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 de 1159 d.C., um matemático chamado "Bhaskara, o Sábio" desenhou uma roda que continha reservatórios curvos de mercúrio. Ele imaginou que, com o movimento da roda, o mercúrio chegaria ao fundo de cada reservatório, deixando um dos lados da roda para sempre mais pesado que o outro. Essa diferença faria a roda continuar rodando eternamente. O desenho de Bhaskara foi um dos primeiros a mostrar uma máquina de movimento perpétuo, que poderia trabalhar infinitamente, sem a ajuda de fontes externas de energia. Imagine um moinho que produzisse o vento de que precisa para continuar girando, ou uma lâmpada cujo brilho gerasse sua própria eletricidade. Esses dispositivos foram objeto da imaginação de muitos inventores, porque poderiam transformar nossa relação com a energia. Por exemplo, se pudéssemos criar uma máquina de movimento perpétuo que incluísse os humanos como parte de seu sistema perfeitamente eficiente, ela poderia manter a vida indefinidamente. Só tem um problema: essas máquinas não funcionam. As máquinas de movimento perpétuo já imaginadas violam uma ou mais leis fundamentais da termodinâmica, que é um ramo da física que explica a relação entre as diferentes formas de energia. A primeira lei da termodinâmica diz que a energia não pode ser criada nem destruída. Não é possível obter mais energia do que a que é aplicada. Isso exclui de cara a possibilidade de uma máquina de movimento perpétuo porque uma máquina só pode produzir a mesma quantidade de energia que consumiu. Não haveria sobras de energia para abastecer um carro ou carregar um celular. Mas e se só quiséssemos criar uma máquina que se mantivesse em movimento? Inventores tiveram diversas ideias. Diversas delas são variações da roda com mercúrio, de Bhaskara, com bolas que giram ou pesos em hastes que balançam. Nenhuma delas funciona. As partes móveis que deixam um dos lados da roda mais pesados também mudam seu centro de massa para baixo, abaixo do eixo. Com um centro de massa baixo, a roda simplesmente balança pra lá e pra cá, como um pêndulo, até parar. Que tal uma abordagem diferente? No século 17, Robert Boyle teve a ideia de um vaso de água que jamais se esvazia. Sua teoria era de que a capilaridade, a atração entre líquidos e superfícies que bombeia a água por tubos finos, pode manter a água circulando, saindo e entrando novamente no vaso. Como a capilaridade é forte o bastante para superar a gravidade e fazer com que a água suba, também a impediria de cair novamente no vaso. Há também versões com ímãs, como este jogo de rampas. A bola seria puxada para cima pelo ímã que está no topo, cairia pelo buraco, e o ciclo se repetiria. Isso não funciona porque, como no caso do vaso, o ímã simplesmente prenderia a bola no topo. Mesmo que ela de fato se mantivesse em movimento, a força do ímã se enfraqueceria com o tempo e, por fim, pararia de funcionar. Para que essas invenções se mantivessem em movimento, teriam de criar energia extra para conseguir driblar o ponto de parada do sistema, quebrando a primeira lei da termodinâmica. Algumas parecem manter o movimento, mas, na verdade, estão drenando energia de alguma fonte externa. Mesmo se engenheiros pudessem, de alguma forma, criar uma máquina que não violasse a primeira lei da termodinâmica, ainda assim não funcionaria no mundo real por causa da segunda lei. A segunda lei da termodinâmica afirma que a energia tende a se espalhar por meio de processos como o da fricção. Toda máquina de verdade teria partes móveis, interações com o ar ou moléculas líquidas, o que geraria pequenas quantidades de fricção e calor, inclusive no vácuo. Esse calor é energia escapando, e continuaria a escapar, reduzindo a energia disponível para mover a própria máquina, até que ela inevitavelmente pararia de funcionar. Até hoje, essas duas leis da termodinâmica descartaram todas as ideias de movimento perpétuo, bem como o sonho de geração de energia totalmente eficiente que elas trazem. Mesmo assim, não podemos dizer que jamais descobriremos uma máquina de movimento perpétuo, porque ainda há muita coisa que desconhecemos sobre o universo. Talvez descubramos novas e exóticas formas de matéria que nos forçarão a reformularmos as leis da termodinâmica. Talvez haja movimento perpétuo em minúscula escala quântica. O que podemos com certeza dizer é que jamais desistiremos de procurar. No momento, a única coisa realmente perpétua é nossa busca.