Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пьющая птица
Sipping Bird.jpg
Питьевая птица собирается окунуть клюв в воду
КлассификацияТепловые двигатели
ЗаявлениеИгрушка , Научная демонстрация
Источник топливаТеплопередача
Составные частиЛампы, Трубка, Ось, Опора
ИзобретательМайлз В. Салливан / Китайские мастера
Изобрел1945 г. / намного раньше, чем 1920 г.

Пьющие птицы , также известные как ненасытные птички, ныряющие птицы, пьяные птицы, водоплавающие или ныряющие птицы , [1] [2] [3] представляют собой игрушечные тепловые двигатели , имитирующие движения птицы, пьющей воду из источника. Иногда их неправильно считают образцами вечного двигателя . [4]

Строительство и материалы [ править ]

Питьевая птица состоит из двух стеклянных колб, соединенных стеклянной трубкой (шея птицы). Трубка почти полностью входит в нижнюю колбу и прикрепляется к верхней колбе, но не входит в нее. Пространство внутри птицы содержит жидкость, обычно окрашенную. Жидкость обычно представляет собой дихлорметан , также известный как хлористый метилен. Более ранние версии содержали трихлорфторметан . В патенте Майлза В. Салливана 1945 г. предлагался эфир , спирт , четыреххлористый углерод или хлороформ . [5]

Во время производства из устройства удаляется воздух, поэтому пространство внутри корпуса заполняется паром, испаряемым из жидкости. [5] К верхней луковице прикреплен «клюв», который вместе с головкой покрыт фетровым материалом. [5] Птица обычно украшена бумажными глазами, пластмассовым цилиндром и одним или несколькими перьями на хвосте. Вся установка вращается на регулируемой поперечине, прикрепленной к шее.

Несмотря на внешний вид пьющей птицы и ее классификацию как игрушку, существует потенциальная опасность того, что в случае разрушения колбы она может получить осколки тонкого стекла. Ранние модели часто были заполнены легковоспламеняющимися веществами, хотя жидкость в более поздних версиях негорючая. Дихлорметан может вызвать раздражение кожи при контакте и легких при вдыхании. Он может быть опасен для людей с уже существующими заболеваниями сердца, печени или нервной системы и является канцерогеном. [6]

Шаги теплового двигателя [ править ]

Пьющая птица - это тепловой двигатель, который использует разницу температур для преобразования тепловой энергии в разницу давления внутри устройства и выполняет механическую работу . Как и все тепловые двигатели, пьющая птица работает по термодинамическому циклу . Исходное состояние системы - птица с мокрой головой, ориентированной вертикально.

Процесс работает следующим образом: [7]

  1. Вода испаряется с войлока на голове.
  2. Испарение снижает температуру стеклянной головки ( теплота испарения ).
  3. Снижение температуры вызывает конденсацию части паров дихлорметана в головке.
  4. Более низкая температура и конденсация вместе вызывают падение давления в головке (что определяется уравнениями состояния ).
  5. Чем выше давление пара в более теплом основании, тем выше жидкость.
  6. Когда жидкость поднимается, птица становится тяжелой и опрокидывается.
  7. Когда птица опрокидывается, нижний конец шейной трубки поднимается над поверхностью жидкости в нижней луковице.
  8. Пузырь теплого пара поднимается по трубке через этот зазор, вытесняя жидкость по мере продвижения.
  9. Жидкость течет обратно в нижнюю колбу (игрушка устроена так, что при опрокидывании через шею это позволяет). Давление между верхней и нижней лампочками выравнивается.
  10. Вес жидкости в нижней луковице возвращает птицу в вертикальное положение.
  11. Жидкость в нижнем баллоне нагревается окружающим воздухом, температура которого немного выше температуры головы птицы.

Если поставить стакан с водой так, чтобы клюв опускался в него при спуске, птица будет продолжать поглощать воду, и цикл будет продолжаться до тех пор, пока в стакане достаточно воды, чтобы голова оставалась влажной. Однако птица будет продолжать нырять даже без источника воды, пока голова будет влажной или пока сохраняется разница температур между головой и телом. Этот дифференциал может быть создан без испарительного охлаждения в головке; например, источник тепла, направленный на нижнюю колбу, создаст перепад давления между верхом и низом, который приведет в движение двигатель. Конечным источником энергии является температурный градиент между головой игрушки и основанием; игрушка не вечный двигатель .

