segunda-feira, 15 de março de 2010

Os que buscam o moto perpétuo estão tentando obter alguma coisa a partir de nada. —Sir Isaac Newton


O Museu dos Dispositivos Impraticáveisde Donald Simanek - Traduzido com sua gentil permissão
Redrawn and colored version of M. C. Esher's lithograph WATERFALL
Este é um trabalho em andamento -- tanto nooriginal em inglês como nesta versão em português. Esteja preparado para revisões e adição de material novo. -- Nota do editor CA
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Os que buscam o moto perpétuo estão tentando obter alguma coisa a partir de nada.
   —Sir Isaac Newton

Nunca vai funcionar!
Moinho de ciclo fechado, Robert Fludd, 1618.
Propostas de dispositivos moto perpétuo são freqüentemente descartadas por cientistas de forma que parece ao leigo como rejeição precipitada usando afirmações dogmáticas de que tais dispositivos estão proibidas de funcionar pelas "leis da termodinâmica". Isto não satisfaz a pessoa que conhece um pouco de física, mas considera as leis da termodinâmica um pouco misteriosas. O próprio caráter de tais leis é estranho à pessoa comum, porque têm um ar de finalidade e negatividade.

As leis da termodinâmica e leis conservação têm grande poder porque nos permitem predizer certas coisas sobre um sistema sem analisar todos os aspectos do mecanismo. Elas permitem até mesmo predições confiantes a despeito de nossa ignorância de alguns detalhes ou dificuldades experimentais em examiná-lo.

É claro que os físicos não afirmam que qualquer lei da física representa a verdade final e inalterável. O inventor do dispositivo de moto perpétuo (MP) se lança sobre isto e diz "Tais leis vão nos levar a desistir de tentar descobrir qualquer coisa nova! E se houvesse uma falha nessas leis, a qual nós poderíamos descobrir e aproveitar?"

É um fato histórico as leis da termodinâmica foram originalmente propostas para descrever o fato de que todas as tentativas prévias de alcançar movimento perpétuo tinham falhado. Nós aprendemos mais sobre as leis desde então, e temos um entendimento muito melhor delas e por que são tão poderosas em descrever o que pode e o que não pode acontecer na natureza.

Os dispositivos de MP clássicas podem ser mostradas como possuindo falhas em conceito ou execução por meios muito mais simples. O jeito óbvio é simplesmente testar o dispositivo para ver se corresponde às alegações do inventor. Afirmações fraudulentas podem por vezes ser expostas deste modo. Mas a reação habitual do inventor é dizer "Isto precisa de um pouco mais de trabalho para refinar e melhorar o projeto."

Em outro nível estão propostas que ainda não foram construídas. Tais propostas podem vir de pessoas honestas (embora talvez mal direcionadas) que conhecem um pouco de física ou engenharia (mas não o bastante). Como nós podemos determinar se essas valem o tempo e o trabalho para serem desenvolvidas? Normalmente as propostas de MPs podem ser mostradas como estando baseadas em raciocínio falacioso, ou mal entendimento ou má aplicação de leis e princípios básicos da física bem conhecidos e testados.

Este pode ser um exercício útil para os leigos interessados, e para o estudante secundário e calouros da faculdade tendo aulas de física, até mesmo antes de lhes serem expostas as leis da termodinâmica. Meu propósito, neste documento, é sujeitar algumas das propostas clássicas de dispositivos de MP a tal análise. No processo nós passaremos a entender melhor as leis físicas básicas, e entender como elas podem ser mal entendidas, mal interpretadas e mal aplicadas.

Eu me interessarei em examinar exemplos destas classes de propostas e alegações:
(1) Dispositivos que se alega que permanecem em movimento ininterrupto sem injeção de energia e sem produzir trabalho externo. Obviamente tais dispositivos exigem energia para começar a se mover, mas nada mais depois disso. Esta descrição não é nada além de uma declaração do quemoto perpétuo significa. Estes dispositivos não têm nenhum outro propósito além de maravilhar os espectadores e aborrecer os físicos e engenheiros. Tais dispositivos não violam necessariamente nenhuma lei ou princípio da física. Átomos estáveis são objetos físicos cujos processos internos continuam eternamente sem perda de energia se o átomo não for perturbado. Assim eles são exemplos de "movimento perpétuo".

(2) Dispositivos que se alega que permanecem em movimento sem contribuição de energia enquanto produzem energia externa. Tais dispositivos propostos podem exigir um empurrão para começar, mas nenhuma injeção de energia depois disso. Este é o tipo de dispositivo que os inventores buscam. Às vezes o inventor recusa desconectar a bateria de ignição depois que o dispositivo está se movendo. Suspeito.

