在人們的想象中，永動(dòng)機(jī)是一種機(jī)械裝置，它可以不停地自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而且還可以舉起重物等，做一些有意義的事情。很早以前，有人就試圖想制造這種機(jī)械裝置，但是一直到現(xiàn)在，都沒有人真正制造出來。
人們的嘗試都以失敗告終，以至于人們開始懷疑，這種機(jī)械是不可能制造出來的。而且，在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們提出了一種定律，就是我們現(xiàn)在經(jīng)常說的能量守恒定律。
當(dāng)然，前面提到的永恒運(yùn)動(dòng)，不是一種機(jī)械裝置，而是一種現(xiàn)象，不需要做功卻能永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。
圖43 中世紀(jì)對(duì)永動(dòng)機(jī)的典型設(shè)計(jì)
圖43是古時(shí)候人們對(duì)永動(dòng)機(jī)的一種典型設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，仍然有人試圖制作出這種機(jī)械裝置。
在一只圓形輪子的邊緣裝上一些活動(dòng)的短桿，每個(gè)短桿的另一端上都拴著一個(gè)物體。不管輪子轉(zhuǎn)到什么位置，右邊短桿上的每個(gè)物體要比左邊的物體離輪子中心遠(yuǎn)。所以，右邊的物體就會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，就會(huì)使輪子永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)下去。
在制造的時(shí)候，人們以為肯定不會(huì)有任何問題，輪子肯定會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。但是，真正制造出來后，卻發(fā)現(xiàn)輪子并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，很多發(fā)明家都不知道問題出在哪兒了。
為什么會(huì)這樣呢？下面我們就來分析一下：
雖然，輪子右邊的物體總是離輪子的中心比較遠(yuǎn)， 但是右邊的物體數(shù)量比左邊少。如圖43所示，右邊一共有4個(gè)物體，左邊是8個(gè)物體，整整是左邊的兩倍。
這樣的結(jié)果，就是輪子只是在最初搖擺了幾下，然后就會(huì)慢慢保持平衡，再也不轉(zhuǎn)動(dòng)了，停到圖示的位置(有一個(gè)定律，叫力矩定律，可以很好地解釋這個(gè)問題，有興趣的同學(xué)可以去深入學(xué)習(xí)一下)。
現(xiàn)在，人們已經(jīng)知道，根本不可能制造出這樣一種機(jī)械裝置能夠永運(yùn)運(yùn)動(dòng)下去。所以，我們說，如果還有人在試圖制造它，都是一種徒勞。但是，以前可不是這樣，中世紀(jì)的時(shí)候，人們?cè)?jīng)為了制造出這樣一種機(jī)械， 花費(fèi)了很多時(shí)間和精力。人們對(duì)制造” 永動(dòng)機(jī)”的癡迷程度勝過了煉制黃金。
普希金在其作品《騎士時(shí)代的幾個(gè)場(chǎng)面〉中描寫了一位幻想家，叫比爾多德，對(duì)永動(dòng)機(jī)情有獨(dú)鐘。里面有這樣一段對(duì)話：
“什么是永動(dòng)機(jī)？”馬丁問。
比爾多德說:“親愛的馬丁， 永動(dòng)機(jī)就是永恒的運(yùn)動(dòng)啊!我承認(rèn)，煉制黃金確實(shí)是一個(gè)很好的工作，但是你不覺得永動(dòng)機(jī)太有趣了嗎？如果我能做到永恒運(yùn)動(dòng)，就可以無所不能了，煉制黃金又算什么呢！啊，永動(dòng)機(jī)?。?/p>
關(guān)于永動(dòng)機(jī)的裝置，人們?cè)囼?yàn)了很多種，但無一例外都沒有成功。
每一個(gè)裝置都看似合理，但是總會(huì)忽略掉某一個(gè)細(xì)節(jié)，使得永動(dòng)機(jī)總是不能制作成功。
圖44是人們?cè)O(shè)計(jì)的另一種永動(dòng)裝置。
