永動機設計與結構－ (About Perpetual motion) <上> 論述永動機原理與歷史

「我發明了永動機(Perpetual motion)！並將公開他的結構與原
　理！」


聽到這句話而能感到不驚奇、不懷疑的人，可能要先知道什麼叫
作「永動機」(Perpetual motion)。什麼是永動機呢？原來，它
代表一個「不需要輸入任何外界能源、就能永遠運作的機器」


想像這樣一台機器，他不需要你輸入任何能源－當然包刮插電啦
、給予太陽能、風力、或是任何燃料，他就能永遠運轉著，不斷
持續對外界做功、提供能源。

這是多麼夢幻的一台機器呀！只要擁有它，你可以替他接上一台
發電機，就能源源不絕地產生電力，而且不需要補充各種燃料！
光是出售電力就足夠讓你富有一生。

裝上四個輪子，就是一台永不需要加汽油的車子，油價漲再高、
中東打再多次戰也不用害怕～高興替他裝上其他動力機械，你可
以用它來耕種、紡織、完成各種事情！


聽起來多麼夢幻！沒錯，也正因他聽起來就是這麼夢幻而對人類
生活有益，自古至今，許許多多科學界人士，付出他們的一生來
研究永動機，並樂衷於設計它的原理與結構，這包刮鼎鼎大名的
焦耳、以及李奧納多·達文西（Leonardo da Vinci）


然而這幾千年來的研究，卻一直沒有個結果，永動機仍然是個夢
幻產品。


現在就讓我們來看看，這些自古至今的人們是怎麼設計他們的永
動機，以及這些永動機的構造原理、為何無法實現。
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第一類永動機：

第一類永動機是最古老也最典型的，也就是不需要從外界吸收任
何能源，就能永遠運作的機器。

歷史上最著名的第一類永動機是法國人亨內考在1203提出的
「魔輪」，他的結構如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

原理：

可以看出，它試圖將一連串的鎚子連在一個輪子上，當鎚子被引
開輪軸後，它會向下墜落並帶來動力。引導其他槌子繼續往前移
動...如此輪軸將永遠轉動，永動機實現了？！

.....當然沒這麼簡單！再仔細看一下這張結構圖，會發現右邊掉
下的鎚子，必須拉抬左邊鎚子，整個系統是個力矩平衡，如此，
這個「永動機」就不能運作了。

後人將其實現的結果：

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接著我們再看看李奧納多·達文西（Leonardo da Vinci）設計的
永動機。頂著前所未見的鬼才達文西的盛名，這台永動機的結構
如下：（摘錄自達文西的手稿）

經由翻譯米糕的威力，我們可以看出達文西的想法，原來，他把
許多鋼珠放入一個輪子裡面，當鋼珠集中在輪子右側外邊時候，
輪子就會轉動，並順便將左側內部的鋼珠帶到右側外部來，如此
就可進入下個循環，輪子將永遠轉動....

達文西這想法不錯，可惜他也馬上發現問題－在外側的鋼珠，與
內側的鋼珠形成一種靜力平衡，這將導致輪子根本連動都不會動
一下呢！

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而後自然還有一系列類似原理的永動機被發明出來，當中大多數
都是運用力矩，也有運用浮力的結構：

它們大致的想法都是希望利用浮力的原理使得永動機得以運作，
再利用機械得以使浮球下沉而後造成永遠輸出能量。可惜都欠缺
考慮讓浮球得以下沉的力量或是浮球浮力無法載動整個動力裝置
而失敗。不過據說這些裝置也間接造成馬桶的發明唷:P

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既然這麼多人的挑戰都失敗了，那是否能證明「永動機」不可能
被發明呢？如果不可能，那是基於什麼原理導致不可能呢？

1842年，荷蘭科學家邁爾提出能量守恆定理；而後，1843年英
國科學家詹姆斯·焦耳提出熱力學第一定律－能量無法無中生有，
他們從理論上說明了能量是不可能無故產生的。

 

當這個定律逐漸獲得大量實驗的証明，也宣告了第一類永動機不
可能實現...

 

不過這邊來個有趣的題外話，後來愛因斯坦提出E=mc^2，使得
能量守衡定理被打破了，應該修正為「質能守衡定理」，不過要
讓質量轉換成能量，可需要複雜的原子碰撞，當中牽扯的核子物
理，自然不是探索永動機的人們所研究的範疇了......

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（承接下集）