(3) Dispositivos que requerem injeção de energia para permanecer em movimento, mas se alega que produzem energia maior que a energia introduzida. Hoje em dia algumas pessoas chamam esses de dispositivos "over-unity" [sobre-unidade], porque seus inventores afirmam que têm eficiências maiores que um. Claramente tal dispositivo (se existisse) poderia ser modificada para se transformar em um dispositivo classe (2) simplesmente desviando parte da energia produzida e dirigindo-a de volta no dispositivo. Curiosamente, inventores que alegam ter feito um dispositivo de sobre-unidaderesistem a qualquer sugestão de fazer isso para provar conclusivamente suas alegações sobre o dispositivo. Suspeito.

(4) Dispositivos que canalizam alguma hipotética "energia livre" universal pervasiva que os inventores imaginam que preencha todo o espaço. Costumava ser a energia do éter luminífero que estava sendo supostamente canalizada. Agora que nós já não levamos o éter a sério essas pessoas alegam estar canalizando a "energia do vácuo". De qualquer maneira, eles afirmam, está "lá fora" e livre para ser extraída. Se realmente houvesse tal fonte de energia, estes dispositivos não estariam violando qualquer lei física. Infelizmente, a fonte de energia normalmente é postulada para os propósitos do inventor, é completamente um produto da mente dele, e não é apoiada por qualquer outra evidência independente. Assim, ao observador objetivo, estes dispositivos são experimental e teoreticamenteindistingüíveis das do tipo (3). 
Uma vez que inventores (perseguidores) de dispositivos de energia livre alegam que tais dispositivos de fato têm injeções de energia, eles rejeitam o rótulo de dispositivos de "moto perpétuo". Eles também rejeitam qualquer sugestão de que poderiam manter os dispositivos funcionando desviando um pouco da energia produzida de volta no dispositivo, dizendo que os dispositivos só são capazes de tomar energia de uma fonte de "energia livre" ou que a "energia livre" é de um caráter sutilmente diferente da energia ordinária.
Alguns autores classificam dispositivos de MP através de referência às leis da termodinâmica que vão violar. 
  • Dispositivos de MP do primeiro tipo, que violam a primeira lei da termodinâmica. Eles produzem mais energia que recebem. 
  • Dispositivos de MP do segundo tipo, que violam a segunda lei de termodinâmica. Eles envolvem mudanças nulas ou negativas da entropia. 
Eu não usarei muito esta classificação, porque quero evitar qualquer apelo às leis da termodinâmica neste documento. Os exemplos que pretendo descrever são aqueles aos quais é fornecida análise inadequada em livros padrão e artigos. Muitos não foram propostos originalmente como dispositivos executáveis, mas como quebra-cabeças de desafio inteligentes e paradoxos para testar a compreensão de princípios físicos. 


