一只猫和一块面包的故事为什么我们现在不可
标题其实是一个国外的永动机笑话。
首先，我们都知道一只猫从高处跳下时，总会以四脚着地，而如果是一片面包掉在地上，很多时候都会是涂了黄油的那一面落在地上。
可能后者看上去有些莫名其妙，但没关系，只需要知道这里涉及到一个“墨菲定律”，怕什么来什么，就足够了。
那么现在，我们来试试这样一种操作：
将一片面包的黄油面朝上，绑在一只猫的身上，并让猫从高处跳下。而根据我们的分析，猫在跳下时会趋向于四脚着地，面包在下落时会趋向黄油面着地。
这样一来的话，由于黄油面想要着地，所以猫会旋转一周让绑在背上的面包朝向地面，但猫在这个过程中也想要四脚着地，所以在这之后，这个集体会再转一周，让猫的肉爪朝向地面。
猫和黄油面包示意图（图源百度）这样一循环，猫和黄油面包就在空中旋转起来了，跟电风扇似的。
这个又叫做“黄油猫悖论”的装置看上去就很离谱，对吧。
这种“装置”，理论上就可以是一种永动机，因为如果你不太遵守小动物保护法，用绳子给它固定在空中，这样一个集体就可以一直旋转，根本停不下来。
猫：你在说什么啊喂当然，这只是个笑话，没人会拿它当真，也不会有人去做这种尝试。举这个例子也只是想说明一个很离谱的情景而已。
不过，学术上所设想的永动机并没有这么离谱的外观，看上去会比“黄油猫悖论”靠谱的多。但你要明白，无论看上去多么吸引人，那些永动机本质上都和“黄油猫悖论”一样，是根本制造不出来的。
01第一类永动机
在论述永动机造不出来之前，先了解一下什么是永动机。
简单从字面上理解的话，永动机无非就是“能永远运作下去的仪器”。也就是说，这样一种仪器理论上可以永久运行，并且无限制地产生能量，即使在没有外部能量输入的情况下也是如此。
不过，这样一种只存在于幻想当中的仪器，其实也有专属于自己的分类：第一类永动机和第二类永动机。
第一类永动机，指一种理论上不需要消耗能量，但可以不间断对外做功的设备。也就是说，你在使用这样一种仪器时，完全不需要额外为其补充任何能量，它自己就能持续不断地运作下去。
什么意思，我打个比方：你每天都以很快的速度跑个十公里，但从开始这样一个锻炼过程以来，你却没有吃过哪怕一点东西。
因为在这个过程中你没消耗半点能量，所以自然不需要食物来补充能量。
当然，我并不推荐有实验精神的朋友们去尝试这样一种体验，会弄出人命的。
这样一种仪器，在我们现在看来是有些离谱，但你得承认，不消耗任何能量就能永恒运作的仪器天生就具有巨大的吸引力，所以历史上有很多人都尝试过制造第一类永动机。
而在这些尝试当中比较著名的一个，就是十三世纪一个叫亨内考的法国人所设计出来的“魔轮”。
亨内考“魔轮”（图源百度）“魔轮”就像上图所展示的那样，中央有一个转动轴连接一个滚轮，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球，结构倒还比较简单。
这里相信大家都可以看出来，“魔轮”右边的小球比左边的球离转动轴更远，那么对右边的单个小球而言，计算得到的力矩就会更大，所以右边的小球就会带着“魔轮”做顺时针的旋转。而“魔轮”的旋转就会不断地带动左边的小球转到右边，从而继续促进“魔轮”的转动。
其实有点像我们说的“黄油猫悖论”。
但你仔细想想，我们刚刚讨论的只是个别一两个小球可以让“魔轮”转起来，但要让“魔轮”构成永动机，也就是不停地转，还得讨论12个小球的情况呢。
同样的，我们去看“魔轮”示意图，这时候你就会发现，“魔轮”右侧，也就是力矩更大的那部分小球，其数量永远小于左侧的那部分小球。而力矩又是一个服从矢量叠加的量，所以总有一个地方，满足左侧小球的合力矩等于右侧小球的合力矩，而且方向相反。
数量少的配大力矩，数量多的配小力矩，这点应该不太难理解。
那合力矩等大反向会发生什么呢？
“魔轮”就没法一直转下去了，在空气阻力作用之下它总会停下来。
于是，“魔轮”的尝试毫不意外地失败了。
当然，在这之后还有更多的人对第一类永动机的制造进行过尝试，但也都没有成功。或许有的能做到运作时间稍微长些，但最后总会停下来。
至于为什么第一类永动机做不出来，我们之后再谈，这里只对这样一种门类做一个简单介绍。
02第二类永动机
第二类永动机，指一种理论上可以从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响的热机。
换句话说，这种机器可以实现%的热效率，将吸收的热量完全转化为有用功，并且过程中不会产生任何无用损耗，或者说无用功。
这又怎么去理解呢？还是简单举个例子。
大家应该都知道，我们的人体是有基础代谢的，而这个过程会消耗一定的能量。
由于基础代谢的存在，我们在像之前讲“第一类永动机”时那样去跑步时，就总会消耗一些额外的，用来维生的能量，而这部分能量，就可以被认定为跑步过程中的“无用功”。
当然，不是说它真的没用，只是相对于我们的目的：跑步来说，这部分能量没有直接作用于我们的双腿或心脏这种和跑步直接相关的器官，作用并不明显而已。
而后面这种和跑步直接相关的能量消耗，就可以被称为“有用功”。
那么，第二类永动机是什么概念呢？
就是你在跑步，但只有和跑步直接相关的器官，比如双腿消耗能量做功，而其他所有器官，比如消化系统在这个过程中则不消耗任何能量。
换句话说，就是你的大部分基础代谢在跑步过程中全宕机了。
听起来有些奇怪，是吧？
当然，例子倒不一定完全准确，主要看一看热效率%是个多么离谱的概念。
同样的，因为%热效率和不消耗能量一样非常吸引人，所以也有人设计过第二类永动机。比如在年，美国人约翰·嘎姆吉就为美国海军设计了一款零发动机，这一装置主要利用海水的热量将液氨汽化，产生蒸汽来推动机械运转。
零发动机示意图（图源参考文献1）有点像我们更熟悉一些的蒸汽机。
不过这一装置其实也是无法持续运转的，因为如果你要让这样它持续运作起来，就必须不断地让液氨汽化，然后再液化返回它原本的形态。要不然你就必须不断地去补充液氨，就像给蒸汽机添煤那样，而这就显然不符合我们对“永动机”的要求了。
但是，汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下，是没有办法再重新液化的，也就是说，这样一个汽化后再液化的循环在零发动机设想中根本就进行不下去。
这里限制了零发动机成功的主要原因，倒还不是热效率%——事实上你也达不到%，而是在本小节开头我们所指出的“单一热源”。或者说，因为零发动机设想里的热源只有海水，所以你没法既利用海水汽化液氮，又利用海水液化氮气，这行不通。
但不论原因如何，制造第二类永动机的尝试，也和第一类永动机一样，全部都失败了。
03小总结
限于篇幅，本次的探讨就在在这里暂告一个段落，我们已经对永动机有了一个大概的了解，并且看到无论是第一类永动机及其代表“亨内考魔轮”，还是第二类永动机及其代表“零发动机”，那些制作它们的尝试最终都无一例外全部失败了。
至于失败的原因，也就是其背后的原理，我们将在之后的文章中进行探讨。
如有兴趣，希望各位能够持续
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