Wie können wir helfen?
Es handelt sich bei diesem Exponat um ein schon sehr lange bekanntes “physikalisches Spielzeug”, das im ersten Moment an einen uralten Traum des Menschen erinnert, nämlich an ein “Perpetuum mobile” (das sich ständig Bewegende). Dabei handelt es sich um den Wunsch, eine Maschine zu bauen, die ohne Energiezufuhr ewig laufen würde. Ein Ziel, das gerade in unserer Zeit besonders erstrebenswert wäre. Leider hat die Physik aber knallhart bewiesen, dass dieses Ziel ein Traum, eine Illusion bleiben wird.
Die folgenden Bilder zeigen einige Stationen des Ablaufs:
In dem Glas befindet sich normales Wasser, das der “durstige” Vogel mit seinem Schnabel erreichen können muss. Der Schnabel und der Kopf des Vogels sind mit einem saugfähigen Stoff umhüllt. In dem glasartigen und luftleeren Körper des Vogels befindet sich eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt, der im Bereich der Zimmertemperatur liegt. Durch die Feuchtigkeit am Schnabel kühlt der Vogel leicht ab, und durch die somit erfolgende Kondensation wird der obere Teil des Vogels leichter (Bild 1 und Bild 2). Der Schwerpunkt des beweglich gelagerten Vogels wandert nach unten, und der Vogel richtet sich auf (Bild 2 und Bild 3). Infolge der Raumtemperatur steigt die rötliche Flüssigkeit in dem Rohr bis in den Kopf und verlagert den Schwerpunkt des Körpers wieder nach oben, sodass sich der Kopf des Vogels nach unten bewegt, bis er mit der Spitze seines Schnabels in das Wasser taucht (Bild 4). Durch die Abkühlung zieht sich die Flüssigkeit wieder zusammen, der Schwerpunkt des Vogelkörpers verlagert sich erneut nach unten, und der Vogel reckt sich wieder auf. Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder. Unendlich? Nein, nur solange die Umgebungstemperatur die Flüssigkeit durch Erwärmung ausdehnt und durch die Verdunstung wieder eine Abkühlung erfolgt. Damit das passieren kann, muss die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung < 100% sein. Stülpt man eine Glasglocke über den Vogel, sodass die Luftfeuchtigkeit darunter 100% erreichen kann, so kommt der Prozess zum Stillstand. Nimmt man die Glocke wieder weg, so beginnt der Prozess unmittelbar von Neuem. Der saufende Vogel ist eine Wärmeaustauschmaschine, die funktioniert – gemäß dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik – bis das thermodynamische Gleichgewicht erreicht ist. Bei der Anwesenheit von Wasser und einer Luftfeuchtigkeit von unter 100% in der Umgebung besteht ein thermodynamisches Ungleichgewicht, das für die Bewegungen des kleinen Säufers verantwortlich ist.
Die rötliche Flüssigkeit erinnert sicherlich nicht ohne Grund an analoge Thermometer, die aus Sicherheitsgründen nicht mit Quecksilber, sondern mit gefärbtem Alkohol gefüllt waren.
Inzwischen ist der eineiige Zwilling Adebar von Schluckspecht Adolar angekommen, und die beiden schlucken ab sofort gemeinsam. Trotz identischer Gene und derselben Umgebung schaffen es die beiden nicht, ihre Sauforgie zu koordinieren. Kaum verhalten sich die beiden einmal gleich, schon sorgen kleinste Unterschiede in den augenblicklichen Bedingungen dafür, dass ihr beider Verhalten wieder aus dem Takt gerät. Auf diese Weise verschaffen die beiden Vögel dem Beobachter nicht nur doppeltes Vergnügen, sondern auch eine Anschauung von dem, was die Mathematiker “deterministisches Chaos” nennen.
Inzwischen gibt es ein 3D-Objekt in der Mathothek, das einen weiteren Versuch veranschaulicht, eine solche Wundermaschine zu bauen. Dabei geht diese Idee auf Leonardo da Vinci zurück. Wahrscheinlich war dieser Renaissance-Mensch sich durchaus darüber bewusst, dass auch dieses besondere Speichenrad mit den Kugeln sich nicht ohne Energiezufuhr “fortwährend drehen würde”. Obwohl die genaue physikalische Begründung noch nicht bekannt war, hat Leonardo bereits die Möglichkeit des Baues eines mechanischen Perpetuums mobile “in das Reich des Unmöglichen verwiesen”.
Man unterscheidet zwei Arten:
Perpetuum mobile erster Art, das ist eine Maschine, die dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) widerspricht. Eine solche Maschine sollte mindestens die zu ihrem eigenen Betrieb notwendige Energie oder sogar noch zusätzliche Nutzenergie liefern. Ein solche Maschine würde Energie aus dem Nichts erzeugen und damit dem Energieerhaltungssatz widersprechen.
Perpetuum mobile zweiter Art, deren Konzepte beruhen auf einem Missverständnis des Prinzips einer Wärmekraftmaschine, die einen Teil der von heiß nach kalt fließenden (Wärme-)Energie in eine höherwertige Energieform umwandelt. Wenn die Wärme über die Maschine nicht wenigstens teilweise in Richtung des kalten Punktes abfließen kann, bleibt die Maschine stehen.
Trotz der physikalischen Unmöglichkeit der Konstruktion eines Perpetuums mobile gibt es aber immer wieder Objekte, die mit versteckten Tricks eine solche Existenz vorgaukeln, z.B. mit versteckten Magneten oder Batterien arbeiten. Die folgenden Pendel-Exponate der Mathothek arbeiten mit Batterien und Magnetismus:
