stringtranslate.com

Пьющая птица

Пьющие птицы , также известные как ныряющие птицы, пьющие птицы, водоплавающие птицы или ныряющие птицы [1] [2] [3] — игрушечные тепловые двигатели , которые имитируют движения птицы, пьющей из источника воды. Иногда их ошибочно считают примерами вечного двигателя. [4]

Строительство и материалы

Птица-поилка состоит из двух стеклянных колб, соединенных стеклянной трубкой (шеей/телом птицы). Трубка почти полностью входит в нижнюю колбу и крепится к верхней колбе, но не входит в нее.

Пространство внутри птицы содержит жидкость, обычно окрашенную для видимости. (Этот краситель может выцветать под воздействием света, со скоростью, зависящей от красителя/цвета). [5] Жидкость обычно представляет собой дихлорметан (ДХМ), также известный как метиленхлорид. [6] [7] Более ранние версии содержали трихлорфторметан . [7] Патент Майлза В. Салливана 1945 года предполагал эфир , спирт , четыреххлористый углерод или хлороформ . [8]

Воздух удаляется из аппарата во время изготовления, поэтому пространство внутри корпуса заполняется паром, испаряющимся из жидкости. [8] К верхней колбе прикреплен «клюв», который вместе с головой покрыт войлочным материалом. [8] Птица обычно украшена бумажными глазами, пластиковым цилиндром и одним или несколькими хвостовыми перьями. Все устройство вращается на крестовине, прикрепленной к корпусу.

Шаги теплового двигателя

Видео пьющей птицы

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

Процесс происходит следующим образом: [9]

  1. Вода испаряется с войлока на голове.
  2. Испарение снижает температуру стеклянной головки ( теплоту парообразования ).
  3. Снижение температуры приводит к конденсации части паров дихлорметана в головке.
  4. Более низкая температура и конденсация вместе приводят к падению давления в головке (регулируется уравнениями состояния ).
  5. Более высокое давление пара в более теплом основании выталкивает жидкость вверх по горлышку.
  6. По мере того как уровень жидкости поднимается, птица становится тяжелой сверху и опрокидывается.
  7. Когда птица опрокидывается, нижний конец шейной трубки поднимается над поверхностью жидкости в нижнем баллоне.
  8. Через этот зазор по трубке поднимается пузырек теплого пара, вытесняя по пути жидкость.
  9. Жидкость стекает обратно в нижнюю колбу (игрушка сконструирована таким образом, что при опрокидывании наклон горлышка позволяет это сделать). Давление выравнивается между верхней и нижней колбами.
  10. Вес жидкости в нижней колбе возвращает птицу в вертикальное положение.
  11. Жидкость в нижней колбе нагревается окружающим воздухом, температура которого немного выше температуры головы птицы.

Если поставить стакан с водой так, чтобы клюв погружался в него при спуске, птица будет продолжать впитывать воду, и цикл будет продолжаться до тех пор, пока в стакане будет достаточно воды, чтобы поддерживать голову влажной. Однако птица будет продолжать погружаться даже без источника воды, пока голова мокрая или пока поддерживается разница температур между головой и телом. Эта разница может быть создана без испарительного охлаждения в голове; например, источник тепла, направленный на нижнюю колбу, создаст разницу давлений между верхом и низом, которая будет приводить в действие двигатель. Конечным источником энергии является градиент температуры между головой и основанием игрушки; игрушка не является вечным двигателем.

Физические и химические принципы

Видео «Инженерия пьющей птицы»

Пьющая птица является демонстрацией нескольких физических законов и поэтому является основой базового химического и физического образования. Они включают в себя:

На работу птицы также влияет относительная влажность . [10] [11]

Используя смесь воды и этанола вместо воды, можно продемонстрировать эффект различных скоростей испарения. [12]

Рассматривая разницу между температурами влажного и сухого термометра, можно разработать математическое выражение для расчета максимальной работы, которая может быть произведена из заданного количества «выпитой» воды. Такой анализ основан на определении эффективности тепловой машины Карно и психрометрических концепциях. [13]

Пьющую птицу можно также считать энтропийным двигателем, приводимым в движение разницей энтропии жидкой воды и энтропии водяного пара, диспергированного в воздухе, то есть суммой энтропии испарения чистой воды плюс энтропии разбавления водяного пара в воздухе. Испарение воды является эндотермическим процессом, требующим ввода тепловой энергии или положительного потока энтальпии из окружающей среды. Поскольку спонтанный процесс требует отрицательного изменения свободной энергии Гиббса , положительная энтальпия должна быть преодолена большим увеличением энтропии.

