人类与“永动机”的千年恩怨（一）：木鸢、木牛流马、魔轮…
2019/8/16 7:00:00鲁超 科学大院
《墨子·鲁问》记载着一个故事：“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下，公输子自以为至巧。”
传说我国著名的工匠鲁班发明了一只可以飞三天的木鸢，甚至另有说法称，这种木鸢可以载人飞行到很远的地方。即使是现在，如果没有电池、燃油等动力，这也令人难以置信。可惜的是，鲁班的神秘设计没有保存下来，大多数人相信这不过是一面木头风筝。
鲁班雕像，传说他发明的木鸢可以载人飞行…(图片来源：wiki)
《三国志·诸葛亮传》记载：“建兴九年，亮复出祁山，以木牛运，粮尽退军；十二年春，亮悉大众由斜谷出，以流马运，据武功五丈原，与司马宣王对于渭南。”
诸葛丞相造木牛流马的故事更加广为人知，据称 “每牛载十人所食一月之粮，人不大劳，牛不饮食。”后来的《三国演义》则描述得更为神乎其神，号称木牛流马可以不用人力，自行走动，并且还有暗锁功能。
《三国志》、《三国演义》等书中都有制造木牛流马的具体方法，但动力来自哪里没有详细说明。据记载，后来刘宋朝的祖冲之还复制出了木牛流马，但同样没有留下资料和绘图。人们只能根据自己的想象来揣测这一逆天黑科技了，大多数人倾向于相信，诸葛亮制造出的不过是独轮车，经过后世的传说添油加醋一番，才变成了《三国演义》里的那副模样。
电视剧《新三国》里选择相信这不过是一种独轮车。(图片来源：爱奇艺)
无关民族主义，为何现代人不相信鲁班木鸢和木牛流马的存在？因为我们会质疑：它们的动力来自哪里呢？
是啊，自古以来，工匠们绞尽脑汁，用他们的智慧不断改进手里的材料，让机械更加有力，从而使得我们的生活更加便利!如果能制造出一种不需外力就可以自动运转的机械，那简直可以解放全人类了，一大批智者对此心驰神往，前赴后继，这种机械被称为“永动机”!
“永动机”的准确定义在历史上有过多次变迁，回顾这段历史，从古老简单的机械到如今各种各样的新式能源，简直难以置信。可以想象，如果将一台电扇展示在古人面前，一定会让他们惊呆到下巴坠地。然而，从现在的角度来看，电扇当然不能算作永动机，它必须通电才能转动，真正的永动机不需要能量输入。
“永动机”在科学史上背负了太多的骂名，从现代人的角度去看，这段历史笑点颇多。这里不乏有愚者甚至骗子，但必须指出，大部分“永动机”追求者的本心都是积极的，他们绞尽脑汁，试图改进工艺，提升机械效率，如同试图“盗取”能量的“宇宙大盗”。从这个意义上来说，我们必须向这些人类文明的先驱致敬!
(设计台词)人类：老爹，借点能量啦!上帝：送你三个字，想——的——美!(图片来源：wiki)
关于永动机的最初构想
12世纪的印度有一个叫做婆什迦罗的人，他既是数学家，又是天文学家，据称，他比牛顿、莱布尼茨早5个世纪就提出了微积分的构想。除此以外，他还构造出了一个“婆什迦罗轮”，号称可以永远转下去，这是最早的关于“永动机”的记载。
最早的“魔轮”由印度人制造(图片来源：wiki)
这个奇异的装置在13世纪传到欧洲，法国匠人奥内库尔的手稿里记录了一种“魔轮”的装置。由于这玩意摩擦力很小，于是后来就被应用在浑天仪上了。
“魔轮”貌似可以永远运动，但却不是传说中的永动机。永动机必须能够对外输出能量，也就是我们说的“做功”。如果“魔轮”中间的轴承以及装置各物体之间的摩擦力足够小，这个轮子确实可以转很久，但却无法向外输出一丁点能量。
欧洲最早的魔轮(图片来源：wiki)
达芬奇堪称西方历史上的一位全才，绘画、工程学、建筑学、天文学、解剖学、几何学、数学、物理学、动力学样样精通。传说中，直升机、滑翔机、缝纫机等划时代的发明，都被登记在他的账下。他还留下了不可计数的机械制图，都是些极其灵巧的机械。他对能够“免费”获得能量的“永动机”也是心驰神往。谁知道，迎接他的只有一次又一次失败，这让达芬奇终于心灰意冷：“哦!你们这些永动机的追求者，你们纠缠于多少虚无的幻想？去吧，找炼金术士去吧!”(当时的炼金术更加玄幻……)
达芬奇研究各种永动机的手稿(图片来源：youtube)
达芬奇的感叹并没有浇灭工匠们对“永动机”的追求，一波又一波的匠人甚至科学家都试图通过改进“魔轮”，从而得到永恒的“免费”能量。