O primeiro dispositivo de movimento perpétuo documentada foi descrita pelo autor indiano Bhaskara no século 11. Era uma roda com recipientes de mercúrio ao longo da borda. Enquanto a roda girava, o mercúrio deveria se mover dentro dos recipientes de forma que a roda sempre estaria mais pesada de um lado do eixo. Esta imagem animada gira bem e perpetuamente, mas nós podemos estar certos de que a roda de Bhaskara diminuía de velocidade e parava. [GIF animado desenhado por Hans-Peter Gramatke, usado com permissão.]
Essa idéia aparece novamente na Europa no ano 1235 quando o arquiteto francês Villard de Honnecort descreveu uma roda desequilibrada com martelos articulados igualmente espaçados ao longo de sua borda. A imagem mostra perspectiva ambígua. A roda na verdade deveria estar perpendicular ao suporte e ao eixo horizontal. A descrição deHonnecort (traduzida) é:
Há muito tempo trabalhadores habilidosos tentam projetar uma roda que giraria sozinha; aqui está um modo de contruir uma, através de um número ímpar de martelos, ou por mercúrio..
Enquanto a roda girava, cada martelo se deslocava para uma nova posição depois que passava pelo topo da roda. Pensava-se que essa transferência de massa (ou talvez o impulso devido ao movimento rápido) deveria dar a força que manteria o movimento da roda e forneceria energia motirz extra para outros fins. Honnecort afirmou que este dispositivo seria útil para cortar madeira e levantar pesos. Não era.
O diagrama de Honnecort não é muito claro, e não podemos estar certos de que princípio ele pensava que deveria fazê-la funcionar. Tinha sete martelos, e Honnecort insistiu em um número ímpar de martelos. Teria ele suposto que quando a roda girava sempre haveria um martelo a mais em um lado que no outro? Teria suposto que cada martelo daria um impulso quando caía? Mas quer o número de martelos seja par ou ímpar, tal tipo de roda logo deve parar de girar.
A referência de Honnecort indica que ele conhecia o dispositivo de Bhaskara, cujo desenho alcançou a Europa.
Esta idéia de "roda desquilibrada" reapareceu em um variedade impressionante de formas ao longo dos séculos. Nós mostramos um diagrama melhor de época posterior. Um sistema de cavilhas era requerido para manter os martelos à maior distância do eixo depois que eles se deslocavam no topo e permitia que pendessem livres quando vinham ao outro lado. Talvez o raciocínio fosse de que as bolas tivessem mais momento (ou inércia)  em um lado devido aos braços maiores (ainda que os princípios do torque ainda não tivessem sido formalizados na época).
Ainda que haja menos bolas em um lado do eixo em uma dada posiçao, estas têm braços maiores e portantotorque maior. Enquanto um martelo se desloca no topo da roda, ela diminui de velocidade quando o martelo cai, e então ganha alguma velocidade quando ele atinge a cavilha. Não há nenhum ganho total de velocidade, e há energia irreversivelmente perdida quando o martelo atinge a cavilha. Se receber algum impulso, a roda gira aos solavancos por algum tempo. Se receber um empurrão inicial bem forte, os martelos assumirão posição radial e a roda girará de forma muito mais suave e eficiente, mas gradualmente perderá velocidade e energia rotacional por causa da resistência do ar e fricção dos rolamentos, assim como qualquer outra roda faria.
Nós temos na maior parte relatos de segunda mão do entendimento dos princípios deste dispositivo. Contudo, eu não penso que as pessoas que ficaram fascinadas com esta idéia estavam desavisadas da condição de equilíbrio estático da roda. Eu especulo que eles supunham que a roda só giraria depois que fosse colocada em movimento manualmente, com os martelos dando um impulso extra enquanto se deslocavam rapidamente depois do topo, talvez (eles podem ter pensado) isto era devido a alguma "vantagem" obtida do movimento de cada peso passando a uma posição com um braço de alavanca maior.
Esta ação de mudança rápida de posição é parecida com a de um estinlingue que dá a uma pessoa a habilidade de jogar uma pedra a distância maior, ou à catapulta de cerco conhecida comoTrebuchet. Honnecort escreveu sobre essas máquinas de guerra, descrevendo uma com uma caixa de areia de 8x12x12 pés como contrapeso (que poderia pesar 80 toneladas). Algumas tinham braços de 50 pés de comprimento e podiam lançar uma pedra de 300 libras a 300 jardas. Esta conexão a estilingues e Tribuchets é especulação de minha parte, sem fundação em qualquer estudo histórico que tenha visto.
Ainda que a ação de um  Trebuchet permita uma eficiência maior de conversão de energia comparada a uma catapulta de braço rígido, o dispositivo ainda não fornece mais energia do que a do peso caindo que a move. Trebuchetsmodernos (construídos por hobbistas) atingiram eficiências de conversão de energia maiores que 65%.
A idéia da roda desequilibrada foi reinventada muitas vezes ao longo dos séculos, às vezes em variações fantasticamente elaboradas. Nenhuma jamais funcionou como seus inventores esperavam. Mas a esperança nunca morre. Já vi exemplos feitos por ferreiros do interior e inventores de porâo. A mecânica clássica necessária para analisar tais sistemas mecânicos é agora bem conhecida, e quando uma pessoa se dá o trabalho de fazer isso não há nenhum mistério no porquê delas não girarem eternamente, e nenhuma razão por que deveriam.


Simon Stevin (1548-1620)
O experimento da rampa de esferas de Stevin
O matemático e engenheiro flamenco Simon Stevin (1548-1620) estudou os princípios de mecanismos e dispositivos. Ele tinha visto muitas propostas de motos perpétuos. Uma em particular o interessou: uma corrente em laço sobre um par de rampas assimétricas. Alguns fizeram a alegação de que deveria se mover por si porque havia mais bolas, e portanto maior peso em um dos lados do aparato. Certamente deveria se mover se você pudesse se livrar daquela maldita fricção.
Stevin analisou isto e mostrou que a corrente não iria se mover, já que de fato as forças agindo nela estão em equilíbrio. Ao fazer isto ele inventou um importante princípio para a análise de dispositivos: oPrincípio do Trabalho Virtual que pode ser encontrado em livros de engenharia mecânica até hoje. Este princípio era tão importante que esta imagem da corrente de esferas aparece na capa do livro deStevin sobre mecânica e em seu epitáfio.
O feito de Stevin era um exemplo antigo de como se pode analisar cuidadosamente um sistema mecânico para determinar se (e como) funciona. Stevin realizou isto muito antes da formulação das leis da termodinâmica. Ele também adotou a tática útil de analisar um mecanismo no caso "ideal" onde a fricção não existe.