圖44 裝有鋼球的永動(dòng)機(jī)
這種永動(dòng)機(jī)由一只裝著鋼球的圓輪構(gòu)成，里面的鋼球可以自由滾動(dòng)。其實(shí)，它的設(shè)計(jì)思路跟前面的差不多，只是這里把矩桿上的物體換成了鋼球，一邊的鋼球離輪子中心近一些，另一邊的鋼球離輪子中心遠(yuǎn)一些，鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)帶動(dòng)輪子旋轉(zhuǎn)。
但是，我們知道了，永動(dòng)機(jī)這種裝置是永遠(yuǎn)不會(huì)成功的。但是，當(dāng)時(shí)在美國(guó)，卻有一家咖啡店為了招攬生意，按照這種設(shè)計(jì)制造了一個(gè)很大的輪子，如圖45所示。
圖45 廣告中的假想永動(dòng)機(jī)
表面上看，輪子在一直轉(zhuǎn)動(dòng)， 好像永動(dòng)機(jī)真的實(shí)現(xiàn)了一樣。其實(shí)，它是由一個(gè)秘密的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的。
關(guān)于永動(dòng)機(jī)的模型，還有很多。曾經(jīng)還有一個(gè)鐘表店，也在櫥窗里奘了一個(gè)永動(dòng)機(jī)，以引起人們的注意。當(dāng)然了，跟圖45一樣，它其實(shí)也是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。
所以，我們說，能量守恒定律是正確的，也是不容置疑的，在沒有外力的作用下，永動(dòng)機(jī)或者永恒運(yùn)動(dòng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。
如果單純從表面上理解永恒運(yùn)動(dòng)，非常容易陷入誤區(qū)，產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。這里，我們?cè)倥e一個(gè)儲(chǔ)能器例子一烏菲姆采夫儲(chǔ)能器， 來對(duì)它進(jìn)行一下說明。
20世紀(jì)20年代初，發(fā)明家烏菲姆采夫發(fā)明了一種新型的風(fēng)力發(fā)電站，利用慣性來儲(chǔ)存能量，我們稱它為烏菲姆采夫儲(chǔ)能器。
這種儲(chǔ)能器的結(jié)構(gòu)跟飛輪一樣，也是由一個(gè)很大的圓盤組成，圓盤裝在有滾珠的軸承上，可以繞著豎軸旋轉(zhuǎn)。
在圓盤的外面是一只殼子， 里面的空氣被抽了出來，只要給它一個(gè)足夠大的初速度，大概有20000轉(zhuǎn)/分鐘的樣子，圓盤就可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)15個(gè)晝夜，中間不會(huì)停下來。
很多不明真相的人都以為烏菲姆采夫儲(chǔ)能器實(shí)現(xiàn)了永恒運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上還是被它的表象欺騙了，因?yàn)槿藗儾豢赡苁卦谀抢锊婚g斷地觀15個(gè)晝夜，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。
關(guān)于永動(dòng)機(jī)的話題有很多。許多人沉迷其中，有的人最后一無所獲，落得悲慘境地。
聽說有一個(gè)人本來生活很富足，為了制造永動(dòng)機(jī)花光了所有的積蓄，最后，永動(dòng)機(jī)沒有做成功，他也變成了窮光蛋。從某種意義上說，他只是眾多犧牲者中的一個(gè)代表而已。
后來，聽說在他一貧如洗之后，雖然衣不蔽體，仍然沒有放棄他所謂的“夢(mèng)想”，還在找人幫他制造永遠(yuǎn)也不可能成功的永動(dòng)機(jī)。這聽起來很荒謬，也讓人感覺很心痛，因?yàn)樗K其一生都在為不可能實(shí)現(xiàn)的理想努力。
歸根結(jié)底，這是因?yàn)樗B物理學(xué)的基本常識(shí)都不懂，一直在用錯(cuò)誤的理論指導(dǎo)實(shí)踐。但是，我們也不得不承認(rèn)，雖然永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)，但是人們?cè)诎l(fā)明永動(dòng)機(jī)的過程中，有很多有趣的新發(fā)現(xiàn)。
