O movimento perpétuo e a energia eterna

Recentemente chegou à minha atenção o video de uma máquina que teoricamente funcionaria para sempre.  Após garimpar bastante encontrei outro testemunhos de máquinas semelhantes [2][3] inclusive uma usava monopolos magnéticos[3] . Monopolos magnéticos é um conceito muito interessante que até o advento da sua construção[4] [5] se pensava impossível, embora vários teóricos ( como Paul Dirac) tenham falado da sua possível existência. Não ha como saber se estes videos são embustes ou não. O de monopolos é provavelmente um embuste, pois até onde consegui apurar, por enquanto monopolos só foram observados a temperaturas próximas do zero absoluto e não à temperatura ambiente. Sim, todos os vídeos podem ser embustes. O ponto não é esse.

O problema dos motores perpétuos é antigo [6]. Várias ideias e desenhos foram submetidos ao longo de muitos séculos. Mas os seus idealizadores não tinham a capacidade para provar suas afirmações. E é realmente fácil de provar. Construindo um. Hoje isto começa a ser possível.  E é realmente desafiador.

Como sempre existe um ruído enorme criado pelas pessoas que simplesmente foram educadas com mnemônicas , regras e leis que realmente não entendem. Com certeza muitas da máquinas que irá encontrar no youtube são falsas. Contudo algumas são verdadeiras. Colocar os idiotas que criam vídeos com efeitos especiais e as pessoas com boas intenções no mesmo saco é injusto.  O pior são as justificativas encontradas pelos críticos (não chamo de céticos porque não quero ofender os céticos)  são piores que as justificações dos inventores. Isso realmente me irrita.

Somado a tudo isto há o problema sociopolítico que este tipo de máquina representa. Se funcionarem são objetos perigosos.

O primeiro argumento dos críticos é que o movimento perpétuo não é possível. Ora, isto é absurdo já que a primeira Lei de Newton diz exatamente que ele existe:

“Todo corpo mantém o seu estado de repouso ou de movimento uniforme segundo uma linha reta, se não for compelido a mudar o seu estado por forças nele impressas.“[7]

Ou seja, coloque um corpo em movimento e abandone-o. Ele permanece em movimento para sempre até que  uma força atue sobre ele. Esta lei fundamental da mecânica simplesmente parte do principio que o movimento é perpétuo. De tal jeito que para parar o corpo é necessário atuar sobre ele exercendo uma nova força.

Assim, teoricamente o movimento perpétuo não é apenas é possível, mas é a base de tudo. Na prática é muito difícil manter um copo afastado de forças que atuam sobre ele, mesmo no espaço sempre ha alguma força atuando. Estas forças que sempre atuam para parar o corpo são chamadas de forças de atrito, e o atrito é realmente difícil de eliminar e a razão de porque o movimento não se mantém por muito tempo.

Portanto, o movimento perpétuo sim é possível e não é contra as leis da física. Apenas é muito difícil de manter. É tudo uma questão de quanto dura o movimento perpétuo e não se ele existe ou não.

No universo existem muitos exemplos de movimento perpétuo. A Terra gira em torno do Sol permanentemente. Os átomos são constituídos de electrões que giram em torno do núcleo permanentemente.  Se sabemos algo, é que algo estar em movimento é mais natural que o contrário. O próprio conceito de “estar parado” é absurdo já que sempre existe um referencial onde aquele mesmo corpo será observado como em movimento.  Relatividade é algo elementar conhecido desde Galileu.  A tela que está lendo está parada em relação a você, mas não em relação ao Sol, ou sequer ao centro da Terra.

O conceito de movimento perpétuo não é um problema para a física. É uma ferramenta. Por isso que é importante conhecer a Quantidade de Movimento de um corpo. Esta grandeza normalmente calculada como p = m v onde m é massa e v a velocidade, representa exatamente o quanto o corpo se move.  Fotões, as partículas da luz só existem em movimento, movimento esse independente do referencial e sempre com velocidade constante ( o famoso c) e, portanto, energia constante.

