Gibt es das legendäre „Perpetuum mobile“ wirklich?

Nebelwissenschaft

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Ich habe dieses kleine Spielzeug vor ein paar Tagen gesehen und war davon besessen.

▲Quelle: Offizielle Website von Lehrer Li Yongle, BV1hT4y1u75e

Dieses kleine Spielzeug heißt Trinkvogel. Es soll im alten China ein Spielzeug gewesen sein. Das letzte Mal erschien es öffentlich in einem ausländischen populärwissenschaftlichen Buch in den 1930er Jahren und verschwand danach von der Bildfläche. Laut „Fun Physics Continued“, zusammengestellt von Beleliman, einem berühmten populärwissenschaftlichen Autor aus der ehemaligen Sowjetunion, gab jemand Einstein einst dieses kleine Spielzeug, und sogar Einstein war begeistert. Von da an trug es einen dominanten Titel: „Das Spielzeug, das auch Einstein schockierte.“ Der Physiklehrer sagte einmal: „Es ist unmöglich, ein Perpetuum mobile zu erfinden!“, also was ist dieser „Perpetuum mobile“-Trinkvogel?

Aus Neugierde habe ich auf Taobao nach anderen Perpetuum mobile-Spielzeugen gesucht.

▲Eine solche „Perpetuum mobile“ kann etwa 30 Sekunden dauern

▲Nachdem ich mir die Käufershow angesehen hatte, stellte ich fest, dass ich Batterien einlegen musste …

▲ Balance Pendel, kann sich lange weiterdrehen

▲Magnetisches Gyroskop, das sich angeblich weiterdrehen kann, solange es nicht entmagnetisiert wird

Es gibt sogar solche

▲Nur ein Scherz

Wir klassifizieren einfach mehrere typische Perpetuum mobile-Modelle in Kategorien: Typ mit magischem Rad, selbstzirkulierender Kessel, magnetischer Typ und unser Trinkvogel.

Magisches Rad

Bereits um das Jahr 1159 n. Chr. entwarf ein indischer Mathematiker namens Bhaskar ein Rad mit geschwungenen, mit Quecksilber gefüllten Rillen. Während sich das Rad drehte, floss das Quecksilber zum Boden jeder Rille, sodass ein Ende des Rades immer schwerer war als das andere und dieses Ungleichgewicht dafür sorgte, dass sich das Rad weiterdrehte. Dies war eine der frühesten Ideen für ein Perpetuum mobile.

▲ Schematische Darstellung des Perpetuum mobile von Bhaskara

Im 13. Jahrhundert konstruierte der Franzose Henckel ein „Zauberrad“, das durch eine Reihe von am rotierenden Rad angebrachten Auslegern eine Perpetuum mobile ermöglichte. Später ersetzte jemand das Quecksilber durch Stahlkugeln, den Ausleger durch ein Pendel und die Ventilatorblätter, die eigentlich Variationen dieser unausgeglichenen Struktur sind.

▲Das Perpetuum mobile mit dem magischen Rad, kopiert von Henkels Design

Im 15. Jahrhundert konstruierte auch unser vielseitiger Leonardo da Vinci ein Perpetuum mobile mit einem magischen Rad. Er hinterließ in seinen Manuskripten eine große Zahl genialer mechanischer Konstruktionszeichnungen, die jedoch allesamt misslangen. Leonardo da Vinci gab die Idee eines Perpetuum mobile endgültig auf und bezeichnete sie als „leere Fantasie“.

▲ Leonardo da Vincis Entwurfsmanuskript für das Perpetuum mobile mit dem magischen Rad

Selbstzirkulierender Wasserkocher

Im 17. Jahrhundert schlug Boyle, der Junge, der das „Boylesche Gesetz“ vorschlug, die Idee eines „selbstzirkulierenden Kessels“ vor. Er entwarf einen Kessel mit einem dünnen langen Rohr, das mit der Oberseite des Kessels verbunden war. Aufgrund der Kapillarwirkung wird die Flüssigkeit von dem dünnen Rohr angezogen, überwindet die Schwerkraft, steigt an der Rohrwand nach oben und fließt schließlich zurück in den Kessel, wodurch eine ewige Bewegung entsteht. Aufgrund der Kapillarwirkung konnte die Flüssigkeit im dünnen Rohr jedoch am Ende nicht aus dem Rohr herausfließen. Auch das Perpetuum mobile-Modell des selbstzirkulierenden Kessels scheiterte.

▲Skizze eines selbstzirkulierenden Wasserkochers

▲Das Wasser hört schließlich auf zu fließen

Magnetisches Perpetuum mobile

Im 18. Jahrhundert war die Erforschung des Magnetismus ein heißes Thema. Magnete verfügten über eine „mysteriöse Kraft“, mit der sie Objekte anziehen oder durch die Luft schieben konnten. Dies gab den damaligen Wissenschaftlern neue Inspiration und sie entwarfen das Modell eines Perpetuum mobile mit Magneten. Die magnetische Version des „Magic Wheel“ ist erschienen. Dieses Gerät, das mithilfe von Magneten kleine Eisenkugeln anzieht und die dann nach dem Herunterrollen von den Magneten nach oben gezogen werden, sieht ziemlich gut aus. Allerdings wird der Magnet allmählich entmagnetisiert und verliert seine magnetische Kraft, und das magnetische Perpetuum mobile versagt.

▲Konstruktionszeichnung der magnetischen Version des „Magic Wheel“

▲ Schematische Darstellung eines magnetischen Perpetuum mobile

Die Konstruktionen der oben genannten Perpetuum mobile sind sehr raffiniert, verstoßen jedoch gegen den ersten Hauptsatz der Thermodynamik und werden als Perpetuum mobile erster Klasse bezeichnet. Der heute jedem bekannte Energieerhaltungssatz wurde erst 1842 vom niederländischen Wissenschaftler Mayer vorgeschlagen.

