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

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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？

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

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

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。

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。

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。

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！

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。

@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。

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。

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。

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)。

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——

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。

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。

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——

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