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颠覆物理很枯燥的刻板印象 推荐阅读《趣味物理学》 长期以来，永动机，或者说永恒运动，一直被人们热烈讨论。但是，很多人并不清楚这背后到底有什么意义。 在人们的想象中，永动机是一种机械装置，它可以不停地自动运动，而且还可以举起重物等，做一些有意义的事情。很早以前，有人就试图想制造这种机械装置，但是一直到现在，都没有人真正制造出来。 人们的尝试都以失败告终，以至于人们开始怀疑，这种机械是不可能制造出来的。而且，在此基础上，科学家们提出了一种定律，就是我们现在经常说的能量守恒定律。 当然，前面提到的永恒运动，不是一种机械装置，而是一种现象，不需要做功却能永远运动下去。 图43 中世纪对永动机的典型设计 图43是古时候人们对永动机的一种典型设计。现在，仍然有人试图制作出这种机械装置。 在一只圆形轮子的边缘装上一些活动的短杆，每个短杆的另一端上都拴着一个物体。不管轮子转到什么位置，右边短杆上的每个物体要比左边的物体离轮子中心远。所以，右边的物体就会向下运动，从而带动轮子转动。这样，就会使轮子永远转动下去。 在制造的时候，人们以为肯定不会有任何问题，轮子肯定会转动起来。但是，真正制造出来后，却发现轮子并没有转动，很多发明家都不知道问题出在哪儿了。 为什么会这样呢？下面我们就来分析一下： 虽然，轮子右边的物体总是离轮子的中心比较远， 但是右边的物体数量比左边少。如图43所示，右边一共有4个物体，左边是8个物体，整整是左边的两倍。 这样的结果，就是轮子只是在最初摇摆了几下，然后就会慢慢保持平衡，再也不转动了，停到图示的位置(有一个定律，叫力矩定律，可以很好地解释这个问题，有兴趣的同学可以去深入学习一下)。 现在，人们已经知道，根本不可能制造出这样一种机械装置能够永运运动下去。所以，我们说，如果还有人在试图制造它，都是一种徒劳。但是，以前可不是这样，中世纪的时候，人们曾经为了制造出这样一种机械， 花费了很多时间和精力。人们对制造” 永动机”的痴迷程度胜过了炼制黄金。 普希金在其作品《骑士时代的几个场面〉中描写了一位幻想家，叫比尔多德，对永动机情有独钟。里面有这样一段对话：
关于永动机的装置，人们试验了很多种，但无一例外都没有成功。 每一个装置都看似合理，但是总会忽略掉某一个细节，使得永动机总是不能制作成功。 图44是人们设计的另一种永动装置。 图44 装有钢球的永动机 这种永动机由一只装着钢球的圆轮构成，里面的钢球可以自由滚动。其实，它的设计思路跟前面的差不多，只是这里把矩杆上的物体换成了钢球，一边的钢球离轮子中心近一些，另一边的钢球离轮子中心远一些，钢球转动的时候会带动轮子旋转。 但是，我们知道了，永动机这种装置是永远不会成功的。但是，当时在美国，却有一家咖啡店为了招揽生意，按照这种设计制造了一个很大的轮子，如图45所示。 图45 广告中的假想永动机 表面上看，轮子在一直转动， 好像永动机真的实现了一样。其实，它是由一个秘密的电动机带动旋转的。 关于永动机的模型，还有很多。曾经还有一个钟表店，也在橱窗里奘了一个永动机，以引起人们的注意。当然了，跟图45一样，它其实也是由电动机带动的。 所以，我们说，能量守恒定律是正确的，也是不容置疑的，在没有外力的作用下，永动机或者永恒运动是不可能实现的。 如果单纯从表面上理解永恒运动，非常容易陷入误区，产生错误认识。这里，我们再举一个储能器例子一乌菲姆采夫储能器， 来对它进行一下说明。
