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Kam immer wieder in Mode: die Vision von einem Zug, der ohne äußeren Antrieb unterwegs ist.
Kam immer wieder in Mode: die Vision von einem Zug, der ohne äußeren Antrieb unterwegs ist.(Foto: https://www.youtube.com/watch?v=fQQ8_PDAdfI)
Freitag, 22. Juli 2016

Es rollt und rollt - für immer: Der große Traum vom Perpetuum mobile

Von Andrea Schorsch

Selbst Leonardo da Vinci schwärmte davon. Maschinen, die Energie aus dem Nichts erzeugen und nie still stehen, faszinieren. In einigen Internet-Videos scheinen sie tatsächlich Wirklichkeit geworden zu sein. Wie ist das möglich?

Die Idee ist vielversprechend: Einmal gestartet, bleibt die Maschine immer in Bewegung. Einfach so. Ohne dass man Energie zuführen müsste. Alles, was die Apparatur an Energie braucht, stellt sie nämlich selbst her – so das Konzept. Idealerweise ist das Perpetuum mobile auch noch für etwas gut: Es erledigt eine Arbeit, erzeugt also sogar Nutzenergie. Und das alles für die Ewigkeit. Zu schön, um wahr zu sein? Stimmt.

Was dagegen spricht, ist der Energieerhaltungssatz: Energie kann zwar ihre Form ändern, doch man kann sie weder vernichten noch aus dem Nichts erzeugen. Ein Beispiel: Aus chemischer Energie, wie etwa Rapsöl, lassen sich Wärme und Bewegungsenergie gewinnen, sodass ein Fahrzeug damit angetrieben werden kann. Die eine Energieform (chemische Energie) wird umgewandelt in andere Energieformen (Wärme und Bewegung). Aber es ist unmöglich, dass dieses Auto losfährt, ohne dass es zunächst betankt wird.

Selbst eine Maschine, die nichts antreiben und keine überschüssige Energie zur Verfügung stellen muss, eine Maschine also, die sich absichtslos hin und her, auf und ab oder im Kreis bewegt, bleibt nicht dauerhaft in Schwung. Es entsteht Reibung. Unweigerlich kommt die Vorrichtung dadurch zum Stehen. Doch allen physikalischen Gesetzen zum Trotz sind Menschen von der Idee des Perpetuum mobile fasziniert. Im Internet kursieren Videos, in denen diverse Perpetuum mobile reibungslos laufen. Verblüffend? Nein. Bei den Aufnahmen sind versteckte Antriebe oder Tricks im Spiel. Hier vier Beispiele aus einem Video und warum sie in Wirklichkeit nicht funktionieren:

1. Der "selbstfließende Kolben"

So funktioniert ein Saugheber. Auf Boyles Kolben ist das Prinzip jedoch nicht übertragbar.
So funktioniert ein Saugheber. Auf Boyles Kolben ist das Prinzip jedoch nicht übertragbar.(Foto: Tomia/Wikipedia/CC BY-2.5)

Von erstaunlicher Schlichtheit war die Idee des Naturforschers Robert Boyle: Er dachte sich im 17. Jahrhundert ein Perpetuum mobile aus, bei dem sich eine Flüssigkeit beständig im Kreis bewegt. Ein Saugheber könnte Boyle inspiriert haben. Der leitet Wasser durch einen Schlauch von einem höher stehenden Gefäß in ein tiefer stehendes. Dabei fließt das Wasser im Schlauch zunächst ein Stück "bergauf". Das klappt tatsächlich - dank Unterdruck.

In Boyles angeblichem Perpetuum mobile aber gibt es keinen Unterdruck. Wie ein Saugheber kann Boyles Konstruktion also nicht arbeiten. Was aber soll dann die treibende Kraft in diesem Konzept sein?

Boyle stellte sich offenbar vor, dass das Wasser im Kolben die übrige Flüssigkeit durch den Schlauch drückt. Das klappt aber nur, bis das Wasser im Schlauch so hoch steht wie im Kolben. Und dann? Ist der Schlauch eng genug, könnte jetzt der Kapillareffekt einsetzen. Er ließe das Wasser weiter im Schlauch aufsteigen. Mit zusätzlicher Energie hat das nichts zu tun; zum Kapillareffekt kommt es durch die Oberflächenspannung des Wassers und die Adhäsionskraft zwischen Flüssigkeit und Schlauch.

