玩具“饮水小鸭”的工作原理是什么?

玩具“饮水小鸭”的工作原理是什么?
玩具“饮水小鸭”的工作原理是什么?

玩具“饮水小鸭”的工作原理是什么?

这是一个神奇的玩具,它的名字叫“饮水鸭”,也有人叫它“饮水鸟”.它既不需要电力推动,也不需要上紧发条,却会不断地低头“饮水”,然后又直立起来,循环往复、永无休止! 

    “饮水鸟”的工作状态类似“永动机”,它曾经让当代最伟大的科学家爱因斯坦也惊叹不已.据说,曾有人将这个涂了颜色、看不见内部奥秘的“饮水鸟”赠送给爱因斯坦博士,并说,科学家不是说永动机是不可能的吗?现在就请你瞧瞧这台永动机!当爱因斯坦看过并明白其原理后,十分惊叹“饮水鸟”的巧妙设计.因此这个玩具也就被叫做“爱因斯坦也吃惊的玩具”.  

    这种“饮水鸟”至少是在上世纪30年代就已经存在了.但是它到底是谁发明的?在什么时候发明的?都没有文献记载.有人说它是中国古代发明的玩具,例如有以下一些线索：  

    前苏联著名的科普作家雅·依·别莱利曼(Я.И.Перельман) 曾在1936年编著的《趣味物理学续编》中写到：有一种中国的儿童玩具,谁见了都觉得奇怪.它的名字叫“饮水小鸭”.把这小鸭放在一杯水前面,小鸭就会俯下身去把嘴浸到杯里, “喝”完一口水,又直立起来.可是直立一会儿,又会慢慢俯下身去,等到鸭嘴够到了水, “喝”了一口,又会直立起来.这种玩具是“不花钱”的发动机的一个典型. 

    别莱利曼一生写了105本书,其中大部分是趣味科学读物.第二次世界大战中,在德国法西斯侵略军围困列宁格勒期间,这位对世界科普事业作出非凡贡献的趣味科学大师,不幸于1942年3月16日饿死. 

    另外,日本东北大学教授酒井高男编著的《玩具与科学》中也提到过这个玩具. 

    1946年,在美国的一份专利文件中,Miles V.Sullivan 描述了一个类似的派生设计(专利第2402463号). 

    饮水鸟属于“热力发动机”类型.它是利用物理学中的蒸发凝结、力平衡等原理设计制成的一种装饰性摆件玩具. 了解它的基本工作原理,并不需要多么高深的物理学热力学知识! 

    乍一看,饮水鸟的结构有点象温度计.不过,它和温度计不一样,因为温度计是靠液体自身的热胀冷缩工作,而饮水鸟是靠蒸气的压力来工作. 

    这只鸟的身体包括2个玻璃球和1支玻璃管,玻璃管将二个玻璃球互联起来,形成一个密闭的空心腔体.在玻璃管上的适当位置固定了转动轴,转动轴的支架被设计成鸟腿部的形状. 

    2只玻璃球中,一只较小的作为头部,另外一只在下面作为腹部.玻璃管的下端一直伸到了接近腹底的位置.在身体内部有少量的特别的液体,通常采用被溶解了鲜艳颜色的亚甲基氯化物——二氯甲烷（CH2CL2）或者液态乙醚（C2H5OC2H5).这一类液体很容易蒸发,它们标准的沸点接近室温,也就是说它们在室温下就能够气化变成蒸气. 

    由于腹部有液体,使重心在转动轴以下,因此这只鸟最初是呈站立的姿态. 

    尾部粘上的一束羽毛纯粹是为了装饰用,它对于饮水鸟的工作基本上没有贡献. 

    还有一个不能不提到的物品是1杯水,没有它,饮水鸟是不会动作的!别忘了这杯水的作用. 