16世紀(jì)末到17世紀(jì)初，荷蘭有一位數(shù)學(xué)家非常著名，他叫斯臺(tái)文，就是在對(duì)永動(dòng)機(jī)理論進(jìn)行深入分析后，提出了斜面上的力量平衡定律。
不僅如此，這位著名的數(shù)學(xué)家還發(fā)明了很多其他的理論，一直到現(xiàn)在，對(duì)我們的生產(chǎn)生活都產(chǎn)生著重大的影響。
比如說小數(shù)，就是他發(fā)明的。并且在代數(shù)學(xué)中，首次提出指數(shù)的概念。流體力學(xué)定律也是他發(fā)明的。后來，帕折卡對(duì)這一定律進(jìn)行了重新論證。
斯臺(tái)文在提出斜面上的力量平衡定律的時(shí)候，沒有用到我們常說的平行四邊形法則，而是利用圖46所示的模型。
圖44 斯臺(tái)文永動(dòng)機(jī)
從圖中可以看出，三棱體一共掛著14個(gè)小球，每個(gè)大小都一樣。奇怪的是，這串小球保持了平衡，并沒有滑動(dòng)。下面的小球不會(huì)滑動(dòng)，這很容易理解，那右邊的兩個(gè)球和左邊的四個(gè)球呢，也能保持平衡嗎？
我們說，當(dāng)然可以，它們也能保持平衡，否則，整串小球就會(huì)不停地滑動(dòng)，因?yàn)橹灰幸粋€(gè)小球動(dòng)了，其他的也會(huì)跟著動(dòng)，因?yàn)樗鼈兪谴谝黄鸬?。前面已?jīng)說了，所有的小球并不會(huì)滑動(dòng)。也就是說，右邊的兩個(gè)小球和左邊的四個(gè)小球拉力相等，保持了平衡——是不是很神奇？
通過這一不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)，斯臺(tái)文提出了斜面上的力量平衡定律。通過觀察，斯臺(tái)文發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)斜面上的小球重量的比值，正好星兩個(gè)斜面長(zhǎng)度的比值，并由此得出了結(jié)論。
也就是我們現(xiàn)在所知道的斜面上的力量平衡定律：如果兩個(gè)物體連在一起，放到兩個(gè)斜面上，要想達(dá)到平衡，物體重量的比值必須與兩個(gè)斜面長(zhǎng)度的比值成正比。
由此，還可以推論得出另一個(gè)定律，就是把其中的一個(gè)斜面換成垂直面。如果想要斜面上的物體保持平衡，必須在垂直面的方向上向下施加一個(gè)力，這個(gè)力的大小和斜面上物體重量的比值，等于垂直面的長(zhǎng)度與斜面長(zhǎng)度的比值。
由此可以看出，在發(fā)明永動(dòng)機(jī)的過程中，人們陰差陽錯(cuò)地發(fā)現(xiàn)了很多有意義的力學(xué)理論。
還有一個(gè)關(guān)于永動(dòng)機(jī)的真實(shí)記載。說起來，那是發(fā)生在彼得大帝時(shí)代的事了。
18世紀(jì)20年代初，彼得大帝得到了一臺(tái)永動(dòng)機(jī)，據(jù)說是一個(gè)叫奧爾費(fèi)利斯的德國(guó)教授發(fā)明的。就是因?yàn)榘l(fā)明了這個(gè)機(jī)械，奧爾費(fèi)利斯教授在德國(guó)可以說是家喻戶曉。
當(dāng)他聽說俄國(guó)沙皇對(duì)此感興趣時(shí)，便想賣個(gè)好價(jià)錢。正巧，當(dāng)時(shí)有一個(gè)叫舒馬赫的圖書館管理員，被俄國(guó)沙皇派到世界各地收集奇珍異寶，他便和奧爾費(fèi)利斯教授進(jìn)行了談判，并把教授的有關(guān)要求傳達(dá)給了彼得大帝。
舒馬赫在見到彼得大帝時(shí)，興奮地對(duì)彼得大帝說：“只要支付10000耶費(fèi)馬克，那臺(tái)機(jī)器就是咱們的了?！?耶費(fèi)馬克是16至17世紀(jì)在做國(guó)流通的一種德國(guó)銀幣，1耶費(fèi)馬克約等于1盧布)。
據(jù)當(dāng)時(shí)的舒馬赫說，發(fā)明家做了保證，那臺(tái)機(jī)器絕對(duì)沒問題、發(fā)明家還說，如果世界上真的有人不相信他，那就犯了天大的錯(cuò)話。
因?yàn)檫@個(gè)，在1725年初的時(shí)候，彼得大帝計(jì)劃出訪德國(guó)，為的就是要親眼目睹一下這臺(tái)“永動(dòng)機(jī)”的陣容。