A energia mecânica , ou seja, aquela que cria o movimento não se gasta enquanto o corpo se move. Este conceito é muito importante porque as pessoas tentem a achar que o movimento acontece porque ha consumo de energia. Não é assim. O corpo se mantém em movimento por ele mesmo enquanto tiver energia cinética (K) que é proporcional ao quadrado da quantidade de movimento (p).

Na práticas o atrito está em toda a parte e é ele que irá diminuir a quantidade de movimento. Então, nossa tecnologia atual é baseada em precisarmos de formas que alimentem constantemente o corpo para o manter em movimento contrariando a ação das forças de atrito. Estas formas são chamadas de motores.

O problema começa então com as máquinas de movimento perpétuo, também chamadas de motor-continuo, das quais existem duas espécies chamadas de primeira ordem e segunda ordem.

A primeira espécie tem que ver com a Primeira Lei da termodinâmica que é a Lei da Conservação da Energia. Esta lei é a base da primeira Lei de Newton.  Ao transferirmos energia ao corpo ele adquire energia cinética. Esta energia é preservada no corpo em forma de movimento. Lembrando que o movimento não gasta energia, ele é manifestação da energia que o corpo tem.

O problema é que ao transferirmos energia de um corpo a outro não é possível transferir mais energia do que aquela que o corpo fonte possui. Isto é bem simples de entender porque se pela primeira lei da termodinâmica sabemos que não ha criação de energia então toda a energia recebida tem que vir da fonte, ela não será criada – nem destruída- no meio do caminho.

A transferência de energia de um corpo para o outro poder acontecer por meio de dois mecanismo chamados de Trabalho e Calor. O Trabalho está relacionado com a energia cinética , o Calor está relacionado a tipos de energia dissipativa como a energia térmica ( de onde obtêm seu nome) , o atrito, e a radiação. Ora, o problema é que ao transferir energia de um sistema para outro, uma forma sempre é transferida na forma de trabalho e outra na de calor.  Como a soma destas duas energias tem que ser igual à primeira (porque a energia não se cria no meio do caminho), significa que E = K + Q ou  K = E – Q, ou seja, a energia cinética (K) que o corpo recebe é igual à energia cedida pelo outro corpo (E) menos a energia que escapa como calor (Q). Se escapa alguma energia, então K é sempre menor que E.

Entenda que a questão aqui está na transferência de energia. A energia recebida só pode ser igual ou menor à que for dada pela fonte. E a única forma deles serem iguais é que a energia transformada como Calor , seja nula. Ou seja, não exista atrito.

Os motores convencionais são máquina que convertem energia mecânica em outros tipos de energia ( normalmente elétrica) , por isso eles são regidos pela limitação que K <= E.  A eficiência do motor é medida pela razão entre a energia que entra e a que sai na forma de trabalho, ou seja, K / E.  Como K <= E , este quociente é sempre, igual ou menor que 1. De onde se conclui que o motor não pode produzir energia, apenas convertê-la e, na presença de atrito, nunca convertê-la totalmente. Os críticos utilizam este lógica para dizer que motores perpétuos de primeira ordem ( que geram mais energia que consomem) são impossíveis.  E estão certos. Mas existem fenômenos na natureza que têm eficiência 1, pelo menos teoricamente. O detalhe é que eles não começam com a transferência de energia mecânica.  O  efeito fotoelectrico é um exemplo.  Um fotão transmite toda a sua energia a um electrão. O electrão está num sistema como um átomo e muda seu estado mecânico ( sua energia cinética e/ou potencial) dentro do átomo ao absorver toda a energia do fotão. Isto é um motor de eficiência 1 , contudo é baseado na conversão de Calor ( não energia térmica, mas energia radiativa) em energia mecânica. A Primeira lei está errada ? Não. É possível existir uma máquina de eficiência 1 ? sim, com certeza.