История

К 1760-м годам (или ранее) немецкие мастера изобрели так называемый «импульсный молот» ( Pulshammer ). В 1767 году Бенджамин Франклин посетил Германию, увидел импульсный молот и в 1768 году усовершенствовал его. [14] Импульсный молот Франклина состоял из двух стеклянных колб, соединенных U-образной трубкой; одна из колб была частично заполнена водой в равновесии с ее парами. Если держать частично заполненную колбу в руке, вода перетекала в пустую колбу. [15] В 1872 году итальянский физик и инженер Энрико Бернарди объединил три трубки Франклина, чтобы построить простой тепловой двигатель, который работал за счет испарения, подобно тому, как пьет птица. [16]

В 1881 году Израиль Л. Ландис получил патент на аналогичный колебательный двигатель. [17] Год спустя (1882) братья Иске получили патент на аналогичный двигатель. [18] В отличие от пьющей птицы, в этом двигателе нижний бак нагревался, а верхний бак просто охлаждался воздухом. В остальном он использовал тот же принцип. Братья Иске в то время получили различные патенты на родственный двигатель, который теперь известен как колесо Минто .

Китайская игрушка-птица, пьющая воду, датируемая 1910–1930-ми годами, под названием « ненасытная птичка » описана в книге Якова Перельмана «Физика для развлечений» . [1] В книге объясняется механизм «ненасытности»: «Поскольку температура головной трубы становится ниже температуры хвостового резервуара, это вызывает падение давления насыщенных паров в головной трубе...» [1] 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». [19]

Кроме того, японский профессор игрушек Такао Сакаи из Университета Тохоку также представил эту китайскую игрушку. [20]

Артур М. Хиллери получил патент США в 1945 году. Артур М. Хиллери предложил использовать ацетон в качестве рабочей жидкости. [21] Он был снова запатентован в США Майлзом В. Салливаном в 1946 году. [8] Он был доктором философии, изобретателем-ученым в Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси , США. [8] [22] [4] Роберт Т. Плейт получил патент США на дизайн в 1947 году, который ссылается на патент Артура М. Хиллери. [23]

Известное использование в популярной культуре

Пьющая птица использовалась во многих вымышленных контекстах. Пьющие птицы были представлены как элементы сюжета в мультфильме Merrie Melodies Putty Tat Trouble 1951 года и научно-фантастическом триллере The Power 1968 года . В S4E11 комедийного сериала Arrested Development бредовый персонаж слышит голос Бога, говорящего через пьющую птицу. [24]

В пьесе австралийского драматурга Джона Ромерила «Плавающий мир » пьющие птицы являются символическим реквизитом, который олицетворяет прогрессирование безумия Леса. [25]

Альтернативный дизайн

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-ныряльщик второго рода» [26] была представлена ​​в American Journal of Physics и опубликована в июне 2004 года. В ней описывается механизм, который, хотя и похож на оригинальную птицу-пьющую, работает без разницы температур. Вместо этого он использует комбинацию капиллярного действия , разности гравитационных потенциалов и испарения воды для питания устройства.