但沒想到的是，這一計(jì)劃還沒成行，俄國(guó)沙皇彼得大帝就去世了，不得不說是一種遭憾。
那么，這位德國(guó)教授到底是何許人呢？這臺(tái)所謂的毫無問題的的永動(dòng)機(jī)到底是個(gè)什么東西呢？
據(jù)考證，巴思樂才是奧爾費(fèi)利斯教授的真實(shí)姓氏。1680年， 他在德國(guó)出生，先后從事過神學(xué)、醫(yī)學(xué)和繪畫等工作。最后，因發(fā)明永動(dòng)機(jī)而出名。
當(dāng)時(shí)有很多人“趕時(shí)髦"，紛紛丟下本職，轉(zhuǎn)而從事永動(dòng)機(jī)的發(fā)明工作。可以說，奧爾費(fèi)利斯是最有名的一個(gè)，也是最成功的一個(gè)。通過展出自己發(fā)明的永動(dòng)機(jī)，奧爾費(fèi)利斯可以說是名利雙收。直到1745年去世，他都沉浸在這種巨大的成就里。
在一本古書上，我們找到了這臺(tái)永動(dòng)機(jī)的框架模型，如圖48所示。據(jù)說，這就是1714年那臺(tái)永動(dòng)機(jī)的樣子，從圖中我們看到了一個(gè)大大的輪子，而且不光輪子在轉(zhuǎn)動(dòng)，通過輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，還把一些物體帶到了高處。
圖48 這幅畫是一張古畫，畫的就是彼得大帝沒能得到的，由奧爾費(fèi)利斯制造的永動(dòng)機(jī)
掘說，這位德國(guó)教授把這臺(tái)臺(tái)永動(dòng)機(jī)拿拿到市場(chǎng)進(jìn)行展覽，并因此聲名遠(yuǎn)播。這臺(tái)永動(dòng)機(jī)也越傳越玄，還引起了波蘭國(guó)王的興趣。
奧爾費(fèi)利斯好像找到了靠山一樣。當(dāng)時(shí)，德國(guó)一個(gè)州的伯爵，甚至把自己的城堡給了奧爾費(fèi)利斯作為賞賜，并提供大量人力物力支持發(fā)明家對(duì)機(jī)器進(jìn)行各種試驗(yàn)。
1717年12月12日，在一個(gè)房間里，這臺(tái)永動(dòng)機(jī)對(duì)外宣傳試驗(yàn)成功。然后，還指派了警衛(wèi)人員看守房間，并把房門領(lǐng)性，不許任何人靠近。
在接下來的兩周里，沒有人再進(jìn)過這個(gè)房間，直到12月26日，伯爵親自帶著侍衛(wèi)人員進(jìn)入了房間，令伯爵驚奇的是，那臺(tái)機(jī)器仍然在高速轉(zhuǎn)動(dòng)著，而且轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也絲毫沒有慢下來。即使人為停下這臺(tái)機(jī)器，過了一會(huì)，它還是會(huì)維續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。后來，房間又被鎖起來，繼續(xù)派人看守著。
轉(zhuǎn)眼間就到了1718年1月4日，當(dāng)房間再次被開啟的時(shí)候，人們發(fā)現(xiàn)，那套機(jī)器還在一刻不停地轉(zhuǎn)動(dòng)著。
接下來，房間又被鎖了更長(zhǎng)的時(shí)間，達(dá)兩個(gè)月之久。當(dāng)伯爵打開房間檢查的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)輪子還是沒有停下來的意思。伯爵看了后大為高興。
通過這個(gè)試驗(yàn)，發(fā)明家從這個(gè)興奮的伯爵那里得到了權(quán)威認(rèn)可。據(jù)說，當(dāng)時(shí)還對(duì)這臺(tái)機(jī)器給出了官方解釋，是這樣的：
永動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是50圈/分鐘，能夠把16千克的重物提到1.5米的高度。不僅如此，它還能帶動(dòng)風(fēng)箱和機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)。
正是靠著這次秘密試驗(yàn)，奧爾費(fèi)利斯在歐洲過得如魚得水，所到之處盡是贊美的聲音。可以這么說，如果他沒有同意把機(jī)器轉(zhuǎn)讓出去，至少可以得到10倍于轉(zhuǎn)讓額的收入。
