Jak vysvětlit dítěti problém perpetua mobile?

Občas se na YouTube objeví nové video, předvádějící tentokrát fakt a na mou duši fungující stroj, který se hýbe sám od sebe. Jak by Feynman vysvětlil děcku, že je to vždycky jen pouhý trik?

Mám rád Feynmannovu metodu výuky čehokoli. Richard Phillips Feynman (1918 - 1988) byl fyzik, který mimo jiné proslul svou schopností vysvětlit i složité fyzikální problémy laické veřejnosti. Bez žargonu, bez machrování, pěkně „po lopatě“, ale ne „pro blbečky“.

Pokusil jsem se tedy v jeho stylu sepsat krátké pojednání o tom, proč je perpetuum mobile nedosažitelným snem. Možná se vám může hodit, přinejmenším jako inspirace, jak přistupovat k vysvětlování problému.

Úvod do světa perpetua mobile

Představte si svět bez účtů za elektřinu. Auto, které nikdy nemusí tankovat. Továrnu, která běží sama od sebe, zadarmo, navždy. To je sen o perpetuu mobile – stroji, který by se hýbal nebo pracoval věčně, aniž by potřeboval jakékoli palivo nebo vnější zdroj energie. Lidé se o sestrojení takového stroje snaží už stovky let, protože kdyby se to povedlo, změnilo by to naprosto všechno. Zní to lákavě, že? Ale jak už asi tušíte, má to háček. Příroda má totiž svá pravidla, která nám v tom brání.

Jednoduchá odpověď v jedné větě

Perpetuum mobile nejde sestrojit, protože vždycky se nějaká energie ztratí a žádný stroj neumí energii vyrobit z ničeho.

A teď krok za krokem

Abychom tomu opravdu rozuměli, musíme se podívat na pár základních věcí:

Stavební kámen č. 1: Energie

• Jednoduché vysvětlení: Energie je jako „schopnost něco dělat“ – pohnout autem, rozsvítit žárovku, ohřát vodu. Není to věc, kterou můžete chytit, ale je to něco, co věci mají a co jim umožňuje konat práci nebo se měnit. Klíčové je, že energii nemůžete vytvořit ani zničit, jen ji můžete přeměnit z jedné formy na druhou (třeba elektřinu na světlo). Pozn.: zdravím nadšeného laického energetika Petra Duška, jehož články o tom, a nejen o tom, občas hovoří.
• Zábavné přirovnání (analogie): Představte si energii jako kouzelné LEGO kostičky. Máte jich určitý počet. Můžete z nich postavit auto, pak ho rozebrat a postavit dům, pak zase letadlo. Pořád měníte jejich uspořádání (formu energie), ale nikdy nemáte víc nebo míň kostiček, než jste měli na začátku. Nemůžete si vyčarovat nové kostičky z ničeho.
• Vážné přirovnání (metafora): Energie je jako peníze na účtu. Můžete je převést z běžného účtu na spořicí (změna formy), můžete za ně něco koupit (vykonat práci), ale nemůžete si na účet připsat peníze, které neexistují. A každá transakce (přeměna energie) může mít nějaký malý poplatek (ztráta).
• Tři příklady z reálného života:

1. Auto přeměňuje chemickou energii benzínu na pohybovou energii (auto jede) a tepelnou energii (motor a výfuk jsou horké).
2. Mixér přeměňuje elektrickou energii ze zásuvky na mechanickou energii (otáčení nožů) a zvukovou a tepelnou energii (mixér hučí a trochu se zahřeje).
3. Naše tělo přeměňuje chemickou energii z jídla na energii pro pohyb, myšlení a udržování tělesné teploty.

Stavební kámen č. 2: Tření a odpor - zloději energie

• Jednoduché vysvětlení: Kdykoli se něco pohybuje, naráží na odpor. Když se dvě věci třou o sebe (jako brzdy o kolo), vzniká tření. Když se něco pohybuje vzduchem nebo vodou, naráží na odpor prostředí. Tyto síly pohyb brzdí a přeměňují užitečnou pohybovou energii na teplo (někdy i zvuk), které se prostě rozptýlí do okolí a už ho nejde snadno využít zpátky pro pohyb. Jsou to nevyhnutelní „zloději“ energie v každém reálném stroji.
  
  Co je to tření? Je to síla, která působí proti pohybu, když se dva povrchy dotýkají a kloužou po sobě. Představte si to jako „drhnutí“.
  
