Das Perpetuum mobile

Das Perpetuum mobile.

Die großen Erfolge, welche vorzüglich die Mechanik zu Ausgange des Mittelalters in dem Lichte, das von dem Morgemrothe der auftauchenden Sonne naturwissenschaftlicher Erkenntniß ausging, erreichte, berauschte die Gemüther über Alles. Warum sollte es, da man in den Wirkungen des Schießpulvers so kolossale Kräfteäußerungen erblickte, von denen man sich nicht erklären konnte, wo sie herkamen, nicht auch möglich sein, durch Federn und Getriebe geheimnißvolle Kräftequellen zu benützen, von denen man sich überall umgeben glaubte? Brachte doch die Natur in den Menschen und Thieren Mechanismen (so dachte man sich damals) hervor, welche eine Zeit lang Arbeit verrichten, dann hingehen zu sterben, aber Alles aus sich selbst producirend. Das neugeborne Kind hatte doch die Kraft nicht wie ein ausgewachsener Mann. Es mußte also der Mensch in Folge einer gewissen innern Construction Kräfte aus sich heraus zu entwickeln im Stande sein, denn er brauchte nicht wie eine Uhr aufgezogen zu werden, und konnte doch immer ein gewisses Quantum Arbeit leisten. Es schien also der Weisheit des Menschen nur aufgegeben zu sein, aus einem dauerhafteren Stoffe, als es Fleisch und Blut ist, eine ähnliche Maschine herzustellen. Darin lag dann der Born materieller Glückseligkeit, weil die unversiechbare Quelle der Kraft und verkäuflicher Arbeit.

Mit der Erfindung des Perpetuum mobile wäre das Problem gelöst gewesen, deshalb haben sich Tausende von denkenden Köpfen an die Enträthselung dieser Aufgabe gemacht. Die klarsten darunter, die mit den Gesetzen der Mechanik am meisten vertraut waren, kamen auf die eitle Darstellung menschen- und thierähnlicher Gebilde, die, durch einen innern Mechanismus getrieben, Bewegungen machten ähnlich denen freiwillig handelnder Wesen. Die Menge mitunter höchst’ scharfsinnig und geistreich erfundener Automaten sind auf dem Wege nach dem Perpetuum mobile entstanden. Johannes Müller (Regiomontanus) verfertigte außer seinen Räderwerken, die den Umlauf der Planeten darstellten, eine Fliege, die auf dem Tische herumkroch, sowie einen Adler, der den Kaiser Maximilian bei seinem Einzuge 1570 an den Thoren Nürnbergs mit Flügelschlagen begrüßte. Vaucanson’s Ente fraß und gab das Verdaute wieder von sich; und ein Flötenspieler desselben Künstlers, der die Finger richtig setzte, machte großes Aufsehen. Droz setzte eine Clavierspielerin zusammen, die dem Spiel ihrer Hände mit den Augen folgte, nach der Beendigung aufstand und der Gesellschaft eine Verbeugung machte, und ein anderer Automat stellte einen Knaben vor, der auf ein untergelegtes Stück Pergament mit sicherer Hand einige Figuren zeichnete, den Staub des Bleistifts wegblies und von Zeit zu Zeit sich die gefertigte Zeichnung besah. Es waren Alles eitle Spielereien, die dadurch, daß sie versuchten, die tausend verschiedenen Dienstleistungen eines Menschen auf mechanischem Wege zu vollziehen, nimmer irgend eine dauernde Beachtung beanspruchen konnten. Unsere jetzigen Maschinen unterscheiden sich dadurch wesentlich von ihnen, daß hier gerade entgegengesetzt nur eine Dienstleistung, aber Stelle von tausend Menschen verrichtet wird.

