TECHNIKATÖRTÉNET
REMÉNYI PÉTER
Perpetuum mobile - a technika fejlődésének egyik tévútja
1. Elsőfajú örökmozgók
2. A másodfajú örökmozgók
3. Örökmozgónak látszó berendezések
4. Az örökmozgók szabadalmaztatása
Irodalom
Az örökmozgók külső energiabevitel nélkül a végtelenségig mozgó, sőt, energiát szolgáltató berendezések. A sok szellemi és anyagi ráfordítás ellenére nemsikerült ilyeneket szerkeszteni. A próbálkozások a feledés homályába merültek, és lassanként olyan misztikus köd vette körül az egészet, mint az alkímiát és a többi középkori titkos társaságot vagy manapság az ufókat és a parajelenségeket.
Az alábbi cikkben ennek a munkának néhány korai „eredményét” kívánjuk bemutatni, felidézve egy olyan kort, amikor még nem lehetett tudni, hogy az ilyen próbálkozások hiábavalók. Ismertetünk olyan berendezéseket is, amelyek a környezetben megtalálható, szinte észrevehetetlenül kicsi energiakülönbségeket használják fel a működésükhöz, és így azt a látszatot keltik, mintha örökmozgók lennének. Végül pedig megemlítünk néhány, a szabadalmaztatással kapcsolatos esetet és gondolatot.
A fizika és a technika történetét tanulmányozva az a benyomás alakul ki bennünk, hogy az egymást követő szereplők az előttük járók eredményeit megismerve, a természetben valamit meglátva vagy a véletlen ötleteiket megvalósítva mindig továbbléptek egy kicsit. A fizika és a technika mai állása ezeknek az apró lépéseknek az eredménye. Pedig van egy olyan csoport is, akiknek a szeme előtt egy nagyszerű cél lebeg, és a kor fizikai és technikai ismereteitől elrugaszkodva mindjárt ezt a célt kívánják megvalósítani, átugorva az odavezető számtalan kis lépcsőfokot. A feladat nagyon merész, mert mindegyik kis lépcsőfok megtételéhez is egy-egy nagy elmére volt szükség, és az sem biztos, hogy a nagyszerű cél egyáltalán megvalósítható. Joggal érezhetjük ezt a tudománnyal szemben tanúsított dölyfnek, elbizakodottságnak.
Talán az egyik legnagyobb ilyen célkitűzés a perpetuum mobile, az örökmozgó megalkotása volt, amelyet ha egyszer megindítanak, akkor külső ráhatás, hajtóanyag betáplálása nélkül mozgásban marad, és lehetőség szerint költségmentesen hajtóteljesítményt is szolgáltat az emberiségnek.
A technikai haladás útján járva nem lehet tudni, hogy egy adott út tévút-e. Ez csak később tisztázódik. A hibás megítéléstmégcsak tévedésnek sem lehet nevezni, mert a biztos döntéshez nem állnak rendelkezésre támpontok. Csak a megérzésekre lehet hagyatkozni, a jó döntés inkább szerencse dolga. Másrészt általában a tévúton bejárt keserves út sem teljesen hiábavaló
- mert létrejöhetnek használható részeredmények,
- mert ötleteket adhat,
- mert a tévedésekből okulni lehet,
- mert érdekes lehet önmagában és
- mert az úton visszanézve nyilvánvalóvá válik, hogy erre a területre a továbbiakban időt, munkát, pénzt áldozni hiábavaló.
Az örökmozgók esetében a legnagyobb haszna ennek a tévútnak az, hogy
- tévút mivolta megerősíti az energiamegmaradás axiómáját.
Az energia - általában és legegyszerűbben meghatározva munka vagy a munkavégzés képességének a mértéke. Az energia formája lehet gravitációs, mozgási, hő-, alakváltozási, elektromos, kémiai, sugárzási, nukleáris, tömegstb. Az energiát anyagi testtel is lehet társítani (pl. egy rugóval vagy mozgó tárggyal), de független is lehet az anyagtól (pl. fény vagy elektromágneses hullám, amely vákuumban is haladhat).
Az energiamegmaradás törvénye szerint minden természeti jelenség során az egymással kölcsönhatásban lévő testek vagy részecskék energiájának összege állandó marad a lejátszódó változások közepette. A törvény alapja a megfigyelés, a tapasztalat, a más törvényekkel való összhang és az, hogy nem sikerült olyan fizikai folyamatot találni, amelynek során nem teljesül a törvény. Az energiamegmaradás nem egy természeti folyamat lejátszódását írja le, hanem azt, hogy az energia mennyisége állandó marad attól függetlenül, hogy mikor tekintjük, vagy hogy milyen folyamatok - beleértve az energia átalakulását egyik formából a másikba - játszódnak le egymás után.
Az energiamegmaradás törvénye nemcsak a természet egészére alkalmazható, hanem egy zárt és izolált rendszerre is.
Az első energiafajta, amelyet felismertek, a kinetikus, más néven mozgási energia volt: a részecskék bizonyos típusú ütközései, az ún. rugalmas ütközések során a részecskék mozgási energiájának összege ugyanakkora az ütközés előtt, mint utána. Az energia fogalmát folyamatosan kiterjesztették más jelenségekre is. Először a helyzeti, azaz a potenciális energiára, majd az 1840-es években a súrlódás során keletkező hőre is. Az energiamegmaradás törvényének ezekre az energiafajtákra vonatkozó változata a termodinamika első főtétele.
Az energia fogalmát azonban ki lehetett terjeszteni további formáira is: később ide sorolták az elektromos áram, az elektromos és mágneses terek, valamint az energiahordozók és más vegyületek energiáját is.