Физические и химические принципы [ править ]

Файл: The Engineering of the Drinking Bird.webmВоспроизвести медиа
Видео Создание питьевой птицы

Пьющая птица - это проявление нескольких физических законов и, следовательно, основной элемент образования в области химии и физики . К ним относятся:

  • Дихлорметан с низкой температурой кипения (39,6 ° C, 103.28 ° F при стандартном давлении р O  = 10 5  Па - в качестве питьевой птицы сначала вакуумируют, частично заполнены и запечатан, давление и , следовательно, температура кипения в питьевой птице быть другим), дает тепловому двигателю возможность извлекать движение из низких температур. Пьющая птица - это тепловой двигатель, работающий при комнатной температуре.
  • Закон комбинированного газа , который устанавливает пропорциональную зависимость между температурой и давлением, оказываемым газом в постоянном объеме.
  • Закон идеального газа , который устанавливает пропорциональную зависимость между количеством частиц газа и давлением в постоянном объеме.
  • Распределение Максвелла – Больцмана , которое устанавливает, что молекулы в заданном пространстве при заданной температуре различаются по уровню энергии и, следовательно, могут существовать в нескольких фазах (твердое тело / жидкость / газ) при одной температуре.
  • Теплота испарения (или конденсации), которая устанавливает, что вещества поглощают (или отдают) тепло при изменении состояния при постоянной температуре.
  • Крутящий момент и центр масс .
  • Капиллярное действие капиллярного войлока.
  • Температура по влажному термометру : разница температур между головой и телом зависит от относительной влажности воздуха.

Рассматривая разницу между температурами влажного и сухого термометров, можно разработать математическое выражение для расчета максимальной работы, которая может быть произведена с заданным количеством «выпитой» воды. Такой анализ основан на определении эффективности теплового двигателя Карно и психрометрических концепциях. [8]

История [ править ]

К 1760-м годам (или ранее) немецкие мастера изобрели так называемый «импульсный молоток» ( Pulshammer ). В 1767 году Бенджамин Франклин посетил Германию, увидел импульсный молоток, а в 1768 году усовершенствовал его. [9] Импульсный молоток Франклина состоял из двух стеклянных колб, соединенных U-образной трубкой; одна из колб была частично заполнена водой в равновесии с ее паром. Если держать частично заполненную лампочку в руке, вода будет стекать в пустую. [10] В 1872 году итальянский физик и инженер Энрико Бернарди соединил три трубки Франклина, чтобы построить простой тепловой двигатель, который приводился в действие за счет испарения, подобно пьющей птице. [11]

В 1881 году Израиль Л. Ландис получил патент на аналогичный колебательный двигатель. [12] Год спустя (1882 г.) братья Иске получили патент на аналогичный двигатель. [13] В отличие от питьевой птицы, в этом двигателе нижний бак был подогретым, а верхний - просто воздушным. В остальном он использовал тот же принцип. Братья Иске за это время получили различные патенты на родственный двигатель, который теперь известен как колесо Минто .

Китайская пьющая птичка 1910-1930-х годов под названием ненасытная птичка описана в книге Якова Перельмана « Физика для развлечений» . [1] Книга объясняет «ненасытный» механизм: «Так как температура headtube становится ниже , чем у хвоста резервуара, это вызывает падение давления насыщенных паров в headtube ...» [1] Это В Шанхае, Китай, говорили, что когда Альберт Эйнштейн и его жена Эльза прибыли в Шанхай в 1922 году, они были очарованы китайской игрушкой «ненасытная птичка». [14] Кроме того, японский профессор игрушек Такао Сакаи из Университета Тохоку, также представила эту китайскую игрушку. [15] Артур М. Хиллери получил патент в 1945 году. Артур М. Хиллери предложил использовать ацетон в качестве рабочей жидкости. [16] Это китайское изобретение было снова запатентовано в США Майлзом В. Салливаном в 1946 году. [5] Он был доктором философии. изобретатель-ученый в Bell Labs в Мюррей-Хилле, штат Нью-Джерси , США. [5] [17] [4]

  • Исраэль Л. Ландис 1881

  • Братья Иске 1881

  • Артур М. Хиллери, 1944 год.

  • Майлз В. Салливан, 1945 [5]

Известное использование в популярной культуре [ править ]

Пьющая птица использовалась во многих вымышленных контекстах для автоматического нажатия кнопок. В эпизоде ​​« Симпсоны » « Гомер королевского размера » Гомер использовал один из них для многократного нажатия клавиши на клавиатуре компьютера. Херб Пауэлл также показал один Гомеру в рамках демонстрации изобретений в эпизоде ​​« Брат, можешь ли ты сэкономить две копейки? ». Два из них использовались в фильме 1990 года Darkman, чтобы вызвать взрывы. Пьющие птицы появились как часть автомата Руба Голдберга в фильме «Большое приключение Пи-Ви» [18] и в эпизоде ​​« Семейный парень » « 8 простых правил покупки дочери-подростка ».

