Экспериментально опровергаем важное допущение, сделанное в своё время Готтфридом Лейбницем, на котором основан нынешний закон сохранения энергии.
Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер - исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.
e-mail:
d-pi@yandex.ru Как я указывал в теоретической части, подъём материального тела массой m на высоту h может включать два этапа: разгон и торможение. Вывод формул, позволяющих подсчитать теоретические затраты реальной энергии (количества топлива для реактивных двигателей, необходимого для выполнения этой работы) приведен в статье
Для тех, кто любит физику Расчёт сравнительного расхода реальной энергии (топлива для реактивных двигателей) на подъём тела массой 1 кг на высоту 20 м приведен в статье
Дело об ЭНЕРГИИ. Исправление ошибок физики Дело в том, что в реальности существует установленный мной экспериментально факт (а физика, если кто не помнит, это, прежде всего, экспериментальная наука), что количество затраченной для подъёма одного и того же тела на одну и ту же высоту энергии зависит от величины подъёмной силы.
Более полное и длинное теоретическое описание с расчётами можно найти в моей статье
«Нынешний закон сохранения энергии в механике - величайшая ошибка физики», которая находится в свободном доступе в Интернете.
Вот наглядный рисунок по расчёту расхода реальной энергии для подъёма материального тела массой 1 кг на высоту 10 метров посредством неких «невесомых» реактивных двигателей с постоянной тягой 5 Н:
Сравнительный расход энергии для подъёма одного и того же тела массой 1 кг на высоту 10 м.
Сравнительный расход энергии для подъёма одного и того же тела массой 1 кг на высоту 10 м.
Расчёт произведен из условия, что каждый реактивный двигатель для создания тяги в 5 Н потребляет в единицу времени одно и то же количество топлива, то есть расходует одно и то же количество энергии.
Так как физика в первую очередь есть наука экспериментальная, о чём неоднократно говорится в школьных учебниках по физике, пятитомной «Физической энциклопедии» под редакцией академика А.М. Прохорова, в «Элементарном учебнике физики» под редакцией академика Г.С. Ландсберга и самых различных курсах лекций по физике, то для подтверждения теоретического обоснования необходимо провести натурный эксперимент.
Провести эксперимент с реактивными двигателями, используемых для макетов ракет, разумеется, вполне возможно. Однако существуют совершенно объективные проблемы с фиксацией количественных результатов подобного эксперимента. Стоимость оборудования для фиксации результатов исследователю-одиночке, вроде меня, явно не по карману.
Поэтому я принял решение провести показательный эксперимент, используя коллекторный двигатель постоянного тока.
Известно, что если в рамке, находящейся в магнитном поле, проходит электрический ток, возникает сила F_a, заставляющая рамку поворачиваться.
Рамка, по которой проходит электрический ток, в магнитном поле.
Рамка, по которой проходит электрический ток, в магнитном поле.
Это явление широко используется человечеством -
на этом принципеработают практически все электродвигатели, в том числе и электродвигатели переменного тока, как однофазные, так и трёхфазные. Но очевидно, что электродвигатели переменного тока явно не подходят для такого эксперимента.
Чем больше подаваемое на рамку (на обмотку ротора) напряжение U, тем больше величина силы тока в рамке (в обмотке ротора), тем больше эта самая поворачивающая сила F_a. Если напряженность магнитного поля постоянна (например, в случае, если магнитное поле, создаётся постоянными магнитами), то зависимость силы F_a от силы тока I - прямо пропорциональная.
В ходе эксперимента я использовал несколько различных малогабаритных коллекторных электромоторчиков постоянного тока, извлечённых из выслуживших свой срок CD- и DVD- приводов.
Малогабаритные коллекторные электромоторы постоянного тока, используемые в CD- и DVD- приводах.
Малогабаритные коллекторные электромоторы постоянного тока, используемые в CD- и DVD- приводах.
Затраченная на подъём груза (стального шарика от шарикоподшипника массой 32 грамма) электроэнергия E определялась по формуле E = U I t, где
U - напряжение на обмотке ротора (статор всех используемых электромоторов - постоянные магниты), Вольт.
I - сила тока, проходящая по обмотке ротора, Ампер.
t - время подъёма груза, секунд.
Для фиксации напряжения, силы тока и времени мной использовался измерительный преобразователь напряжения Е20-10 производства московской компании L-Card (
http://www.lcard.ru), специальное программное обеспечение LGraph2 - разработанная компанией L-Card законченная программа самописец-визуализатор под Windows XP и персональный компьютер под управлением ОС Windows XP.
Измерительный преобразователь напряжений E20-10 внесён в Государственный реестр средств измерений. Сертификат представлен на странице
http://www.lcard.ru/sites/default/files/SERTIFIC/ext_sert.jpg .