A relativisztikus fizika megalkotásával (1905) felismerték, hogy a tömeg egyenértékű az energiával. Azóta az energiamegmaradás törvénye helyett a tömeg és energiamegmaradásának, más elnevezéssel a teljes energia megmaradásának elvéről beszélnek. A későbbiekben az atommagok béta- bomlásának felfedezésével úgy látszott, hogy az elv csorbul. A fizikusok, bízva az energiamegmaradás általános érvényességében, azt feltételezték, hogy a hiányzó energiát egy új típusú szubatomi részecske - a neutrínó - viszi el.Később a neutrínó létezését kísérletileg is kimutatták.
Lássuk, hogyan próbáltak meg energiát előállítani az örökmozgók első feltalálói.
1. Elsőfajú örökmozgók
Azok az örökmozgók, amelyek arra készültek, hogy egy leeső vagy forgó testből több energiát szabadítsanak fel mint amennyi a berendezés eredeti állapotába való visszaállításához szükséges, az elsőfajú örökmozgók csoportjába tartoznak. A berendezések többsége századokon át ebbe a fajtába tartozott, és a legrégebbi feljegyzett vázlat örökmozgó megvalósítására egy ilyen berendezés volt. Ezt egy indiai csillagász, Bhascara találta ki 1150 körül (1. ábra). A kerék kerületén csőszerű tartályokat helyezett el úgy, hogy a kerék sugarához képest egy adott szöget zárjank be. A tartályokban kb. kétharmad részben higany volt. Az elgondolás lényege az volt, hogy a tartályok elrendezésének következtében a lefelé mozgó oldalon a higany magasabb szinten folyik át a tartály tengelytől távolabbi oldalára mint ahol amásik oldalon visszafolyik a tengelyhez közelebbi oldalra, így a lefelé mozgó oldalon az útja során nagyobb nyomatékkal hajtja a kereket, mint amekkora nyomatékkal a másik oldalon felemelkedik a kerék.
|
| 1. ábra: Bhascara örökmozgójának vázlata |
Ez egy olyan kerék lett volna, amely sohasem jut egyensúlyi, nyugalmi helyzetbe, vagy más szóval a súlypontja mindig a forgástengely fölött marad. Látszólag egyszerű a feladat - úgy tűnik, elég egy jó ötlet a megoldásához. Talán ezért próbálkoztak a legtöbben ilyen fajta örökmozgóval.
Az első ötletet Európában Villard de Honnecourt, XIII. századi francia építész vetette fel (2. ábra). Az ő kerekének a kerületéhez karokon keresztül súlyok voltak szerelve. A karok csuklóval kapcsolódtak a kerékhez úgy, hogy egy forgástengelyhez közeli és egy attól távolabbi helyzet között tudjanak a súlyok átbillenni. A súlyokat a saját súlyuk billentette át egyik véghelyzetből a másikba. A kerék felfelé mozgó oldalán a súlyok a tengelyhez közelebbi helyzetükben voltak, a másik oldalon főként a távolabbi helyzetükben. Az elgondolás lényege az volt, hogy a súlyok a lefelé mozgó oldalon az útjuk során nagyobb nyomatékkal hajtják a kereket, mint amekkora nyomatékkal a másik oldalon felemeli őket a kerék.
|
| 2. ábra: Egy Honnecourtéhoz hasonló örökmozgó |
Leonardo da Vinci (1452-1519) érdeklődését is felkeltették az örökmozgók (3. ábra). Híres jegyzetfüzeteibe, amelyekbe rendezetlenül rajzolta, írta be a gondolatait,megtalálható néhány kerekes örökmozgó vázlata is. Ezek nem feltétlenül az ő találmányai, megtalálható közöttük például Honnecourt kereke is. Ő azonban arra a meggyőződésre jutott, hogy az összes ilyen terv kudarcra van ítélve: „... ti, az örökmozgó feltalálói, hiú ábrándokat kergettek! Olyanok vagytok mint az aranycsinálók!”
|
| 3. ábra: Örökmozgók Leonardo jegyzetfüzetéből |
Leonardo aprólékosan elemezte a nyugalmi helyzet nélküli kerekek számos változatát, és rájött arra, hogy amikor a súlyt eltávolítják a forgástengelytől, akkor a gravitációból eredő nyomaték növekszik, de ezzel egy időben a kerék tehetetlenségi nyomatéka is megnő, ez ellensúlyozza a nyomaték növekedését.
Hogy lássuk, milyen nehéz volt akkoriban fizikai kérdésekben tisztán látnia, idézünk néhány példát arról, hogyan gondolkodott akkoriban Leonardo, egy haladó elme, az energiáról, az erőről és a tömegről:
- Az erő egy szellemi képesség, egy láthatatlan hatalom, ami akaratlanul kényszerült minden olyan testbe, aminek a természetes hajlamai nincsenek szabadjára engedve ... az erő mindig szembehelyezkedik a természetes vágyakkal.
- A súly anyagi, az erő szellemi. Gyakran egyik a másikat hozza létre.
- A napnak van anyaga, alakja, mozgása, sugárzása, melege és teremtő ereje; és mindezek a minőségek anélkül áradnak belőle, hogy közben fogyatkozna.
Az arisztotelészi tudomány azt tartotta, hogy a dolgok a mennyben tökéletesek és romlatlanok voltak. Ezért az utolsó gondolat a napról megfelel az arisztotelészi gondolkodásnak, és azt mutatja, hogy Leonardónak nem volt elképzelése az energiamegmaradás elvéről.
Azok az emberek, akik nem fértek hozzá folyók vizéhez, természetesen más energiaforrást kerestek. Ennek a problémának a megoldására egy olyan, zárt rendszerű vízimalom kínálkozott megoldásnak, amit egy angol fizikus, alkimista, asztrológus, filozófus és misztikus, Robert Fludd (1574- 1637) javasolt 1618-ban (4. ábra). Ha a vizet, ami a malomkereket forgatja, össze lehetne gyűjteni a kerék aljánál, és valahogy vissza lehetne juttatni a kerék fölötti tárolóba, akkor a folyóvízforrásra már nem volna szükség. Ésszerű volt, hogy a kerék hajthat egy szivattyút, ami visszakeringteti a malom vizét. Abban az időben (és még 200 évig azután), amikor Fludd ezt a berendezést ajánlotta, nem lehetett tudományosan magyarázni ennek a berendezésnek a működését. Abból a megfigyelésből, hogy a víz emberi beavatkozás nélkül is felszállhat a felhőkbe, és - visszajutva a földre - munkát lehet vele végeztetni, kézenfekvőnek tűnhetett, hogy a felemelkedés segítése csak kevés energiát emészthet fel, ezért a vízkerék forgását csak kicsit akadályozza a szivattyú. De természetesen minden, ilyen működésű gép megvalósítására irányuló próbálkozás kudarcba fulladt. Ezek a berendezések a nyugalmi helyzet nélküli kerekek egy másik változatát képezik, és így az örökmozgók első fajtáját alkotják.
|
| 4. ábra: Fludd örökmozgója |
John Wilkins (1614-1672), Chester püspöke és a Royal Society egyik korai tisztségviselője az 1670-es években három természetes energiaforrást látott alkalmasnak, amelyeket örökmozgók előállítására lehetne használni. Ezek az ő szavaival a vegyi extrakció (kinyerés), a mágneses hatóerő és a gravitáció természetes vonzalma. Wilkins harmadik energiaforrása magába foglalja a nyugalmi helyzet nélküli kerekek teljes családját. Külön megemlíti a vegyi kinyerés egyik formáját; ennek az a tévedés lehetett az alapja, hogy félreértette a folyadékban látható kis részecskék szüntelen mozgásának a megfigyelését, amit manapság Brown-mozgásnak ismerünk. Wilkins tervezett, de majdhogynem biztos, hogy sohasem próbált megépíteni egy olyan gépet, amely a mágneses hatóerőt használja fel (5. ábra). Egy mágneses érckőről feltételezte, hogy felhúz egy vasgolyót egy lejtőn, majd - keresztülesve egy lyukon - visszagurul a lejtő aljára. Természetesen egy olyan mágnes, ami elég erős ahhoz, hogy felhúzza a golyót a lejtőn, nem hagyná, hogy átessen a lyukon.
Wilkins mágneses berendezése volt valószínűleg az első tagja az elektromosságot vagy a mágnesességet felhasználó örökmozgó-elképzelések hosszú sorának. A mostanában javasolt gépekben általában van egy mechanikus egység, amely a mágnes elé tol egy pajzsot, hogy a gép egy részét elszigetelje az elektromos vagy mágneses mezőtől. Az ilyen berendezések kitalálói általában figyelmen kívül hagyják azt a munkát, amely a pajzsnak a mezőn keresztüli mozgatásához szükséges.
|
| 5. ábra: Wilkins mágneses örökmozgója |
A nyugalmi helyzet nélküli kerekeken alapuló állítólagos örökmozgók egyik legismertebb feltalálója Edward Somerset, Worcester márkija és őrgrófja (1601-1667) volt. Érdeklődött a tudomány, a mechanika és a matematika iránt, és használható ötletei voltak ezeken a területeken, különösen a gőz mechanikai teljesítmény előállítására való használatában. Talán része volt a gőzgép feltalálásában is.
A krónikák szerint az első készülék, amely állandóan forgott, az ő munkájának az eredménye. Gépét az 1640-es években építette. A 14 láb átmérőjű kerékben 40 darab 50 font tömegű ólomgolyó mozgott. I. Jakab és az udvar szeme láttára működött a szerkezet, de semmilyen vizsgálati eredmény nem maradt fenn erről.
1663-ban kiadott könyvének egyik fejezetében leír egy örökmozgó kereket, de ábra nem tartozik a leíráshoz. A szöveg olyan kerékről szól, amelynek a kerületén súlyok vannak, ezek a lefelé mozgó oldalon távolabb kerülnek a forgási középponttól, mint amilyen távol a másik oldalon vannak tőle. Az írás is beszámol a sikeres kísérletről, amelyen a király és több udvari ember is jelen volt. A Somersetnek tulajdonított kerék vázlatát csak 1720-ban publikálta Desaguliers, de az ábra nemárul el sok részletet.
Somerset kereke meglehetősen nagy tömegű és méretű volt, talán ennek köszönhető, hogy a kísérlet sikeres volt.
A nyugalmi helyzet nélküli kerekeken alapuló állítólagos örökmozgók másik legismertebb feltalálója Johann Ernst Elias Bessler (1680-1745), tudós nevén Orffyreus volt. Állítása szerint 300 különböző örökmozgóval kísérletezett, míg végül 1712 és 1719 között két működő gépet is készített. Neki sikerült először tanúkkal igazoltan hosszú ideig működő berendezést készítenie. Orffyreus élete során többször is megépítette örökmozgó kerekét, ám sohasem fedte fel a nyilvánosságnak a kerék szerkezetét. Nagyon nagy teljesítményt tudott belőle kivenni, nehéz zsákokat és kődarabokat emelt föl a gépe folyamatosan. Kizárólag mechanikus alkatrészekből állt, és valamiféle trükkös pályán haladó súlyok tartották mozgásban a készüléket.