O princípio de Stevin é útil para problemas em equilíbrio, e é matematicamente equivalente a uma análise de força. Em um sistema mecânico onde as coisas estão livres para se mover, será que irão mesmo? Um modo de descobrir é olhar para as forças e torques em cada parte do sistema. Se elas somarem zero, as partes não vão acelerar.
O princípio de Stevin nos permite fazer isto de uma forma alternativa (mas equivalente). O método começa imaginando um "deslocamento virtual" do sistema, e então calcula o trabalho que seria feito por cada força durante este movimento "virtual". Isto é chamado "trabalho virtual". Se a soma do trabalho feita pelas forças virtuais for zero, o sistema está em equilíbrio, e não acelerará. Em prática a análise é normalmente levada a cabo imaginando deslocamentos muito pequenos. 
[Os deslocamentos virtuais não precisam ser possíveis ou prováveis. Por exemplo, para calcular a força de tensão em uma viga mestra de ponte, uma pessoa pode imaginar a viga mestra sendo quebrada ou cortada e os pedaços podendo se mover.] 
Este método é particularmente útil para sistemas sem atrito ou quase sem. Isto é ideal para examinar propostas de dispositivos de MP. É um experimento Gedanken (de pensamento), mas quando nenhum modelo funcional do dispositivo é fornecido, é tudo que temos para trabalhar. Nós imaginamos o sistema como sem atrito (dando para o inventor a vantagem) e então se nós podemos mostrar que até mesmo com esta vantagem o dispositivo ainda não pode funcionar como alegado, podemos designar a proposta para o Museu de Dispositivos Impraticáveis. 
Antes que voltemos ao problema de Stevin da rampa dupla com corrente vamos considerar primeiro o problema relacionado de umarampla dupla de altura z e comprimentos de rampa x e y. Vamos dizer que x < y. Um peso A está na rampa  x e um peso B na rampa y. Eles estão conectados por uma corda passando por uma polia no topo.
Lembrete: Trabalho é realizado em um copor quando ele se move soba a ação de uma força. Trabalho é o produto do componente força na direção do movimento e a distância que o corpo percorre.
Imagine um movimento de A para cima na rampa x que move a massa A em uma distância vertical z. Isto faz B se mover a mesma distância x abaixo em sua rampa, ou a fração x/y do comprimento dessa rampa, e portanto a distância vertical (x/y)z para baixo. Nós concluimos que para o equilíbrio estes pesos e distâncias devem satisfazer Ay = Bx, ou A/B = x/y.
Seja ético com qualquer proposta de moto perpétuo onde o movimento suposto não causa mudança na posição do centro de gravidade de qualquer parte do sistema
Voltando ao problema de Stevin, usando a mesma rampa, a porção da corrente na rampa x tem comprimento x. A porção em y tem comprimento y. Os pesos da corrente estão em proporção aos comprimentos, assim A/B = x/yautomaticamente satifaz a condição de quilíbrio. Portanto o sistema não irá se mover por si mesmo. A parte inferior da corrente obviamente não contribui em nada que perturbaria o equilíbrio.
O princípio de trabalho virtual pode ser estendido a torques, e sua forma moderna é:
Se o trabalho virtual feito por todas as forças externas (e torques) agindo em uma partícula, um corpo rígido, ou um sistema de corpos rígidos conectados com conexões e apoios ideais (sem atrito) são zero para todos os deslocamentos virtuais do sistema, o sistema está em equilíbrio.
Não vamos descartar aquela parte inferior tão casualmente, já que está fazendo algo muito importante aqui. Durante qualquer movimento virtual (imaginado), está fornecendo massa nova à porção da corrente que está em um lado da rampa exatamente tão rápido quanto a porção da corrente no outro lado da rampa perde massa. Está fornecendo impulso a um segmento da corrente à mesma taxa que ele é perdido no outro segmento. Porém, isto não faz nada para melhorar as chances do dispositivo de MP de funcionar. É um mecanismo que mantém a porção de rampa do sistema inalterada com o passar do tempo, até mesmo durante movimento virtual.Nós veremos este processo em ação (em trabalho virtual, é claro) em muitas outras propostas de motos perpétuos.

Nós podemos redeclarar o princípio de Stevin mais diretamente em uma forma aplicável para dispositivos que supostamente seriam dispositivos de movimento perpétuo:
Se um suposto movimento (virtual) do dispositivo resulta em um estado final do sistema (o dispositivo e seu ambiente interativo) indistinguível de seu estado inicial, e zero trabalho líquido é feito no sistema durante este movimento (nenhum trabalho aplicado nele; nenhum trabalho aplicada por ele) então esse suposto movimento não acontecerá.
O princípio de Stevin é um primeiro passo particularmente apropriado ao analisar dispositivos do tipo de roda nas quais a rotação da roda não faz nada mais que mudar sua posição. É particularmente efetivo para aqueles dispositivos para as quais a análise inicial casual do inventor (normalmente contendo uma falha de física ou raciocínio) nos leva a pensar "Esse dispositivo seguramente irá girar". É especialmente apropriado para o problema original de Stevin da da corrente de bolas em rampas. A maioria dos exemplos de livros de ensino do princípio de Stevin motra apenas casos onde os estados iniciais e finais do sistema são muito obviamente diferentes (as coisas estão em lugares diferentes). Mas o real poder do princípio é que também pode ser aplicado a casos onde o estado final "parece muito" com o estado inicial.

Para dispositivos que têm um comportamento "cíclico" (a maioria tem) a análise deve ser feita para um ciclo completo, já que energia pode ser armazenada durante parte de um ciclo e liberada durante outra parte.

