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给孩子最好的科学教育

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今天介绍一个非常有趣的玩具,许多人在不明原理的情况下,还会以为它是永动机。

爱因斯坦访问上海的时候,就曾对这个玩具感到有趣,不过他研究了3个半月,还是没有想出它的原理。

你能尝试在不看答案的情况下,发现它的运作机制吗?

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关键概念

热机

材料和操作

一个喝水鸟玩具(网上有卖,有时也叫饮水鸟,大概20多块钱一个)

不同液体,如水,酒

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这个玩具是这样玩的,把鸟头按到水里浸湿,然后让鸟站直。等一会儿,鸟就会自动开始定时喝水。

有趣的是,在鸟开始低头喝水前,鸟身体里的液体就会上升。而等到它喝到水了,液体会流回肚子里,它又会重新站直。

你可以尝试把水换成其他液体,看看鸟喝水的频率会不会发生变化。

观察一下鸟的肚子,然后用手捂住鸟的肚子,看看鸟会不会开始喝水?

最后,还可以测量一下,把水拿开,鸟要过多久才会不动?

你想到它背后的原理了吗?(实在想不出来,再看原理的部分哦)

原理

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大型喝水鸟行为艺术现场

@Daniel Reynolds

这个玩具有很长的历史,早在18世纪,德国的匠人就制造出了喝水鸟的前身——脉冲榔头(Pulshammer)。1767年美国开国元勋,科学家本杰明·富兰克访问德国的时候,就注意到了这个玩具,并把它带到了美国,并进行了改良。富兰克林的这个版本,后来叫做富兰克林的手掌玻璃瓶。

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Franklin's palm glass,在德国叫做Pulshammer,或liebesbarometer

1872年,意大利物理学家 Enrico Bernardi 对富兰克林的脉冲榔头再次进行了改造。

不过它的现代版本是贝尔实验室的科学家 Miles V. Sullivan 设计的,并在1945年申请了专利。Sullivan 是一位半导体制造方面的专家,不过他也超爱设计玩具。

根据1962年11月25日的 This Week Magazine 的报道,美国总统,同时也是工程师的赫伯特·胡佛(Herbert Hoover)就对这个玩具赞不绝口。

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Yakov Perelman 编著的《趣味物理学续编》中的永不满足的小鸟

根据前苏联科普作家 Yakov Perelman 编著的《趣味物理学续编》(Physics for Entertainment)介绍,我国曾经也有类似的玩具。爱因斯坦1922年访问上海的时候,就对这个叫做永不满足的小鸟(insatiable birdie)的玩具很着迷。但是他研究了这个玩具3个半月,但最终也没有想通它的原理。

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你可以尝试把水杯拿开,就会发现这个鸟还是在不停低头喝不存在的水。大概需要一段时间,鸟才会完全停止不动。

不过,只要鸟的面前有水,它就会一直喝水不会停。太奇怪了吧!

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实际上,如果把鸟头的帽子拿掉,会看到喝水鸟的头部是一个玻璃球。

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@Bill Hammack

如果用几滴酒精滴在玻璃球上面让它降温,下方的液体就会上涌,改变鸟鸟的重心位置,使它低头。

鸟肚子里的液体是二氯甲烷或者乙醚,它们都是低沸点的有机溶剂。鸟头的尖尖里有一根管子通到鸟肚子里,当时这些液体就是这样被注入的。

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注入液体后,液体被冻成固体,然后管子就被抽真空,尖头被封住了。

由于二氯甲烷沸点低,一个大气压时沸点只有39摄氏度,很容易蒸发。它蒸发成气体填满了鸟鸟的头部。

不知道讲到这里,你有没有看出门道来。

实际上,鸟头部和脖子这里的管道的二氯甲烷蒸汽,和鸟肚子上方的二氯甲烷蒸汽没有联通。

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当然,用中学物理知识可以知道,当二氯甲烷在管子内外的液面保持相同的水平时,这两块蒸汽的气压是一样的。

然而,当鸟头冷却时,二氯甲烷蒸汽凝结,所以脖子管道内的气压降低,液面上升,二氯甲烷顺着脖子流到了头部,鸟的重心发生变化,于是倾斜。

可是,当鸟的倾斜程度到达一定角度时,鸟肚子里的空气上升跑到鸟头这里,鸟头和肚子里的气体联通起来,于是液体就流回了鸟肚子。

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接着,又重复这个循环。

为了让鸟头更好地降温,鸟头的材料一般容易吸水,蒸发的水分带走热量(大概降低0.3摄氏度),使鸟头里的二氯甲烷蒸汽凝结。

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明白了喝水鸟的原理,你就能知道,如果加热鸟肚子,鸟肚子里的气体压强变大,液体也会上头让鸟低头鞠躬。

对了,2019年浙江中考丽水卷就出了喝水鸟的题——

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实际上,喝水鸟是一种热机,也就是把热能转化为机械能的机器。

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热机 Minto wheel

@wikimedia

喝水鸟和19世纪的热机 Minto wheel 的原理有些类似。

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用8个喝水鸟做的Minto wheel

@exergia

既然是这么好用的热机,机智的网友争先恐后地开发了喝水鸟的实用性——

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喝水鸟发明人:我发明了给杯水就能永远磕头的小鸟,我真是个天才啊!ヽ( ^∀^)ノ

喝水鸟内心OS:你试试 Loop (if 脑袋一凉 then 就想吐,if 呕到嘴巴里then 再咽回去)。( *・ω・)✄╰ひ

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这个200年的玩具,爱因斯坦玩了3个月也不知道原理 | 科学DIY

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这个200年的玩具,爱因斯坦玩了3个月也不知道原理