Пьющие птицы использовались как элементы сюжета в мультфильме « Веселые мелодии» 1951 года « Putty Tat Trouble» и в научно-фантастическом триллере 1968 года «Сила» . У них также были незначительные появления в нескольких фильмах и телешоу, включая брифинги миссий в двух эпизодах телесериала « Миссия невыполнима» , фильма Вуди Аллена « Спящий» , научно-фантастического фильма 1979 года « Чужой» (также упоминается в « Чужом 3» и « Чужой: Завет» ) комедия 1989 года, когда Гарри встретил Салли ... , фильм 2008 года Макс Пейн , фильм 2010 года Мегамозг, а также эпизоды американских телешоу Симпсоны , Безумцы и Эд, Эдд и Эдди . В эпизоде ​​508 Mystery Science Theatre 3000 представлена ​​пародия на пьющую птицу, называемую Прыгающим канюком , которая бегает на падаль, а не на воде.

Среди видеоигр пьющая птица появилась как «дракончик-данкин» в игре Sierra Quest for Glory (1989), в интерактивной игре Gremlin Normality (1996) и как предмет мебели «водяная птица» в играх Animal Crossing. (2001). Porygon2 , покемон, представленный в поколении II ( Pokémon Gold и Silver ), похож на пьющую птицу, а в 3D- играх с покемонами он поворачивает голову «окунанием». Совсем недавно в игре Quantum Conundrum (2012) одна из основных игровых механик - пьющая птица, которая используется в качестве таймера для нажатия кнопок. В 2014 годуВ видеоигре Creative Assembly Alien: Isolation пьющие птицы часто можно увидеть на столах в главном месте игры, на станции Севастополь.

В пьесе современного австралийского драматурга Джона Ромерила « Плавающий мир» пьющие птицы являются символической опорой, символизирующей безумие Леса. [19] Их называют «трясущимися птицами», и, возможно, они используются для обозначения подобных вещей из-за того, что Ромерил считает пьющих птиц безумными из-за своей бесполезности и повторяемости.

Альтернативный дизайн [ править ]

В 2003 году Надин Абрахам и Питер Палффи-Мухорай из Огайо, США разработали альтернативный механизм, который использует капиллярное действие в сочетании с испарением для создания движения, но не имеет летучей рабочей жидкости. Их статья «Птица второго вида» [20] была представлена ​​в Американский журнал физики и опубликована в июне 2004 года. В ней описывается механизм, который, хотя и похож на первоначальную пьющую птицу, работает без разницы температур. Вместо этого он использует комбинацию капиллярного действия , гравитационной разности потенциалов и испарения воды для питания устройства.

Эта птица работает следующим образом: она сбалансирована таким образом, что в сухом состоянии опускается вниз головой. Птицу помещают рядом с источником воды так, чтобы в этом положении ее клюв соприкасался с водой. Затем вода поднимается в клюв за счет капиллярного действия (авторы использовали треугольную губку) и переносится капиллярным действием через точку опоры в больший резервуар из губки, который они сделали, чтобы напоминать крылья. Когда резервуар впитает достаточно воды, утяжелившееся дно заставит птицу наклониться вверх головой. Когда клюв вытащен из воды, со временем из губки испаряется достаточно воды, так что первоначальный баланс восстанавливается, и голова снова опускается вниз. Хотя небольшое понижение температуры может произойти из-за охлаждения испарением, это не способствует движению птицы.Устройство работает относительно медленно: среднее измеренное время цикла составляет 7 часов 22 минуты.

См. Также [ править ]