Im Jahr 1843 fasste der britische Wissenschaftler Joule den ersten Hauptsatz der Thermodynamik zusammen und schlug ihn vor: Die Zunahme der inneren Energie eines Objekts ist gleich der Summe der vom Objekt aufgenommenen Wärme und der am Objekt verrichteten Arbeit, d. h., Wärme kann von einem Objekt auf ein anderes übertragen und auch in mechanische Energie oder andere Energie umgewandelt werden, aber während des Umwandlungsprozesses bleibt der Gesamtenergiewert unverändert. Seine Verallgemeinerung und sein Wesen sind der Energieerhaltungssatz.

Das erste Perpetuum mobile

Während der Bewegung entsteht Widerstand und Wärme. Auch wenn der Verlust gering ist, wird das Gerät irgendwann den Dienst versagen.

Die zweite Art von Perpetuum mobile

Mit dem Aufkommen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik wurde deutlich, dass die Erfindung des ersten Typs eines Perpetuum mobile unmöglich war. Daher schlugen einige Leute die Idee eines zweiten Typs eines Perpetuum mobile vor: Können wir Wärmeenergie aus der Außenwelt aufnehmen und diese Wärmeenergie als Antriebsquelle für das Perpetuum mobile nutzen, damit es sich dreht und Arbeit abgibt?

Im Jahr 1881 entwarf Grumgy den „Zeromotor“ für die US-Marine. Man stellte sich vor, dass flüssiges Ammoniak Wärme aus dem Meerwasser absorbieren, verdampfen und dabei Dampf erzeugen und den Kolben antreiben würde, um kinetische Energie zu gewinnen. Das Ammoniak würde dann durch Meerwasser gekühlt und zu flüssigem Ammoniak kondensiert, und der Zyklus würde sich immer wieder wiederholen.

▲ Schematische Darstellung des „Nullverbrauchsmotors“ von Gumji

Allerdings gaben der Deutsche Clausius und der Brite Kelvin bereits in den 1850er Jahren nacheinander zwei Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ab. Clausius stellte unter anderem fest, dass „Wärme nicht spontan von einem Objekt mit niedriger Temperatur auf ein Objekt mit hoher Temperatur übertragen werden kann“. Es ist für Ammoniak unmöglich, Wärme an das Meerwasser abzugeben und sich in flüssigen Stickstoff umzuwandeln. Die Umwandlung von Dampf zurück in Flüssigkeit erfordert eine Kältequelle und verbraucht mehr Energie. Wir nennen das Perpetuum mobile, das den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt, ein Perpetuum mobile zweiter Klasse.

Trinkender Vogel

——Es ist kein Perpetuum mobile

Was ist mit dem eingangs erwähnten Trinkvogel? Solange sich Wasser im Becher befindet, wird der Vogel weiter trinken.

Der Grund, warum trinkende Vögel ständig Wasser trinken können, liegt darin, dass sie die Umgebungstemperatur, die Wassertemperatur und die Flüssigkeitsverflüchtigung geschickt ausnutzen. Das konkrete Prinzip wurde im Video von Lehrer Li Yongle erklärt. Wenn Sie Interesse haben, können Sie selbst vorbeischauen. Während andere Perpetuum mobile Energie aufnehmen müssen, um ihren Betrieb aufrechtzuerhalten, gibt der Trinkvogel Wärme ab. Daher ist der Trinkvogel eigentlich kein „Perpetuum mobile“, sondern eine „Wärmekraftmaschine“. Die Alten waren so schlau.

▲Quelle: Offizielle Website von Lehrer Li Yongle, BV1hT4y1u75e

Das Leben hört nie auf, die Erkundung endet nie

Warum sind Wissenschaftler seit Jahrtausenden so erpicht darauf, Perpetuum mobile zu erfinden? Warum gibt es in einer Zeit, in der die Vorstellung, dass Perpetuum mobiles unmöglich zu realisieren seien, tief in den Köpfen der Menschen verwurzelt ist, immer noch unzählige Menschen, die sich für die Erfindung und Erforschung von Perpetuum mobiles begeistern?

Stellen Sie sich vor, es gäbe ein System auf der Welt, das für immer aufrechterhalten werden könnte, ohne Energie von außen aufzunehmen, oder wir würden die Anforderungen senken und es gäbe ein energiesparendes Gerät, das nur eine geringe Menge an Startenergie benötigte, um lange Zeit weiterzulaufen. Könnte dieses System auch Menschen umfassen und könnte dieses Gerät selbst ein Mensch sein? Wenn ja, kann das Leben ewig weitergehen und kann das ewige Leben, von dem die Menschen seit der Antike träumen, verwirklicht werden?

Diese Fragen können wir derzeit nicht beantworten. Vielleicht werden wir eines Tages, wenn wir hoch genug stehen und weit genug blicken, eine magische Substanz entdecken, die es uns ermöglicht, die bestehenden Gesetze zu überarbeiten oder sogar aufzuheben. Was Wissenschaftler einst für unmöglich hielten, wird in Zukunft möglich sein. Die Erforschung des Universums und die wissenschaftliche Forschung durch den Menschen stellen im Wesentlichen Durchbrüche im Verständnis der Menschheit für ihre eigene Welt und die Grenzen ihrer eigenen Wahrnehmung dar. Die Entwicklung der Wissenschaft erfolgte parallel zu diesen Durchbrüchen.

Das Leben geht weiter, die Entdeckungen hören nie auf. Das ist Nebula Science. Wir freuen uns darauf, mit Ihnen die Geheimnisse der Welt zu erkunden.

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Die Bilder im Artikel stammen überwiegend aus dem Internet und Videomaterial.