【愛因斯坦玩了 3 個月也搞不懂】有 200 年歷史的玩具「喝水鳥」,背後原理大公開!

本文轉載自公眾號「把科學帶回家」(ID:steamforkids)
作者: 實驗君

【為什麼我們要挑選這篇文章】什麼樣的玩具,讓偉大的物理學家愛因斯坦玩了 3 個多月仍然不知道原理?那就是一個已經存在了 200 多年的玩具「喝水鳥」。本文將帶你一次搞懂喝水鳥運作的背後原理,搞懂了之後就能自己 DIY 一個,讓牠一直對你磕頭了呢。(責任編輯:藍立晴)

今天介紹一個非常有趣的玩具,許多人在不明原理的情況下,還會以為它是永動機。

愛因斯坦訪問上海的時候,就曾對這個玩具感到有趣,不過他研究了 3 個半月,還是沒有想出它的原理。

你能嘗試在不看答案的情況下,發現它的運作機制嗎?

關鍵概念: 熱機。(編按:能夠將熱源提供的一部分熱量轉化成為對外輸出的機械能之機器。)

材料與操作

一個喝水鳥玩具(網上有賣,有時也叫飲水鳥,大概 20 多塊人民幣一個)

不同液體,如水,酒

這個玩具是這樣玩的,把鳥頭按到水裡浸濕,然後讓鳥站直。等一會兒,鳥就會自動開始定時喝水。

有趣的是,在鳥開始低頭喝水前,鳥身體裡的液體就會上升。而等到它喝到水了,液體會流回肚子裡,它又會重新站直。

你可以嘗試把水換成其他液體,看看鳥喝水的頻率會不會發生變化。

觀察一下鳥的肚子,然後用手摀住鳥的肚子,看看鳥會不會開始喝水?

最後,還可以測量一下,把水拿開,鳥要過多久才會不動?

你想到它背後的原理了嗎?(實在想不出來,再看原理的部分哦)

所以,喝水鳥的原理究竟是什麼?

大型喝水鳥行為藝術現場 @Daniel Reynolds

這個玩具有很長的歷史,早在 18 世紀,德國的匠人就製造出了喝水鳥的前身——脈衝榔頭(Pulshammer)。1767 年美國開國元勳,科學家本傑明·富蘭克訪問德國的時候,就注意到了這個玩具,並把它帶到了美國,並進行了改良。富蘭克林的這個版本,後來叫做富蘭克林的手掌玻璃瓶。

1872 年,意大利物理學家 Enrico Bernardi 對富蘭克林的脈衝榔頭再次進行了改造。

不過它的現代版本是貝爾實驗室的科學家 Miles V. Sullivan 設計的,並在 1945 年申請了專利。Sullivan 是一位半導體製造方面的專家,不過他也超愛設計玩具。

根據 1962 年 11 月 25 日的 This Week Magazine 的報導,美國總統,同時也是工程師的赫伯特·胡佛(Herbert Hoover)就對這個玩具讚不絕口。

根據前蘇聯科普作家 Yakov Perelman 編著的《趣味物理學續編》(Physics for Entertainment)介紹,中國曾經也有類似的玩具。愛因斯坦 1922 年訪問上海的時候,就對這個叫做永不滿足的小鳥(insatiable birdie)的玩具很著迷。但是他研究了這個玩具 3 個半月,但最終也沒有想通它的原理。

你可以嘗試把水杯拿開,就會發現這個鳥還是在不停低頭喝不存在的水。大概需要一段時間,鳥才會完全停止不動。

不過,只要鳥的面前有水,它就會一直喝水不會停。太奇怪了吧!

 

 

 

 

 

讓我們把喝水鳥「解剖」開來一探究竟

實際上,如果把鳥頭的帽子拿掉,會看到喝水鳥的頭部是一個玻璃球。

@Bill Hammack

如果用幾滴酒精滴在玻璃球上面讓它降溫,下方的液體就會上湧,改變鳥鳥的重心位置,使它低頭。

鳥肚子裡的液體是二氯甲烷或者乙醚,它們都是低沸點的有機溶劑。鳥頭的尖尖裡有一根管子通到鳥肚子裡,當時這些液體就是這樣被注入的。

注入液體後,液體被凍成固體,然後管子就被抽真空,尖頭被封住了。

由於二氯甲烷沸點低,一個大氣壓時沸點只有 39 攝氏度,很容易蒸發。它蒸發成氣體填滿了鳥鳥的頭部。

不知道講到這裡,你有沒有看出門道來。

實際上,鳥頭部和脖子這裡的管道的二氯甲烷蒸汽,和鳥肚子上方的二氯甲烷蒸汽沒有聯通。

當然,用國中物理知識可以知道,當二氯甲烷在管子內外的液面保持相同的水平時,這兩塊蒸汽的氣壓是一樣的。

然而,當鳥頭冷卻時,二氯甲烷蒸汽凝結,所以脖子管道內的氣壓降低,液面上升,二氯甲烷順著脖子流到了頭部,鳥的重心發生變化,於是傾斜。

可是,當鳥的傾斜程度到達一定角度時,鳥肚子裡的空氣上升跑到鳥頭這裡,鳥頭和肚子裡的氣體聯通起來,於是液體就流回了鳥肚子。

接著,又重複這個循環。

為了讓鳥頭更好地降溫,鳥頭的材料一般容易吸水,蒸發的水分帶走熱量(大概降低 0.3 攝氏度),使鳥頭裡的二氯甲烷蒸汽凝結。

明白了喝水鳥的原理,你就能知道,如果加熱鳥肚子,鳥肚子裡的氣體壓強變大,液體也會上頭讓鳥低頭鞠躬。

對了,2019 年浙江中考麗水卷就出了喝水鳥的題——

喝水鳥是「熱機」的一種

實際上,喝水鳥是一種熱機,也就是把熱能轉化為機械能的機器。



喝水鳥和 19 世紀的熱機 Minto wheel 的原理有些類似。


既然是這麼好用的熱機,機智的網友爭先恐後地開發了喝水鳥的實用性——

喝水鳥發明人:我發明了給杯水就能永遠磕頭的小鳥,我真是個天才啊!ヽ( ^∀^)ノ

喝水鳥內心 OS:你試試 Loop ( if 腦袋一涼 then 就想吐,if 嘔到嘴巴裡 then 再咽回去)。
( *・ω・)✄╰ひ

(本文經原作者 把科學帶回家 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈这个 200 年的玩具,爱因斯坦玩了 3 个月也不知道原理 〉。)

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