Possível é, mas na prática muito difícil porque eliminar o atrito é muito complicado.  Eliminar o atrito é complicado, mas não impossível. A super fluidez é sua irmã a super condutividade são exatamente fenômenos provocados pela ausência de atrito. A ciência não diz que é impossível remover o atrito. É apenas uma questão prática de como fazer isso.

Tudo isto para concluirmos que qualquer sistema possível é apenas um transformador de energia e não um gerador de energia. Geradores de energia não existem. Existem apenas transformadores de energia. A energia não se gasta. Ela não se consome. É eterna. É isto que a primeira lei da termodinâmica significa. Nada pode receber mais energia do que foi entregue.

Veja que o inverso não é verdade. Algo sim pode dar mais energia do que recebeu. É isto que acontece em uma explosão, por exemplo. Uma pequena faísca e o TNT explode com muito mais energia que a faísca que lhe deu origem. Mas para isso o TNT se consumiu. Deixo de existir. Ora, quando falamos de motores estamos pensando em mecanismo que não se destroem, e é neste sentido que eles também não podem dar mais energia do que receberam.

Um exemplo que se gosta (porque é inclusive mote de uma obra de arte) é o moinho que se alimenta a si mesmo. que esquematicamente é algo como isto:

E isto intuitivamente achamos impossível. E é. Mas se adicionarmos o ciclo da água como ele realmente é ,obtemos isto

A água passa constantemente no rio, indo para o mar, e gira a roda que através de um mecanismo faz girar uma turbina que produz energia. Ora, o motor em si não pode dar mais energia do que recebeu da água, portanto a turbina nunca irá girar mais depressa que a água, contudo enquanto a água continuar passando, a turbina continuará funcionando. É isto um motor perpétuo ? sim. é uma máquina que transforma energia (= motor) que funciona perpetuamente… enquanto houver água.

Por alguma razão achamos primeiro modelo impossível, mas o segundo possível. Porquê ? Porque no primeiro a água que caiu perdeu energia que foi data à roda. E depois ela não ganhou energia para voltar a cair de novo. Já no segundo esquema achamos que sim. Mesmo que demorando muito a mesma água pode passar de novo no mesmo moinho.

Isto serve para ilustrar que o problema não está no motor em si, exemplificado pela roda, mas pelo sistema como um todo. No primeiro temos apenas uma forma de tirar energia da água e nenhuma de a repor. No segundo temos os dois lados. Acontece apenas que o lado que dá energia é grátis, fornecido pela Natureza. O que significa que o moinho é realmente uma fonte sustentável de energia.

Distinguir um motor continuo impossível que viola a primeira lei da termodinamia de uma sistema maior que não viola, é tudo uma questão de perspetiva.

O trabalho é um forma de energia a que damos muito valor porque ele permite o movimento. Mas máquinas que usam formas de trabalho para transformar energias não são eficientes. Hoje a eficiência de um máquina pode ser algo entre 20% e 30%. O que é muito pouco. Muita energia é perdida na transformação. Mas como a fonte da energia é dada pela Natureza achamos que não faz mal desperdiçar. Então o que ha a fazer?

Com base nisto temos duas opções: 1) Melhorar a eficiência das máquinas. 2) Não usar formas de trabalho na produção de energia. Isto é um resultado óbvio e conhecido ha muito tempo e levou ao conceito da Máquina de Carnot .

Uma outra lei que os críticos abusam é da segunda lei da termodinâmica., que leva aos motores contínuos de segunda ordem. Esta lei tem várias formas de ser explicitada, a mais simples é dizer que a energia térmica sempre fluir naturalmente de onde a temperatura é maior para onde é menor. Isto significa que um corpo quente irá arrefecer e toda a energia extra será transferida para fora do corpo sem precisarmos dar mais energia ao corpo. Ou seja, deixar um corpo quente arrefecer, não requer fornecer energia. Apenas aquecer um corpo frio requer fornecer energia. Portanto, se tivermos uma fonte permanente de calor podemos coletar energia de força gratuita sempre precisar aplicar esforço. É o que se faz nas centrais geotérmicas e nas centrais nucleares. Fontes de calor natural são usadas para aquecer água que depois passa por turbinas e produzem eletricidade ( sim, a nossa tecnologia se limita a máquinas a vapor complexas).