Измерительный преобразователь напряжения Е20-10.
Измерительный преобразователь напряжения Е20-10.
Основные характеристики прибора Е20-10:
- разрядность АЦП - 14 бит,
- общая максимальная частота преобразования - 10 МГц,
- поддиапазоны измерения напряжения ± 3,0В, ± 1,0В и ± 0,3В.
Более подробное описание прибора и его характеристик можно найти в руководство по эксплуатации на сайте производителя (ООО «Л Кард», см.
http://www.lcard.ru/download/e20_10_users_guide.pdf).
Так как номинальное напряжение для этих электромоторчиков составляет 5 Вольт, а я собирался подавать на них напряжение от 1 до 12 Вольт (при кратковременной нагрузке моторчики это выдерживают), а максимальное напряжение, которое воспринимает E20-10 - 3 Вольта, поэтому я изготовил делитель напряжения 1:4 (13 кОм и 39 кОм, см. схему).
Электрическая схема измерительной станции
Электрическая схема измерительной станции
Сила тока в обмотке ротора электромоторчика определялась по падению напряжения на резисторе R₂ номиналом 1 Ом, таким образом сила тока численно равна падению напряжения на этом резисторе, снятому каналом 1. Напряжение на обмотке ротора моторчика определялось по падению напряжения на резисторе R₃ делителя R₃+R₄ с номиналами 13 и 39 кОм соответственно. Делитель 1:4, так как максимальное напряжение, которое я предполагал подавать на электромоторчик Эд₁ я определили в 12 Вольт, а максимальное напряжение, с которым работает измерительный прибор E20-10 равно ± 3 Вольта. Таким образом, показания, снятые на 2 канале, следует просто умножать на 4.
Общий вид измерительной станции.
Общий вид измерительной станции.
Упор под электромотором установлен на высоте 2,5 метра:
Закреплённый электромотор с ограничивающим упором.
Закреплённый электромотор с ограничивающим упором.
Один из фрагментов проведения этого эксперимента был снят на видео и выложен на моём канале youtube:
В теории, количество затраченной на подъём груза энергии зависит от величины подъёмной силы, причем чем больше величина подъёмной силы, тем меньше количество затраченной энергии.
Изменяя сопротивление резистора R1, изменяя тем самым подаваемое на обмотки ротора напряжение, а, следовательно, и величину подъёмной силы, я добился возможности сравнить количество затраченной электроэнергии при относительно быстром и относительно медленном подъёме груза.
Скриншоты экранов, на которых показаны нарисованные программным обеспечением фирмы L Card графики, показаны ниже.
На первом графике запечатлены напряжение на моторчике и сила тока в обмотке ротора при «медленном» подъёме (вариант «А»), на втором - графики изменения напряжения и силы тока в обмотке ротора при «быстром» подъёме (вариант «В»).
Скриншот параметров медленного подъёма груза (вариант «А»)
Скриншот параметров медленного подъёма груза (вариант «А»)
Скриншот параметров быстрого подъёма груза (вариант «В»)
Скриншот параметров быстрого подъёма груза (вариант «В»)
Ниже представлена расшифровка полученных графиков при каждом варианте подъёма груза:
Расшифровка графика. Медленный подъём (вариант «А»)
Расшифровка графика. Медленный подъём (вариант «А»)
Расшифровка графика. Быстрый подъём (вариант «В»)
Расшифровка графика. Быстрый подъём (вариант «В»)
Разумеется, энергия, потраченная на разгон в случае «В», будет больше, чем в варианте «А». Это вызвано тем, что требуется придать грузу и ротору электромотора большие скорости, преодолевать большее сопротивление трения.
Если просто перемножить все мгновенные значения напряжения на мгновенные величины силы тока, а потом сложить их, то эффект будет не столь показательным - из-за малой высоты подъёма, уменьшение расхода электроэнергии составит порядка 10%.
Но ведь смысл эксперимента в том, чтобы продемонстрировать показанный мной в статье «Нынешний закон сохранения энергии - величайшая ошибка физики» эффект уменьшения расхода энергии при увеличении подъёмной силы и при увеличении скорости подъёма.
Эффект уменьшения потребления энергии (в данном случае - электроэнергии) будет более показателен, если существенно увеличить высоту подъёма, хотя бы до 10…20 метров.
Определить скорость подъёма груза в обоих случаях не вызвало каких-либо серьёзных проблем:
Рабочий момент проведения эксперимента.
Рабочий момент проведения эксперимента.
Так можно определить скорость шарика (груза) в момент завершения его подъёма на высоту 2,5 метра. Так как видеосъёмка велась с частотой 25 кадров в секунду, время экспозиции кадра соответствовало длительности кадра, то, соответственно, скорость подъёма груза составила 25 × 8,8 см = 2,5 м/с.
