Around 1159 A.D., a mathematician called Bhaskara the Learned sketched a design for a wheel containing curved reservoirs of mercury. He reasoned that as the wheels spun, the mercury would flow to the bottom of each reservoir, leaving one side of the wheel perpetually heavier than the other. The imbalance would keep the wheel turning forever. Bhaskara's drawing was one of the earliest designs for a perpetual motion machine, a device that can do work indefinitely without any external energy source. Imagine a windmill that produced the breeze it needed to keep rotating. Or a lightbulb whose glow provided its own electricity. These devices have captured many inventors' imaginations because they could transform our relationship with energy. For example, if you could build a perpetual motion machine that included humans as part of its perfectly efficient system, it could sustain life indefinitely. There's just one problem. They don't work. Ideas for perpetual motion machines all violate one or more fundamental laws of thermodynamics, the branch of physics that describes the relationship between different forms of energy. The first law of thermodynamics says that energy can't be created or destroyed. You can't get out more energy than you put in. That rules out a useful perpetual motion machine right away because a machine could only ever produce as much energy as it consumed. There wouldn't be any left over to power a car or charge a phone. But what if you just wanted the machine to keep itself moving? Inventors have proposed plenty of ideas. Several of these have been variations on Bhaskara's over-balanced wheel with rolling balls or weights on swinging arms. None of them work. The moving parts that make one side of the wheel heavier also shift its center of mass downward below the axle. With a low center of mass, the wheel just swings back and forth like a pendulum, then stops. What about a different approach? In the 17th century, Robert Boyle came up with an idea for a self-watering pot. He theorized that capillary action, the attraction between liquids and surfaces that pulls water through thin tubes, might keep the water cycling around the bowl. But if the capillary action is strong enough to overcome gravity and draw the water up, it would also prevent it from falling back into the bowl. Then there are versions with magnets, like this set of ramps. The ball is supposed to be pulled upwards by the magnet at the top, fall back down through the hole, and repeat the cycle. This one fails because like the self-watering pot, the magnet would simply hold the ball at the top. Even if it somehow did keep moving, the magnet's strength would degrade over time and eventually stop working. For each of these machines to keep moving, they'd have to create some extra energy to nudge the system past its stopping point, breaking the first law of thermodynamics. There are ones that seem to keep going, but in reality, they invariably turn out to be drawing energy from some external source. Even if engineers could somehow design a machine that didn't violate the first law of thermodynamics, it still wouldn't work in the real world because of the second law. The second law of thermodynamics tells us that energy tends to spread out through processes like friction. Any real machine would have moving parts or interactions with air or liquid molecules that would generate tiny amounts of friction and heat, even in a vacuum. That heat is energy escaping, and it would keep leeching out, reducing the energy available to move the system itself until the machine inevitably stopped. So far, these two laws of thermodynamics have stymied every idea for perpetual motion and the dreams of perfectly efficient energy generation they imply. Yet it's hard to conclusively say we'll never discover a perpetual motion machine because there's still so much we don't understand about the universe. Perhaps we'll find new exotic forms of matter that'll force us to revisit the laws of thermodynamics. Or maybe there's perpetual motion on tiny quantum scales. What we can be reasonably sure about is that we'll never stop looking. For now, the one thing that seems truly perpetual is our search.
