玩具“饮水鸟”中存在的物理知识

从“永动机”的设想开始,人们在不断寻找无需外界输入能源也能够永远工作的机器。有这样一只鸟,它似乎能够不停地重复着同一个动作,那就是饮水鸟。

饮水鸟是一种儿童玩具,外形似鸟,主体由玻璃管制成:它的身体是一根玻璃管,管的上端是一个小球,它被当作是“鸟头”,在管的下端是一个大球,即“鸟尾”。球内装有液体,管的下端浸在液面下。整个“鸟身”即玻璃管是密闭的,被架在一个类似“鸟腿”的底座上。为了不让人看清饮水鸟身体里的秘密,玻璃管被涂成了黑色,为其增加了神秘色彩。

饮水鸟神奇在哪里呢?在饮水鸟面前放一杯水,它就会俯下身去,把嘴浸到水里“喝”一口后又直立起来;然后,它又会俯下身去“喝”水后再次直立起来。只要有水在饮水鸟面前能让它完成“喝”这个动作,鸟儿就会一直重复动作下去,好像传说中的“永动机”。

无需机械外力和现代的电、磁等能量的帮助,只需要一杯水就能运动。这是为什么呢?

饮水鸟能够动作的前提是必须用水打湿鸟头。鸟头淋湿后,小鸟保持直立姿势,此时饮水鸟下端的玻璃球和里面的液体比“鸟头”重。过一会后,液体开始沿着玻璃管上升,当液面升到玻璃管上口时,重心向上,此时“头”比“脚”重。上部变重身体前倾,鸟嘴向前俯到杯子上。当鸟身到达水平位置时,下端玻璃管的开口就会露出液面,玻璃管中的液体回流到下端的大玻璃球,使重心下降,“鸟尾”比头部重,让小鸟恢复直立。这就是饮水鸟“喝水”的过程。 

重点是,玻璃管中的液体为什么会流动呢?

这就需要知道玻璃管中装的是什么液体了。饮水鸟内部的液体是乙醚,它是一种易挥发的液体,在高温环境中很容易蒸发。而液体的饱和蒸汽所产生的压力又会随温度的改变而剧烈地改变。这就为饮水鸟的动作提供了条件。

在饮水鸟的头部遇水受冷时,气压下降,尾部的液体因为吸力沿玻璃管上升。上升的液体聚在头部使重量增加,尾部则减轻,重心位置因此发生变化。当重心超过脚架支点而移向头部时,小鸟头部降低,俯身到平衡位置。

在头部降低时,玻璃管的内部产生了两个变化:一是“鸟嘴”浸水打湿;二是鸟身处于水平位置,上下的蒸汽区域连通,两部分的气体混合,气压差消失,但由于吸收了周围空气的热量,蒸汽的温度有所上升。此时上升到头部的液体在本身的重量作用下,流向下端大球,同时,头部的蒸汽因粘水开始冷却。这使得尾部变重,头部上翘,液体集中到尾部,饮水鸟“起身”。

所以,“饮水鸟”头部不断蒸发所吸收的周围空气的热量,就是它能够不断完成“喝水”活动的原动力。

本文由山东省威海市凤林学校二级教师刘欢进行科学性把关。

来源:新华网