Volte à imagem da rampa dupla. Se a corrente é imaginada em um movimento virtual levando cada bola à posição ocupada pela próxima, então os estados inicial e final são idênticos. O princípio deStevin diz então que a corrente não vai por si mesma realizar este movimento.



A fricção está presenta na natureza. Entretanto, ao analisar propostas de MP, é útil permitir componentes sem atrito, já que em todas as propostas de MP não-triviais, a fricção é nunca o único problema. Remova todos o processos dissipativos como fricção, use componentes idealizados, e no melhor dos casos os dispositivos serão apenas do nosso tipo (1). Elas realizam um ciclo inutilmente para sempre sem produzir ou consumir trabalho. Afirmar que um dispositivo "Não vai funcionar por causa da fricção" desvia nossa atenção de falhas mais fundamentais da proposta. Componentes sem atrito não violam princípios macroscópicos fundamentais da física.

Mas outras idealizações de fato violam princípios fundamentais da física clássica macroscópica. Componentes sem massa capazes de exercer forças em outros componentes violariam a segunda lei de Newton. Componentes que exercem forças sem as forças de reação acompanhantes violariam a terceira lei de Newton.

Corpos perfeitamente rígidos capazes de exercer forças em outros corpos similares também violam as leis de Newton. Toda matéria pode ser comprimida ou esticada, dando origem a forças elásticas. Se os corpos fossem perfeitamente rígidos nós teríamos forças infinitas agindo em período infinitesimais. Nós não podemos assumir tais coisas no mundo real.

Nós não podemos permitir que massa desapareça instantaneamente de local no tempo e reapareça em outro lugar e tempo. Isto também violaria as leis de Newton.

A idealização de fricção zero é útil para analisar mecanismos. Se a remoção de todos os procesosdissipativos resultar em um dispositivo de movimento perpétuo do tipo (1), você sabe que provavelmente fez corretamente a análise, sem fazer nenhuma besteira.


Ao analisar propostas de MP, deve-se estar atento a fontes de energia "escondidas". Se a corrente do dispositivo de Stevin consistisse em rolos cilíndricos interligados, ela poderia se mover se houvesse uma bateria pequena e um motor dentro de cada cilindro. Muitas fraudes de dispositivo de movimento perpétuo clássicas são feitas deste modo. Mas neste caso, os estados iniciais e finais não são idênticos, já que o estado das baterias muda enquanto energia é retirada delas. Algumas das demonstrações fraudulentas antigas de dispositivos de MP podem bem ter sido movidas por motores de molas internas escondidos, permitindo que uma roda bem equilibrada e de pouca fricção girasse durante um tempo longo antes de reduzir sua velocidade perceptivelmente.

Entusiastas de "energia livre" alegam que se um dispositivo estivesse captando alguma fonte de energia invisível que preenche todo o espaço, essa energia iria, como os motores escondidos, manter o dispositivo funcionando, embora nós não pudéssemos descobrir a fonte de energia livre por qualquer outro meio experimental. Em efeito, o própria dispositivo seria o "detector de energia livre". Eles nos lembram que os físicos já ridicularizaram a idéia de energia armazenada em átomos uma vez. Sim, eles o fizeram, como indicam estas citações.
Há nenhuma probabilidade de que homem algum dia extraia o poder do átomo. A suposição lisonjeira de utilizar energia atômica quando nosso carvão se esgotar é um sonho Utópico completamente não-científico, uma bicho-papão infantil. A natureza introduziu alguns dispositivos á prova de falha na grande maioria de elementos que constituem o mundo, e eles não têm nenhuma energia para fornecer no processo de desintegração.
- Robert A. Millikan (1863-1953) [Palestra em 1928 ao Chemists' Club (New York)]

...qualquer um que espre uma fonte de energia da transformação deste átomos está falando de loucuras...
- Ernest Rutherford (1871-1937) [1933]
Assim, os proponentes de "energia livre" têm um ponto válido aqui? Eles estão justificados em dedicar seu tempo para buscar uma "energia livre" ou sistemas de "sobre-unidade?" Deveriam os cientistas atuais conduzir tal pesquisa para resolver nossos problemas de energia? Eu não acho. Os cientistas geralmente procuram por algo apenas quando há evidência clara que aponta a uma necessidade de clarificar ou mudar a teoria física. Até agora, nenhum vestígio de evidência confiável ou mesmo sugestiva da existência desta "energia livre" foi visto. Para voltar à comparação com a energia atômica, o ceticismo inicial de Millikan, Rutherford e Einstein era bem justificado. Mas eles mudaram suas opiniões à medida que evidência nova surgiu. Seu ceticismo inicial não retardou nosso progresso de qualquer forma para a descoberta e utilização da energia atômica. Minha intuição é de que se houver qualquer coisa em qualquer lugar como "energia livre" no universo, não será descoberta pelo tipo das pessoas que fazem alegações incríveis e infundadas agora sobre ela, nem pelos métodos estão usando para tentar extrai-la. Ajuda saber algo sobre uma fonte de energia antes de tentar descobrir como extrai-la. 
A produção de trabalho útil é limitada pelas leias datermodinãmica, mas a produção de trabalho inútil parece não ter limites.
   —Donald Simanek
E quanto à possível descoberta "acidental" de energia livre por algum inventor de MP em algum porão? Os raios-X não foram descobertos acidentalmente, quando ninguém nem mesmo suspeitava de sua existência e certamente não tinham nenhuma idéia do que eles eram? Sim, esse é um dos (poucos) exemplos de uma descoberta importante verdadeiramente acidental na Física. Muitas pessoas tropeçaram em evidência dos raios-X antes deRöntgen, mas falharam em continuar experiências ver o que estava ocorrendo. Anti-serendipismo? Mas naqueles mesmo período da história nós temos o interessante fenômeno de outras pessoas "descobrindo" coisas que não existiam, como raios-N, e depois os raios-M (radiação mitogenética). Assim, em qual categoria a "energia livre" cairá, se e quando alguém tropeçar nela? Só o tempo dirá.

