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永動機的神話

本文Tag標簽:科學(xué)教育??

  永動機的想法起源于印度,公元1200年前后,這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界,并從這里傳到了西方。

  在歐洲,早期最著名的一個永動機設(shè)計方案是十三世紀時一個叫亨內(nèi)考的法國人提出來的。如圖所示:輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸,輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿,每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設(shè)計者認為,右邊的球比左邊的球離軸遠些,因此,右邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動下去,并且?guī)訖C器轉(zhuǎn)動。這個設(shè)計被不少人以不同的形式復(fù)制出來,但從未實現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動。

  仔細分析一下就會發(fā)生,雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大,但是球的個數(shù)少,左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小,但是球的個數(shù)多。于是,輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功,只會擺動幾下,便停在右圖中所畫的位置上。

  從哥特時代起,這類設(shè)計方案越來越多。17世紀和18世紀時期,人們又提出過各種永動機設(shè)計方案,有采用“螺旋汲水器”的,有利用輪子的慣性、水的浮力或毛細作用的,也有利用同性磁極之間排斥作用的。宮廷里聚集了形形色色的企圖以這種虛幻的發(fā)明來掙錢的方案設(shè)計師。有學(xué)識的和無學(xué)識的人都相信永動機是可能的。這一任務(wù)像海市蜃樓一樣吸引著研究者們,但是,所有這些方案都無一例外的以失敗告終。他們長年累月地在原地打轉(zhuǎn),創(chuàng)造不出任何成果。通過不斷的實踐和嘗試,人們逐漸認識到:任何機器對外界做功,都要消耗能量。不消耗能量,機器是無法做功的。這時的一些著名科學(xué)家斯臺文、惠更斯等都開始認識到了用力學(xué)方法不可能制成永動機。

  19世紀中葉,一系列科學(xué)工作者為正確認識熱功能轉(zhuǎn)化和其它物質(zhì)運動形式相互轉(zhuǎn)化關(guān)系做出了巨大貢獻,不久后偉大的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律被發(fā)現(xiàn)了。人們認識到:自然界的一切物質(zhì)都具有能量,能量有各種不同的形式,可從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,從一個物體傳遞給另一個物體,在轉(zhuǎn)化和傳遞的過程中能量的總和保持不變。能量守恒的轉(zhuǎn)化定律為辯證唯物主義提供了更精確、更豐富的科學(xué)基礎(chǔ)。有力地打擊了那些認為物質(zhì)運動可以隨意創(chuàng)造和消滅的唯心主義觀點,它使永動機幻夢被徹底的打破了。

  在制造第一類永動機的一切嘗試失敗之后,一些人又夢想著制造另一種永動機,希望它不違反熱力學(xué)第一定律,而且既經(jīng)濟又方便。比如,這種熱機可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變?yōu)闄C械功。由于海洋和大氣的能量是取之不盡的,因而這種熱機可永不停息地運轉(zhuǎn)做功,也是一種永動機。如左圖所示:

  然而,在大量實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,英國物理學(xué)家開爾文于1851年提出了一條新的普遍原理:物質(zhì)不可能從單一的熱源吸取熱量,使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其它影響。這樣,第二類永動機的想法也破產(chǎn)了。

  永動機的想法在人類歷史上持續(xù)了幾百年,這個神話的被駁倒,不僅有利于人們正確的認識科學(xué),也有利于人們正確的認識世界。

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