Как я уже отмечал, ошибка в нынешней трактовке закона сохранения энергии заключается в ДОПУЩЕНИИ (именно в допущении, а не в экспериментальном доказательстве), сделанным Готтфридом Лейбницем более трёх с половиной столетий тому назад.
В частности, вот что писал Лейбниц в своей работе «Против картезианцев, о законах природы и истинной оценке движущих сил»: «Многие измеряют силу произведением массы на скорость, т. е. количеством движения, отсюда и картезианцы выводят, что в природе сохраняется одно и то же количество движения. Возражая против этого, я показал («Acta Eruditorum», март 1686 г., с. 161), что если, как это обычно допускают, и прежде всего сами картезианцы, одна и та же энергия потребна для поднятия одного фунта на четыре фута и четырех фунтов на один фут, то нельзя измерять силу количеством движения и тело в четыре фунта со скоростью, измеряемой единицей, не равносильно телу в один фунт со скоростью, измеряемой четырьмя единицами, ибо если первое может поднять один фунт на четыре фута, то второе может поднять его на шестнадцать футов. Пытаясь возражать против этого моего рассуждения, некоторые ученые так запутались, что приходится предположить недостаточное понимание вопроса, когда они допускают оценку энергии пропорционально массе и высоте, на которую масса, или тяжесть, может быть поднята.» (Замечу, что это - современный академический перевод, в оригинале статьи вместо термина “энергия” Лейбниц использует термин “живая сила”).
Ключевое слово - ДОПУСКАЮТ.
Откроем другую работу Готтфрида Лейбница «Краткое указание ошибки достопочтенного Декарта...»
«В природе сохраняется одна и та же величина потенции движения, она не уменьшается, так как мы видим, что сила ни в какой доле не теряется телом, разве только она переходит в другое тело, и не увеличивается - так как вечное механическое движение совершенно невозможно... Декарт отождествил силу движения с количеством движения, провозгласил, что в мире сохраняется... количество движения.
Насколько отличаются друг от друга эти два понятия, можно показать следующим образом. Прежде всего, я исхожу из того, что тело в результате падения с известной высоты приобретает такую силу, что оно может подняться вверх до такой же высоты при любом направлении, если только оно не встретит никаких внешних препятствий. Например, маятник вернулся бы точно на такую же высоту, с которой он был опущен, если бы сопротивление воздуха и другие подобные незначительные препятствия не отнимали у него часть его силы, отчего мы сейчас, однако, отвлекаемся... Это наша первая предпосылка.
Во-вторых, я предполагаю, что для того, чтобы поднять тело А в 1 фунт на высоту CD в 4 локтя, нужна такая же сила, которая нужна для того, чтобы поднять тело В в 4 фунта на высоту EF в 1 локоть. Это допускают все... философы и математики нашего времени.»
И опять ключевое слово - ДОПУСКАЮТ.
Я же, в отличие от Готтфрида Лейбница, ЗНАЮ, на основании своего опыта работы старшим инженером испытательного отделения испытательной войсковой части, что реальная энергия, затраченная на подъём одного и того же груза на одну и ту же высоту может существенно отличаться и расход энергии зависит от величины подъёмной силы.
И еще я знаю, что любая работа выполняется не энергиями, придуманными Готтфридом Лейбницем и другими учёными в XVII веке,
а импульсом силы Ft, о чем можно прочесть в моих статьях. Правда, я не ожидал, что
число остолопов на Дзене, в бестолковых головёнках которых эти простые мысли не могут удержаться и даже не могут пролезть туда, внутрь, будет так велико.
Но что поделать, борьба с неверными догматами и стереотипами, отлитыми в граните в головёнках остолопов, это моя первоочередная задача.
© Дубровский П.И., май 2015…январь 2019 г.
Используемая литература:
1. Дубровский П.И. «
Нынешний закон сохранения энергии в механике - величайшая ошибка физики», © 2018,
2. «Физическая энциклопедия, том 5». Главный редактор А.М. Прохоров. Справочное издание. - М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия (до 1991 г. оно называлось издательство Советская энциклопедия) 1988-1998.
3. «Элементарный учебник физики. Учеб. пособие. В 3 т.» / Под ред. Г.С. Ландсберга. Том 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика - 13-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004
4. Лейбниц Г.В. «Сочинения в четырех томах. Том I» Серия Философское наследие (Т. 84). Редактор и составитель, автор вступительной статьи и примечаний В.В. Соколов, перевод Я.М. Боровского и др. М.: Мысль, 1982.
P.S. В течение нескольких ближайших месяцев я планирую провести дополнительные эксперименты по данной теме. И если кто хочет принять участие в обработке результатов и формировании выводов - я с удовольствием поделюсь полученными материалами. Также я готов выслушать рекомендации по совершенствованию эксперимента.