Ueberzeugten sich aber auch die besseren Köpfe endlich von der Erfolglosigkeit ihrer Versuche, so gab es doch viele Andere, die ohne die Bekanntschaft mit den Hülfsmitteln der Mechanik, welche Jenen die Unausführbarkeit ihrer Ideen zeigte, fort und fort dem Phantome sich selbst erzeugender Kraft nachhingen, und dabei endlich auf Pfade geriethen, die sie, nachdem die Zeit mühseliger Arbeit und das Vermögen sinnlosen Experimenten geopfert worden war, am Ende unbefriedigt, stumpf und verzweifelt in’s Irrenhaus führten. Und es ist die Zeit nicht etwa vorbei, in der man an die Realisierung solcher Träume dachte. Gerade unser Jahrhundert, das die eminentesten Fortschritte auf dem Gebiete der Naturwissenschaften gemacht hat, hat die Köpfe Vieler verwirrt, die in den gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung nicht zu blicken vermochten, sondern halbgebildet aber doppeltbewußt sich berufen glaubten, die letzten Geheimnisse der Schöpfung erkennen und für ihre Zwecke benutzen zu können. Eigennutz ist bei diesen mystischen Geistern gewöhnlich die Haupttriebfeder ihrer Handlungen. Man frage nur einen Professor der Physik oder einen berühmten Mechaniker oder einen Irrenarzt, wie oft ihnen der Fall vorgekommen ist, daß Menschen, die früher in glücklichen Verhältnissen gelebt haben, in geistig und materiell zerrüttetem Zustande zu ihnen gekommen sind und sie von der endlichen Ausführung des Perpetuum mobile unterhalten haben. Im gewöhnlichen, geräuschvollen Strome des Lebens hört man freilich wenig von diesen stillen, unglücklichen Menschen, und eben weil die Krankheit, von der sie befallen sind, eine so heimliche ist, die sich ihre Opfer lautlos holt – gewöhnlich aus der Classe der Schuhmacher, Schneider oder kaufmännischen Speculanten – daß man nicht allemal den einzelnen Fall bekämpfen kann: wollen wir durch eine Darlegung der wissenschaftlichen Grundprincipien, die bei der Darstellung eines Perpetuum mobile in Frage kommen müssen, zur Ausrottung dieses Spukes das Unsere beizutragen versuchen. Wir werden zu diesem Ende auf einige Fragen aus der Mechanik geführt, deren Beleuchtung uns aber wenig Zeit kosten wird.

Wenn wir einen gleicharmigen Hebel in seinem Schwerpunkt aufhängen, so wird die an einem Endpunkte wirkende Kraft eine an dem andern Ende wirkende Last von gleicher Größe zu heben im Stande sein. Wirkt in einem Mühlrade das fallende Wasser, so muß, wenn ein an die Welle des Rades aufgehängtes Gewicht von einem Centner um einen Fuß gehoben werden soll, mindestens ein Centner Wasser um einen Fuß fallen.

Ist der Weg kleiner, den die Kraft beschreibt, so muß die Kraft größer sein; beispielsweise (da wir uns dieselbe hier als eine durch die Anziehungskraft der Erde wirkende, schwere Masse vorstellen), soll das Wasser nur einen Weg von ½ Fuß zurücklegen, so muß dafür die doppelte Menge in das Rad fallen; dafür wird aber auch die halbe Kraft, wenn sie den doppelten Weg zurücklegt, eben so viel wirken. Das Product aus dem Wege in die Kraft muß immer gleich sein dem Producte des Weges, den die Last zurücklegt, in die Last selbst.