Portanto, um corpo frio nunca aquecerá, a menos que injetamos Calor vindo de fora do sistema. Este conceito é baseado no conceito de Entropia. A entropia tem que ver com o numero de arranjos possíveis para um sistema (para a mesma energia , volume e componentes). Contudo este conceito só se aplica para sistema em equilíbrio.  Isto significa que todas as perturbações ao sistema já foram resolvidas e o sistema já se ajustou a elas. E nesse caso, o estado a entropia do sistema após o equilíbrio é igual ou maior que a entropia antes da perturbação. A segunda lei, portanto, não se aplica para sistemas instáveis, ou sistema metaestáveis. Apenas para sistemas estáveis, em equilíbrio. Ela não se aplica, por exemplo, durante uma reação química. Apenas antes e depois, mas não durante.  O que leva a considerar que sistemas em desequilíbrio não teriam problemas em reverter seu estado e diminuir a entropia. O que de fato acontece e já foi observado durante reações químicas.

Os críticos esquecem que as leis da termodinâmica só se aplicam a estados de equilíbrio. E ai que está o erro deles. Um sistema que não estão em equilíbrio tende ao equilíbrio naturalmente, mas isso pode não ser possível deixando o sistema em perpétuo desiquilíbrio. Os sistemas mostrados onde se procura criar rotação de um eixo através do uso de ímãs são sistema em permanente desequilíbrio ( ou assim se espera em teoria). A ideia é que ímãs colocados em certa configuração têm seus polos opostos sempre em contato o que obriga o mecanismo a se mover afastando os polos iguais, mas ao fazer isso o sistema coloca outros dois polos iguais em oposição o que o obriga a se mover de novo e assim sucessivamente. Conceitualmente o sistema está em uma armadilha, ele nunca irá encontrar o ponto de equilíbrio, e por consequência nunca irá parar.  É o mesmo conceito do electrão em volta do núcleo o a terra em torno do sol.  A gravidade do sol atrai a terra, e a força eléctrica  do núcleo atrai o electrão, se esta atracação acontece a uma distancia maior que um certo valor critico , o copo de menor massa vai cair em direção ao de maior massa, mas ao fazer isso um mecanismo da física entra em ação ( forças centrais provocam orbitas)  e embora o corpo continue caindo ele não chega o destino e por isso o movimento é perpétuo. É isto que newton pensou ao olhar a maçã e a lua no celebre episódio. Ele indagou porque sendo a lua e a maçã ambas atridas pela terra, porque a lua não cai na terra e maçã sim. Porque a maçã está aquém do ponto critico e a lua além. Ou seja, a lua está longe o suficiente para que a orbita se complete e o movimento se torne cíclico e portanto perpétuo. O mesmo a terra em torno do sol e o electrão em torno do núcleo.

Sistemas em permanente desequilíbrio podem gerar sistema em movimento perpétuo. É isso que mostra o exemplo do documentário citado. É isto incrível ? Pelos visto sim. As pessoas ainda se maravilham ou duvidam de algo tão simples e óbvio. É por isso que fico irritado com os críticos de meia tigela. Não ha nada na ciência proibindo movimento perpétuo. Apenas a criação de energia.

A pergunta seguinte é então óbvia. Pode um sistema em movimento perpétuo transformar energia perpetuamente ? entenda que não ha geração de energia. Ha transformação.

A resposta é : não. Perpetuamente não. Da mesmas forma que o nosso moinho de água funciona enquanto existir água correndo, mas não podemos garantir que ela sempre irá existir.

Temos que alterar um pouco a pergunta : Pode um sistema em movimento perpétuo transformar energia de forma sustentável durante um tempo suficiente ? Sim. Mais uma vez é o que acontece com o moinho.