很快，這臺(tái)永動(dòng)機(jī)試驗(yàn)成功的消息便傳了出去，整個(gè)歐洲都傳遍了，甚至連俄國(guó)沙皇彼得大帝都知道了，并引起了這位奇珍異寶收藏者的濃厚興趣。
彼得大帝是在1715年出訪外國(guó)的時(shí)候，聽說奧爾費(fèi)利斯的永動(dòng)機(jī)的。當(dāng)時(shí)，他派自己的親信，外交大臣奧斯捷爾曼先去了解情況，當(dāng)?shù)玫酱_切的消息后，在還沒有見到機(jī)器真相的時(shí)候，就發(fā)出了求購(gòu)的意愿。
據(jù)說，彼得大帝還盛情邀請(qǐng)發(fā)明者本人到身邊工作，并給予的“杰出發(fā)明家”的稱號(hào)。不僅如此，彼得大帝還派出了哲學(xué)家赫里斯基 沃爾富跟奧爾費(fèi)利斯進(jìn)行洽談。
不得不說，奧爾費(fèi)利斯在世界各地收獲了顯赫名望，全世界的恩寵都集于他一身，甚至有詩(shī)人撰寫頌歌對(duì)他進(jìn)行歌頌，贊美他神奇的發(fā)明。
事情到了這一地步，很多人對(duì)此產(chǎn)生了懷疑，認(rèn)為這是一個(gè)徹頭徹尾的騙局。有人站了出來，跟奧爾費(fèi)利斯公開叫板，并拿1000馬克獎(jiǎng)金，獎(jiǎng)給那些用于揭示騙局的人。
從眾多抨擊文章中，我們找到了如圖49所示的一幅畫。
圖49 在這幅古畫中，可一探奧爾費(fèi)利斯永動(dòng)機(jī)的秘密
據(jù)這個(gè)人的說法，奧爾費(fèi)利斯的永動(dòng)機(jī)騙局很簡(jiǎn)單，就是在這臺(tái)機(jī)器的后面，連著根繩子，有一個(gè)人一直在拉著它。繩子就連在輪子的軸上，拉繩子的人藏得很秘密，人們很難發(fā)現(xiàn)他。
其實(shí)，不難想象，終有一天， 這個(gè)騙局會(huì)被揭穿的，這只是時(shí)間的問題。據(jù)說，這個(gè)秘密還是發(fā)明家自己透露的。有一天，發(fā)明家和妻子吵架，然后發(fā)明家的妻子氣不過，便把這個(gè)秘密透露了出去。也許，如果發(fā)明家和妻子沒有吵架，人們可能直到現(xiàn)在還處于困感之中。
直到這位發(fā)明家去世，他都不肯承認(rèn)自己發(fā)明的永動(dòng)機(jī)有問題， 還說他的妻子和仆人是出于對(duì)他的怨恨才詆毀他的。但是，從那以后，人們?cè)僖膊幌嘈潘?。他只有不停地向彼得大帝的使臣——舒馬赫訴說自己的“不幸”，并稱那些傳言都是惡意誹謗。
值得一提的是，當(dāng)時(shí)還有臺(tái)永動(dòng)機(jī)也很出名。也是一個(gè)德國(guó)人發(fā)明的，他的名字叫格特葉爾，前面提到的舒馬赫也見到到了這臺(tái)機(jī)器。他是這樣描述這臺(tái)機(jī)器的：“在德雷斯頓，我親眼見到了這臺(tái)機(jī)器的草圖。機(jī)器的形狀有點(diǎn)兒像磨刀石，里面填滿了沙子，并前后不停的運(yùn)動(dòng)。
據(jù)發(fā)明家哥特葉爾說，運(yùn)動(dòng)的幅度不能太大。顯然這個(gè)永動(dòng)機(jī)也不可能真的永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，肯定也是隱藏了機(jī)關(guān)在里面，只不過我們不知道動(dòng)力來源于何處罷了。
在寫給彼得大帝的信中，舒馬赫說：“不管發(fā)明家對(duì)那些機(jī)器怎么吹噓，英國(guó)和法國(guó)的學(xué)者們完全不相信那一套，他們認(rèn)為所謂的永動(dòng)機(jī)違背了物理規(guī)律。”不得不說，舒馬赫這句話是正確的。
以上內(nèi)容，來自世界頂級(jí)科普大師別萊利曼的科普代表作《趣味物理學(xué)》。
作為入選世界十大科普讀物的《趣味物理學(xué)》，別萊利曼的書籍，趣味橫生卻又縝密嚴(yán)謹(jǐn)。
在力求向我們講述物理新知識(shí)，加深對(duì)重要物理理論認(rèn)知的同時(shí)，還采用了大量來自實(shí)際生活中，引人入勝的謎題和故事。
這讓物理知識(shí)不再代表著死記硬背的公式，也不再是艱澀難懂的概念，而是化身為幽默生動(dòng)的故事，不僅讓我們產(chǎn)生濃厚興趣，還能學(xué)以致用。
來源：超級(jí)數(shù)學(xué)建模