Man mag nun entweder gleich an dem Umfange des Wasserrades die Last, welche allemal nur eine entgegengesetzte Kraft darstellt, wirken lassen, oder die Arbeit durch dazwischengelegte Maschinen übertragen: das Verhältniß und der eben ausgesprochene Satz bleibt derselbe. – Jeder Körper, der sich mit einer gewissen Geschwindigkeit bewegt, wird diese, wenn er gegen einen widerstehenden Körper trifft, verlieren und dadurch einen Druck hervorbringen, der einer gewissen Arbeit entspricht, die in ihrer Größe von der Masse des bewegten Körpers und seiner Geschwindigkeit abhängt. Das Product dieser beiden Factoren nennt man die dem Körper innewohnende lebendige Kraft. Eine Büchsenkugel, die ein Loth schwer ist und mit einer Geschwindigkeit von 500 Fuß fliegt, hat ebensoviel lebendige Kraft in sich und wird bei der Hergabe derselben ebensoviel Arbeit leisten, als eine Kanonenkugel von 5 Pfund Schwere, die nur eine Geschwindigkeit von 45 Zoll für die Secunde hat. Genau soviel – nicht mehr und nicht weniger. Es ist dasselbe Verhältniß, wie bei dem im Wasserrade wirkenden Wasser. Läßt man eine Kugel in einer kreisförmigen Rinne herablaufen, so wird sie, wenn sie den tiefsten Punkt erreicht hat, eine Geschwindigkeit erlangt haben, vermöge welcher sie auf der andern Seite eben so hoch wieder würde hinauflaufen können, wenn keine Reibung vorhanden wäre. Ein Pendel fällt vor und zurück, und beschreibt immer gleiche Bogen; ein Springbrunnen kann nur so hoch sich erheben, als das Wasser, welches er ausspeit, vorher in seinen Röhren gefallen ist. Beim Rückfalle wiederholt sich dasselbe Spiel. Es könnte, wenn keine Reibung vorhanden wäre, die einen Theil der Kraft aufzehrt, allerdings ewig dauern, allein eine andere Arbeit als die der Unterhaltung dieser Bewegung würde unmöglich damit geleistet werden können. Man hatte aber trotzdem mancherlei Versuche gemacht, ein Perpetuum mobile auf diesem Wege zu construiren. Bis vor dem Brande des Dresdner Zwingers konnte man dort eins aufgestellt finden, welches seiner vorzüglichen Ausführung wegen, die die Reibung sehr vermindert hatte, eine sehr lange Zeit sich in Bewegung erhielt. Es bestand aus einem Rade, das ähnlich wie ein Wasserrad an seinem Umfange Kapseln hatte. Darüber war eine Rinne angebracht, die in einer schiefen Ebene aufwärts stieg und sich auf der anderen Seite wieder senkte, der Art, daß eine Kugel, welche von den Kapseln des Rades mitgeführt werden konnte, auf der einen Seite dem Rade abgenommen wurde und, nachdem sie die Rinne durchlaufen hatte, auf der andern wieder in eine Kapsel des Rades fiel. Bekam das ruhende Rad nun durch den Fall dieser metallnen Kugel einen Stoß, welcher es hinreichend in Drehung versetzte, daß es die Kugel in die Rinne speien konnte, und daß sie in diese zugleich Geschwindigkeit mitbrachte, welche für das Durchlaufen der schiefen Ebene, in der die Rinne lag, zureichte: so war der Stoß, den das Rad durch den darauffolgenden Fall der Kugel erhielt, nur um die Größe geringer, welche zur Überwindung der Reibung der Kugel in der schiefen Ebene und der Friction des Radzapfens verbraucht worden war. Gab man also der Kugel anfänglich einen Vorrath an Geschwindigkeit mit auf den Weg, so wurde dieser nur sehr allmählich von der auf ein Minimum reducirten Reibung aufgebraucht, und es hatte eine Zeit lang allerdings den Anschein, als erhielte sich wirklich die Maschine durch sich selbst in Bewegung. Wartete man es aber ab, so blieb das Ganze doch endlich stehen, da sich, weil die Reibung dieselbe blieb, die Kraft mit jeder Umdrehung verringerte.

Genau in derselben Weise geben auch alle elastischen Körper nur so viel (im allergünstigsten Falle) an Kraft wieder her, als zu ihrer Spannung verwendet wurde. Eine Stahlfeder schnellt höchstens ebensoweit zurück, als sie vorgebogen wurde, ein Gummiball, dem man durch den Fall von einer Höhe eine Kraft mittheilt, wird beim Wiederaufwärtsspringen nie die ursprüngliche Höhe wieder erreichen. Die innersten Theilchen müssen sich aneinander reiben und consumiren dabei jedesmal eine gewisse Kraftmenge, und je weniger derartige Körper elastisch sind, um so größer wird diese innere Reibung und um so größer das Quantum der verloren gehenden Kraft.

