伝説の「永久機関」は本当に存在するのか？

星雲科学

科学の目を通して人生の美しさを発見してください。

各プラットフォームにアカウントがございますので、ぜひフォローしてください。

———————————————————————

数日前にこの小さなおもちゃを見て、夢中になりました。

▲出典：李永楽先生公式サイト、BV1hT4y1u75e

この小さなおもちゃは水飲み鳥と呼ばれています。古代中国では玩具だったと言われています。この説が最後に公に登場したのは、1930年代の外国の科学雑誌に掲載されたもので、その後は姿を消した。旧ソ連の有名な科学ライター、ベレリマンがまとめた「楽しい物理学の続き」によると、かつて誰かがこの小さなおもちゃをアインシュタインにあげたところ、アインシュタイン自身も驚いたそうです。それ以来、このおもちゃは「アインシュタインも驚愕したおもちゃ」という威圧的な称号を得た。物理学の先生がかつてこう言っていました。「永久機関を発明するのは不可能だ！」では、この「永久機関」の水飲み鳥とは何でしょうか?

好奇心から、他の永久運動玩具を探すために Taobao に行きました。

▲このような「永久運動」は約30秒間続く

▲バイヤーのショーを見てみたら、電池を取り付ける必要があることが分かりました…

▲バランス振り子、長時間回転し続けることができます

▲消磁されない限り回転し続けることができると言われる磁気ジャイロ

こんなものもある

▲冗談です

ここでは、典型的な永久機関のモデルを、魔法の車輪型、自己循環ケトル型、磁気型、そして私たちの水飲み鳥というカテゴリーに分類します。

マジックホイール

紀元後1159年頃には、インドの数学者バスカーが、水銀を充填した湾曲した溝のある車輪を設計しました。車輪が回転すると、水銀が各溝の底に流れていき、車輪の一方の端が常にもう一方の端よりも重くなり、この不均衡によって車輪は回転し続けます。これは永久機関に関する最も初期のアイデアの 1 つでした。

▲バースカラが設計した永久機関の概略図

13 世紀、フランス人のヘンケルは、回転する車輪に取り付けられた一連のカンチレバーを通じて永久運動を実現する「魔法の車輪」を設計しました。その後、誰かが水銀を鋼球に、片持ち梁を振り子に、そしてファンブレードを、実際にはこの不均衡な構造のバリエーションに置き換えました。

▲ヘンケルの設計をコピーした魔法の車輪永久機関

15 世紀には、多才なレオナルド ダ ヴィンチも魔法の車輪永久機関を設計しました。彼は原稿の中に独創的な機械設計図を多数残したが、それらはすべて失敗に終わった。レオナルド・ダ・ヴィンチは最終的に永久機関のアイデアを放棄し、それを「空虚な空想」と呼んだ。

▲レオナルド・ダ・ヴィンチの魔法の車輪永久機関の設計図

自動循環ケトル

17世紀、「ボイルの法則」を提唱した少年ボイルは、「自己循環するやかん」というアイデアを提唱しました。彼は、やかんの上部に細長いチューブが接続されたやかんを設計しました。毛細管現象により、液体は細い管に引き寄せられ、重力に打ち勝って管壁を登り、最終的にケトルに戻って永久運動を形成します。しかし、毛細管現象により、細い管内の液体は結局管の外に流れ出ることはできませんでした。自己循環ケトルの永久運動モデルも失敗しました。

▲自動循環ケトルのスケッチ

▲やがて水は流れなくなる

磁気永久機関

18 世紀までに、磁気の研究は注目の話題となっていました。磁石には、空気中の物体を引き付けたり押し出したりできる「不思議な力」がありました。これは当時の科学者に新たなインスピレーションを与え、磁石を使った永久機関のモデルが設計されました。 「マジックホイール」のマグネットバージョンが発売されました。磁石を使って小さな鉄球を引き寄せ、転がり落ちた小さな鉄球が磁石によって引き寄せられるこの装置は、なかなか良さそうです。しかし、磁石は徐々に減磁して磁力を失い、磁気永久機関は故障してしまいます。

▲「マジックホイール」の磁気バージョン設計図

▲磁気永久機関の模式図

上記の永久機関の設計は非常に独創的ですが、熱力学の第一法則に違反しており、一級永久機関と呼ばれています。今日誰もが知っているエネルギー保存の法則は、1842 年にオランダの科学者マイヤーによって提唱されました。

