимо поступление энергии извне. Где источник энергии? Выдвинем гипотезу: происходит преобразование энергии магнита в механическую энергию движения системы «шарик-колесо». Кинетическая энергия постепенно преобразуется в тепловую за счет диссипативных процессов.
Кроме диссипации энергии за счет трения в оси колеса, укажем еще один диссипативный процесс. Действительно, стальной шарик во внешнем магнитном поле намагничивается. При этом вектор намагниченности сохраняет в пространстве постоянное направление. Но шарик вращается, следовательно, происходит постоянное изменение вектора намагниченности в шарике, то есть шарик перемагничевается. Это происходит за счет энергии, поступающей от магнита, который постепенно размагничивается. За счет постоянного перемагничевания шарика, часть магнитной энергии преобразуется в тепло. То есть происходит диссипация энергии. Однако оценить эти потери сложно. Предположим, в дальнейших расчётах, что они малы по сравнению с работой сил трения на оси колеса.
Оценим энергию магнита. Для этого требуется иметь некоторые данные о самом магните. Примем плотность магнитной энергии: 
, габариты магнита: 
, объем магнита: 
, магнитная энергия: 
.
Для определения временного ресурса установки приравняем энергию магнита к работе момента трения:
, (13)
где 
-суммарный угол поворота колеса до остановки. Угловую скорость вращения колеса можно определить по формуле:
,
где 
- частота вращения колеса. Из уравнения (13) выразим искомую величину времени до остановки движения системы:
(14)
Подставляя, все известные данные в полученную формулу получаем время в численном виде:
.
Поскольку, в этих расчётах учтены не все диссипативные процессы, округлим полученный результат в меньшую сторону:
.
Проделав основной расчёт, мы определили приблизительное время в течение которого, механизм будет работать. Другими словами, время, в течение которого будет вращаться колесо.
Из полученного результата можно заключить, что двигатель, конечно, не является вечным, несмотря на то, что работает относительно долго. Можно с уверенностью сказать, что выдвинутая гипотеза привела к адекватному результату. В конечном итоге, магнит размагнитится и уже не сможет удерживать шарик. Шарик займет самое нижнее положение на колесе и работа двигателя прекратится.
Опираясь на первый закон термодинамики, который выражает универсальный закон сохранения энергии и исключает возможность создания вечного двигателя первого рода, можно заключить, что для работы любого двигателя, необходим какой-либо, внешний источник, который обеспечит механизм необходимым количеством энергии.
Литература:
1. Каганов М. И., Цукерник В. М. Природа магнетизма. — М. 2008. — 194 с.
2. Маркеев А. П. Теоретическая механика: Учебник для университетов. 3-е изд. — М. — Ижевск: РХД, 2007. — 592 с.
