Загадочная «крутилка»: радиометр Крукса

Люди всегда хотели каким-либо образом организовать «вечное» движение и использовать имеющиеся в наличии силы полезным для себя образом. 

Как показывает практика изысканий, на данный момент, никто не смог добиться собственно «вечного» движения, из которого можно было бы извлекать энергию для практического применения, но, тем не менее, существует целый ряд устройств, которые могут быть собраны, для собственного развлечения, где некоторые из них, заставляют поломать голову (для человека незнакомого с подобным) и сегодня мы познакомимся с одним из них — радиометром Крукса! 

Итак… 

Пожалуй, среди одних из самых ранних примеров подобных устройств условно «вечного» движения можно назвать так называемый «радиометр Крукса», который был изобретён в 1873 году химиком Уильямом Круксом:

Как можно видеть, устройство, представляет собой почти вакуумированную колбу, в которой на специальной оси с низким коэффициентом трения крепится крыльчатка, с несколькими вертикально располагающимися лопастями, где поверхность этих лопастей зеркальна (или просто белого цвета) с одной — и зачернена с другой стороны. 

При расположении этого устройства рядом с источником света или даже с источником тепла — крыльчатка приходит в движение, вращаясь таким образом, что зачернённые стороны крылышек как бы стремятся удалиться в противоположную сторону от источника света.

Появление этого устройства было делом случая и привели к этому, казалось бы, совершенно не связанные с этим события, произошедшие в 1861 году — дело в том, что Крукс, будучи химиком, занимался исследованиями, где для одного из экспериментов, для исследования элемента под названием Теллур ему требовалось произвести спектральный анализ — то есть, сжечь некоторое количество вещества (в котором, по его подозрениям, Теллур и должен был бы содержаться) и исследуя получающийся спектр свечения раскалённого объекта, с помощью спектроскопа, получить определённый спектр свечения, в котором (если бы Теллур в этом образце был), были бы характерные ему спектральные линии: 

При рассмотрении получающегося спектра, он с удивлением увидел, что на нём появилась яркая светящаяся зелёная линия, которой не ожидалось — таким образом, он совершенно случайно открыл доселе неизвестный науке элемент Таллий, который представил общественности в 1862 году, что моментально сделало его знаменитостью, и, на всемирной выставке 1862 года он получил награду за своё открытие, а годом позже, даже стал членом королевского общества — и это человек, занимающийся наукой и исследованиями по сути, на свои деньги, «на досуге», тогда как деньги он зарабатывал занимаясь вообще издательским делом! 

Это открытие, в том числе подразумевало, что необходимо было выяснить атомный вес элемента и Крукс принялся за работу с такой тщательностью, что занимался этими измерениями аж 10 лет! 

Для своих измерений он использовал два варианта весов, где один вариант работал в условиях земной атмосферы, а второй вариант был вакуумирован, где при работе с последними, он обнаружил странную вещь — по какой-то странной причине, если какую-либо чашу весов освещать или нагревать теплом — она становилась «как бы» легче! 

Причём, он сам в своих работах пишет, что при измерениях в условиях земной атмосферы можно было бы попытаться объяснить подобное как влияние небольшой плёночки сконденсированной влаги, имеющейся на поверхности более холодного объекта, однако, эта теория явно будет несостоятельна в условиях вакуума, где влияние подобных величин либо ничтожно, либо отсутствует*.

*Тут, похоже, надо пояснить, так как он говорит лаконично, для знающих, о чём некоторые могут быть не в курсе: дело в том, что процесс вакуумирования, то есть откачки газов из какой-либо ёмкости подразумевает, что по мере уменьшения давления, жидкости, имеющиеся в этой ёмкости (в частности, вода на поверхности объектов) будут вскипать (даже при комнатной температуре!), переходить в газообразное состояние и удаляться насосом.  

Таким образом, он говорит о том, что после вакуумирования в этой ёмкости останется ничтожное количество влаги, обусловленное исключительно несовершенством откачивающей системы и того уровня технологий, на котором она была исполнена в данный момент — то есть, явно, подобное количество вряд ли будет оказывать значимое воздействие на результаты измерений…

Чтобы понять причину наблюдаемого явления, в своей работе, он произвёл множество экспериментов, детально документированных, в ходе которых производил откачку воздуха из некоторого объёма (обычно стеклянной трубчатой колбы, в которую устанавливал «качельку» в виде соломинки, которая была укреплена посередине (в качестве опоры) на иголке, а на концах соломинки укреплялись шарики из сердцевины растительной бузины — как он сам говорит, эти материалы позволяли добиваться достаточно большого вакуума, так как не выделяли газов при вакуумировании и нагреве — и, по сути, все эксперименты так или иначе построены вокруг этой базовой конструкции, где нашу «качельку» можно видеть в правой части картинки ниже:

К слову, в левой части картинки представлено тоже крайне занимательное устройство, которое интересно для рассмотрения даже само по себе, поэтому, кратенько рассмотрим и его — оно называется ртутно-поршневым насосом и, даже для наших дней интересно тем, что позволяет достигать очень высокого значения вакуума — в одну миллионную атмосферы! Причём, без каких-либо сложных насосов — вообще без электроники и точной механики!  