    头部（包括嘴部）通常被粘上一层红色毛毡,这种材料的吸水性很好.在第一次使用时,你要把饮水鸟的头部按在水杯里,让这只鸟头部的毛毡吸水被浸湿.当你放开手后,这只鸟摇摆起来.由于毛毡上水的蒸发,导致头变得比腹部温度稍低（即有一个“微温差”）.而鸟的摇摆的行动又协助了蒸发的加速（就象你沾水的手在空中挥舞感到更凉快一样）,真是天作之合! 

    虽然头部和玻璃管的上部看起来好象是空的,但是它们里面实际上是充满了从二氯甲烷蒸发出来的蒸气.二氯甲烷或者乙醚是制作饮水鸟的绝好材料,因为它们都具有“低潜热”,很容易蒸发,不需要获取很多热量就能气化变成蒸气. 

    由于头部温度降低,一些蒸气冷凝,成为流动的小液滴（就象水蒸汽接触到冷的玻璃窗凝结成为小水滴流下来一样）. 

    蒸气凝结成为小液滴后,占用的空间减少,这使头部里面的压力比腹部稍低,头部和腹部之间的压力不平衡,导致了液体被吮进玻璃管上升进入头部.你也可以理解为腹部液体产生的蒸汽压力推动液体沿玻璃管上升进入头部（因为头部气压低于腹部）,这更减少了头部蒸汽的数量,同时降低了腹部压力.这样更加进一步导致液体蒸发,造成更多蒸汽将更多的液体强制压入玻璃管上升进入头部. 

    随着液体沿玻璃管上升进入头部,它逐渐改变了这只饮水鸟的重心.使重心逐渐移动到转动轴以上,这导致它倾斜越来越多,直到它最终“头重脚轻”地低头“饮水”.这个动作正是我们所希望看到的“饮水”效果.但是,我认为这个动作更重要的意义在于它使饮水鸟巧妙地补充了头部毛毡所蒸发掉的水份. 

    当饮水鸟的身体差不多呈水平状态时,在腹部内的玻璃管的末端与液体脱离接触, 2只玻璃球的空间连通,在腹部的液体之上的蒸气现在可以迅速地通过玻璃管进入到头部,使头部和腹部的气压相等,气压差消失.这时,以前移动到头部的液体汩汩地向下流回腹部. 

    由于头部的液体流回腹部,它迅速地移动了重心,使其回到转动轴以下比较低的腹部,因此这只鸟的头部离开玻璃杯,摇摆着恢复直立状态.然后,头部毛毡上的水份又蒸发,饮水鸟重复上述过程,不停循环,就如同一台“永动机”一样时刻不停地工作着.

原来“饮水鸟”内的液体是乙醚一类易挥发的液体，在高温里很容易蒸发，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的改变。a.头部受冷，气压下降，尾部的液体因为吸力沿颈部上升。这样头的重量在增加，尾部的重量在减轻，重心位置发生变化，当重心超过脚架支点而移向头部时，鸟就俯下身到平衡位置。这个位置可以通过鸟嘴的重量来调试。b.头部降低，内部发生两个变化。一是“饮水鸟”的嘴浸到了水，这样鸟头被打湿。二...

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原来“饮水鸟”内的液体是乙醚一类易挥发的液体，在高温里很容易蒸发，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的改变。a.头部受冷，气压下降，尾部的液体因为吸力沿颈部上升。这样头的重量在增加，尾部的重量在减轻，重心位置发生变化，当重心超过脚架支点而移向头部时，鸟就俯下身到平衡位置。这个位置可以通过鸟嘴的重量来调试。b.头部降低，内部发生两个变化。一是“饮水鸟”的嘴浸到了水，这样鸟头被打湿。二是上下的蒸汽区域连通，两部分气体混合，没有了气压差，但由于吸收了周围空气的热量，蒸汽的温度略有上升。这时上升到头部的液体，在本身的重量作用下流向下端尾部。c.尾部变重，头部向上翘，液体全部集中到尾部，同时，头部的蒸汽因为刚粘到的水又开始冷却。
原来“饮水鸟”头部不断蒸发所吸收的周围空气的热量，就是这奇妙的“饮水鸟”能够活动的原动力。正是因为它使用的是周围察觉不到的能源，所以才会被人误认为是永动机。

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