Por volta do ano de 1159 d.C., um matemático chamado Bhaskara, o Erudito, esboçou um plano para uma roda que continha reservatórios curvos de mercúrio. Pensava que, quando a roda girasse, o mercúrio juntar-se-ia no fundo de cada reservatório, e um dos lados da roda ficaria sempre mais pesado do que o outro. Esse desequilíbrio manteria a roda a girar eternamente. O desenho de Bhaskara foi um dos primeiros modelos para uma máquina de movimento perpétuo. um aparelho que pode funcionar indefinidamente sem qualquer fonte de energia exterior. Imaginem um moinho que produz a brisa de que necessita para continuar a girar. Ou uma lâmpada elétrica cujo brilho fornece a sua própria eletricidade. Estes aparelhos captaram a imaginação de muitos inventores, porque podiam transformar a nossa relação com a energia. Por exemplo, se pudéssemos construir uma máquina de movimento contínuo, que incluísse os seres humanos no seu sistema perfeitamente eficaz, podia manter a vida indefinidamente. Só que há um problema. Não funcionam. As ideias para as máquinas de movimento perpétuo violam uma ou mais leis fundamentais da termodinâmica, o ramo da física que descreve a relação entre diferentes formas de energia. A primeira lei da termodinâmica diz que a energia não pode ser criada nem destruída. Não podemos obter mais energia do que aquela que introduzimos. Isto afasta a possibilidade de uma máquina útil de movimento perpétuo porque uma máquina só pode produzir a mesma energia que consome. Não sobraria nenhuma para alimentar um carro ou um telemóvel. E se só quiséssemos que a máquina continuasse a mover-se? Os inventores propuseram muitas ideias. Algumas delas foram variantes da roda em desequilíbrio de Bhaskara com rolamentos ou pesos em braços basculantes. Nenhuma delas funciona. As partes móveis que tornam um dos lados da roda mais pesados também deslocam o centro de gravidade para baixo do eixo. Com um centro de gravidade baixo, a roda apenas anda para trás e para a frente. como um pêndulo, e depois para. E se for uma abordagem diferente? No século XVI, Robert Boyle teve uma ideia para um vaso que se regasse a si mesmo. Desenvolveu a teoria de que a ação capilar — a atração entre o líquido e a superfície que puxa a água através de finos tubos podia manter a água a circular em volta do vaso. Mas se a ação fosse bastante forte para ultrapassar a gravidade e obrigar a água a subir, também a impediria de voltar a cair mo vaso. Depois há versões com ímanes, como este conjunto de rampas. A bola seria atraída para cima pelo íman que está no topo, cairia pelo buraco e repetiria o ciclo. Esta também fracassa, tal como o vaso que se rega a si mesmo, porque o íman reteria a bala no topo. Mesmo que, apesar de tudo, se mantivesse em movimento, a força do íman degradar-se-ia com o passar do tempo e acabaria por deixar de funcionar. Para cada uma destas máquinas se manter em movimento teriam de criar qualquer energia extra para alimentar o sistema para além do ponto de paragem, quebrando a primeira lei da termodinâmica. Algumas parecem continuar a funcionar mas, na realidade, acabam por mostrar que vão buscar energia a qualquer fonte exterior. Mesmo que os engenheiros conseguissem projetar uma máquina que não violasse a primeira lei da termodinâmica, ainda assim não funcionaria no mundo real, por causa de segunda lei. A segunda lei da termodinâmica diz-nos que a energia tende a dissipar-se através de processos como a fricção. Qualquer máquina real teria partes em movimento ou interações com moléculas de ar ou de líquidos que gerariam pequenas quantidades de fricção e de calor, mesmo num ambiente de vácuo. Esse calor é energia que se escapa e continuará a escapar-se, reduzindo a energia disponível para manter o sistema em movimento. até que a máquina pararia inevitavelmente. Até agora, estas duas leis da termodinâmica entravaram todas as ideias para o movimento perpétuo e os sonhos de gerar energia de modo perfeitamente eficaz que implicam. Mas é difícil de dizermos com certeza que nunca descobriremos uma máquina de movimento perpétuo porque ainda há muita coisa que não entendemos no universo. Talvez venhamos a encontrar novas formas exóticas de matéria que nos forcem a rever as leis da termodinâmica. Ou talvez haja movimento perpétuo numa escala de minúsculos quanta. Aquilo que podemos razoavelmente ter a certeza é que nunca deixaremos de procurar. Por agora, a única coisa que parece realmente perpétua é a nossa procura.