版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系我們

這個(gè)200年的玩具,愛因斯坦玩了3個(gè)月也不知道原理 | 科學(xué)DIY

把科學(xué)帶回家
把有趣、有料、有“味道”的科普知識(shí)一網(wǎng)打盡,讓你愛上科學(xué)。
收藏

本文由公眾號(hào) “把科學(xué)帶回家” 提供

給孩子最好的科學(xué)教育

1569297796%E9%B8%9F6.gif?size=1387030

今天介紹一個(gè)非常有趣的玩具,許多人在不明原理的情況下,還會(huì)以為它是永動(dòng)機(jī)。

愛因斯坦訪問上海的時(shí)候,就曾對(duì)這個(gè)玩具感到有趣,不過他研究了3個(gè)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(fā)現(xiàn)它的運(yùn)作機(jī)制嗎?

1569297819%E9%B8%9F14.gif?size=1015203

關(guān)鍵概念

熱機(jī)

材料和操作

一個(gè)喝水鳥玩具(網(wǎng)上有賣,有時(shí)也叫飲水鳥,大概20多塊錢一個(gè))

不同液體,如水,酒

1569297361%E9%B8%9F3.gif?size=995664

這個(gè)玩具是這樣玩的,把鳥頭按到水里浸濕,然后讓鳥站直。等一會(huì)兒,鳥就會(huì)自動(dòng)開始定時(shí)喝水。

有趣的是,在鳥開始低頭喝水前,鳥身體里的液體就會(huì)上升。而等到它喝到水了,液體會(huì)流回肚子里,它又會(huì)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(huì)不會(huì)發(fā)生變化。

觀察一下鳥的肚子,然后用手捂住鳥的肚子,看看鳥會(huì)不會(huì)開始喝水?

最后,還可以測(cè)量一下,把水拿開,鳥要過多久才會(huì)不動(dòng)?

你想到它背后的原理了嗎?(實(shí)在想不出來,再看原理的部分哦)

原理

1569297395v2-d679922b2c601235e79d6b636e740fbf_b.gif?size=1704865

大型喝水鳥行為藝術(shù)現(xiàn)場(chǎng)

@Daniel Reynolds

這個(gè)玩具有很長(zhǎng)的歷史,早在18世紀(jì),德國的匠人就制造出了喝水鳥的前身——脈沖榔頭(Pulshammer)。1767年美國開國元?jiǎng)祝茖W(xué)家本杰明·富蘭克訪問德國的時(shí)候,就注意到了這個(gè)玩具,并把它帶到了美國,并進(jìn)行了改良。富蘭克林的這個(gè)版本,后來叫做富蘭克林的手掌玻璃瓶。

1569297407v2-85b8bf806626cb37f7d68b6712318ca1_hd.jpg?size=21518

Franklin's palm glass,在德國叫做Pulshammer,或liebesbarometer

1872年,意大利物理學(xué)家 Enrico Bernardi 對(duì)富蘭克林的脈沖榔頭再次進(jìn)行了改造。

不過它的現(xiàn)代版本是貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 Miles V. Sullivan 設(shè)計(jì)的,并在1945年申請(qǐng)了專利。Sullivan 是一位半導(dǎo)體制造方面的專家,不過他也超愛設(shè)計(jì)玩具。

根據(jù)1962年11月25日的 This Week Magazine 的報(bào)道,美國總統(tǒng),同時(shí)也是工程師的赫伯特·胡佛(Herbert Hoover)就對(duì)這個(gè)玩具贊不絕口。

1569297418v2-a94eeb420405f4e1b7271c1b4356c7c1_hd.jpg?size=17404

Yakov Perelman 編著的《趣味物理學(xué)續(xù)編》中的永不滿足的小鳥

根據(jù)前蘇聯(lián)科普作家 Yakov Perelman 編著的《趣味物理學(xué)續(xù)編》(Physics for Entertainment)介紹,我國曾經(jīng)也有類似的玩具。愛因斯坦1922年訪問上海的時(shí)候,就對(duì)這個(gè)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(gè)玩具3個(gè)半月,但最終也沒有想通它的原理。

1569297432%E9%B8%9F8.gif?size=762178

你可以嘗試把水杯拿開,就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)鳥還是在不停低頭喝不存在的水。大概需要一段時(shí)間,鳥才會(huì)完全停止不動(dòng)。

不過,只要鳥的面前有水,它就會(huì)一直喝水不會(huì)停。太奇怪了吧!