  Co je odpor prostředí? Je to síla, kterou vzduch, voda nebo jiná tekutina působí proti pohybujícímu se objektu. Jako když běžíte proti silnému větru.
• Zábavné přirovnání (analogie): Tření je, jako když se snažíte běžet po kotníky v hustém bahně. Strašně vás to zpomaluje a unavuje (krade vám to energii), i když se snažíte sebevíc. Každý krok je boj.
• Vážné přirovnání (metafora): Tření a odpor jsou jako daně z pohybu. Z každé energie, kterou vložíte do pohybu, si tyto síly vezmou svůj podíl a přemění ho na něco méně užitečného (teplo), co už vám k pohybu nepomůže. Těmto „daním“ se nelze vyhnout.
• Tři příklady z reálného života:

1. Když jedete po rovině na kole a přestanete šlapat, kolo postupně zpomalí a zastaví se kvůli tření v ložiscích a odporu vzduchu.
2. Když si třete ruce o sebe, cítíte teplo – to je pohybová energie přeměněná třením na tepelnou.
3. Meteory shoří v atmosféře, protože obrovský odpor vzduchu při vysoké rychlosti je tak zahřeje, že se vypaří.

Stavební kámen č. 3: Pravidla hry, aneb zákony termodynamiky zjednodušeně

Vědci objevili základní pravidla, kterými se energie řídí. Pro nás jsou důležitá hlavně dvě:

1. První pravidlo (Zákon zachování energie): Toto už jsme vlastně probrali. Říká, že energii nelze vytvořit ani zničit, jen měnit její formu. Jinými slovy: nemůžete dostat víc energie ven ze stroje, než kolik jste do něj vložili. Stroj nemůže vyrobit energii „zadarmo“. Je to jako s těmi LEGO kostičkami – počet se nemění.
2. Druhé pravidlo (Energie se vždycky trochu „rozmělní“): Tohle je ten hlavní zabiják perpetua mobile. Říká, že při každé přeměně energie se vždycky část energie přemění na méně užitečnou formu, typicky na teplo, které se rozptýlí do okolí. Kvůli tření, odporu vzduchu a dalším nedokonalostem nikdy nemůžete přeměnit 100 % jedné formy energie na 100 % jiné užitečné formy. Vždycky vznikne nějaký „odpad“. Proto se každý pohybující se stroj bez dodávání další energie nakonec zastaví – jeho počáteční energie se postupně přemění na neužitečné teplo.
   
   Co je to termodynamika? Je to část vědy (fyziky), která zkoumá teplo, energii a jak se přeměňují, hlavně ve vztahu k práci. Tyto zákony jsou jejími základními pravidly.
   
   Zábavné přirovnání (analogie): Představte si, že přeléváte vodu (energii) mezi dvěma kyblíky (formy energie). Pokaždé, když vodu přelijete, pár kapek vám ukápne vedle nebo se trochu vody rozstříkne (ztracená energie). I když jste super opatrní, nikdy nepřelijete 100 % vody tam a zpět donekonečna. Nakonec vám v kyblících nezbude skoro nic.
3. Vážné přirovnání (metafora): Druhý zákon je jako přirozený sklon věcí k nepořádku. Uklidit pokoj (soustředit energii) vyžaduje úsilí. Ale nechte ho být a postupně se sám od sebe stane neuspořádaným (energie se rozptýlí). Nikdy se nestane, že by se rozházené věci samy od sebe úhledně srovnaly zpět do poliček. Stejně tak se rozptýlené teplo samovolně nesoustředí zpět, aby pohánělo stroj.
4. Tři příklady z reálného života:

1. Žárovka přeměňuje elektřinu na světlo (užitečné), ale také na hodně tepla (ztráta). Proto je žárovka horká.
2. Motor auta je horký, protože ne všechna energie z benzínu se přemění na pohyb – velká část se ztratí jako teplo.
3. Když hodíte míč, nakonec se zastaví, protože jeho pohybová energie se postupně přemění na teplo (třením o vzduch a při dopadech) a zvuk.

Shrnutí: Perpetuum mobile by muselo porušit tato základní pravidla: buď by muselo vytvářet energii z ničeho (porušení prvního pravidla), nebo by muselo fungovat bez jakýchkoli ztrát energie třením či odporem (porušení druhého pravidla). Protože v našem vesmíru platí obě tato pravidla, perpetuum mobile je nemožné.

Poznámka na závěr: Je docela zajímavé si uvědomit, že fyzikální zákony, narozdíl od lidských, se porušovat nedají a platí pro všechny. Dokonce i v oblastech, kde bychom je na první pohled ani nehledali, například v ekonomice. Pro někoho je pořád těžké pochopit, že nic nevznikne z ničeho, že hodnota nevznikne bez práce, a že když jeden vydělá, jiný prodělá. Zkrátka, že bez práce nejsou koláče.

Hezký víkend