Em geral, as descobertas científicas, até mesmo as acidentais, são mais provavelmente feitas, investigadas e exploradas por pessoas que têm um entendimento muito bom dos princípios pertinentes da ciência existente. Ignorância da ciência bem estabelecida faz muitas pessoas sinceras e dedicadas desperdiçarem vidas e carreiras perseguindo loucuras. As propostas sinceras de MP do passado ilustram o fato de que seus inventores não tinham compreensão suficiente. Muitos deles pensavam sinceramente que tal compreensão não era necessária, ou a rejeitavam para começo de conversa. 


John Phin descreve este em seu livro clássico SevenFollies of Science ("Sete Loucuras da Ciência", VanNostrand, 1906), atribuindo-o a um correspondente chamado "Power" (Força).
Um tubo A em forma de J, Fig. 14, está aberto nas duasextremidas mas se afila na extremidade inferior, como mostrado. Uma corda de algodão C bem engraxada passa através da pequena abertura do tube com pouca ou nenhuma fricção, e também sem vazamento. O tubo é então preenchido com água. A corda acima da linha WX está equilibrada sobre a polia, e também está assim abaixo da linha YZ. A corda no tubo entre essas linhas é elevada pela água, enquanto a corda no outro lado é puxada para baixo pela gravidade.
Phin diz que o "inventor oferece este dispositivo como um tipo de quebra-cabeça em lugar de uma tentativa sóbria para resolver o problema famoso, e Phin conclui perguntando por que não funcionará".

Como sempre, Phin não entende o desafio essencial (e a diversão) em sua análise deste quebra-cabeça. Ele demonstra os descartes inadequados comuns como fricção do rolamento, força exigida para dobrar a corda, e a fricção da corda com os selos de água, e então, supondo que o caso está encerrado, passa para outras coisas. 
Eu reformulo o desafio, e mostro uma imagem mais simples. A corda lisa atravessa um recipiente de líquido, com um selo impermeável sem atrito no fundo.

Eu também estabeleci uma regra básica para descartar respostas irrelevantes: Assuma que tudo é perfeito. Nenhuma fricção, selos sem vazamento, corda impermeável perfeitamente flexível, nenhum arrasto viscoso entre a corda e o líquido. Até mesmo com estas condições ideais nós podemos fácil e simplesmente mostrar que este dispositivo não funcionará como alegado. Por que o inventor deste problema pensou que deveria nos seduzir a pensar que poderia trabalhar? Serão suas palavras "elevada pela água". Ele está, é claro, se referindo à força flutuante do princípio de Arquimedes: "Um corpo imerso em líquido experimenta uma força flutuante para cima igual ao peso do líquido deslocado". Este princípio é encontrado em todo livro de ensino de física elementar, mas raramente entendido pelos estudantes. Eles o usam cegamente, sem saber por que é verdade nem em que condições é verdadeiro, e não prestaram atenção de como é derivado.

A alegação é que a força flutuante para cima na porção da corda no líquido a faz subir. Por que isso não vai funcionar? 
Resposta:
Não há nenhuma força de flutuação na corda. Esta enganação é uma baseada em um engano comum do princípio de Arquimedes. O princípio requer que o corpo submergido tenha líquido abaixo dele de forma que a força total devida à ação do líquido no corpo tenha um componente vertical para cima diferente de zero. O princípio também funciona se um corpo está totalmente imerso, com água sobre e debaixo de, ou flutuando, com água apenas abaixo. Afinal de contas, qual é a fonte da força flutuante? É a diferença de pressão entre as superfícies superior e inferior. Considere um cilindro totalmente imerso com seu eixo vertical (muito apropriado neste caso). A pressão nos lados do cilindro fornece apenas forças horizontais que também somam zero, e mais importante, não têm nenhum componente vertical. Só forças devidas à pressão em superfícies acima e abaixo têm componentes verticais. A pressão no fundo é maior que a em cima por dgh, onde d é a densidade do líquido. Assim há uma força total para cima no cilindro.

Neste quebra-cabeça de MP, não há nenhum líquido sobre ou abaixo da corda capaz de fornecer um componente de força vertical. Todas as forças na corda devido ao líquido estão estritamente horizontais, e uma vez que estas forças estão simetricamente distribuídas ao redor da circunferência da corda, elas resultam em zero.

Um correspondente astuto nota que meu argumento aqui falta em generalização. Ele propõe uma variante na qual a corda atravessa o líquido com um ângulo, digamos, fazendo com que tenha um ângulo de 45° para com a vertical. Agora há líquido acima e abaixo da corda. E se houver agora uma força de flutuação na corda, seguramente tem um componente vertical para cima na direção da corda, e então esta versão do dispositivo deveria funcionar. Por que não funciona?

A solução é deixada como exercício para o estudante. A solução pode requerer cálculo. Aqui está uma sugestão útil. A força de flutuação mencionada no princípio de Arquimedes não é alguma força "mágica" nova que surge quando um corpo é imergido. A força de flutuação é um resultante (soma) de forças de pressão que agem no corpo imerso. O princípio de Arquimedes é somente uma expressão de uma relação útil entre as densidades dos corpos envolvidos, resultando de leis geométricas e o fato que a pressão exerce força normal a uma superfície.

Aqui está outro dispositivo de MP alegando apoio no princípio de Arquimedes. O pobre Arqui realmente deve estar sofrendo.
Alegação:
Uma roda na forma de uma esfera perfeita ou cilindro perfeito gira sobre um eixo horizontal sem atrito. O lado esquerdo está em uma câmara cheia de água, comselamento perfeito (sem atrito ou vazamento) ao redor da roda girando impedindo o líquido de escapar. O lado esquerdo da roda portanto sofre uma força de flutuação para cima devido ao líquido que desloca. De forma que esse lado subirá, e a roda girará no sentido horário. 
Resposta:
Todas as forças exercidas pelo líquido na circunferência da roda de roda são normais à superfície da roda, e portanto atravessam o eixo de rotação da roda. Todas estas forças têm força de giro zero com respeito a este eixo. O líquido assim não fornece nenhum torque sobre o eixo de roda e a roda não irá girar. 
Seja cética com qualquer proposta de movimento perpétuo cíclico que possa ser operada igualmente bem em qualquer direção.
O princípio de Stevin de trabalho virtual funciona nitidamente neste dispositivo de MP. Nós sabemos que a roda não terá nenhuma tendência para girar porque se nós imaginarmos um deslocamento virtual da roda por qualquer ângulo, o sistema está exatamente do modo em que estava antes, sem mudança em sua energia e nenhuma mudança em configuração. Nenhum trabalho é feito no processo.
A Página de Movimento Perpétuo de Richard G. Clegg(em inglês) tem uma variante perspicaz deste motor de flutuação. Em vez de uma roda tem um toro (anel em forma dedonut) atravessando dois selos separando duas câmaras que têm líquidos de densidade diferente. Não há nenhum eixo. Uma metade do anel está rodeada por líquido, dentro e fora. Os selos são é claro sem atrito e sem vazamento. Não há nenhum eixo para fornecer forças de reação. Aqui as forças no anel devido à pressão têm componentes verticais para cima. Por que este aqui não funcionará? [Imagem usada com permissão de Richard G.Clegg.]
Resposta deixada como exercício ao estudante.


Este dispositivo de movimento perpétuo provavelmente data da metade do século 19. O tambor principal está cheio com um líquido. Nele estão câmaras redondas cheias de ar (ou um vácuo) e conectadas através de varas aos pesos do lado de fora. As varas deslizam em selamentos, sem atrito ou vazamento, é claro. Como com muitos outros mecanismos desta natureza propostos, esta imagem é mais complicada que o necessário para ilustrar o princípio pelo qual se supõe que funcione. Os desenhos abaixo mostram apenas um peso e uma câmara de ar imersa em líquido.

Quando na posição 1, a flutuabilidade da esfera inferior é o bastante para erguer o peso a sua posição mais alta. Se o tambor é empurrado agora ele se move em sentido anti-horário, o peso fica a esta distância radial grande pelo menos até que tenha girado 90°. 
Durante o próximo quarto de volta o peso tem um braço de alavanca grande. Ao término deste quarto de volta, na posição 3, a câmara de ar sobre para o topo do tambor, e o peso está agora em sua distância radial menor, (e braço de alavanca menor) onde fica para o próximo quarto de volta. Durante o última quarto de volta a flutuabilidade da câmara de ar faz o peso subir até que esteja em seu raio maior.

Como o torque durante o segundo quarto de volta é maior que durante o terceiro quarto de volta, a roda ganhará mais energia que precisa para se mover para cima durante o quarto quarto de volta.

