Пьющая птица - Drinking bird

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 1920 г.

Питьевые птицы, также известный как ненасытные птички, ныряющие птицы, пьяные птицы, водоплавающие птицы или же окунание птиц,[1][2][3] находятся игрушка тепловые двигатели которые имитируют движения птицы, пьющей из источника воды. Иногда их неправильно считают примерами вечное движение устройство.[4]

Конструкция и материалы

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

Во время изготовления 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] Птицу обычно украшают 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 лампочки могут возникнуть тонкие осколки 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

Пьющая птица - это Тепловой двигатель который использует разницу температур для преобразования тепловая энергия перепаду давления внутри устройства и выполняет механическая работа. Как и все тепловые двигатели, пьющая птица работает через термодинамический цикл. 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 (регулируется Уравнения состояния ).
  5. Выше давление газа в более теплой основе выталкивает жидкость вверх по шее.
  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. Пузырек теплого пара поднимается по трубке через этот зазор, вытесняя жидкость по мере продвижения.
  9. Жидкость течет обратно в нижнюю колбу (игрушка устроена таким образом, что при опрокидывании ее шеи это позволяет). Давление между верхней и нижней лампами выравнивается.
  10. Вес жидкости в нижней луковице возвращает птицу в вертикальное положение.
  11. Жидкость в нижнем баллоне нагревается окружающим воздухом, температура которого немного выше, чем температура головы птицы.

Если поставить стакан с водой так, чтобы клюв опускался в него при спуске, птица продолжит поглощать воду, и цикл будет продолжаться до тех пор, пока в стакане будет 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 и основанием игрушки; игрушка не вечное движение машина.

Физико-химические принципы

видео Инженерия питьевой птицы

Пьющая птица - выставка нескольких физические законы и поэтому является одним из основных химия и физика образование. К ним относятся:

  • В дихлорметан с низким точка кипения (39,6 ° C, 103,28 ° F при стандартном давлении по = 105 Па - поскольку пьющая птица сначала откачивается, частично наполняется и запечатывается, давление и, следовательно, точка кипения у пьющей птицы будут другими), дает тепловому двигателю возможность извлекать движение из низких температур. Пьющая птица - это тепловой двигатель, работающий при комнатной температуре.
  • В комбинированный газовый закон, который устанавливает пропорциональную зависимость между температурой и давлением, оказываемым газом в постоянном объеме.
  • В закон идеального газа, который устанавливает пропорциональную зависимость между количеством частиц газа и давлением в постоянном объеме.
  • В Распределение Максвелла – Больцмана, который устанавливает, что молекулы в заданном пространстве при заданной температуре различаются по энергетическому уровню и, следовательно, могут существовать в нескольких фазы (твердое вещество / жидкость / газ) при одной температуре.
  • Теплота испарения (или конденсация), который устанавливает, что вещества поглощают (или отдают) тепло при изменении состояния при постоянной температуре.
  • Крутящий момент и центр массы.
  • Капиллярное действие впитывающего войлока.
  • Температура влажного термометра: 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 Тепловой двигатель Карно эффективность и психрометрический концепции.[8]

История

К 1760-м годам (или ранее) немецкие мастера изобрели так называемый «импульсный молоток» (Pulshammer). В 1767 г. Бенджамин Франклин посетил Германию, увидел пульсирующий молоток и 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 г. итальянский физик и инженер Энрико Бернарди объединили три трубки Франклина, чтобы построить простой тепловой двигатель, который приводился в действие за счет испарения, как у пьющей птицы.[11]

В 1881 г. 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 нагревается, а верхний охлаждается воздухом. 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 птица-игрушка 1910-1930-х годов с названием ненасытная птичка описывается в Яков Перельман с Физика для развлечений.[1] В книге объясняется «ненасытный» механизм: «Поскольку температура рулевой трубы становится ниже, чем температура хвостового резервуара, это вызывает падение давления насыщенных паров в рулевой трубе ...»[1] В Шанхае, Китай, было сказано, что когда Альберт Эйнштейн и его жена Эльза, приехавшие в Шанхай в 1922 году, были очарованы китайской игрушкой «ненасытная птичка».[14]Кроме того, японский профессор игрушек Такао Сакаи из Университет Тохоку, также представила эту китайскую игрушку.[15]Артур М. Хиллери получил патент в 1945 году. Артур М. Хиллери предложил использовать ацетон как рабочая жидкость.[16]Это китайское изобретение было снова запатентовано в США Майлзом В. Салливаном в 1946 году.[5]Он был доктором философии. изобретатель-ученый на Bell Labs в Мюррей Хилл, Нью-Джерси, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ.[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

Пьющая птица использовалась во многих вымышленных контекстах для автоматического нажатия кнопок. В Симпсоны эпизод "Королевский Гомер ", Гомер использовал один для многократного нажатия клавиши на клавиатуре компьютера. Херб Пауэлл также показал один Гомеру в рамках демонстрации изобретений в эпизоде ​​"Брат, ты можешь сэкономить две копейки? ». Два из них были использованы в фильме 1990 года. Темный мужчина вызвать взрывы. Пьющие птицы появились как часть Машина Руба Голдберга в фильме Большое приключение Пи-Ви[18] и Семьянин эпизод "8 простых правил покупки дочери-подростка ".

