Для того чтобы начать обсуждать принцип работы известного колеса Орфериуса, необходимо понимать такие понятия, как: передача упругого импульса и процессы ударного взаимодействия, природу гравитации, центростремительные и центробежные силы, силы Архимеда. Иметь представление о неравновесном состоянии механической и динамической систем.
Иоганн Бесслер – изобретатель родом из Германии 1660 года рождения. Будучи ещё молодым, он получил отличные навыки в изготовлении часовых механизмов и был признан гением механики. Дата создания первого изобретения не известна, но мир увидел настоящее «самодвижущееся колесо» в 1712 году в городе Гера. Это было тонкое колесо в диаметре 3 фута (≈92 см) и толщиной 4 дюйма (≈10 см). Вращалось колесо с постоянной скоростью примерно 60 об/мин. на горизонтальной оси и даже поднимало вес в несколько фунтов. Эта первая известная выставка принесла Бесслеру много неприятностей и врагов, а не прибыль и репутацию. Виной того служила скрытая внутренняя конструкция устройства. Люди, не видя механизм, считали, что их обманывают и колесо крутиться не само. Некоторые предполагали, что вращение колеса происходит за счёт скрытой верёвки, другие думали, что внутри бегают животные или существует какая-то невидимая глазу пружина.
Но уже через год Бесслер преподносит на суд зрителей новое, ещё большее колесо – диаметром 5 футов (≈153 см) и 6 дюймов толщиной (≈15 см). Скорость составляла 50 об/мин., а поднимаемый вес увеличился до 40 фунтов (≈18 кг).
В 1715 году было сконструировано третье колесо, больше предыдущего. Новая машина имела диаметр 6 футов (≈183 см) и толщину 12 дюймов (≈31 см). Модель ускорялась до 42 об/мин. Но Бесслер также предпочёл скрыть внутренний механизм.
Самодвижущиеся колёса не давали покоя скептикам, которых становилось всё больше. Иоганн Бесслер, постоянно подвергающийся нападкам и критике со стороны врагов и прессы, был вынужден созвать комитет из профессоров и уважаемых граждан. 11 человек должны были проверить изобретение на наличие мошенничества. В декабре того же года был подписан сертификат, который подтверждал, что колесо являлось настоящим вечным двигателем, вращающимся в любом направлении, поднимающим 70 фунтов (≈32 кг) на высоту более 8-ми метров и требующего малого усилия для старта, но большого для его остановки.
По неизвестным причинам в конце того же года Бесслер меняет себе имя на Орфериус, объясняя это тем, что имя это появлялось во время выстраивания букв алфавита по кругу. Буквам старого имени b,e,s,s,l,e,r диаметрально противоположными являлись o,r,f,f,y,r,e. Возможно, это было символическим изображением работы его «самодвижущегося колеса» или имело теологическое значение.
В начале 1716 года было построено последнее, самое внушительное колесо на территории замка принца Карла в небольшой комнате, имеющей стены толщиной примерно 4 фута (≈122 см) и только одну входную дверь. Всё эти обстоятельства облегчали строгие условия тестирования изобретения и его охрану. Колесо выглядело, как огромный барабан диаметром 12 футов (≈366 см) и толщиной 12 дюймов (≈31 см). Изготовлено колесо было из лёгкого дерева и весило около 200 футов (≈91 кг). Торец барабана во избежание показа механизма закрывался тканью. Колесо располагалось на двух деревянных столбах в центре помещения, на достаточном расстоянии от всех стен. Поддерживала колесо, опирающаяся в столбы однодюймовая железная горизонтальная ось. На концах, которой были установлены маятники. Орфериус пояснил, что их цель сделать вращение колеса плавным, и ограничить скорость его движения. Сделав 2-3 оборота барабан начинал вращаться со скоростью 26 об/мин. Во время каждого оборота было слышно, как внутри колеса падали восемь грузов и стукались о его корпус на той стороне колеса, в направлении которой оно вращалось. Изобретение проверяли в работе 2 дня, перемещая при этом в разные места комнаты. После было решено оставить его в работе на 14 дней в опечатанной комнате и приставленной к ней охраной. По истечению срока проверяющая комиссия обнаружила, что колесо продолжает вращаться с той же постоянной скоростью. Машину остановили, проверили и опять запустили. Через 40 дней колесо находилось в том же рабочем состоянии и вращалось те же 26 об/мин. Спустя день после окончания проверки Орфериус разобрал колесо.