Alle Kraft wirkt nur durch Bewegung. Wir können bewegte Massen gewissermaßen als Sparbüchsen ansehen, in denen sich kleine Kraftmengen, die in fortdauernder Aufeinanderfolge sich wiederholen, niederlegen lassen und die man später in ihrer Summe auf einmal verbrauchen kann. Ein kleines Kind kann eine große Glocke durch einen einzigen Stoß nicht zum Schwingen und Anschlagen bringen, sondern die Bewegung, welche die kindliche Kraft dieser großen Masse mitzutheilen im Stande ist, wird kaum hinreichen, sie um einen Zoll aus ihrer Lage zu bringen. Wiederholt aber das Kind, wenn die Glocke aus der geringen Schwingung zurückgekehrt ist, jenen Stoß und setzt dasselbe Spiel fort, so wird die Glocke immer größere Bogen beschreiben und in ihren Schwingungen eine lebendige Kraft repräsentiren, welche viel größer werden kann, als die, welche ein kräftiger Mann auf einmal in ihr hervorzubringen vermocht hätte. Es ist aber dabei an Kraft nichts gewonnen worden. Wenn die Kraft, mit der das Kind jedesmal die Glocke anstieß, hingereicht hätte, ein Pfund um einen Zoll zu heben, so wird die schwingende Glocke im Stande sein, ebensoviel Pfunde, als sie Stöße erhalten hat, um einen Fuß aufwärts zu heben, aber durchaus nicht mehr, man mag Hebel oder Federn anlegen, so viel man will. Soll die Hubhöhe oder, was dasselbe ist, die Geschwindigkeit sich vergrößern, so muß sich die Last entsprechend verringern, und umgekehrt. Eine gespannte Feder, eine comprimirte Luftmenge geben, wenn sie ihre Spannung verlieren, nur das wieder her, was sie erhalten haben. Haben sie, wie die Glocke, ihren Vorrath an Kraft nicht auf einmal, sondern nach und nach aufgenommen, wie es etwa auch die Windbüchse thut: so kann ihr Effect, wenn die angesparte Kraft auf einmal verbraucht wird, allerdings ein sehr großer sein, er ist dann aber auch ein sehr kurzer. Alle Versuche, ein Perpetuum mobile herzustellen, unter alleiniger Benutzung der rein mechanischen Kräfte, der Schwere, Elasticität, Druck der Gase und Flüssigkeiten, sind also danach als fruchtlose zu bezeichnen. Da durch dazwischen gelegte Maschinen, Zahnräder, schiefe Ebenen, Keile, Schrauben, Getriebe, Hebel oder Rollen keine neue Kraftquelle eingeführt wird, so ist auch kein Uhrwerk und kein Hebelwerk im Stande, die Leistung in einer gewissen Zeit zu vermehren, im Gegentheil wird dadurch nur die Reibung vermehrt und der Nutzeffect an mechanischer Kraft entsprechend verringert werden.

Außer den mechanischen Bewegungskräften gibt es aber noch eine Anzahl von Naturkräften, von denen man die Lösung des Problems erwarten könnte.

Wärme, Licht, Elektricität, Magnetismus, chemische Verwandtschaftskräfte – alle diese sahen wir schon im Leben mechanische Kraftäußerungen hervorbringen.

Die Windmühlen, die Wassermühlen, die Dampfmaschinen werden durch Wärme in Bewegung gesetzt und sie wandeln die Wärme in mechanische Kräfte um, denn die Wärme der Sonnenstrahlen ist es, welche die Luftschicht, die über dem bestrahlten und sich erwärmenden Boden lagert, sich ausdehnen und, weil sie leichter geworden ist, nach oben zu abströmen läßt! Deshalb herrscht in den heißen Gegenden stets eine aufwärts steigende Bewegung der erwärmten Luftschicht. In den leerwerdenden Raum dringt aus nördlichen Regionen die kalte Luft nach, es erfolgt ein Windstrom von den Polen nach dem Aequator, der sich auf dem Meere in den regelmäßig wehenden Passatwinden erkennen läßt, der auf dem Lande aber durch mancherlei Ursachen von seinem normalen Laufe abgelenkt wird. Der Wind entsteht also durch dieselben Ursachen, welche das Wasser an der Oberfläche des Meeres verdunsten lassen, die Dünste weit über die Länder führen und von den Häuptern der in die Wellen ragenden Berge als Nebel und Regen wieder absetzen. Von hier entspringen die Quellen der Flüsse. Das Wasser hat den Weg bis zum Meere wieder zu durchfallen, und die Arbeit, die es auf diesem Wege verrichten kann, ist nichts als umgesetzte Wärme. In den Dampfmaschinen haben wir ein drittes Beispiel, das sich selbst erklärt.