  • Колесо Минто - тепловая машина, состоящая из набора герметичных камер с летучей жидкостью внутри, как у пьющей птицы.
  • Термодинамика - раздел физики, связанный с теплом и температурой и их отношением к энергии и работе.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Перельман, Яков (1972) [1936]. Физика для развлечений . 2 . С. 175–178. ISBN 978-1401309213. [1] [2]
  2. ^ Американское физическое общество (2012). «Ненасытная птичка» . Американское физическое общество с разрешения Hyperion (переиздание).
  3. ^ Институт учителей Exploratorium (1993-07-27). «Экспонатное обучение энергии в эксплоратории» (PDF) . Управление научно-технической информации Министерства энергетики США . п. 3 . Проверено 3 марта 2010 . (URL титульной страницы)
  4. ^ a b «Майлз В. Салливан [..] является членом Фотолитографической группы Биполярного ИЦ ... Он, вероятно, наиболее известен как изобретатель новинки« вечно »пьющей птицы». Рекорд Bell Laboratories: Том 52, 1974 г.
  5. ^ a b c d e f Патент США 2402 463
  6. ^ USDHHS. «Токсикологический профиль хлористого метилена» (PDF) . Проверено 10 сентября 2006 .
  7. ^ Güémez, J .; Valiente, R .; Fiolhais, C .; Фиолхаис, М. (декабрь 2003 г.). «Опыты с пьющей птицей» (PDF) . Американский журнал физики . 71 (12): 1257–1263. Bibcode : 2003AmJPh..71.1257G . DOI : 10.1119 / 1.1603272 . ЛВП : 10316/12328 . Проверено 19 февраля 2012 .
  8. ^ "Три решаемых вручную упражнения по термодинамике для развлечения" . Флорес-Оррего, Даниэль. Политехническая школа Университета Сан-Паулу.
  9. ^ См .:
    • Письмо Бенджамина Франклина Джону Уинтропу от 2 июля 1768 г.
    • Франклин, Бенджамин (1769). Эксперименты и наблюдения за электричеством, сделанные в Филадельфии в Америке… . Лондон, Англия: Дэвид Генри. С. 489–492.
    • Робисон, Джон; Ватт, Джеймс; Брюстер, Дэвид (1822). Система механической философии . т. 2. Эдинбург, Шотландия: Дж. Мюррей. п. 14, сноска.
  10. ^ Видео о работе импульсного молотка Франклина см .:
    • Импульсное стекло
    • Импульсный стакан Франклина
  11. ^ См .:
    • (Редакция) (5 сентября 1874 г.). «Новый мотор» . Scientific American . новая серия. 31 (10): 150. DOI : 10.1038 / Scientificamerican09051874-150 .
    • (Редакция) (17 июля 1874 г.). «Новый мотор» . Английский механик и мир науки . 19 (486): 449.
    • (Редакция) (24 июля 1874 г.). «Новый мотор» . Журнал Общества искусств . 22 : 788.
    • Бернарди, Энрико (1872). " Способ использования тепла окружающей среды для производства небольшой работы " [Способ использования тепла окружающей среды для выполнения небольшой работы]. Rivista Scientifico-Industrialale delle Principali scoperte ed invenzioni… (Научно-промышленный обзор основных открытий и изобретений…) (на итальянском языке). 4 : 297–300.
    • Бернарди, Энрико (1873). " Способ использования тепла окружающей среды для производства небольшой работы " [Способ использования тепла окружающей среды для выполнения небольшой работы]. Atti del Reale Istituto di Scienze, Lettere ed Arti (Труды Королевского Венецианского института науки, литературы и искусства) . 4-я серия (на итальянском). 2 : 1379–1389.
    • Бернарди, Энрико (1874). "Способ использования тепла окружающей среды для производства небольшой работы". Il Nuovo Cimento . 2-я серия (на итальянском). 11 : 27–34. DOI : 10.1007 / bf02738665 . S2CID  120829150 .
  12. ^ US250821
  13. ^ https://www.google.com/patents/US253868
  14. ^ Алиса Calaprice и Тревор Lipscombe, Альберт Эйнштейн: Биография (Greenwood Publishing Group, 2005): 86-87.
  15. ^ 酒井 高 男 (Такао Сакаи) (февраль 1977 г.). お も ち ゃ の 科学(на японском языке). 講 談 社. ISBN 4061179101.
  16. ^ Патент США US2384168
  17. ^ «Доктор Салливан также имеет патенты на несколько новинок, таких как хорошо известная пьющая птица». Электрохимическая технология: Том 6, 1968 г.
  18. ^ "Топ 5 хитростей фильма" . Киновые циники. Архивировано из оригинала на 2012-03-10. (с видео)
  19. ^ https://www.australianbookreview.com.au/reading-australia/john-romeril/the-floating-world-by-john-romeril%7Ctitle=Reading [ постоянная мертвая ссылка ] Австралия: «Плавающий мир» Джона Ромерил
  20. ↑ Авраам, Надин; Палфи-Мухорай, Питер (июнь 2004 г.). «Птица-ныряльщик второго рода» (PDF) . Американский журнал физики . 72 (6): 782–785. Bibcode : 2004AmJPh..72..782A . DOI : 10.1119 / 1.1703543 . Проверено 19 февраля 2012 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Мориарти, Филипп (2009). «Питьевая утка» . Шестьдесят символов . Brady Харан для Ноттингемского университета .