Некоторые из участников комиссии, после завершения тестирования, писали письма, в которых описывали колесо, как элементарное и выдающееся изобретение. И приводили описания внешних частей конструкции, так как внутренности так не были увидены. Описывали, как к оси присоединяли Архимедов винт, для того чтобы поднять воду и что скорость колеса сокращалась до 20 об/мин. Остановить движение барабана было возможно при помощи двух рук. А если были попытки остановить колесо мгновенно, то оно поднимало человека над землёй.
Многие хотели купить секрет изобретения, но единственным человеком, кроме самого Орфериуса, кто видел изнутри загадочную конструкцию, был принц Карл. В записях он отмечал, что механизм очень прост и любой плотник может изготовить такой же. Секрет принципа работы механизма состоял в том, что грузы на одной стороне колеса находились дальше от оси, чем грузы на другой и упирались в небольшие выступы, мешающие возвращаться им в изначальное положение после прохождения верхней точки. Устройство внутри машины отвечает законам механического вечного движения в природе. Вследствие этого, приведённые в движение смещённые грузы создают и увеличивают силу за счёт собственного колебания. Вращение должно продолжаться до тех пор, пока грузы будут находиться в данной позиции. В отличие от часов, пружин и других устройств данный механизм будет работать вечно, так как никогда не найдёт точку равновесия.
О возможном жульничестве можно сказать следующее:
— Предполагалось, что в полой оси скрывался приводной ремень, что было не обоснованно, так как во время тестирования опору колеса перемещали по комнате;
— Считали, что внутри устройства бегает человек или животное, но первые колёса были слишком малы, для того чтобы поместить в себя кого-либо;
— Возможно, использовалась скрытая пружина, но принц Карл не обнаружил наличие данного механизма. Да и ни какой пружинный привод не мог разогнать колесо до такой постоянной скорости.
Итак, основной принцип работы «Самодвижущегося колеса» — это колебание грузов, т.е. особый режим работы, который сочетает центробежные, центростремительные и гравитационные силы.
Основные известные на сегодняшний день характеристики колёс Орфериуса:
— Колеса были изготовлены из дерева;
— Конструкции колес позволяли им вращаться в обоих направлениях;
— Работа совершалась за счёт колебания грузов, обеспечивающих неравновесное состояние;
— Колёса двигались плавно, их максимальную скорость ограничивали два противоположные маятника;
— Соотношение между естественной скоростью вращения колеса и их размерами имело значение;
— Механизмы приводились в движение за счёт минимального толчка;
— 2-3-х оборотов колёсам было достаточно для достижения ими максимальной скорости;
— При вращении колёс слышалось падение восьми мягко ударяющихся грузов о корпус на опускающуюся сторону и никаких посторонних звуков;
— Если механизм набирал слишком большую скорость, то мощность уменьшалась – это требовало регулятора скорости;
— В устройстве механизма были небольшие выступы для остановки колеблющихся грузов на поднимающейся стороне колеса, которые предотвращали их естественный поворот, и играющие важную роль после прохождения грузами своей верхней точки.
Так как оригинал изобретения Орфериуса не сохранился до наших дней, существуют предположительные схемы «Самодвижущегося колеса» (рис.1).
Рисунок 1
На рисунке 1 не изображены маятники, контролирующие скорость вращения. Возможно, что в I и II квадрантах каждый из восьми грузов опирался на край колеса. При увеличении скорости центробежная сила в IV квадранте мешала грузам занимать необходимую позицию, поэтому необходим регулятор скорости. Так же оси грузов могли быть гибкими, т.е. изготовленными из деревянной тонкой и упругой доски. Это объясняет работу механизма во время прохождения IV квадранта, что является важным моментом для поддержания постоянного неравновесия в системе. Но это — схема конструкции, противоречащая ранее высказанным описаниям очевидцев. Дело в том, что речь шла о 8-ми грузах, падающих на сторону колеса, в направлении которой оно вращалось, поэтому приведённый чертёж не соответствует оригиналу, так как смещение грузов происходит в поднимающейся части механизма, а не в опускающейся, как указывалось ранее.
Рисунок 2
На рисунке 2 представлена сегодняшняя действующая копия колеса с регулируемыми параметрами. В основе конструкции модели лежала идея обычных «П» — образных качелей, у которых имеются фиксирующие ползунки для крепления осей маятников, способных фиксироваться и передвигаться в необходимом положении. Сами «качели» соединялись ободом от колеса обычного велосипеда.
Рисунок 3
На рисунке 3 представлена репликация колеса Орфериуса.
Рисунок 4
В конструкции оригинального колеса так и осталось много не разгаданных вопросов. В частности длина самих маятников и расстояние от края колеса, на котором они были расположены, массу грузов и точный диаметр колеса.