¿Por qué no funciona esta máquina magnética de movimiento perpetuo?

Question

Sé que esta máquina no funciona, a través de la termodinámica. Pido un análisis en términos de mecánica y magnetismo.

De todos modos, aquí está la máquina:

_{(fuente: <a href="http://cabinetmagazine.org/issues/51/pertpetual2.jpg" rel="nofollow noreferrer">cabinetmagazine.org </a>)}

El imán (la bola roja) tira de la bola hacia arriba de la rampa, y luego deja caer la bola por el agujero, que luego rueda hacia abajo, y sube la rampa de nuevo. La termodinámica muestra que esto no puede funcionar.

Desde el punto de vista de la mecánica y el magnetismo, ¿qué sucede cuando se hace esto, y por qué no puede suceder?

Tengo una fuente que dice que funcionaría si no hubiera fricción y no tratáramos de extraerle energía ( aquí ), por lo que, en cierto sentido, es muy cercano a lo posible (aunque no proporcionaron un análisis completo).

Otra imagen:

Answer 1

Si el imán es lo suficientemente potente como para tirar de la bola desde el fondo de la rampa, la fuerza sobre ella será bastante fuerte en la parte superior de la rampa.

Si es así, ¿por qué la bola caería por el agujero? La atracción del imán superará a la gravedad.

Incluso si construyes uno en el que la bola pueda caer por el agujero superior, no veo ninguna razón para que pase por el agujero inferior. Si el imán puede tirar de ella hacia arriba en la rampa, la atracción del imán debería impedir que llegue al agujero de la rampa inferior.

Answer 2

No hay problema en suponer que la bola caerá por el agujero. Aunque la fuerza magnética sea grande, sólo tiene que ser mayor que la componente gravitatoria a lo largo de la superficie inclinada. Esta componente es $mg \cos \theta$ . Una vez que la bola llega al agujero la gravedad que siente la bola aumenta a mg, por lo que puede ocurrir que la bola que inicialmente subía ahora baje por el agujero.

Sin embargo, fíjate en que a medida que la bola se mueve hacia abajo la fuerza de gravedad empieza a disminuir de nuevo (se está volviendo más horizontal también la fuerza magnética disminuye a medida que la bola se aleja del imán. Si haces una gráfica de ambas fuerzas verás que siempre hay un punto en la trayectoria de la pelota en el que ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero signo contrario. Esa será la posición de equilibrio de la bola, en la que permanecerá en reposo si extraes toda su energía cinética inicial. Por tanto, no se trata de un móvil de pertinacia, después de todo.

Answer 3

Si yo diseñara el experimento

1. Yo haría las superficies interiores de la rampa de mu metal para proteger la bola una vez que caiga en el agujero, de lo contrario un fuerte imán tirará de ella hacia la parte inferior de la pendiente.

2. Yo utilizaría una bola de hierro con un revestimiento de vidrio liso para reducir la fricción

3. Yo utilizaría una rampa superior de vidrio, de nuevo para reducir la fricción

4. Un uso juicioso del metal mu podría ensombrecer el campo magnético cuando la bola llega al agujero superior para asegurarse de que caiga.

Podría funcionar durante algún tiempo si se diseña correctamente. Supongamos que lo hace, ciertamente no se puede extraer energía del sistema . Incluso si la fricción fuera nula habría pérdida de la magnetización del imán original con el tiempo: para tirar de la bola hay que suministrar energía a los dominios magnéticos de la bola de hierro y esto con el tiempo desmagnetizará la bola roja. Por supuesto, todas las demás consideraciones de rozamiento y pérdida de energía por impacto al caer (tal vez, etc., sólo se me ocurren estas dos) llevarán a la bola a detenerse finalmente en la rampa inferior.

Aquí está un tipo diferente de movimiento perpetuo, donde la termodinámica es más evidente.

Answer 4

La física newtoniana excluye ciertamente la existencia de un movimiento "verdaderamente" perpetuo. Bajo ciertas condiciones, podemos conseguir un movimiento casi perpetuo mediante una aplicación juiciosa de los principios y entonces formarnos preguntas como "Aunque no se pueda eliminar ningún trabajo del sistema, ¿es la duración de la fuerza magnética en un imán suficiente como para que funcionar durante varios años sea una respuesta aceptable?"

En cuanto al dispositivo mostrado en la pregunta, que es una modificación de El dispositivo de John Wilkins similar a ésta, los problemas inherentes a la máquina de Wilkin se agravan con el diseño que se muestra aquí. La gravedad es la fuerza abrumadora que hay que vencer en este experimento, la fricción desempeña sólo un pequeño papel, pero tampoco podemos pasar por alto la corriente inducida en el movimiento de la bola, que se convierte finalmente en la fuerza principal que degrada la perpetuación del movimiento. En este caso, sin embargo, si el imán fuera lo suficientemente fuerte como para vencer la inercia y la fuerza gravitatoria del peso en una pendiente, tendría suficiente energía para unirse al imán en la parte superior. Incluso sin fricción, y digamos que arrancamos la bola en la parte superior para darle una fuerza cinética inicial, cuando llegara al segundo agujero, el imán no sólo tendría que vencer la gravedad, sino que el movimiento general de alejamiento del imán en la parte superior, al pasar por el segundo agujero se comportaría más como un esquiador haciendo un salto de esquí y volaría lejos de la máquina. Así que el imán también tendría que superar este movimiento, e invertir la dirección de la bola ya que ahora también se aleja con una velocidad igual a la energía cinética de la caída de la bola menos la fricción.

