传说中的“永动机”竟然真的存在？
人民资讯2022-01-17 12:02
「本文来源：科普中国」
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前两天看到了这么一个小玩具，让我沉迷不已。
▲来源：李永乐老师官方，BV1hT4y1u75e
这个小玩具叫做饮水鸟，相传最早是中国古代的一种玩具，最后一次公开出现是在上世纪30年代时一本国外的科普读物上，之后就销声匿迹了。根据前苏联著名的科普作家别莱利曼编著的《趣味物理学续编》中提到，曾有人将这个小玩具送给了爱因斯坦，连爱因斯坦都连连称奇，它从此有了个霸气的称号——“爱因斯坦也震惊的玩具”。物理老师说过：“永动机是不可能被发明出来的！”，那这个“永动”的饮水鸟是怎么回事？
出于好奇，我去某宝搜索了一下其他的永动玩具。
▲这样的“永动”能持续大约30秒
▲看了下买家秀，竟然还要装电池……
▲平衡摆，可以持续转动较长的时间
▲磁力陀螺，号称只要不消磁，就能一直转下去
甚至还有这样的
▲开个玩笑
我们将典型的几种永动机模型简单地分个类，魔轮型、自循环水壶、磁力型，以及我们的饮水鸟。
魔轮
早在公元1159年左右，印度一位名为婆什迦罗的数学大师，设计了一个轮子，轮子内有曲线凹槽装着水银。当轮子转动时，水银会流向每个凹槽的底部，这样轮子的一段永远比另一端重，这样的不平衡会让轮子不停地转动。这是永动机最早的设想之一。
▲婆什伽罗设计的永动机示意图
13世纪法国人亨考尔设计了一个“魔轮”，通过安装在转轮上的一系列悬臂实现永动。再后来有人将水银换成了钢珠，将悬臂换成了摆锤，换成了扇叶，其实都是这个不平衡结构的变体。
▲按照亨考尔的设计仿制的魔轮永动机
15世纪，我们多才多艺的达芬奇也曾做过魔轮永动机的设计，他的手稿中留下了大量精巧的机械设计图，但都失败了，达芬奇最终放弃了永动机的设想，并称之为“虚无的幻想”。
▲达芬奇关于魔轮永动机的设计手稿
自循环水壶
到了17世纪，波义耳，对就是那个提出了“波义耳定律”的波义耳，提出了“自循环水壶的设想。他设计了一个水壶，底部接有一根细细长长的管子通向水壶的上方，由于毛细作用，液体会被细管吸引，克服重力沿着管壁上爬，最终流回壶中，形成永动。然而也是由于毛细作用，细管中的液体最终无法从管中流出。自循环水壶的永动机模型也失败了。
▲自循环水壶示意图
▲水流最终不再流出
磁力永动机
到了18世纪，对磁的研究成了热门，磁铁拥有着可以将物体隔空吸过来或推出去的“神秘力量” ，这给了当时的科学家新的启发，于是利用了磁铁的永动机模型被设计了出来。磁铁版“魔轮”问世，这个利用磁铁吸小铁球，小铁球滚下去后又被磁铁吸上来的装置看上去也还不错。然而磁铁会逐渐消磁失去磁力，磁力永动机也失败了。
▲磁铁版“魔轮”设计图
▲磁力永动机示意图
以上这些永动机的设计是很精巧，但违反了热力学第一定律，被称为第一类永动机。现在大家都知道的能量守恒定律，是直到1842年才由荷兰科学家迈尔提出来的。
1843年，英国科学家焦耳总结提出了热力学第一定律：物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和，即热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。其推广和本质就是能量守恒定律。
第一类永动机
在运动的过程中会受到阻力、会产生热量，即便损耗很小，但装置终会迎来停止的那一刻。
第二类永动机
热力学第一定律的问世明确了第一类永动机的发明是不可能的，于是又有人提出了第二类永动机的设想：我们能不能从外界吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头？
1881年格穆吉为美国海军设计了“零耗发动机(Zeromotor)”，设想让液氨从海水中吸收热量汽化产生蒸汽推动活塞而获得动能，氨气又通过海水冷却后又凝结成液氨，如此循环往复。
▲格穆吉“零耗发动机”的原理图
然而早在19世纪50年代，德国人克劳修斯和英国人开尔文先后给出了热力学第二定律的两种表述，其中克劳修斯表述为“热量不能自发地从低温物体转移到高温物体”。氨气不可能自己把热量还回给海水然后变成液氮，从汽态变回液态需要冷源并且消耗更多的能量。我们将违反了热力学第二定律的永动机称为第二类永动机。
饮水鸟
——其实不是永动机
开头提到的饮水鸟，只要杯中有水，小鸟就会一直喝水，这又是怎么回事？
饮水鸟之所以可以保持饮水，是因为它很巧妙地利用了环境温度、水的温度和液体挥发，具体的原理李永乐老师的视频里曾经讲过，大家感兴趣的可以自己去看下。在别的永动机都需要通过吸收能量维持运作的时候，饮水鸟则是放热，所以饮水鸟其实不是“永动机”，而是个“热机”。古人真是太机智了。
▲来源：李永乐老师官方，BV1hT4y1u75e
生命不息，探索不止
为什么千年以来，科学家如此热衷于发明永动机？为什么在“永动机不可能实现”这一概念深入人心的当下，还是有无数的人热衷于发明、研究永动机？
设想一下，如果世上存在不需要从外界摄取任何能量就可以永远维持下去的系统，或者我们把要求降低，存在一个只需要摄取很少的启动能量，就可以长时间持续运动下去的节能装置，这个系统是否也可以包含人类，这个装置是否可以是人类自身？如果可以，那生命是否就可以一直延续，自古以来人们梦寐以求的永生是否就得以实现？
a这些答案在当下我们无法回答。或许有一天，当人类站得足够高，看得足够远，我们将发现某种神奇的物质，让我们得以修正甚至推翻目前已有的种种定律，曾经科学家口中的不可能在未来也会成为可能。人们对宇宙的探索、对科学的研究，本质上也是人类对自身世界、自身感知边界的突破，科学的发展就是伴随着这些突破中出现的。
生命不息，探索停止，这里是星云科普，期待与你一起探索世界的奥秘。
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文中图片主要来源于网络及视频素材。
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