Im Video läuft's rund: Boyles selbstfließendem Kolben scheinen keine Grenzen gesetzt zu sein.
Im Video läuft's rund: Boyles selbstfließendem Kolben scheinen keine Grenzen gesetzt zu sein.(Foto: https://www.youtube.com/watch?v=fQQ8_PDAdfI)

Doch selbst wenn das Wasser nun die Schlauchöffnung erreichen sollte, wäre Boyles Konzept nicht von Erfolg gekrönt. Die Oberflächenspannung verhindert nämlich letztlich auch, dass die Flüssigkeit einfach in den Kolben fließt. Es würde sich am Schlauch-Ausgang ein hartnäckiger Tropfen bilden, den man beseitigen müsste. Ein solcher Eingriff aber wäre eine Form der Energiezufuhr – und für ein Perpetuum mobile inakzeptabel. Boyles "selbstfließender Kolben" ist folglich nur auf dem Papier eine schöne Idee, nicht aber in der Umsetzung.

Und wieso funktioniert er im Film? Das liegt an einem versteckten Generator. Ein Zuschauer-Kommentar gibt den Tipp, die Abspielgeschwindigkeit des Videos auf 0,25 zu reduzieren und dann auf das schwarze Plastikstück unten am Schlauch zu schauen. Tatsächlich wird dort sichtbar Flüssigkeit gepumpt, bevor überhaupt welche im Kolben ist.

2. Woodwards Rad

Wie auch immer sich Woodward das gedacht hat: Das Rad dreht sich nicht permanent.
Wie auch immer sich Woodward das gedacht hat: Das Rad dreht sich nicht permanent.

Ein Rad, nicht zentriert, auf der rechten Seite durch zwei Rollen gestützt: Bei dieser Konstruktion aus dem 19. Jahrhundert, zurückgehend auf F.G. Woodward, fragt man sich von vornherein, wie sie als Perpetuum mobile funktionieren soll. Woodwards Plan sah vor, dass die Schwerkraft das Rad auf der linken Seite nach unten zieht. Dabei soll es sich auf der rechten Seite durch die Rollen wieder hinauf schieben. Es würde also fortwährend vor sich hin eiern – dachte Woodward.

Tatsächlich aber machen ihm die Schwerpunkte von Rad und Rollen einen dicken Strich durch die Rechnung. Es dreht sich nicht von selbst. Und bringt man das Rad einmal mit der Hand ordentlich in Schwung, ist so viel Reibung im Spiel, dass es schnell zum Stillstand kommt.

3. Das "übergewichtige" Rad

Skizze von Villiard de Honnecourt: Damit könne man Holz sägen, meinte er.
Skizze von Villiard de Honnecourt: Damit könne man Holz sägen, meinte er.(Foto: Wikipedia/gemeinfrei)

Das Rad inspirierte viele Konstrukteure vermeintlicher Perpetuum mobile. Dass es aus eigener Kraft ohne Unterlass rotieren könnte, ist eine Vorstellung, die viele Erfinder begeisterte - so auch den indischen Mathematiker Bhaskara. Er entwickelte Mitte des 12. Jahrhunderts ein "übergewichtiges" Rad, das von quecksilbergefüllten Zylindern umgeben ist. Dreht sich das Rad, bewegt sich das Quecksilber in den Zylindern. Das soll dafür sorgen, dass das Rad auf einer Seite stets schwerer ist als auf der anderen. Ein endloser Antrieb, der es in Schwung hält – jedenfalls in der Theorie.

Villiard de Honnecourt fand diese Theorie um das Jahr 1230 herum überzeugend. Statt Zylinder mit Quecksilber brachte er am Rad Hebel mit Hämmerchen an. Sie sollen für ein Übergewicht sorgen und das Rad unaufhörlich auf einer Seite nach unten ziehen. Honnecourt meinte, seine Erfindung wäre zum Holzsägen zu gebrauchen oder um Gewichte anzuheben.