A energia cinética do moinho vem da energia cinética da água que por sua vez vem da transformação da energia potencial (da gravidade). A transformação de energia potencial gravítica em energia cinética é um outro exemplo de máquina perfeita com eficiência 1, então podemos garantir que o que sobe, irá descer. O truque é não sermos nós a elevar a água e sim a natureza. Portanto , enquanto algo tiver energia potencial, podemos usar várias vezes. Por exemplo, podemos fazer a mesma água passar em várias rodas em pontos diferentes do percurso, a água sempre cairá e portanto sempre irá fazer rodar a roda. Só precisamos de uma montanha alta o suficiente.

No caso do motor de ímãs o que acontece é que enquanto os ímãs tiverem seus domínios magnéticos fortes – ou seja, enquanto existir energia potencial magnética – o polo sul irá atrair o norte e se afastar do sul de outro ímã. Enquanto isto o sistema será instável e o eixo irá girar. Utilizar esse eixo para transforma energia usando um alternador, por exemplo, perece óbvio. Conceitualmente o ímã produz um campo magnético permanente, mas no mundo real cada ímã tem um vida útil. Depois de um certo tempo ele não tem mais propriedades magnéticas. Embora o magnetismo é um produto do spin dos electrões que eles sempre terão, o efeito macroscópico só é observável quando eles spins estão alinhados de forma bem especificas. apenas podemos trabalhar com materiais macroscópicos e nesses o efeito magnético não é permanente, apenas muito longo.  Quão longo ? pode ser séculos. Depende da qualidade do ímã.  Portanto, o nosso transformador de energia não iria funcionar para sempre – não é perpétuo – mas iria durar bastante, o suficiente para utilizar a energia produzida pelo sistema instável.

Um outro exemplo, mostrado também no documentário, é o de usar um efeito onde um ímã é girado usando um motor. Este efeito é instável o campo magnético é obrigado a liberar energia. É como uma bomba magnética que explode com uma certa frequência. A energia dessa explosão pode ser capturada e acumulada.

O conceito sobre estes transformadores é capturar energia do campo magnético ( que é um tipo de Calor e não de trabalho) e transformar isso em outras forma de energia através de um sistema instável. Estas construções não violam a segunda lei porque ela só se aplica a sistemas em equilíbrio, nem a primeira, pois eles não estão gerando energia, apenas convertendo energia. No caso , energia potencial.

Mas pode um sistema estável produzir energia permanentemente ?  Pode.

O segredo está em uma da leis de Maxwell ( as leis do eletromagnetismo). É comum as pessoas saberem que um campo elétrico variante no tempo gera um campo magnético e que um campo magnético variante no tempo gera um campo elétrico.  Isso é devido a duas equações que relacionam os dois campos.

rot B = dE/dt  + J

rot E = – dB/dt

Onde B e E são os campos magnético e elétrico respectivamente. j é a corrente eletrifica. rot é o operador rotacional e d/dt é o operado derivada no tempo.  Foquemos na primeira equação e consideremos que não ha campos elétricos no espaço da nossa experiência, então

rot B =  J

Isto nos informa que uma corrente provoca um campo magnético. Isto é simples de entender usando um solenoide e fazendo uma corrente passar por ele. Isso cria um campo magnético conhecido como electro-imã. Esse ímã pode ser tão poderoso quanto quisermos desde que façamos a corrente aumentar. Isto é um transformador de energia. a energia elétrica ( que é uma forma de trabalho) está sendo transformada em energia magnética ( que é uma forma de calor).  Pois agora pensemos que o solenoide está num campo magnético igual ao que ele criaria se uma corrente j passa-se por ele. O que acontece ? Acontece que uma corrente se forma no fio do solenoide.  Repare que é o mesmo que acontece num dínamo ou num alternador. Ai um eixo gira movimento por outra energia ( água caindo ou a pessoa pedalando), nesse eixo está um ímã. Ao girar o ímã causamos um campo variável no espaço e pela segunda equação que vimos antes, isso cria um campo elétrico., que é depois usado para criar um corrente.  O que estamos falando é que um campo constante no tempo também produz uma corrente desde que a geometria espacial do campo seja adequada ( como a do solenoide). Estamos produzindo energia do nada ? Não. Mas parece. Ímãs são objetos sólidos que não se movem e mesmo assim eles produzem energia (magnética) que pode ser transformada facilmente em energia elétrica.

