4.62. Пьющая птичка
Популярную игрушку «пьющая птичка» можно использовать и на уроках физики, и для развлечения. Птичка начинает раскачиваться, если смочить ее головку водой. Тогда она будет медленно наклоняться вперед, пока неожиданно не займет почти горизонтальное положение. После одного или двух таких наклонов птичка выпрямляется. Если поставить перед ней стакан воды, куда птичка может опускать клюв, она будет кланяться и кланяться очень долго. Что заставляет птичку двигаться? Можно ли заставить ее кланяться, не смачивая головку водой? Предположим, что такое возможно. Тогда птичка будет раскачиваться и при высокой влажности. Но если использовать воду, при высокой влажности птичка не захочет кланяться.
ОТВЕТ • Тельце птички (ее нижняя часть) заполнена легко испаряющейся жидкостью, обычно хлористым метиленом (дихлорметаном, CH2Cl2). Незаполненное пространство тельца и головки наполнено парами этой жидкости. Головка и клюв покрыты фетром. Шея представляет собой длинную трубочку, идущую вниз от головки к тельцу. Птичка закреплена на горизонтальной оси на шее, между тельцем и головкой, и может свободно вращаться относительно ног и подставки.
Рис. 4.8 / Задача 4.62. Пьющая птичка готова выпрямиться.
Когда головку смачивают, вода начинает испаряться в окружающий воздух. Поскольку испарение требует затраты тепловой энергии, фетр, головка и пары жидкости внутри нее охлаждаются. (Подув на головку, испарение можно сделать более интенсивным.) Вместе с температурой внутри головки уменьшается и давление. Поскольку область тельца, заполненная парами, с головкой непосредственно не связана, давление там оказывается выше давления в головке, и эта разность давлений заставляет жидкость постепенно подниматься по трубочке. Перетекшая жидкость утяжеляет головку птички и заставляет ее поворачиваться вокруг закрепленной на ногах оси. Вначале движение птички плавное, а потом она неожиданно проворачивается вперед, занимая почти горизонтальное положение. Затем птичка, слегка ударяясь о край стакана с водой или о ту часть ноги-опоры, которая ограничивает вращение, отскакивает обратно.
В тот момент, когда птичка занимает почти равновесное положение, нижний конец трубочки поднимается выше уровня жидкости в тельце. В этот момент две заполненные парами области оказываются связанными, и давление в них выравнивается. При движении вверх трубочка наклоняется, жидкость стекает обратно в тельце птички, прежнее распределение ее веса восстанавливается, и птичка до конца выпрямляется. Если при наклоне птичка погружает клюв в воду и вода просачивается через фетр на головке, птичка повторно наклоняется попить воды.
Есть несколько разных способов заставить птичку кланяться, не смачивая ее головку водой. Например, фетр можно смочить спиртом, испаряющимся даже при высокой влажности воздуха, но он может испортить фетр. А еще можно выставить птичку на яркое солнце, затенив только ее головку и верхнюю часть шейки. Если вдобавок покрасить тельце черной краской, птичка начнет вам радостно кланяться.
Источник
Пьющая птичка своими руками
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.
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?
Источник
Птичка хоттабыча своими руками
Удивительная физическая игрушка «Пьющая птичка» или «Утка Хоттабыча». Перед вами своего рода тепловой двигатель, принцип работы которой основан на разности давлений (температур) в нижней и верхней частях (колбах).
Для «запуска» птички достаточно подогреть нижнюю часть колбы, «воздух» в нижней колбе начнет расширяться, возникнет разность давлений внизу/вверху и жидкость начнет подниматься по трубке, равновесие рычага нарушится и птичка наклонится. Т.к большая часть жидкости ушла вверх, нижнее отверстие трубки окажется открытым, то жидкость стечет опять в нижнюю колбу заставляя птичку вернуться в вертикальное положение. Так же, восстановится равновесие между давлениями «воздуха» сверху/снизу и процесс повторится заново.
Подогрев колбы снизу — это один из способов «запуска» птички. Но она бы не называлась тогда «пьющей». Другой способ — это охладить верхнюю колбу. Для этого её увлажняют. Вода, испаряясь, понизит температуру в верхней колбе, пары легкоиспаряемой жидкости конденсируются, давление сверху станет меньше, чем снизу и жидкость начнет снова подниматься. Далее, всё как описано выше.
Птичка замирает, когда заканчивается вода, а так же, если её поместить под колпак и откачать воздух. Создается впечатление, что ей нужна не только вода в стакане, но и наличие воздуха вокруг.
Наверняка, вы уже раньше где-то видели пьющую птичку. Ее еще называют «птичкой Хоттабыча» . И наверное, хотели, чтобы и у вас был такой же сувенир. Теперь у вас появилась такая возможность! Но знаете ли вы, как работает эта удивительная птичка? Видите ли вы связь между химией и физикой, которая заставляет эту птичку действовать?
Это очень похоже на так называемый «вечный двигатель «, не так ли? На самом деле, этот прибор означает больше. Перефразированный второй закон термодинамики гласит, что в закрытой системе энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Как этот закон связан с нашей маленькой пташкой?
Красная жидкость в хвостовой части птички — это хлорид метилена, у которого очень низкая температура кипения, и следовательно, большая скорость испарения . При комнатной температуре изменение температуры всего лишь на 1-2 °C заставляет красную жидкость подниматься по трубке к голове птички.
Внезапно голова птички падает вниз . Голова, покрытая фетром, пропитывается водой из чашки. Вода, в свою очередь, охлаждает хлорид метилена, и он стекает вниз. Птичка переходит в вертикальное положение, и все повторяется снова.
Можно ли назвать этот прибор «вечным двигателем»? С технической точки зрения, да . Но здесь не используется бесплатная энергия. Этот прибор работает от разницы температур. А эта энергия исходит из внешней среды — от солнца. Высокий ли у этого прибора коэффициент полезного действия? Вряд ли, но как сувенир пьющая птичка все равно выглядит хорошо!
Источник