比如下面这种，看似有点道理，右边的摆锤力臂更长，似乎可以带动轮子。但仔细研究一番，就不难理解，左边的摆锤虽然力臂短，但是明显数量更多，加权一下，综合力矩恰好一样。所以，在不受外力驱动下，这种魔轮根本不会自发转动起来。即使给了它一个最初的驱动力，之后也许可以转动很长时间，但由于空气阻力和轴承转动遇到的阻力，最终它还是会停下来。
(图片来源：wiki)
其他还有各种各样的改进版“魔轮”，都换汤不换药。
(以上图片来源：youtube)
早期“永动机”的探索者里还包括大科学家波义尔，他发明了一个“永恒的高脚酒杯”，试图用水的重力驱动水通过酒杯和管道进行无限的流动循环，如下图。显然，这是徒劳的尝试，就连现在的初中生也会明白，水最终会停下来，像在U型管里一样，两边高度一致。
(图片来源：youtube)
英国博物学家福鲁德发明了一种水轮机，号称可以自发将水从低处运到高处。仔细分析一番就知道，这就是很多年前发明出来的“阿基米德螺旋”，不靠能量输入显然无法完成抽水。
罗伯特·弗洛德1618年发明的“水螺旋”永动机
上两图为阿基米德螺旋的原理，你认为它不需要能量输入吗？(图片来源：wiki)
这个时代里，永动机的集大成者当属德国人贝斯勒，他一生中共发明了300多种永动机。
1712年，贝斯勒在莱比锡附近的一个村庄建造了一个2米多高的“自动轮”，据说可以提起18kg的重物。这项发明还惊动了著名数学家莱布尼茨、约翰·伯努利和哲学家克里斯蒂安·沃尔夫，这些大牛纷纷资助贝斯勒，让他继续造出更大的轮子。黑森卡塞尔城邦的卡尔王子也被成功忽悠，贝斯勒被任命为商业顾问，王子还让他在维森施坦城堡里一边居住一边继续改进轮子。于是，更大的轮子被建造起来，足有3.7米高。
永动机的集大成者：贝斯勒(图片来源：wiki)
卡尔王子也不是个傻子，他叫了一大波科学家过来鉴定，当然贝斯勒也并非善类，他以防止别人窃取他的发明为由，只允许科学家们在窗外观看，科学家们确实看到了大轮子在转。贝斯勒又把房间的门窗紧闭，贴上封条，让科学家们两周后再来看，结果发现轮子确实仍然在转，但这又能说明什么问题呢？贝斯勒这回倒是更有信心，开价20000英镑，出售他轮子的秘密。
莱布尼茨甚至帮忙给彼得大帝的私人医生写信，介绍贝斯勒是他的好朋友，他的大轮子是一项了不起的发明。彼得大帝对此很感兴趣，让荷兰数学家格雷夫森德去帮他鉴定一下。格雷夫森德围着轮子转了半天，发现没有什么办法可以把能量从外面传送到轮轴上，这时候，贝斯勒大怒，竟然当着数学家的面将自己的轮子给砸了，并指责对方：“你不按套路办事啊，竟然没付钱就想破解我的商业机密。”
就后来的物理学家分析，贝斯勒的大轮子不过是和“魔轮”类似的“超平衡轮”，通过精巧的设计确实可以让它转很长时间，但却无法对外输出能量。
看看吧，古今骗子的风格都差不多。
贝斯勒的“大轮子”(图片来源：wiki)
磁学：永动机的救命稻草
进入18世纪，对磁学的研究成为一门时尚，磁铁之间存在着一种神秘(在当时)的超距作用。这让“永动机”的研究者们找到了救命稻草，能否通过磁性达到永动的目的呢？
下图就是一种磁铁“永动机”，只不过他们忘了磁铁之间的吸引力也是力，符合牛顿第三定律。如果这种方式可以驱动的话，那还不如让人坐在车上，不断锤击自己，就可以把车开走了。
民科风…(图片来源：youtube)
又有人说：“能不能搞点有技术含量的？”于是他们用磁铁改进了“魔轮”，如下图：
磁铁版魔轮…(图片来源：youtube)
还有人想，何必如此麻烦，用磁铁将铁球吸到高处，然后铁球再由于地球引力吸引而落下来，不就可以做功了吗？如下图。
这种装置可以成功吗？(图片来源：youtube)
这个装置极其简单，自己在家都可以做一下，结果很简单，小铁球一开始会被磁铁吸住，经过足够长的时间，磁铁的磁力耗尽，小球最终落下。
这个想法很好…(图片来源：youtube)
总之，到了18世纪末，一次又一次的失败让大多数明眼人已经看出，我们的宇宙似乎有这么一道无形的障碍，保护这宇宙造物主的财(neng)富(liang)，任凭我们穷尽智慧，也无法突破这道屏障，盗取宇宙奥秘。
1775年，法国皇家科学院宣布，今后不再受理关于永动机的申请。
下期请看：人类与“永动机”的千年恩怨(二)存在“额外”的能量吗？
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