Wenige lange Hebel rechts, viele kurze links - in der Summe heben sie sich in ihrer Wirkung auf.
Wenige lange Hebel rechts, viele kurze links - in der Summe heben sie sich in ihrer Wirkung auf.

Aber sie taugt weder für das eine noch für das andere. Dreht man das Rad im Uhrzeigersinn, klappt irgendwann ein Hämmerchen auf die drei-Uhr-Position. Das Drehmoment, das durch die Hebel auf der rechten Seite ausgeübt wird, ist größer als auf der linken Seite. Dennoch wird die Rotation nicht uneingeschränkt vorangetrieben. Denn auf wenige längere Hebel mit größerem Drehmoment rechtsherum kommen viele kurze Hebel mit kleinerem Drehmoment linksherum. In der Summe heben sie sich auf, und das bedeutet: Das Rad steht still.

Skizzen von Leonardo da Vinci. Schöner Traum, aber nicht zu verwirklichen - stellte er fest.
Skizzen von Leonardo da Vinci. Schöner Traum, aber nicht zu verwirklichen - stellte er fest.

Das stellte um 1500 auch Leonardo da Vinci fest. Auch der Universalgelehrte träumte vom Perpetuum mobile. Doch er kam zu dem Schluss: Alle Vorhaben, ein Perpetuum mobile zu bauen, sind zum Scheitern verurteilt. Und dennoch war gerade das von Gewichten umgebene Rad auch im 17. Jahrhundert noch Gegenstand weiterer ehrgeiziger Versuche. Edward Somerset setzte dabei auf Murmeln, die in den Speichen rollen. Und siehe da: Einmal in Gang gebracht, drehte sich das Rad - aber nur für eine wirklich kleine Ewigkeit.

4. Der selbstfahrende Zug

Futuristisch: der Zug, der keinen Antrieb braucht.
Futuristisch: der Zug, der keinen Antrieb braucht.

Was immer rollt, würde sich natürlich auch wunderbar als Transportmittel eignen. Eine Vision, die daher immer wieder in Mode kam (zum Beispiel in den 1930er-Jahren), war der Zug, der keinen äußeren Antrieb benötigt. Nicht Räder, sondern Kegel sind hier an den Waggons angebracht. Und die sollen bergauf und bergab rollen, angetrieben allein durch die Schwerkraft.

Hinter der Idee steckt ein Experiment, das wirklich gelingt und das 1720 erstmals beschrieben wurde: Driften Schienen in einem bestimmten Winkel auseinander und steigen sie in einem bestimmten Winkel an, dann rollt ein Doppelkegel (der ebenfalls bestimmte Maße haben muss) die Steigung hinauf. Das geschieht, weil der Schwerpunkt des Doppelkegels am Ende tiefer liegt als am Anfang. Der Schwerpunkt bewegt sich abwärts, während der Doppelkegel auf den Schienen bergauf rollt.

Nach diesem Prinzip soll sich der Zug fortbewegen.
Nach diesem Prinzip soll sich der Zug fortbewegen.

Klingt verwirrend? Schaut man von der Seite, erkennt man es: Die Rotationsachse - und damit der Schwerpunkt - liegt am Ende der zurückgelegten Strecke tiefer zwischen den Schienen als zu Beginn – weil die Schienen auseinanderstreben. Da der Doppelkegel den Kontakt zu den Schienen nicht verlieren darf, ist die Strecke, die er rollen kann, aber notgedrungen begrenzt.

Was mit einem Doppelkegel auf einem kurzen Stück möglich ist, misslingt daher mit einem Zug auf langen Strecken. Hinzu kommen die ungenügende Schwerpunktverlagerung, die zu großflächige Berührung der Schienen und die unvermeidliche Reibung. Sie machen auch diese Vorstellung von einem Perpetuum mobile zunichte.

Es bleibt dabei: Die physikalischen Gesetze lassen sich nicht austricksen. Und eine immerwährende Kraft (wie die Schwerkraft) führt keineswegs zu immerwährender Leistung. Der Versuch, Energie aus dem Nichts zu erzeugen, kann nur fehlschlagen - so schade das auch ist.

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Quelle: n-tv.de

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