30 éves lehetett, amikor feleségével egy Gera nevű, kis német városkában telepedett le, ott építette meg első, kisméretű örökmozgó kerekét, amit 1712. június 6-án már be is mutatott a nagyközönségnek. Merseburgi tartózkodása alatt megvizsgálták működés közben a kereket, és közben egyik tartóállványról egy másikra helyezték át, hogy biztosak legyenek benne, hogy nem az állványon keresztül hajtják. A vizsgálat eredményéről tanúsítványt is adtak a feltalálónak. De Orffyreus - amikor a hessen-kasseli kormányzat adót vetett ki rá - a kereket dühében összetörte.
Ezután, 1716-ban egy új helyre, Kasselbe utazott, ahol Hessen-Kassel ura, Károly választófejedelem szolgálatába állt. Kereskedelmi tanácsos lett évi 300 talléros fizetéssel, ami akkor nem volt kis összeg. Tehát állást, fizetést és rangot kapott. Károly választófejedelem a hessen-kasseli fejedelemség Weissensteinben levő kastélyában élt. Ekkor, hatvankét éves korában európai szintű előkelőségnek számított. Az ő kastélyába került a kontinentális Európa első gőzgépe. Ennek az volt a feladata, hogy a kastély előtt lévő vízesésrendszer vizét forgassa a nagyérdemű publikum csodálkozása közepette. Az uralkodó egész életét végigkísérte a technika iránti érdeklődés. Ő volt az egyetlen személy, akinek Orffyreus megmutatta a szerkezet belsejét, de nem ingyen, hanem állítólag négyezer tallérért. Az uralkodó, miután meggyőződött arról, működés közben látva a szerkezet belsejét, hogy tényleg nincs csalás a találmányban, és valóban csak súlyok mozgatják mintegy önmagától a szerkezetet, tehát valóban örökmozgó, ezután teljes tekintélyével a feltaláló és szerkezete mögé állt. Az a tény, hogy Orffyreus megengedte az uralkodónak, hogy betekintsen a gépbe működés közben, jelentősen javított ugyan helyzetén, de a kétkedőket ez sem győzte meg. Orffyreus megkérte új uralkodóját, Károly herceget, hogy támogasson egy olyan vizsgálatot, amelynek keretében több mint két héten át, ellenőrzött körülmények között, lepecsételt szobában működhet a gépe. Ez az újabb, sikeres vizsgálat is megtörtént. Az uralkodó 1718-ban dekrétumot bocsátott ki arról, hogy egy lezárt és lepecsételt szobában két hétig, majd egy ellenőrzés után még négy hétig járt a berendezés.
1719-ben publikálta Orffyreus A győzedelmes Orffyreus- örökmozgó című könyvét (6. ábra). Bár a titkot itt sem árulta el, hosszan leírja, hogy mi mindenre lehetne felhasználni a gépet, de a kötet általában csak retorikai fordulatokat tartalmaz.
A gépet 1721-ben Gravesande leideni fizikaprofesszor is megnézte működés közben. A tapasztalatait megírta Isaac Newtonnak, ebből idézünk: „A többség az örökös mozgás lehetetlenségét állítja, és ezért nem kapott sok figyelmet Orffyreus találmánya. Be kell vallanom, hogy képességeim nemérik el azokét, akikmár bizonyították ezt a lehetetlenséget, de el kell mondjam Önnek azokat a körülményeket, amelyek közt a gépet elkezdtem vizsgálni. Körülbelül hét éve fedeztem föl, hogy hibásan érvelnek ellene, és bár az ellenfelek állításai önmagában igazak, nem alkalmazhatóak mindenfajta ellentmondás nélkül az összes lehetséges gépre, és azóta ismeg vagyok győződve, hogy lehetséges olyan gépet készíteni, amely örökké mozog. Úgy tűnt nekem, hogy Leibnitz hibázott, amikor axiomatikusan kijelentette az örökös mozgás lehetetlenségét. Ennek ellenére azonban nem hittem el, hogy Orffyreus képes ilyen felfedezésre, mert olyan találmánynak tartottam, amely nem lehetséges, ha előtte más fölfedezéseket nem tesznek. De mivel megvizsgáltam a gépet, lehetetlen számomra, hogy ne fejezzem ki meglepetésemet.”
|
| 6. ábra: Részlet Orffyreus könyvéből (az ábra nem mutatja be a kerék belsejét, csak egy lehetséges felhasználását) |
A Newtonnak írt Gravesande-leveletmegírása után egy hónappal Hollandiában publikálták, ezért olyannyira megnőtt az Orffyreus-gép ismertsége, hogy az állandóan gyanakvó Orffyreus, nehogy ellopják a titkát, újra összetörte a gépét. Most már harmadszor. Nem tudni, hogy ez azért történt-e, mert új házat kapott egy kis faluban a kastély mellett, és szokásához híven minden egyes költözés előtt összetörte a régi gépet, vagy pedig valóban a Gravesande-levél által keltett kíváncsiskodásnak akarta elejét venni, vagy esetleg félt, hogy a gép költöztetése során fény derül egy, a gépet külső erőforrással összekötő mechanizmusra.