Allein ebenso wie in diesen drei Fällen Wärme in mechanische Kraft umgewandelt wurde, so können wir in der mechanischen Kraft uns wieder eine Wärmequelle schaffen.

Jeder Druck, jeder Stoß, jede Reibung erzeugt Wärme. Wir müssen die Achsen der Wagenräder schmieren, damit sich nicht die mechanische Kraft der Pferde in Wärme verwandle und das Holz entzünde; manche Mühle wurde ein Raub der Flammen lediglich in Folge der Wärme, welche durch erhöhte Geschwindigkeit und vermehrte Reibung erzeugt wurde; durch geschickt nach einander angebrachte Hammerschläge läßt sich ein Stück Eisen glühend machen, und Vielen ist wohl das Feuerzeug noch in Erinnerung, dessen sich die Fuhrleute früher bedienten. Es bestand aus weiter nichts, als aus einer metallnen Röhre, in der durch einen Druck Luft comprimirt wurde; die dadurch erzeugte Wärme reichte hin, den auf dem Boden der Röhre befindlichen Schwamm zu entzünden.

Elektrische und magnetische Kräfte lassen sich ebenso in Wärme oder gleichbedeutend in mechanische Kraft überführen, umgekehrt aber kann man wieder durch Bewegung Ströme von Elektrizität erzeugen. Es kam nun ein Amerikaner auf die Idee, durch diese Ströme Wasser in seine beiden Bestandtheile, Wasserstoff und Sauerstoff, zu zerlegen, den Wasserstoff im Sauerstoff zu verbrennen und durch die dabei entstehende große Hitze nicht nur das bekannte Drummondsche Licht zu erzeugen, sondern auch eine kleine Dampfmaschine damit in Bewegung zu setzen, welche ihm die Umdrehung des Magnetes, durch welche die elektrischen Ströme erzeugt werden, besorgen sollte. Dies wäre nun ein Perpetuum mobile gewesen. Aber leider war das mobile nicht perpetuum, und wir wollen ähnliche Beispiele nicht erst aufzählen, da es uns ja nur daran lag, durch dieses eine den Zusammenhang aller physikalischen, mechanischen und chemischen Kräfte unter einander und ihre Verwandlung in Wärme, den Maßstab, nach welchem man jede mechanische Arbeitsleistung bemessen kann, zu zeigen. Läßt sich denn aber nun nicht durch irgend eine Verknüpfung dieser Beziehungen ein positiver Gewinn an Arbeitskraft ermöglichen? Genau so wie sich die Frage bei den rein mechanischen Bewegungskräften verneinte, thut sie es auch für diese eben betrachteten Kräfte, und wir können mit Sicherheit sagen, sie verneint sich auch für alle etwa noch zu entdeckenden.

Es besteht nämlich in der ganzen Welt das Gesetz, daß von Allem, was darin ist, mag es Masse oder Bewegung sein, mag es Materie oder Kraft heißen, nicht das geringste Theilchen verloren gehen kann. Für jedes verloren gehende Fußpfund Kraft wird ein gewisses Aequivalent Wärme gewonnen, die sich, indem sie sich andern Körpern mittheilt und Ursache chemischer Processe oder elektrischer Erregungen wird, früher oder später wieder in Arbeitskraft umwandelt und zwar in ihrer Wirkung dann genau wieder ein Fußpfund repräsentirt.

Es gibt z. B. ein Pfund Kohle, wenn es verbrennt (also, indem es sich mit Sauerstoff verbindet, einen chemischen Proceß durchmacht), so viel Wärme, daß 8086 Pfund Wasser um einen Grad C. erwärmt werden; daraus läßt sich berechnen, daß die Summe der Anziehungskräfte, welche zwischen den kleinsten Theilchen eines Pfundes Kohlenstoff und denen des zu seiner Verbrennung nöthigen Sauerstoffs herrschen, im Stande ist, 100 Pfund auf 4½ Meilen Höhe zu heben. Verwenden wir dasselbe Quantum Kohle zur Heizung einer Dampfmaschine, so werden wir einen solchen Effect nimmermehr zu erzielen im Stande sein, denn ein großer Theil dieser Kräfte geht durch Reibung als Wärme an andere Körper über, ein andrer noch größerer verfliegt wegen mangelhafter Einrichtung unserer Oefen durch die Esse, – was uns als verwendbare Kraft bleibt, sind bei den besten Expansions-Dampfmaschinen höchstens 18 Procent.