关于永动机的话题有很多。许多人沉迷其中，有的人最后一无所获，落得悲惨境地。 听说有一个人本来生活很富足，为了制造永动机花光了所有的积蓄，最后，永动机没有做成功，他也变成了穷光蛋。从某种意义上说，他只是众多牺牲者中的一个代表而已。 后来，听说在他一贫如洗之后，虽然衣不蔽体，仍然没有放弃他所谓的“梦想”，还在找人帮他制造永远也不可能成功的永动机。这听起来很荒谬，也让人感觉很心痛，因为他终其一生都在为不可能实现的理想努力。 归根结底，这是因为他连物理学的基本常识都不懂，一直在用错误的理论指导实践。但是，我们也不得不承认，虽然永动机不可能实现，但是人们在发明永动机的过程中，有很多有趣的新发现。 16世纪末到17世纪初，荷兰有一位数学家非常著名，他叫斯台文，就是在对永动机理论进行深入分析后，提出了斜面上的力量平衡定律。 不仅如此，这位著名的数学家还发明了很多其他的理论，一直到现在，对我们的生产生活都产生着重大的影响。 比如说小数，就是他发明的。并且在代数学中，首次提出指数的概念。流体力学定律也是他发明的。后来，帕折卡对这一定律进行了重新论证。 斯台文在提出斜面上的力量平衡定律的时候，没有用到我们常说的平行四边形法则，而是利用图46所示的模型。 图44 斯台文永动机 从图中可以看出，三棱体一共挂着14个小球，每个大小都一样。奇怪的是，这串小球保持了平衡，并没有滑动。下面的小球不会滑动，这很容易理解，那右边的两个球和左边的四个球呢，也能保持平衡吗？ 我们说，当然可以，它们也能保持平衡，否则，整串小球就会不停地滑动，因为只要有一个小球动了，其他的也会跟着动，因为它们是串在一起的。前面已经说了，所有的小球并不会滑动。也就是说，右边的两个小球和左边的四个小球拉力相等，保持了平衡——是不是很神奇？ 通过这一不经意的发现，斯台文提出了斜面上的力量平衡定律。通过观察，斯台文发现，两个斜面上的小球重量的比值，正好星两个斜面长度的比值，并由此得出了结论。 也就是我们现在所知道的斜面上的力量平衡定律：如果两个物体连在一起，放到两个斜面上，要想达到平衡，物体重量的比值必须与两个斜面长度的比值成正比。 由此，还可以推论得出另一个定律，就是把其中的一个斜面换成垂直面。如果想要斜面上的物体保持平衡，必须在垂直面的方向上向下施加一个力，这个力的大小和斜面上物体重量的比值，等于垂直面的长度与斜面长度的比值。 由此可以看出，在发明永动机的过程中，人们阴差阳错地发现了很多有意义的力学理论。 还有一个关于永动机的真实记载。说起来，那是发生在彼得大帝时代的事了。 18世纪20年代初，彼得大帝得到了一台永动机，据说是一个叫奥尔费利斯的德国教授发明的。就是因为发明了这个机械，奥尔费利斯教授在德国可以说是家喻户晓。 当他听说俄国沙皇对此感兴趣时，便想卖个好价钱。正巧，当时有一个叫舒马赫的图书馆管理员，被俄国沙皇派到世界各地收集奇珍异宝，他便和奥尔费利斯教授进行了谈判，并把教授的有关要求传达给了彼得大帝。 舒马赫在见到彼得大帝时，兴奋地对彼得大帝说：“只要支付10000耶费马克，那台机器就是咱们的了。”(耶费马克是16至17世纪在做国流通的一种德国银币，1耶费马克约等于1卢布)。 据当时的舒马赫说，发明家做了保证，那台机器绝对没问题、发明家还说，如果世界上真的有人不相信他，那就犯了天大的错话。 因为这个，在1725年初的时候，彼得大帝计划出访德国，为的就是要亲眼目睹一下这台“永动机”的阵容。 但没想到的是，这一计划还没成行，俄国沙皇彼得大帝就去世了，不得不说是一种遭憾。 那么，这位德国教授到底是何许人呢？这台所谓的毫无问题的的永动机到底是个什么东西呢？ 据考证，巴思乐才是奥尔费利斯教授的真实姓氏。1680年， 他在德国出生，先后从事过神学、医学和绘画等工作。最后，因发明永动机而出名。 当时有很多人“赶时髦"，纷纷丢下本职，转而从事永动机的发明工作。可以说，奥尔费利斯是最有名的一个，也是最成功的一个。通过展出自己发明的永动机，奥尔费利斯可以说是名利双收。直到1745年去世，他都沉浸在这种巨大的成就里。 在一本古书上，我们找到了这台永动机的框架模型，如图48所示。据说，这就是1714年那台永动机的样子，从图中我们看到了一个大大的轮子，而且不光轮子在转动，通过轮子的转动，还把一些物体带到了高处。 图48 这幅画是一张古画，画的就是彼得大帝没能得到的，由奥尔费利斯制造的永动机 掘说，这位德国教授把这台台永动机拿拿到市场进行展览，并因此声名远播。