1569297453%E9%B8%9F9.gif?size=772212

實(shí)際上,如果把鳥頭的帽子拿掉,會(huì)看到喝水鳥的頭部是一個(gè)玻璃球。

1569297493%E9%B8%9F2.gif?size=90303

@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(huì)上涌,改變鳥鳥的重心位置,使它低頭。

鳥肚子里的液體是二氯甲烷或者乙醚,它們都是低沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑。鳥頭的尖尖里有一根管子通到鳥肚子里,當(dāng)時(shí)這些液體就是這樣被注入的。

1569297609%E9%B8%9F13.gif?size=114758

注入液體后,液體被凍成固體,然后管子就被抽真空,尖頭被封住了。

由于二氯甲烷沸點(diǎn)低,一個(gè)大氣壓時(shí)沸點(diǎn)只有39攝氏度,很容易蒸發(fā)。它蒸發(fā)成氣體填滿了鳥鳥的頭部。

不知道講到這里,你有沒有看出門道來。

實(shí)際上,鳥頭部和脖子這里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(lián)通。

1569297528%E9%B8%9F10.gif?size=104346

當(dāng)然,用中學(xué)物理知識(shí)可以知道,當(dāng)二氯甲烷在管子內(nèi)外的液面保持相同的水平時(shí),這兩塊蒸汽的氣壓是一樣的。

然而,當(dāng)鳥頭冷卻時(shí),二氯甲烷蒸汽凝結(jié),所以脖子管道內(nèi)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(fā)生變化,于是傾斜。

可是,當(dāng)鳥的傾斜程度到達(dá)一定角度時(shí),鳥肚子里的空氣上升跑到鳥頭這里,鳥頭和肚子里的氣體聯(lián)通起來,于是液體就流回了鳥肚子。

1569297628%E9%B8%9F1.gif?size=819649

接著,又重復(fù)這個(gè)循環(huán)。

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

1569297659%E9%B8%9F12.gif?size=523122

明白了喝水鳥的原理,你就能知道,如果加熱鳥肚子,鳥肚子里的氣體壓強(qiáng)變大,液體也會(huì)上頭讓鳥低頭鞠躬。

對(duì)了,2019年浙江中考麗水卷就出了喝水鳥的題——

1569297678v2-cad24329db6101bf88757bea0a52245a_hd.jpg?size=30944

實(shí)際上,喝水鳥是一種熱機(jī),也就是把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。

1569297697v2-dfbc0830805535d478b1bbc8949d1551_b.gif?size=38830

1569297714v2-b7255f3d92864e86678bc21723941920_hd.jpg?size=43363

熱機(jī) Minto wheel

@wikimedia

喝水鳥和19世紀(jì)的熱機(jī) Minto wheel 的原理有些類似。

1569297724%E9%B8%9F7.jpg?size=28726

用8個(gè)喝水鳥做的Minto wheel

@exergia

既然是這么好用的熱機(jī),機(jī)智的網(wǎng)友爭(zhēng)先恐后地開發(fā)了喝水鳥的實(shí)用性——

1569297740%E9%B8%9F11.gif?size=1254946

1569297753%E9%B8%9F5.gif?size=2884531

喝水鳥發(fā)明人:我發(fā)明了給杯水就能永遠(yuǎn)磕頭的小鳥,我真是個(gè)天才啊!ヽ( ^?^)?

喝水鳥內(nèi)心OS:你試試 Loop (if 腦袋一涼 then 就想吐,if 嘔到嘴巴里then 再咽回去)。( *?ω?)?╰ひ

1569297762v2-347f6c83cabb6a422b90bcc1a70eba4b_b.gif?size=417663

1569297773%E7%A7%91%E6%99%AE%E4%B8%AD%E5%9B%BDlogo%E7%9A%84%E5%89%AF%E6%9C%AC.png?size=59842

評(píng)論
科普62c8d260b1799
舉人級(jí)
這個(gè)玩具非常有趣,漲知識(shí)!
2022-07-28
逆水的魚兒
舉人級(jí)
長(zhǎng)眼了
2022-05-18
科普人,愛科普
秀才級(jí)
2022-11-01