Типичная конструкция насоса подобного рода представлена на картинке ниже:

Если вкратце, то насос представляет собой систему трубок, залитых ртутью, где, на картинке выше, ртуть заливается в самую левую открытую банку наверху, где далее по трубопроводу поступает в область B — через которую пролетает в виде капель и попадает в нижний трубопровод, попутно захватывая и запирая в нём небольшой объём воздуха (т.е. толкая перед собой). 

Ртуть по трубопроводу продолжает стекать вниз, пока не вытечет вместе с пузырьками воздуха в банку в правом нижнем углу картинки, откуда она может быть собрана и залита заново в банку в левой верхней части картинки. 

Таким образом, при работе устройства происходит постоянный отсос воздуха из ёмкости B, сообщающейся трубопроводом с ёмкостью R — которая и является целевой для откачки. 

Для постоянного мониторинга, какое разрежение достигнуто в настоящий момент — трубопровод от ёмкости R содержит колено (помечено как M), сообщающееся с атмосферой и работающее в качестве манометра — то есть показывающее текущее разряжение. Это колено тоже залито ртутью.

Несмотря на то, что это устройство по большей части XIX — начала XX века, гениальная простота его устройства бередит умы до сих пор и современные энтузиасты строят аналоги подобные ему, заменяя однако опасную ртуть и другие компоненты на более доступные и безопасные аналоги — например, масло для вакуумных насосов, фитинги и трубки из хозмага и перистальтический насос — впрочем, это просто демонстратор принципа и до настоящего ртутного насоса ему далеко:

Если же мы вернёмся обратно к экспериментам Крукса, то мы увидим, что далее, после сборки всей установки, он начинал откачку воздуха, и параллельно проводил тесты, в ходе которых наблюдались противоречивые явления: 

• При атмосферном давлении и подогреве под одним из шариков — он приподнимался вверх (что, казалось бы, логично — конвекция);

• Далее, если продолжать откачку, эффект начинал слабеть, по мере усиления вакуума, и, примерно на отметке в 7 мм рт. ст. пропадал вовсе (вроде как — «ура, логика понятна!» спойлер: а вот и нет! ;-) );

• При дальнейшем падении давления ниже 3 мм рт. ст. — эффект снова появлялся и был гораздо более выраженным, чем при случаях выше: даже приближение пальца к стеклянной трубке — уже вызывало движение шарика: 

Причём, что любопытно, эффект, наблюдаемый на радиометре Крукса обычно связывают только с отталкиванием, однако, как он сам говорит, наблюдается как отталкивание так и притягивание, в зависимости от того, холодный или горячий предмет мы подносим к шарику бузины на конце качельки! 

Вкратце — если качелька находится в вакууме, то поднесение горячего предмета приводит к отталкиванию от него, а поднесение холодного — притягиванию к нему (в условиях атмосферного давления — всё наоборот):

Так как гипотеза о конвекции казалась наиболее подходящей, он провёл ряд экспериментов, и в своих выводах приходит к тому, что дело вовсе не в этом: например в ходе экспериментов, он пробовал ставить вместо шариков бузины — аналогичные из латуни, и, как он сам пишет, по логике вещей, можно было бы ожидать, что более лёгкие предметы, как бузина, должны были бы перестать двигаться, только при достижении глубокого вакуума (т.е. их должны были смещать даже малейшие мгновения воздуха) — однако на практике было обнаружено, что они перестают реагировать уже при разрежении в 7 мм рт. ст. (в том числе проводились эксперименты и с качелькой из стекла, без каких-либо шариков); тогда как более тяжёлые объекты — например, та же самая качелька (видимо, из соломинки или из стекла, как я понимаю), только с шариками латуни на концах, перестаёт двигаться уже только при высоком вакууме — что абсолютно нелогично и разбивает с его точки зрения, теорию о вероятной конвекции:

Таким образом, мы видим, что Крукс понимает — причиной наблюдаемого явления является нечто иное, чем просто конвекция, и, по результатам множества экспериментов приходит к тому, что, похоже, помимо вакуума и температуры объектов — имеет значение и площадь: то есть, при прочих равных, чем больше будет площадь нагреваемого/охлаждаемого объекта на качельке — тем выраженней будет и эффект:

Тем не менее, несмотря на все эксперименты, Крукс так до конца и не понял, что является истинной причиной наблюдаемого и ошибочно считал, что основной силой является давление света. 

Однако, будучи больше экспериментатором он выявил, как мы видим, основные зависимости, опираясь на которые уже можно было строить физические устройства — что и было им проделано, так что приведённая в начале статьи на картинке вакуумная вертушка (не конкретно эта, а класс устройств) — были созданы и известны ещё при его жизни. 

По современным представлениям причиной подобного движения вертушки является своеобразная реактивная тяга, возникающая из-за перетекания холодного газа, с холодной стороны лопаток на горячую, соответственно, увеличивающая давление на горячей стороне и отталкивающая её в противоположном направлении — таким образом, необходимым условием (помимо собственно нагрева или охлаждения) для наблюдения этого, является достижение определённой степени разрежения (чтобы попросту, лопатки не тормозились своей большой площадью о воздух или иной газ) и, в то же время, требуется некоторое присутствие газа в этой вакуумированной ёмкости — так как при полном его отсутствии просто-напросто не будет тяги! 

Понимая все эти принципы, некоторые строят подобные устройства даже самостоятельно, хотя, как отмечают, для наблюдения явного эффекта (то есть, максимальной скорости) нужно добиваться достаточно высокого разрежения, что не всегда возможно с теми насосами, которые обычно есть в среднем под рукой:

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.