Die Kohle hat sich nun bei dieser Verbrennung in Kohlensäure umgewandelt, welche der Atmosphäre sich mittheilt und aus dieser durch die Pflanze wieder aufgesaugt wird. Unter Zutritt der Sonnenstrahlen verwandelt die Pflanze die Kohlensäure wieder in Verbindungen, welche weniger Sauerstoff enthalten; den freiwerdenden Sauerstoff hauchen die Blätter aus. Licht und Wärme sind aber, damit dies geschehen kann, unumgänglich nothwendig, sie werden von der Pflanze verschluckt, und wenn man die Mengen dieser beiden Kräfte, so wie die chemischen Kräfte, welche von der seit der Aufnahme der Kohlensäure in den Organismus der Pflanze, durch alle ihre Umwandlungsphasen in Stärkemehl, Zucker, Holzfaser und endlich bei der schließlichen Verwandlung des Holzes in Kohlenstoff verbraucht worden sind, wenn man alle diese, in Wärme ausgedrückt, messen könnte: so würden wir finden, daß ihre Summe genau der Kraftmenge entspricht, welche wir beim Verbrennen eines Pfundes Kohle als Wärme erhielten.

Ebenso wenig, wie ein Theilchen Kraft verloren ging, eben so wenig ist ein Theilchen Stoff untergegangen. Die Kohlensäuremenge, welche aus einem Pfunde Kohlenstoff sich entwickelt, gibt uns, nachdem sie den Kreislauf durch das Reich des organischen Lebens gemacht hat, ein Pfund Kohlenstoff wieder zurück.

Elektrische und magnetische Kräfte rufen wir durch chemische Processe hervor. Aber die Schwefelsäuremenge, welche wir in den galvanischen Batterien verbrauchen, und die Quantität Zink, welche verzehrt wird, hat zur Herstellung eben so viel Kraft und Wärme erfordert, als durch die elektro-magnetische Maschine, in der diese beiden arbeiten, geleistet wird.

Das Thier, welches uns seine Kräfte leihen soll, müssen wir eben wie eine Dampfmaschine mit Kohlenstoff versehen. Es athmet denselben als Kohlensäure wieder aus. Alle Nahrung ist bei Thier und Menschen nichts weiter, als eine Heizung der Maschine, welche die Wärme in Kraft umsetzten soll. Ein Arbeiter, der viel schwere Last getragen, hat mehr Hunger, als der, welcher während dieser Zeit geschlafen. Im nördlichen Klima, wo die Luft und Sonne dem Körper nicht so viel Wärme gibt, als im südlichen, muß durch eine fettere, kohlenstoffreichere Nahrung die nöthige Wärme und Kraftmenge erzielt werden. Auch der Mensch also schafft aus sich heraus keine Kraft. Er ist nichts als eine Maschine, die man, wenn man alle jene unzähligen Vorgänge der Kraftaufnahme und des Kraftverbrauchs genau zu bestimmen vermöchte, eben so genau in ihrer Wirkung berechnen könnte, als ein mathematisch construirtes physikalisches Instrument.

Nirgends wird also Kraft gewonnen. Wohl aber wird bei jeder Maschine, die zur Kraftumsetzung dient, mag sie aus dem Atelier eines Mechanikers oder als Thier oder Mensch aus der nie ruhenden Werkstätte der Natur direct hervorgegangen sein, Kraft als Wärme verloren, die durch Ausstrahlung an andere Körper übergeht und sich der Benutzung als mechanische Kraft entzieht. Daran scheitert jeder Versuch, ein Perpetuum mobile herzustellen.

Was an Kraft in der Natur vorhanden ist, das kann der Stoff benutzen, er nimmt es aber nur leihweise, wechselt es in der mannichfachsten Weise um und gestaltet sich dadurch zum vielbewegten Leben.

Schaffen kann der Stoff keine Kraft, ebensowenig der Mensch. Deshalb suche man nicht nach dem Perpetuum mobile, sondern sinne und denke nach, den gegebenen Reichthum an Kraft, der in der Natur enthalten ist, möglichst zu nutzen, das heißt, ihn rasch zu verwerthen und rasch zu verbrauchen.

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