Az uralkodó halálával Orffyreus elvesztette legfőbb támogatóját. 1727-ben cselédlánya meglepő vallomást tett: az Orffyreus-kerekeket kezdettől fogva kézzel mozgatták, azok sohasem mozogtak maguktól. A tartóállvány üreges volt, ebben volt egy, a kerék tengelyéhez csatlakozó fogasléc. A forgatást egy másik szobából a család és a szolgálók végezték, éjjel-nappal.
Orffyreus szegénységben halt meg, 1745-ben. Az örökmozgókkal foglalkozók hidrodinamikai és kapilláris hatásokat felhasználó gépeket is kitaláltak. 1686- ban de la Roque abbé, a Journal des Scavans kiadója egy olyan örökmozgó ötletét vetette fel, amelyben egy lefelé szűkülő keresztmetszetű edény aljától egy kis cső halad az edény oldala mentén a folyadék felszíne fölé (7. ábra). De la Roque azt remélte, hogy a folyadék nagy felszínén lévő víz kinyomja a vizet a kis keresztmetszetű csőből, és a víz onnan visszatér az edénybe.
|
| 7. ábra: De la Roque örökmozgója |
Sir William Congreve (1772-1829), az angol parlament egyik tagja, a XIX. század elején szintén víz felhasználásával akart ingyenes energiaforráshoz jutni (8. ábra). Az ő terve szerint egy lejtős lapot szivacsok végtelen lánca vesz körül, és a szivacsok alul egy vízfürdőn vannak keresztülvezetve. A szivacsok tetejéhez egy súlyos lánc van rögzítve. Az elképzelés az volt, hogy míg a szivacsok a függőlegesen lógó ágban magukba szívják a vizet és súlyosak lesznek, addig a lejtőn fekvőkből a lánc kipréseli a vizet, könnyűvé téve azokat. Így a szivacslánc a függőleges oldalon mindig nehezebb, mint a kifacsart oldalon, és ezért forogni fog. Congreve elfelejtette számításba venni azt a munkát, aminek hatására a víz kipréselődik a szivacsokból.
|
| 8. ábra: Congreve örökmozgója |
Érdemes visszatérni az Orffyreus életrajzában elmondott két aprósághoz. Az egyik, hogy Orffyreus állítólag 300 különböző örökmozgóval kísérletezett, a másik pedig, hogy Gravesande azt írja Newtonnak, hogy a többség az örökös mozgás lehetetlenségét állítja. Ezek szerint Orffyreus korában elég sokan próbálkoztak örökmozgókkal, és valószínűleg sok tapasztalat gyűlt össze a sikertelenségről. Ennek hatására a Francia Tudományos Akadémia 1775-ben „végérvényesen” bezárta a kapuit minden olyan terv és kutatás előtt, amely perpetuum mobile, azaz örökmozgó létrehozására irányult kimondván: „a kutatásnak ez a fajtája sok családot tett már tönkre, ugyanakkor számos esetben pénzüket, idejüket és szellemüket erre pazarolták el olyan technikusok, akik maradandót alkothattak volna.”
2. A másodfajú örökmozgók
A természet megfigyelésével apró lépésenként haladó fizika a XIX. század közepére ért el odáig, hogy állást tudjon foglalni az örökmozgók megvalósíthatóságának kérdésében. A kérdést megválaszoló törvényt, a termodinamika első főtételét, amely az energiamegmaradás törvényének egyszerűsített változata, három egymástól független gondolatmenetet végigjáró tudós is kimondta (javasolta). A törvényt először - legkezdetlegesebb formájában - a német Julius Robert von Meyer fogalmazta meg, okfejtését az emberi test megfigyelésére alapozva. Megfigyelte, hogy a test üzemanyagot (ételt) fogad magába és átalakítja azt munkává és hővé. Az angol James Prescott Joule egy kísérlettel be tudta mutatni az azonosságot a munka és a hő között, egy leleményesen megtervezett készülék segítségével, ami a mechanikai munkát hővé alakította át. 1847-ben a szintén német Hermann von Helmholtz „Über die Erhaltung der Kraft” című értekezésében pontosan kimondta a tételt és meggyőzte a német tudóstársadalmat az elv érvényességéről. Demonstrálta, hogy mind a hő, mind a mechanikai munka az energia egy-egy formája, és hogy ami állandó, az az összegük, valamint azt, hogy a két formát külön-külön vizsgálva nem lehet megállapítani semmit. Ezen túl Helmholtz igazolta, hogy Joule kísérleti felfedezései összhangban vannak Mayer számításaival.
A XIX. század közepétől tehát már nem sok reménnyel kecsegtetett örökmozgó-építéssel foglalkozni. Ha a semmiből nem is lehet energiát előállítani, azért a termodinamika első főtétele alapján a környezet egyenletes hőtartalmából még igen. Sőt, a főtétel még ösztönöz is erre. Ez is éppolyan ingyenes energiaforrás, mint az örökmozgók esetében lett volna. Ezek működése tehát nem ellentétes a termodinamika első főtételével, mert ezekben nem termelődik energia. Ezek azért működésképtelenek, mert a működésük ellentmondana a termodinamika második főtételének, melynek alapjait egy francia fizikus, Sadi Carnot (1796-1832) rakta le.Ő eredetileg úgy akarta volna továbbfejleszteni a gőzgépet, hogy megszüntet minden energiaveszteséget. Noha az első főtétel szerint lehetett volna olyan gépet építeni, amely egy adott mennyiségű hőt teljes egészében mechanikai munkává alakít, hőerőgépek működése során tett megfigyelései azt igazolták, hogy ez teljes egészében nem lehetséges. Egy adott mennyiségű mechanikai energiát át lehet teljes egészében hővé alakítani, de fordítva ez már nem igaz. A kezdeti hőenergiából valamennyi mindig elvész az átalakítás során. Ezt a tételt már Clausius mondta ki 1854-ben, aki egyúttal bebizonyította azt is, hogy ez a tétel egyenértékű azzal az axiómával, hogy a hő magától nem áramlik hidegebb testről a melegebbre. Kétféle örökmozgót lehet tehát megkülönböztetni. Az egyik fajta a semmiből állítana elő energiát, ezzel ellentmond a termodinamika első főtételének, ezek az elsőfajú örökmozgók. A második fajta az energiamegmaradás tételének ugyan nem mondana ellent, de a hőt (akár a környezetben lévőt is) 100%-os hatásfokkal alakítaná át az energia más formájává, tehát nem volna szükség egy alacsonyabb hőmérsékletű hőelnyelő közegre. Ezek a másodfajú örökmozgók.