1843年、イギリスの科学者ジュールは熱力学の第一法則を要約して提唱しました。物体の内部エネルギーの増加は、物体が吸収した熱と物体に対して行われた仕事の合計に等しい、つまり、熱はある物体から別の物体に伝達され、機械的エネルギーやその他のエネルギーに変換することもできますが、変換プロセス中、エネルギーの総値は変化しません。その一般化と本質はエネルギー保存の法則です。

最初の永久機関

動きの際には抵抗と熱が発生します。損失が小さくても、デバイスは最終的に停止します。

2番目の種類の永久機関

熱力学第一法則の出現により、第一タイプの永久機関の発明は不可能であることが明らかになったため、一部の人々は第二タイプの永久機関のアイデアを提案しました。外界から熱エネルギーを吸収し、この熱エネルギーを永久機関の駆動源として使用して回転させ、仕事を出力できるでしょうか?

1881 年、グラギーはアメリカ海軍のために「ゼロモーター」を設計しました。液体アンモニアが海水から熱を吸収し、気化して蒸気を発生させ、ピストンを押して運動エネルギーを得ると考えられました。その後、アンモニアは海水によって冷却され、液体アンモニアに凝縮され、このサイクルが何度も繰り返されます。

▲グムジの「ゼロ消費エンジン」の模式図

しかし、1850 年代初頭には、ドイツのクラウジウスとイギリスのケルビンが相次いで熱力学の第二法則に関する 2 つの説を提唱していました。その中でクラウジウスは「熱は低温の物体から高温の​​物体へ自発的に伝達することはできない」と述べました。アンモニアが海水に熱を戻して液体窒素に変化することは不可能です。蒸気から液体に戻すには冷却源が必要となり、より多くのエネルギーを消費します。熱力学の第二法則に違反する永久機関を第二級永久機関と呼びます。

水を飲む鳥

——永久機関ではない

冒頭で触れた水飲み鳥についてはどうでしょうか?カップの中に水がある限り、鳥は水を飲み続けます。

水飲み鳥が水を飲み続けられるのは、周囲の温度、水温、液体の揮発を巧みに利用しているからです。具体的な原理は李永楽先生のビデオで説明されています。興味があれば、ぜひ自分で見に行ってみてください。他の永久機関は動作を維持するためにエネルギーを吸収する必要がありますが、水飲み鳥は熱を放出するため、水飲み鳥は実際には「永久機関」ではなく「熱機関」です。古代人は本当に賢かった。

▲出典：李永楽先生公式サイト、BV1hT4y1u75e

人生は決して止まらず、探求は決して終わらない

なぜ科学者たちは何千年もの間、永久機関の発明に熱心に取り組んできたのでしょうか? 「永久機関は実現不可能」という考えが人々の心に深く根付いている時代に、なぜ永久機関の発明や研究に熱心な人がまだ数え切れないほどいるのでしょうか。

もし、外界からエネルギーを一切取り入れることなく永久に維持できるシステムがこの世にあったとしたら、あるいは要件を下げて、少量の起動エネルギーだけで長時間稼働し続ける省エネ装置があったとしたら、そのシステムに人間も含まれることになるだろうか、そしてその装置自体が人間になることになるだろうか。もしそうなら、生命は永遠に続くのでしょうか、そして古代から人々が夢見てきた永遠の命は実現できるのでしょうか。

現時点ではこれらの質問に回答することはできません。おそらくいつの日か、人類が十分に高いところに立ち、十分に遠くを見渡せるようになったとき、私たちは既存の法律を改正したり、さらには覆したりすることさえ可能にする魔法の物質を発見するでしょう。科学者がかつて不可能だと言ったことが将来可能になるだろう。人類による宇宙の探究と科学の研究は、本質的には人類自身の世界と自らの認識の限界についての理解における画期的な進歩です。こうした画期的な進歩とともに科学の発展ももたらされました。

人生は続いていきますが、探究は決して止まりません。これが Nebula Science です。私たちはあなたと一緒に世界の謎を探究することを楽しみにしています。

———————————————

記事内の写真は主にインターネットやビデオ資料から引用したものです。