Вечно пьющая птичка. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 19:30

07.2011

Может быть это все-таки "вечный двигатель"? Раз только макни ее носом в воду, а дальше кажется, что все повторяется само собой ...
Принцип работы пьющей птички не так уж и нов, он был использован еще великим И. Бернулли в термометре для измерения максимальных температур. Интересно, что птичка будет наклоняться и "пить" раз в 5 чаще, если воду в стакане заменить каким-либо спиртовым раствором, а облучение ее светом или теплом также заставит птичку менять частоту своих движений ...

Медленно опускает "пьющая птичка" свой клюв в стоящий перед ней стакан с водой, затем выпрямляется, покачивается слегка туда-сюда, как-будто собирается остановиться, но через некоторое время, как-будто набравшись сил, вновь наклоняется и макает свой клюв в воду.

Так птичка может пить до бесконечности, пока при наклоне под ее клювом будет вода.

Познакомимся с устройством игрушки. Физическая игрушка "пьющая птичка" состоит из двух полых стеклянных шариков соединенных узкой трубочкой. Причем один из концов трубочки впаян в шарик так, что заканчивается недалеко от дна шарика. При изготовлении игрушки система заполняется жидкостью и запаивается. В качестве жидкости берется легко испаряющаяся жидкость с низкой температурой кипения, например, эфир или метанол. Для большего эффекта жидкость подкрашивают. Наливают жидкости столько, чтобы выступающий в шарик конец трубочки, был в нее погружен.

Шарик с выступающей трубочкой - это "живот" птички, противоположный шарик - "головка". Сверху стекло разрисовывается и декорируется под птичку: перья, шляпка, хвостик. Обязательной частью птички является клюв достаточной длины, который часто обклеивают фетром. Игрушка закреплена чуть выше живота на вращающейся горизонтальной оси и опорах, в результате чего птичка может переворачиваться вниз, т.е. "клевать". Для приведения игрушки в действие перед игрушкой ставят стакан с водой и один раз наклоняют ее, чтобы намочить клюв. А дальше все происходит без остановки ... Пока птичка сможет достать клювом воду в стакане об остановке игрушки можно не беспокоиться!

Каковы же причины "самопроизвольных" наклонов?

Изначально внутри замкнутого сосуда-птички есть легко испаряющаяся жидкость, между жидкостью и парами над ее поверхностью устанавливается термодинамическое равновесие. Пары в зависимости от температуры создают давление на жидкость.

Обмакнем клюв птички в поставленный перед ней сосуд с водой и отпустим. Центр тяжести лежит чуть ниже оси вращения(ближе к животу), таким образом, птичка вынуждена будет выпрямиться.

Вода с намокшего фетрового клюва начнет испаряется, при этом головка птички будет охлаждаться. При охлаждении головки термодинамическое равновесие нарушается. Понижение температуры паров в головке ведет к конденсации паров эфира на внутренних стенках головки. Давление паров эфира в головке упадет. Таким образом, давление паров в головке станет меньше, чем давлением паров над жидкостью в животе птички. Так как выравнивание давлений становится возможным только после того, как жидкость будет вытесняться более высоким давлением паров из нижнего сосуда вверх по трубочке, уровень жидкости в трубочке начнет повышаться. Это при ведет к поднятию точки центра тяжести над осью вращения. и птичка перевернется, снова макая клюв в воду.

При перевороте нижний конец трубочки поднимается над поверхностью жидкости, и жидкость из трубочки стекает опять вниз, а давление паров в верхнем и нижнем шарике выравниваются. Центр тяжести опускается, птичка возвращается в вертикальное положение.
Но процесс повторяется, так как клюв уже опять мокрый ... Вот Вам и сказка про бычка, у которой нет конца ...

Если позаботиться, чтобы уровень жидкости в стакане оставался постоянным, то птичка может "пить" вечно!

Но, заметьте! В результате выравнивания давлений паров в верхней и нижней частях птички, давление пара в нижней части трубочки становится меньше первоначального. В нижней части начинается испарение жидкости, и температура жидкости при этом падает. Температура жидкости в нижней части птички становится ниже температуры окружающей среды, и начинается теплопередача от окружающей среды животу птички.

Вот Вам и итог: процессы в птичке можно сравнить с процессами, наблюдаемыми в тепловой машине: циклический процесс (abcd) за счет теплообмена с окружающей средой, при котором внутренняя энергия превращается в механическую.

где:

ab - изотермическое расширение
bc - адиабатический расширение
cd - изотермическое сжатие
da - адиабатическое сжатие

Интересно, что птичка будет наклоняться-"пить" раз в 5 чаще, если воду в стакане заменить каким-либо спиртовым раствором. Даже облучение ее каким-нибудь образом светом или теплом заставляет птичку менять частоту своих движений. Она будет реагировать по-разному, если облучать , например, голову или живот. При облучении головы она замедляет, а затем и вовсе прекращает свои наклоны. Если же направить свет или источник тепла на живот птички, то она оживляется и кланяется чаще. Птичка замирает и тогда, когда ее ставят под стеклянный колпак и откачивают водух. Создается впечатление, что ей нужна не только вода в стакане, но и наличие воздуха вокруг.

Можно даже убрать стакан с водой, но облучать теплом или светом живот птички, В этом случае птичка также будет совершать свои бесконечные наклоны.

Так как же, есть здесь "вечный двигатель" или нет?