這個200年的玩具，愛因斯坦玩了3個月也不知道原理 | 科學DIY

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今天介紹一個非常有趣的玩具，許多人在不明原理的情況下，還會以為它是永動機。

愛因斯坦訪問上海的時候，就曾對這個玩具感到有趣，不過他研究了3個半月，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)它的運作機制嗎？

關(guān)鍵概念

熱機

材料和操作

一個喝水鳥玩具（網(wǎng)上有賣，有時也叫飲水鳥，大概20多塊錢一個）

不同液體，如水，酒

這個玩具是這樣玩的，把鳥頭按到水里浸濕，然后讓鳥站直。等一會兒，鳥就會自動開始定時喝水。

有趣的是，在鳥開始低頭喝水前，鳥身體里的液體就會上升。而等到它喝到水了，液體會流回肚子里，它又會重新站直。

你可以嘗試把水換成其他液體，看看鳥喝水的頻率會不會發(fā)生變化。

觀察一下鳥的肚子，然后用手捂住鳥的肚子，看看鳥會不會開始喝水？

最后，還可以測量一下，把水拿開，鳥要過多久才會不動？

你想到它背后的原理了嗎？（實在想不出來，再看原理的部分哦）

原理

大型喝水鳥行為藝術(shù)現(xiàn)場

@Daniel Reynolds

這個玩具有很長的歷史，早在18世紀，德國的匠人就制造出了喝水鳥的前身——脈沖榔頭（Pulshammer）。1767年美國開國元勛，科學家本杰明·富蘭克訪問德國的時候，就注意到了這個玩具，并把它帶到了美國，并進行了改良。富蘭克林的這個版本，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，意大利物理學家 Enrico Bernardi 對富蘭克林的脈沖榔頭再次進行了改造。

不過它的現(xiàn)代版本是貝爾實驗室的科學家 Miles V. Sullivan 設計的，并在1945年申請了專利。Sullivan 是一位半導體制造方面的專家，不過他也超愛設計玩具。

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

Yakov Perelman 編著的《趣味物理學續(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年訪問上海的時候，就對這個叫做永不滿足的小鳥（insatiable birdie）的玩具很著迷。但是他研究了這個玩具3個半月，但最終也沒有想通它的原理。

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

不過，只要鳥的面前有水，它就會一直喝水不會停。太奇怪了吧！

實際上，如果把鳥頭的帽子拿掉，會看到喝水鳥的頭部是一個玻璃球。

@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，它們都是低沸點的有機溶劑。鳥頭的尖尖里有一根管子通到鳥肚子里，當時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。

由于二氯甲烷沸點低，一個大氣壓時沸點只有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。

當然，用中學物理知識可以知道，當二氯甲烷在管子內(nèi)外的液面保持相同的水平時，這兩塊蒸汽的氣壓是一樣的。

然而，當鳥頭冷卻時，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，當鳥的傾斜程度到達一定角度時，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，又重復這個循環(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變大，液體也會上頭讓鳥低頭鞠躬。

對了，2019年浙江中考麗水卷就出了喝水鳥的題——

實際上，喝水鳥是一種熱機，也就是把熱能轉(zhuǎn)化為機械能的機器。

熱機 Minto wheel

@wikimedia

喝水鳥和19世紀的熱機 Minto wheel 的原理有些類似。

用8個喝水鳥做的Minto wheel

@exergia

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

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