Egy ilyen berendezést próbált meg konstruálni John Gamgee londoni professzor, aki az Amerikai Egyesült Államokban, Washingtonban dolgozott az1880-as években. Egy olyan hőerőgépet fejlesztett ki, ami több volt egy közönséges gőzgépnél, és - mivel normális működési hőmérséklete 0°C volt - zérómotornak nevezték. Ez a motor ammóniát használt víz helyett munkavégző közegként. A folyékony ammónia elgőzölgött egy alacsony hőmérsékleten, és 0°C-on 4 bar volt a nyomása. Gamgee úgy gondolta, hogy a környezeti hő el tudja párologtatni az ammóniát, így nincs szükség tüzelőanyagra. Úgy tervezte, hogy a gőzállapotú ammóniát - miután munkát végzett egy hengerben, kitágult és kondenzálódott - elvezeti egy tartályba és onnan visszavezeti a ciklus elejére. Gamgee és támogatói hibás számításokat végeztek vagy nem vettek figyelembe bizonyos hőmennyiségeket a számításaik során. A hőátadás a természetből valóban elégséges az ammónia elpárologtatásához, de ez az előny semmivé válik a rendszerben mint egészben a gőz munkavégzés közbeni lehűlésekor. Az induláskori 0°C-os és 4 bar nyomású gáz hőmérséklete leesik -33°C-ra az alatt az idő alatt, amíg a térfogata megnégyszereződik. Ha a gáz folyadékká kondenzálódik, akkor mind a kondenzátornak, mind a tartálynak ennél alacsonyabb hőmérsékletűnek kell lennie. Gamgee nem vette figyelembe ennek a hűtésnek az energiaszükségletét, ugyanis a hűtéshez több energiát kellene felhasználni, mint amennyit a zérómotor termelni képes.
Gamgee a motorjával nem kérdőjelezte meg komolyan Carnot tételét, de James Clerk Maxwell (1831-1879) 1871- es felvetése komoly kihívás volt. Ennek a lényege az volt, hogy egy egyenletes hőmérsékletű gázt tartalmazó, izolált teret osszanak egy fallal két részre, és a falon legyen egy olyan kis ajtó, amelyen egy gázmolekulát át lehet engedni egyik oldalról a másikra. Az ajtót egy olyan kis lény (démon) kezelje, amely elég kicsi ahhoz, hogy a molekulákat meg tudja különböztetni.Adémon úgy kezeli az ajtót, hogy az egyik oldalról az átlagosnál nagyobb sebességű molekulákat átengedi a másikra, a másik oldalról pedig az átlagosnál kisebb sebességű molekulákat engedi át az elsőbe. Így egy idő után az egyik oldalon gyorsabb molekulák lesznek, mint a másikon, ami azt jelenti, hogy az egyik oldalon magasabb lesz a hőmérséklet, mint a másikon. Ezt a hőmérsékletkülönbséget hőerőgép működtetésére lehetne használni.
Maxwell démona majdnem száz évig riogatta a fizikusokat, mígnem Louis M. Brillouin, francia fizikus kimutatta, hogy a démonnak információra van szüksége az egyes molekulákról, ha időben ki akarja nyitni az ajtót. Amikor a démon az egyik egyforma hőmérsékletű rész felé néz, az egyforma sugárzás miatt nem lát semmit, hacsak nem világítja meg egy sugárforrással. Brillouin kimutatta, hogy az az energia, amelyet a sugárforráshoz fel kell használni, nagyobb, mint emennyit a hőerőgépből nyerni lehet. Így Maxwell démona mégsem tudta kijátszani a második főtételt, és továbbra sem sikerült másodfajú örökmozgót alkotni.
3. Örökmozgónak látszó berendezések
Ebbe a csoportba olyan berendezések tartoznak, amelyek igen hosszú ideig képesek működni, és a működésükhöz felhasznált energia forrását a felületes szemlélő nem veszi észre. Ebbe a csoportba tartozik az a bólogató üvegkacsa, amit gyerekkorában szinte mindenki megcsodált már (9. ábra). A kacsa fejét és hasát egy cső köti össze, amely belenyúlik a hasába, majdnem annak az aljáig. A hasa egy könnyen párolgó, színesre festett folyadékkal (éterrel) van megtöltve. Ebből a testből a két oldalán, a súlypontja közelében kiáll két forgástengely, amelyek a lábakra támaszkodnak, hogy a kacsa bólogatni tudjon. A kacsa előtt egy pohár víz van, amelybe éppen beleér a feje, ha nagyon előrehajol. Ha a kacsát „megitatjuk”, az összes folyadék a hasába kerül, és elkezd egy kicsit előre- hátra billegni. De aztán a folyadék egyre inkább a fejébe emelkedik, és ennek megfelelően a kacsa egyre nagyobbakat bólogat, míg végül olyan sok folyadék lesz a fejében, hogy előrehúzza, és a csőre beleér a vízbe,mintha ismét inna. Amikor előredől, a nyakat alkotó cső vége a hasban lévő folyadék felszíne fölé kerül, így a folyadék visszacsurog a hasba, és a kacsa elölről kezdi a bólogatást.Akacsa csak bólogat-bólogat, amíg a vizet„meg nemissza”.Detudjuk, hogynemisszameg, úgyhogy a víz nem lehet a hajtóanyaga. Az magától párolog el. Akkor is elpárologna, ha messze lenne a kacsától. Pedig a kacsát mégis a víz hajtja, mégpedig a párolgásával. Tehát a hajtóenergia végső soron a Napból származik.