Campos magnéticos podem ser usados em sistema estáveis ou instáveis para transforma energia magnética em energia elétrica. Isto constrói máquinas de movimento perpétuo  conceitualmente, mas que na realidade estão limitadas pelo tempo de vida do ímã. É o exemplo da explosão. O Imã está realmente “se consumindo” como se fosse uma pilha, mas uma pilha magnética em vez de elétrica. Não ha portanto violação da primeira lei, nem da segunda. O movimento perpétuo não é uma impossibilidade nem a transformação perpétua de energia.  nenhuma lei da física proíbe isso. Bem pelo contrário, o movimento perpétuo é a base das leis de Newton e de fenômenos como a super fluidez. Ele existe. É uma questão de construir um mecanismo que realmente consiga se aproveitar dele de forma sustentável, que não precisa ser para sempre, bastam alguns séculos.

Portanto, porque é que não estamos construindo estes motores magnéticos em todo o lugar ? Eles iriam durar centenas de anos se os ímãs forem de boa qualidade ( atualmente as pessoas usam ímãs de neodímio banhados a níquel, que são relativamente baratos e duradouros, mas no futuro outros materiais poderiam ser encontrados).  Com o advento dos mono-polos do estado sólido temos possibilidades ainda mais interessantes.

Ser cético é bem diferente de ser um critico meia-boca que só sabe negar as coisas com base em meias verdades e um entendimento rudimentar das leis da física.

No documentário, quando o sr Aldo Costa interroga do critico de porque a roda começa a girar mesmo logo depois dele a destravar o critico responde podem ser efeitos do sol ou do vento. Quem é passa por mentecapto nessa história ? A roda começa a rodar simplesmente porque é um sistema instável sempre desbalanceado.  O conceito da roda desbalanceada é muito antigo, mas o gênio para realmente a construir é que estava faltando. Isto prova não apenas que a física tem razão, mas que o homem pode sonhar por gerações como uma consciência global e um dia os sonhos de uns podem ser vingados por outros. Todos os avanços em todos os campos só saber acontecem assim. Algo só é impossível até que alguém mostra que não é bem assim. Mas também prova outra coisa: para fazer ciência de verdade é preciso ter dinheiro para gastar. Sem ele ideias não passam disso mesmo, ideias. É muito bom ver que estamos chegando num mundo onde as ideias podem ser construídas e mostradas como nunca antes.

Pessoalmente gostaria muito de ter acesso a estas experiências e conseguir replicá-las, pois a ciência se resume a isso. Repetir o que os outros conseguiram e assim comprovar as sua veracidade.  Mas minhas aptidões para trabalhos manuais são limitadas… para não dizer nulas. Espero pelo menos com este texto ajudar a educar um pouco melhor as pessoas e a criar melhores inventores e melhores céticos e menos críticos mentecaptos. A ciência é bela de mais para a insultarmos com negações infundadas.

Queria também instigar a todos aqueles que pensam em mostrar suas invenções no youtube e afins a sempre mencionar como outra pessoa pode repetir os mesmos resultados. Listar materiais, dimensões, etc.. se possivel onde encontrar peças iguais. É isto que é a base para a ciência e o sucesso da propagação do conhecimento. Com isso espero ajudarmos a desmitificar que motores magnéticos são possíveis na teoria, e ao que parece na prática. Assim como sistema elétrico-magnéticos que produzem energia a partir de ímã estáticos cuidadosamente posicionados no espaço.

Levando isto a sério é possível considerar fontes alternativas de energia. Afinal todas as fontes atuais passam uma hora ou outra por transformar energia potencial em energia mecânica ou térmica que no fim move um alternador que tem um ímã girando e transformando energia mecânica em energia eléctrica.