玩具“饮水鸟”中存在的物理知识

科普中国-科学原理一点通 2022-03-21

从“永动机”的设想开始，人们在不断寻找无需外界输入能源也能够永远工作的机器。有这样一只鸟，它似乎能够不停地重复着同一个动作，那就是饮水鸟。 

　　饮水鸟是一种儿童玩具，外形似鸟，主体由玻璃管制成：它的身体是一根玻璃管，管的上端是一个小球，它被当作是“鸟头”，在管的下端是一个大球，即“鸟尾”。球内装有液体，管的下端浸在液面下。整个“鸟身”即玻璃管是密闭的，被架在一个类似“鸟腿”的底座上。为了不让人看清饮水鸟身体里的秘密，玻璃管被涂成了黑色，为其增加了神秘色彩。 

　　饮水鸟神奇在哪里呢？在饮水鸟面前放一杯水，它就会俯下身去，把嘴浸到水里“喝”一口后又直立起来；然后，它又会俯下身去“喝”水后再次直立起来。只要有水在饮水鸟面前能让它完成“喝”这个动作，鸟儿就会一直重复动作下去，好像传说中的“永动机”。 

　　无需机械外力和现代的电、磁等能量的帮助，只需要一杯水就能运动。这是为什么呢？ 

　　饮水鸟能够动作的前提是必须用水打湿鸟头。鸟头淋湿后，小鸟保持直立姿势，此时饮水鸟下端的玻璃球和里面的液体比“鸟头”重。过一会后，液体开始沿着玻璃管上升，当液面升到玻璃管上口时，重心向上，此时“头”比“脚”重。上部变重身体前倾，鸟嘴向前俯到杯子上。当鸟身到达水平位置时，下端玻璃管的开口就会露出液面，玻璃管中的液体回流到下端的大玻璃球，使重心下降，“鸟尾”比头部重，让小鸟恢复直立。这就是饮水鸟“喝水”的过程。  

　　重点是，玻璃管中的液体为什么会流动呢？ 

　　这就需要知道玻璃管中装的是什么液体了。饮水鸟内部的液体是乙醚，它是一种易挥发的液体，在高温环境中很容易蒸发。而液体的饱和蒸汽所产生的压力又会随温度的改变而剧烈地改变。这就为饮水鸟的动作提供了条件。 

　　在饮水鸟的头部遇水受冷时，气压下降，尾部的液体因为吸力沿玻璃管上升。上升的液体聚在头部使重量增加，尾部则减轻，重心位置因此发生变化。当重心超过脚架支点而移向头部时，小鸟头部降低，俯身到平衡位置。 

　　在头部降低时，玻璃管的内部产生了两个变化：一是“鸟嘴”浸水打湿；二是鸟身处于水平位置，上下的蒸汽区域连通，两部分的气体混合，气压差消失，但由于吸收了周围空气的热量，蒸汽的温度有所上升。此时上升到头部的液体在本身的重量作用下，流向下端大球，同时，头部的蒸汽因粘水开始冷却。这使得尾部变重，头部上翘，液体集中到尾部，饮水鸟“起身”。 

　　所以，“饮水鸟”头部不断蒸发所吸收的周围空气的热量，就是它能够不断完成“喝水”活动的原动力。 

　　本文由山东省威海市凤林学校二级教师刘欢进行科学性把关。