|
| 9. ábra: Bólogató kacsa |
A hasban lévő folyadék felszínére a saját gőzének a nyomása hat. Ha az „ivás” miatt a fej hőmérséklete csökken, viszont a környezet a has hőmérsékletét növeli, akkor a fejben és a nyakban csökken, a hasban pedig nő a gőz nyomása. Ez a nyomáskülönbség emeli fel a folyadék egy részét a nyakon keresztül a fejbe. Egy bizonyos szintet elérve a test súlypontja a forgástengely fölé és egy kicsit elé kerül, ezért a madár előrebukik.Acsőre beleér a vízbe, és a víz ismét lehűti a fejét. A víz azért hidegebb a környezeténél, mert párolog. Az előrebukáskor a fejben lévő folyadék visszafolyik a hasba, és a hasban lévő gőz felmegy a fejbe. Ettől a madár újból felegyenesedik, és kezdődik minden elölről. A mozgást a fej és a has közötti hőmérséklet-különbség tartja fenn. Néha a kacsa csőrét porózus anyagból készítik vagy ilyen anyaggal vonják be, hogy a párolgó víz ne csak „iváskor” hűtse a fejet, hanem bólogatás közben is.
A XX. század elején R. J. Strutt szenzációt keltett az általa konstruált rádiumórával. A rádiumból kilépő alfa-részecskék egy vékony aranylemezt mozgattak egy üvegbúra alatt. A rádium-226 izotópnak 1620 év a felezési ideje, így az óra hosszú ideig mozgott folyamatosan. Egy ideig örökmozgónak tekintették ezt a berendezést, de ahogy az atomszerkezetre vonatkozó ismeretek bővültek, kiderült, hogy a berendezést hajtó energia a rádium egy instabil állapotából egy másik állapotába való átmenetből származik. Tehát a rádiumórának van energiaforrása, csupán különbözik a megszokott forrásoktól.
|
| 10. ábra: Keely a laboratóriumában 1889-ben |
|
| 11. ábra: Keely hydro-vacuo motorja |
Ám a hivatalos álláspont ellenére a közvéleményben egyre erősödött a remény, hogy mégis lehet örökmozgót építeni. Egyike a legtalálékonyabb-leghosszabb életű szélhámosságoknak 1874-ben kezdődött, amikor John E.W. Keely bemutatta kombinált generátor és motorját philadelphiai otthonában (10-12. ábra). Keely generátora fémgömbök, csövek, fúvókák, szelepek és műszerek bonyolult rendszere volt. Majdnem 25 éven keresztül a befektetők hosszú sorait hozta laboratóriumába, hogy bemutassa, hogyan vonja ki generátora az energiát a vízből. „Az emberek nem is gondolják, hogy a vízben energia van” - mondogatta - „egy vödör vízből annyi gőzt lehet termelni, amennyi elegendő a világ folyásának a megváltoztatásához.” A berendezés és a bemutatók egyre fényesebbé váltak, annyira sikeresek voltak, hogy Keely és társai több mint egymillió dollár tőkét gyűjtöttek össze a Keely Motor Company számára. Keely azonban 1898-ban meghalt, egyik társának a fia azonnal bérbe adta a philadelphiai házat és tiszteletreméltó tanúk társaságában felderítette a cég helyiségeit.Apadló alatt találtak egy rejtett, óriási fémtartályt, nyilvánvalóan sűrített levegő tárolására, a falakban pedig rézcsöveket, amelyek a sűrített levegőt a generátorhoz vezették. Keely a működése során számos törvényt megsértett, de a termodinamika első és második főtételét nem tudta kijátszani.
|
| 12. ábra: A Keely Motor Company igazgatósága |
4. Az örökmozgók szabadalmaztatása
A feladat - az ingyenes energiatermelés - megoldásának vágya a mai napig sem szűnt meg. Erre utalnak a hazai és a külföldi szabadalmi adatbázisokban található, örökmozgókra vonatkozó bejelentések, és még ebben az évben is volt olyan hét, amikor három örökmozgóra vonatkozó szabadalmi bejelentés is érkezett a Magyar Szabadalmi Hivatalhoz. Meglepő, hogy az adatbázisokban található megoldások egy része vizsgált és szabadalmat kapott beadvány. Pedig a szabadalmi hivatalok nem adhatnának szabadalmat az örökmozgók „feltalálóinak”, mert a berendezésük nem működik, a működés pedig feltétele a szabadalmazhatóságnak. Ez azt mutatja, hogy a szabadalom mégsem minden esetben jelenti azt, hogy a berendezés működik is. A leírásban szereplő állításokat igaznak tételezi fel a hivatal (elbírálója), hacsak jó oka nincs kételkedni benne. Ebben az esetben az elbírálónak kell cáfolnia az állítást, ha képes erre. Így csak annyi mondható el, hogy az engedélyezett szabadalmak tehát inkább működőképesek, mint nem. A megoldásokat újra lehet vizsgáltatni, de kevesen vannak, akik időt és pénzt áldoznának nem működő berendezések újbóli vizsgálatára és a rájuk adott szabadalmak megsemmisítésére. Ezért fordulhatnak elő még manapság is az engedélyezett szabadalmak között örökmozgók.