这台永动机也越传越玄，还引起了波兰国王的兴趣。 奥尔费利斯好像找到了靠山一样。当时，德国一个州的伯爵，甚至把自己的城堡给了奥尔费利斯作为赏赐，并提供大量人力物力支持发明家对机器进行各种试验。 1717年12月12日，在一个房间里，这台永动机对外宣传试验成功。然后，还指派了警卫人员看守房间，并把房门领性，不许任何人靠近。 在接下来的两周里，没有人再进过这个房间，直到12月26日，伯爵亲自带着侍卫人员进入了房间，令伯爵惊奇的是，那台机器仍然在高速转动着，而且转动的速度也丝毫没有慢下来。即使人为停下这台机器，过了一会，它还是会维续转动起来。后来，房间又被锁起来，继续派人看守着。 转眼间就到了1718年1月4日，当房间再次被开启的时候，人们发现，那套机器还在一刻不停地转动着。 接下来，房间又被锁了更长的时间，达两个月之久。当伯爵打开房间检查的时候，发现轮子还是没有停下来的意思。伯爵看了后大为高兴。 通过这个试验，发明家从这个兴奋的伯爵那里得到了权威认可。据说，当时还对这台机器给出了官方解释，是这样的： 永动机的转速是50圈/分钟，能够把16千克的重物提到1.5米的高度。不仅如此，它还能带动风箱和机床转动。 正是靠着这次秘密试验，奥尔费利斯在欧洲过得如鱼得水，所到之处尽是赞美的声音。可以这么说，如果他没有同意把机器转让出去，至少可以得到10倍于转让额的收入。 很快，这台永动机试验成功的消息便传了出去，整个欧洲都传遍了，甚至连俄国沙皇彼得大帝都知道了，并引起了这位奇珍异宝收藏者的浓厚兴趣。 彼得大帝是在1715年出访外国的时候，听说奥尔费利斯的永动机的。当时，他派自己的亲信，外交大臣奥斯捷尔曼先去了解情况，当得到确切的消息后，在还没有见到机器真相的时候，就发出了求购的意愿。 据说，彼得大帝还盛情邀请发明者本人到身边工作，并给予的“杰出发明家”的称号。不仅如此，彼得大帝还派出了哲学家赫里斯基 沃尔富跟奥尔费利斯进行洽谈。 不得不说，奥尔费利斯在世界各地收获了显赫名望，全世界的恩宠都集于他一身，甚至有诗人撰写颂歌对他进行歌颂，赞美他神奇的发明。 事情到了这一地步，很多人对此产生了怀疑，认为这是一个彻头彻尾的骗局。有人站了出来，跟奥尔费利斯公开叫板，并拿1000马克奖金，奖给那些用于揭示骗局的人。 从众多抨击文章中，我们找到了如图49所示的一幅画。 图49 在这幅古画中，可一探奥尔费利斯永动机的秘密 据这个人的说法，奥尔费利斯的永动机骗局很简单，就是在这台机器的后面，连着根绳子，有一个人一直在拉着它。绳子就连在轮子的轴上，拉绳子的人藏得很秘密，人们很难发现他。 其实，不难想象，终有一天， 这个骗局会被揭穿的，这只是时间的问题。据说，这个秘密还是发明家自己透露的。有一天，发明家和妻子吵架，然后发明家的妻子气不过，便把这个秘密透露了出去。也许，如果发明家和妻子没有吵架，人们可能直到现在还处于困感之中。 直到这位发明家去世，他都不肯承认自己发明的永动机有问题， 还说他的妻子和仆人是出于对他的怨恨才诋毁他的。但是，从那以后，人们再也不相信他了。他只有不停地向彼得大帝的使臣——舒马赫诉说自己的“不幸”，并称那些传言都是恶意诽谤。 值得一提的是，当时还有台永动机也很出名。也是一个德国人发明的，他的名字叫格特叶尔，前面提到的舒马赫也见到到了这台机器。他是这样描述这台机器的：“在德雷斯顿，我亲眼见到了这台机器的草图。机器的形状有点儿像磨刀石，里面填满了沙子，并前后不停的运动。 据发明家哥特叶尔说，运动的幅度不能太大。显然这个永动机也不可能真的永远运动下去，肯定也是隐藏了机关在里面，只不过我们不知道动力来源于何处罢了。 在写给彼得大帝的信中，舒马赫说：“不管发明家对那些机器怎么吹嘘，英国和法国的学者们完全不相信那一套，他们认为所谓的永动机违背了物理规律。”不得不说，舒马赫这句话是正确的。
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