Wilkins lo supera con una rampa adicional en la parte inferior, que al convertir el movimiento lineal en movimiento angular invierte la dirección de la bola y conserva ese movimiento cinético para mover la bola parte de la rampa. Aun así, esto no es suficiente para superar la gravedad, y la fricción, y la fuerza contraria de una corriente inducida que le permita tirar de la bola hasta arriba, siendo lo suficientemente débil como para permitir que la bola caiga por el agujero. Creo, pero no lo he probado o comprobado, que tal vez una reducción de la gravedad haría factible esta máquina, como en la luna. Parece también, que debido a que la bola está hecha de metal que es atraída por el imán, las fuerzas en la bola pueden establecer un contra campo de corriente inducida, debido al material del que está hecha la bola y su en el campo. Existe un efecto lenz inverso que también aportaría una fuerza que el imán tendría que superar. Esto requeriría un equilibrio superfino entre una fuerza completamente atractiva, y las fuerzas opuestas. La máquina parece muy prometedora; pero, a un nivel muy sutil, tiene fuerzas contrarias de la gravedad, la fricción y un efecto lenz inverso que contrarrestan la energía cinética acumulada en el movimiento de las bolas que impiden que la acción se perpetúe con bastante rapidez.

En el vídeo que enlazo, el autor original del vídeo supera este efecto mediante la pulsación de la fuerza de un electroimán oculto en la base que sostiene el imán permanente. Apagando el electroimán en el momento adecuado, ya sea manualmente o por detección inductiva, la bola cae. Por lo tanto, estoy de acuerdo, es muy cerca de ser posible; pero, simplemente no es posible. Tengo la sensación de que poder ajustar la gravedad podría ser suficiente para que el dispositivo funcione bajo la fuerza gravitatoria adecuada, pero me preocupa realmente que las corrientes parásitas en la bola de metal proporcionen la fuerza eventual que contrarreste cualquier posibilidad de que funcione.

Como problema de campo magnético, debido a las leyes de Maxwell y la ley de Lenz, el problema es mucho más complejo matemáticamente de lo que parece, tendemos a pasar por alto el efecto de la bola en el campo magnético, ya que se estaría moviendo y desplazando la densidad de flujo, lo que induciría una corriente que afectaría al movimiento y a la densidad de flujo en oposición al movimiento.

Answer 5

La propia razón por la que la bola se mueve hacia arriba es la presencia del imán. Por lo tanto, mientras el imán esté presente en su lugar, no permitirá que la bola se mueva en la dirección hacia abajo. A la inversa, si el imán puede permitir que la bola vaya en dirección descendente, sería incapaz de tirar de ella hacia arriba. Por lo tanto, el movimiento cíclico es imposible.

Muchos han respondido correctamente a la pregunta anterior, pero por partes. El movimiento perpetuo del primer tipo implica la extracción de trabajo de un cuerpo que sigue moviéndose por sí mismo, en un ciclo . Dado que el cuerpo sigue moviéndose por sí mismo, la energía que se extrae es gratuita, sin necesidad de introducirla (lo que lleva a la violación de la ley de conservación de la energía). Para completar, el movimiento perpetuo del segundo tipo dice: cuando la energía de entrada es el calor, no podemos extraer una cantidad igual de energía en cualquier otra forma como salida, utilizando incluso un dispositivo ideal (sin fricción, etc.) que funciona en ciclos. Los detalles del diseño del dispositivo no alteran la conclusión.

Incluso en el diagrama mostrado, lo esencial es sólo la componente vertical de la fuerza debida al imán y la debida a la gravedad . Se puede suponer que la fuerza gravitatoria es constante independientemente de la posición de la bola en su movimiento en el ciclo.

Podemos añadir que, en ausencia de rozamiento, rige el movimiento armónico simple, y que un péndulo oscila eternamente, una masa ideal cargada con un muelle oscila eternamente y así sucesivamente. En el momento en que intentamos extraer trabajo, las oscilaciones disminuyen en amplitud y finalmente cesan, cuando se extrae la energía inicialmente almacenada.

Consideremos el punto más bajo, A, de la trayectoria cíclica. Considere un punto B a la izquierda, y un punto B' verticalmente por debajo de B en la trayectoria cíclica. La bola se moverá de A a B sólo si la componente vertical de la fuerza magnética es mayor que la fuerza gravitatoria 'mg'. Del mismo modo, se moverá de A a B' si la componente vertical de la fuerza magnética es mayor que mg. La componente vertical de la fuerza magnética en B y B' es mayor que la componente vertical de la fuerza magnética en A. En consecuencia, si la pelota se mueve de A a B, necesariamente se mueve de A a B'. Por otro lado, si la bola se mueve de B a A entonces, y sólo entonces, se movería de B' a A.

Alternativamente, se puede considerar el punto más alto, H, en la trayectoria cíclica. Si la componente vertical de la fuerza magnética es mayor que la fuerza gravitatoria 'mg' en B, la pelota se moverá de B a H, si no, la pelota se moverá de H a B. Lo mismo ocurre con el movimiento entre B' y H. En consecuencia, si la pelota se mueve de H a B necesariamente se mueve de H a B'. Por otra parte, si la pelota se mueve de B a H, se moverá necesariamente de B' a H.