Az örökmozgó megvalósíthatóságát elvben csak a természeti törvények megcáfolásával lehetne bizonyítani, ez azonban eddig még senkinek sem sikerült. Tapasztalati úton pedig e törvények csak akkor dönthetők meg, ha valaki működőképes modellt hoz létre, amire eddig még szintén nem volt példa.
Az Egyesült Államok Szabadalmi Hivatala - hasonlóan a többi szabadalmi hivatalhoz - évek óta elutasítja örökmozgó tárgyú bejelentések vizsgálatát, hacsak a kérelmező nem mutat be működő modellt, vagy másképpen nem demonstrálja a találmánya működőképességét.
|
| 13. ábra: A 6 362 718 lajstromszámú amerikai szabadalmi leírás címlapja |
Ezt a szabályt azonban nemmindig sikerül betartani.Még napjainkban, 2002 márciusában is engedélyeztek ilyen szabadalmat 6 362 718 lajstromszámmal,„mozgó alkatrész nélküli elektromágneses generátor” címmel (13. ábra). Ez olyan generátor, amelynek „aműködtetéséhez nincs szükség külső energiaforrásra”. Az elindításához még szükség van egy elemre, de azután is lead teljesítményt,miután az elemet lekapcsolták róla. A szabadalmi leírás kiemeli, hogy a találmány azért nem tekinthető örökmozgónak,mertmeg fog állni amikor a mágnes lemágneseződik. Arról azonban elfelejt szólni, hogy ez a lemágneseződés nem lehet a generátor kimenő teljesítményének a forrása.
A szabadalmi hivatal a reklamációk és a negatív sajtóvisszhang miatt újravizsgálta az ügyet. 2002 augusztusában a hivatal bejelentette, hogy az elbírálók tréningen fognak részt venni, hogy fejlesszék tudásukat és szakismereteiket, amit a továbbiakban rendszeresen ellenőrizni fognak. Nem lehet az összes szabadalmi elbíráló Einstein, de azért fel kellene ismerniük, ha az energiamegmaradás törvénye nem teljesül. Már csak azért is, mert rendszerint a feltalálók külön felhívják a figyelmet a nyert többletenergiára.
Örökmozgóra először 1635-ben adtak szabadalmat Angliában, de az elbíráló mentségére legyen mondva, hogy akkoriban még nem tudhatott a termodinamika főtételeiről, mivel még nem fedezték fel őket.
De még a működő modellek is megtréfálhatják a szabadalmi hivatal műszaki képzettségű elbírálóit és másokat is. Például elég nehéz pontosan megmérni az elektromos teljesítményt, ha az áram és a feszültség nincs fázisban egymással. Az is nyitott kérdés, hogy egy nem pontosan ismert elv szerint működő örökmozgónak mennyi ideig kell működnie, hogy a szabadalmi hivatal elismerje, hogy örökmozgó - örökké vagy elég 20 év, de ebben az esetben éppen akkor kapná meg a feltaláló a szabadalmat, amikor az oltalmi idő lejár (14. ábra). Az említett rádiumóra esetében évtizedekre lett volna szükség hogy rájöjjenek, hogy nemfog a végtelenségig működni.
Az örökmozgó megvalósításának álma alighanem örökké álom marad. Nem sikerült energiát termelni a semmiből, mert az energia összes mennyisége nem változik. De ez nem kell, hogy kedvét szegje a feltalálóknak. Olyan berendezés létét nem tagadja törvény, amely valamilyen anyag tömege változásának a rovására termel energiát. A fizikusok számításai szerint például egy mai, tipikus méretű erőmű kapacitásával rendelkező fúziós erőmű üzemeltetéséhez naponta csak kb. 1 kg deutériumra lenne szükség. (A deutérium a természetes vizekben szinte korlátlanul áll rendelkezésre.) Ha pedig sikerülne egy antianyag-lelőhelyet találni, akkor elég volna évente 2 tonna belőle az emberiség energiaigényének a fedezéséhez. Csak nehogy megint felfedezzen valaki egy újabb főtételt, amely ilyen gépek létezését tagadja...
|
| 14. ábra: Ennek az örökmozgónak a tesztelése az örökkévalóságig fog tartani. |
Irodalom
Perpetual motion pioneers
Egely György: Tiltott találmányok. Kornétás, Budapest, 1992
Radnai Gyula:Látszólagos örökmozgók. Természet Világa, 1997, január
Graham P. Collins: There’s no stopping them. Scientific American, 2002, október
Graham P. Collins: Selling the free lunch. Scientific American, 2002, november
Simonyi Károly:Afizika kultúrtörténete a kezdetektől 1990-ig. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1998
Wolfgang Bürger: Perpetua mobilia - Sie dürfen nicht funktionieren, aber warum? Technische Rundschau, 90. kötet, 19. szám
A. Daul: Das perpetuum-mobile. Hartlebens Verlag, Wien, 1900
Zoletnik Sándor: Lehozzuk-e a Napot a Földre? Természettudományi Közlöny, 134. kötet, 6. szám