Os princípios que se supõe que façam esta coisa funcionar permitem que o dispositivo seja iniciada por um empurrão em qualquer direção, e funcionaria da igualmente bem seja no sentido horário ou anti-horário. Isso é um pouco suspeito, não é? Também, se nós imaginarmos o movimento desta roda por um ciclo completo, os estados final e inicial são indistinguíveis, assim o princípio de Stevinnos diz que não irá girar. Contudo ainda gostaríamos de analisar os detalhes para ver exatamente onde o inventor foi desencaminhado.

Nós lhe daremos uma verba para comprar rolamentos sem atrito, um líquido com viscosidade zero eselamentos à prova de vazamento e sem atrito para as varas móveis. Com toda esta vantagem, por que ainda não funcionará? 

Solução por Ben Mitch (em inglês, tradução em breve).



Aqui está uma nova adição para nosso museu, contribuída por Dave Carvell. Esta aqui tem alguns detalhes inovadores para desafiar sua compreensão da física.
O recipiente lacrado tem dois tubos verticais. O da direita contém um líquido (azul) como água, e uma bola muito leve (vermelha), muito mais leve que o líquido. Como sempre nós o deixaremos usar um líquido com viscosidade zero. (Nós somos generosos sobre estes detalhes que não importam de qualquer maneira.)

Duas "portinholas" G1 e G2 são feitas como diafragmas de íris que podem abrir e fechar depressa. Elas, é claro, não deixam passar uma gota d'água quando fechadas.

Agora, todos nós sabemos que quando um objeto leve, como uma cortiça, é colocado debaixo da água, e então solto, ele volta à superfície e pode até mesmo pular pela superfície. Nós tiramos proveito desse fato. Nosso dispositivo, com seu líquido livre de viscosidade, deveria permitir até mesmo maior velocidade no topo. O dispositivo é iniciada com a bola ao fundo. Enquanto ela sobe, um sensor de alta tecnologia abre rapidamente a portinhola G1 deixando-a passar, fechando então o portão imediatamente e abrindo a portinhola G2 para a bola atravessar.

Já que pelo menos uma das portinholas está sempre fechada os níveis da água são mantidos. A bola pula pela superfície com algum impulso, e o topo curvado do aparato a desvia para o outro tubo onde cai, ganhando velocidade e impulso na queda, o bastante de forma que vai para baixo da superfície líquida e é rebatido para o tubo à direita onde, é claro, começa a subir. Isto deveria continuar para sempre, ganhando velocidade a cada ciclo.

A tensão superficial e viscosidade apresentam grandes problemas aqui. Mas antes de nós nos darmos ao trabalho de encontrar um fluido perfeito para este dispositivo, nós deveríamos procurar falhas ainda mais fundamentais. 
Solução (em inglês, tradução em breve)


Claim:
Este é um de minhas propostas MP favoritas para desafiar a compreensão do estudante. A maioria dos estudantes sabe que líquidos subirão em um tubo muito estreito, o processo sendo chamado de "ação capilar". Suponha que nós tenhamos tal tubo capaz de erguer o líquido a uma altura h. Agora abaixe o tubo a uma altura menor que h. Ou faça um buraco em seu lado debaixo do topo da coluna líquida. O líquido, tentando subir para a altura h, irá então jorrar pelo topo do tubo onde uma rada d'água muito pequena poderia capturar sua energia enquanto cai.
Resposta:
 
Isto provavelmente só enganará as pessoas que não consideraram por que a ação capilar ocorre. O diagrama habitual do livro de ensino é mostrado à esquerda. A tensão superficial age na superfície do líquido onde ele está em contato com as paredes do tubo. Estas forças intermoleculares entre líquido e o vrido são maiores que a entre as moléculas do próprio líquido. Isto dá origem a uma forma de "menisco" curvada na parte superior da superfície do líquido. As forças ao redor desta interface agem a um ângulo com um componente superior significante que podem manter a coluna de água em equilíbrio estático.

Se abaixarmos agora gradualmente o tubo até que que sua altura seja igual ou menor que h o líquido não irá jorrar. A superfície líquida entrará em contato com a beirada superior do tubo, e enquanto o tubo é abaixado o menisco o acompanha.
A versão mostrada, com um buraco no lado, é até mesmo mais facilmente desacreditada. O buraco deve ser menor que o diâmetro do tubo, assim ele também exibirá forças de tensão superficial, e provavelmente nenhum líquido o atravessará. Porém, o inventor diligente cobre as paredes do buraco com um material que não tem praticamente nenhuma adesão molecular com o líquido.

O inventor será desapontado com o resultado. Por quê? A figura mostra vários resultados possíveis, dependendo do tamanho do buraco e sua posição. Se o buraco é perfurado debaixo do menisco líquido, qual é a pressão do líquido bem no interior este buraco? Será menor que a pressão atmosférica. Se o buraco é perfurado bem abaixo da superfície, um menisco novo será criado neste novo buraco, inchando para dentro. Se éperfurado mais abaixo, o ar pode entrar no buraco e criar uma bolha de ar que subirá ao to


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