物理学で言う「仕事」は、日常生活における「仕事」とは別の概念で、
(仕事)=(力)×(力の方向への移動距離)
で計算されます。
例えば、右図のような斜面を考えます。この斜面の絶壁部分を物体が落ちる時、重力のする仕事は、
(重力(mg))×(高さ(h))
別に斜面でなくても、どんな道を通っても、高さhだけ降りてきたなら、重力は mghだけ仕事をすることになります。逆に、高さh高くなったら、重力は-mghだけ仕事をします(マイナス符号に注意)。
「仕事の原理」というのは「道具を使っても、仕事を増やすことはできない」ということです。たとえばテコを使うと、弱い力でも物を持ち上げることができます。
これは他のどのような道具(歯車を使うとか、自転車のようにチェーンを使うとか)を使った場合でも同じ
ですので、「仕事の原理」と呼ばれるわけです。
その量は、普通「エネルギー」と呼ばれます。今のように物体が押し合ったり引っ張りあったりしている時、エネルギーの変化の和は0になります。「エネルギーが保存する」という法則は、こうして発見されたわけです。つまり、エネルギーというものには何か実体があって、それが保存するというわけではなく、実際に起っている現象を見て、何か保存している量はないか、と探した結果、エネルギーというものを定義すればよい、ということがわかったわけです。エネルギーには運動エネルギーとか位置エネルギーとかいろいろありますが、全て「仕事をしたら、した物体のエネルギーはそれだけ減り、された物体のエネルギーはそれだけ減る」という考え方で決められています。
仕事の原理と性質を知っていれば、ウースターの車輪が動かないことはよくわかります。一個一個の球は降りる時には重力にプラスの仕事をされ、登る時には重力にマイナスの仕事をされます。この仕事は符号は逆ですが、大きさは同じになるので、球が一周する間にされる仕事の総量は0になってしまいます。仕事がゼロでは、エネルギーは増えません。つまり、他に仕事をすることができません(他に仕事をしたら、エネルギーが減ってしまう)。よってエネルギーの補給がない限り、あの車輪が回り続けないということは自明です。車輪に限らず、滑車を使おうがてこを使おうが、仕事を増やすことができないのだから、エネルギーも増えることはありません。
斜面の図で重力のする仕事を考えましたが、重力のする仕事は高さだけで決まり、どういう道を通ってきたかとは関係ありません。このように、最初の場所と最後の場所だけ決まれば、その間にする仕事が決まる力を「保存力」と言います。保存力しか働いていない場合は、なんらかの道を一周回って元に戻ってきた時にエネルギーが得られることは有り得ません。だから、ウースターの車輪に限らず、勝手にエネルギーを得て回り続けるということはあり得ないことになります。
保存力でない力もあります。例えば摩擦力ですが、これは必ずマイナスの仕事をします(動いているのと逆に力が働くから)。つまり、摩擦があると摩擦力のした仕事の分だけエネルギーが少なくなっていきます。マイナスの摩擦があればエネルギーが出てくることになりますが、もちろんそんなものはありません。
物理における「仕事」の意味をちゃんと理解していないと、以下のような間違いをすることになります。
zw 今、ここに強力な磁石と鉄のジュースの空き缶を準備し、次ページの図のように磁石を糸で吊り、これに鉄のジュース缶をくっつけたとしよう。充分な強さの磁力があるかぎり、鉄のジュース缶は磁石にくっついたままで、下に落ちることはない。
もし、磁力がなければ、また磁力はあっても充分な強さでなければ、ジュース缶はたちまち下に落ちてしまうだろう。強い磁力があればジュース缶が下に落ちないということは、磁石が鉄の缶を引き付けるという、物理学でいうところの「仕事」をしているということになるのである。
「宇宙エネルギーの超革命」(深野一幸著・廣済堂出版) よりここで引用したのは、実際に出版されている、「永久機関を作ることができる」という主張をしている本です。つまり、現代でもこういうことを言っている人がいるわけです。本気で信じているのか、一種の詐欺なのかはわかりませんが、物理における「仕事」という言葉の意味がちゃんとわかっていれば、上のような文章が大間違いであることはすぐにわかります。