Эта птица работает следующим образом: она сбалансирована таким образом, что, будучи сухой, она наклоняется в положение головой вниз. Птицу помещают рядом с источником воды таким образом, чтобы это положение приводило ее клюв в соприкосновение с водой. Затем вода поднимается в клюв капиллярным действием (авторы использовали треугольную губку) и переносится капиллярным действием мимо точки опоры в более крупный резервуар из губки, который они сделали похожим на крылья. Когда резервуар впитывает достаточно воды, теперь тяжелое дно заставляет птицу наклоняться в положение головой вверх. Когда клюв находится вне воды, в конечном итоге из губки испаряется достаточно воды, чтобы восстановить исходное равновесие, и голова снова наклоняется вниз. Хотя небольшое падение температуры может произойти из-за испарительного охлаждения, это не способствует движению птицы. Устройство работает относительно медленно, среднее измеренное время цикла составляет 7 часов 22 минуты.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Перельман, Яков (1972) [1936]. Физика для развлечения. Т. 2. С. 175–178. ISBN 978-1401309213.
  2. ^ Американское физическое общество (2012). "Ненасытная пташка". Американское физическое общество, с разрешения Hyperion (переиздание).
  3. ^ Институт преподавателей Exploratorium (1993-07-27). "Обучение энергетике на основе экспонатов в Exploratorium" (PDF) . Министерство энергетики США, Офис научной и технической информации : 3. doi : 10.2172/6421909 . Получено 2010-03-03 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ) (URL-адрес титульного листа)
  4. ^ ab "Майлз В. Салливан [..] является членом группы фотолитографии в биполярной ИС ... Он, вероятно, наиболее известен как изобретатель новинки в виде «вечно» пьющей птицы". Отчет Bell Laboratories: Том 52 1974
  5. ^ Guy, The Souvenir (9 февраля 2015 г.). «Пьющие птицы и ручные котлы — почему эти ретро-сувениры все еще так популярны». Souvenirbuyers.com . Получено 30 января 2022 г.
  6. ^ «Как работает птица-невидимка?». Science.howstuffworks.com . 5 апреля 2001 г.
  7. ^ ab "Как работает научная игрушка "Пьющая птица"". Thoughtco.com .
  8. ^ abcdef Патент США 2,402,463
  9. ^ Güémez, J.; Valiente, R.; Fiolhais, C.; Fiolhais, M. (декабрь 2003 г.). "Эксперименты с пьющей птицей" (PDF) . American Journal of Physics . 71 (12): 1257–1263. Bibcode :2003AmJPh..71.1257G. doi :10.1119/1.1603272. hdl : 10316/12328 . Архивировано из оригинала (PDF) 2011-07-01 . Получено 2012-02-19 .
  10. ^ "The Dipping Happy Bird" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2021-08-01 . Получено 2021-08-01 .
  11. ^ Güémez, J.; Valiente, R.; Fiolhais, C.; Fiolhais, M. (декабрь 2003 г.). «Эксперименты с пьющей птицей». American Journal of Physics . 71 (12): 1257–1263. Bibcode :2003AmJPh..71.1257G. doi :10.1119/1.1603272. hdl : 10316/12328 . Получено 30 января 2022 г. .
  12. ^ "The Engineering of the Drinking Bird" . Получено 30 января 2022 г. – через YouTube .
  13. ^ Флорес-Оррего, Даниэль. «Три решённых вручную упражнения по термодинамике для развлечения». Флорес-Оррего, Даниэль. Политехническая школа, Университет Сан-Паулу.
  14. ^ См.:
    • Письмо Бенджамина Франклина Джону Уинтропу от 2 июля 1768 г.
    • Франклин, Бенджамин (1769). Эксперименты и наблюдения над электричеством, сделанные в Филадельфии в Америке… Лондон, Англия: Дэвид Генри. С. 489–492.
    • Робинсон, Джон; Уатт, Джеймс; Брюстер, Дэвид (1822). Система механической философии. Т. 2. Эдинбург, Шотландия: Дж. Мюррей. стр. 14, сноска.
  15. ^ Видеоролики работы импульсного молота Франклина см. в примерах на YouTube :
    • Импульсное стекло
    • Импульсный стакан Франклина
  16. ^ 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». English Mechanic and World of Science . 19 (486): 449.
    • (Редакция) (24 июля 1874 г.). «Новый мотор». Журнал Общества искусств . 22 : 788.
    • Бернарди, Энрико (1872). «Modo di utilizzare il calorico dell’ambite per produrre un piccolo lavoro» [Способ использования окружающего тепла для выполнения небольшой работы]. Rivista Scientifico-Industriale delle Principali Scoperte ed Invenzioni… (Научно-промышленный обзор крупных открытий и изобретений…) (на итальянском языке). 4 : 297–300.
    • Бернарди, Энрико (1873). «Modo di utilizzare il calorico dell’ambite per produrre un piccolo lavoro» [Способ использования окружающего тепла для выполнения небольшой работы]. Atti del Reale Istituto Veneto di Scienze, Lettere ed Arti (Труды Королевского венецианского института науки, литературы и искусства) . 4-я серия (на итальянском языке). 2 : 1379–1389.
    • Бернарди, Энрико (1874). «Modo di utilizzare il calorico dell’ambite per produrre un piccolo lavoro» [Способ использования окружающего тепла для выполнения небольшой работы]. Иль Нуово Чименто . 2-я серия (на итальянском языке). 11 (1): 27–34. Бибкод : 1874NCim...11...27B. дои : 10.1007/bf02738665. S2CID  120829150.
  17. ^ ab "Осциллирующий двигатель". Patents.google.com . Получено 30 января 2022 г. .
  18. ^ ab "US253868A - Двигатель - Google Patents". Google.com .
  19. ↑ Элис Калаприс и Тревор Липскомб, Альберт Эйнштейн: Биография (Greenwood Publishing Group, 2005):86–87.
  20. ^ 酒井高男 (Такао Сакаи) (февраль 1977 г.). おもちゃの科学(на японском языке). 講談社. ISBN 4061179101.
  21. ^ ab патент США 2,384,168
  22. ^ "Доктор Салливан также имеет патенты на несколько новых изделий, таких как известная пьющая птица". Электрохимическая технология: Том 6, 1968 г.
  23. ^ "USD146744S - Дизайн активированной игрушечной фигурки птицы - Google Patents".
  24. ^ Митч Гурвиц (режиссер), Трой Миллер (режиссер), Митч Гурвиц (писатель), Джим Валлели (писатель), Пол Раст (редактор сюжета), Джим Брэндон (редактор сюжета), Брайан Синглтон (редактор сюжета), Уилл Арнетт (актер), Питер Джейсон (голос) (26 мая 2013 г.). Замедленное развитие S4E11 Original Cut "A New Attitude" (Телевизионное производство). 4 (Оригинальная версия). Netflix. 07:37 минут.
  25. ^ "Reading Australia: 'The Floating World' by John Romeril". www.australianbookreview.com.au . Архивировано из оригинала 18 июня 2015 . Получено 22 мая 2022 .
  26. ^ Абрахам, Надин; Палффи-Мухорай, Питер (июнь 2004 г.). "Птица второго рода, ныряющая в воду" (PDF) . American Journal of Physics . 72 (6): 782–785. Bibcode :2004AmJPh..72..782A. doi :10.1119/1.1703543. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-07-10 . Получено 2012-02-19 .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Пьющая птица .