Пьющие птицы были представлены как элементы сюжета в фильме 1951 года. Веселые мелодии мультфильм Замазка Tat Trouble и фантастический триллер 1968 года Сила. У них также были незначительные появления в нескольких фильмах и телешоу, включая брифинги миссии в двух эпизодах оригинального телесериала. Задание невыполнимо, то Вуди Аллен фильм Спящий, научно-фантастический фильм 1979 года Иностранец (также упоминается в Чужой 3 и Чужой: Завет ), комедия 1989 г. Когда Гарри встретил Салли..., фильм 2008 года Макс Пэйн, фильм 2010 года Мегамозг, и эпизоды американских телешоу Симпсоны, Безумцы и Эд, Эдд и Эдди. Эпизод 508 из Театр Тайной науки 3000 показывает пародию пьющей птицы, называемой Прыгающий канюк, который работает на падаль вместо воды.

Среди видеоигр пьющая птица выглядела как «дракончик-данкин» в Сьерра игра В поисках славы (1989), в Gremlin Interactive игра Нормальность (1996), и как предмет мебели "водяная птица" в Скрещивание животных игры (2001). Поригон2, покемон, представленный в Поколении II (Покемон Голд и Серебро ), напоминает пьющую птицу, а в 3D Покемон игры, он двигает головой "погружением". Совсем недавно в игре Квантовая головоломка (2012), одна из основных игровых механик - пьющая птица, которая используется в качестве таймера для нажатия кнопок. В 2014 году Творческая сборка видео игра Чужой: Изоляция, пьющих птиц часто можно увидеть на столах в главном сеттинге игры, вокзале Севастополь.

У австралийского современного драматурга Джон Ромерил игра Плавающий мир, пьющие птицы - символическая опора, символизирующая безумие Леса.[19] Их называют «трясущимися птицами», и, возможно, они используются для обозначения подобных вещей из-за мнения Ромерила о пьющих птицах, считающих их безумными из-за своей бесполезности и повторяемости.

Альтернативный дизайн

В 2003 году Надин Абрахам и Питер Палффи-Мухорей 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 вида",[20] был представлен в American Journal of Physics и опубликован в июне 2004 года. В нем описывается механизм, который, хотя и похож на оригинальную пьющую птицу, работает без разницы температур. Вместо этого он использует комбинацию капиллярное действие, гравитационная разность потенциалов и испарение воды для питания устройства.

Эта птица работает следующим образом: она уравновешена таким образом, что в сухом виде опускается вниз головой. Птицу помещают рядом с источником воды так, чтобы 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.

Смотрите также

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

Рекомендации

  1. ^ а б 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. ^ Педагогический институт Exploratorium (1993-07-27). «Экспонатное обучение энергии в Эксплоратории» (PDF). Министерство энергетики США Управление научно-технической информации. п. 3. Получено 2010-03-03. (URL титульной страницы)
  4. ^ а б «Майлз В. Салливан [..] является членом Фотолитографической группы Биполярной ИЦ ... Он, вероятно, наиболее известен как изобретатель новинки« вечно »пьющей птицы». Рекорд Bell Laboratories: Том 52 1974
  5. ^ а б c d е ж Патент США 2402463
  6. ^ USDHHS. «Токсикологический профиль хлористого метилена» (PDF). Получено 2006-09-10.
  7. ^ Güémez, J .; Valiente, R .; Fiolhais, C .; Фиолхаис, М. (декабрь 2003 г.). «Эксперименты с пьющей птицей» (PDF). Американский журнал физики. 71 (12): 1257–1263. Bibcode:2003AmJPh..71.1257G. Дои:10.1119/1.1603272. HDL:10316/12328. Получено 2012-02-19.
  8. ^ «Три решаемых вручную упражнения по термодинамике для развлечения». Флорес-Оррего, Даниэль. Политехническая школа Университета Сан-Паулу.
  9. ^ Видеть:
  10. ^ Видео о работе импульсного молотка Франклина см .:
  11. ^ Видеть:
  12. ^ US250821
  13. ^ https://www.google.com/patents/US253868
  14. ^ Алиса Калаприс и Тревор Липскомб, 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 владеет патентами на несколько новинок, таких как хорошо известная питьевая птица». Электрохимическая технология: Том 6 1968
  18. ^ "5 лучших кинематографических изобретений". Киники. Архивировано из оригинал 10 марта 2012 г. (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 Ромерила
  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. Дои:10.1119/1.1703543. Получено 2012-02-19.

внешняя ссылка