这个200年的玩具，爱因斯坦玩了3个月也不知道原理 | 科学DIY

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今天介绍一个非常有趣的玩具，许多人在不明原理的情况下，还会以为它是永动机。

爱因斯坦访问上海的时候，就曾对这个玩具感到有趣，不过他研究了3个半月，还是没有想出它的原理。

你能尝试在不看答案的情况下，发现它的运作机制吗？

关键概念

热机

材料和操作

一个喝水鸟玩具（网上有卖，有时也叫饮水鸟，大概20多块钱一个）

不同液体，如水，酒

这个玩具是这样玩的，把鸟头按到水里浸湿，然后让鸟站直。等一会儿，鸟就会自动开始定时喝水。

有趣的是，在鸟开始低头喝水前，鸟身体里的液体就会上升。而等到它喝到水了，液体会流回肚子里，它又会重新站直。

你可以尝试把水换成其他液体，看看鸟喝水的频率会不会发生变化。

观察一下鸟的肚子，然后用手捂住鸟的肚子，看看鸟会不会开始喝水？

最后，还可以测量一下，把水拿开，鸟要过多久才会不动？

你想到它背后的原理了吗？（实在想不出来，再看原理的部分哦）

原理

大型喝水鸟行为艺术现场

@Daniel Reynolds

这个玩具有很长的历史，早在18世纪，德国的匠人就制造出了喝水鸟的前身——脉冲榔头（Pulshammer）。1767年美国开国元勋，科学家本杰明·富兰克访问德国的时候，就注意到了这个玩具，并把它带到了美国，并进行了改良。富兰克林的这个版本，后来叫做富兰克林的手掌玻璃瓶。

Franklin's palm glass，在德国叫做Pulshammer，或liebesbarometer

1872年，意大利物理学家 Enrico Bernardi 对富兰克林的脉冲榔头再次进行了改造。

不过它的现代版本是贝尔实验室的科学家 Miles V. Sullivan 设计的，并在1945年申请了专利。Sullivan 是一位半导体制造方面的专家，不过他也超爱设计玩具。

根据1962年11月25日的 This Week Magazine 的报道，美国总统，同时也是工程师的赫伯特·胡佛（Herbert Hoover）就对这个玩具赞不绝口。

Yakov Perelman 编著的《趣味物理学续编》中的永不满足的小鸟

根据前苏联科普作家 Yakov Perelman 编著的《趣味物理学续编》（Physics for Entertainment）介绍，我国曾经也有类似的玩具。爱因斯坦1922年访问上海的时候，就对这个叫做永不满足的小鸟（insatiable birdie）的玩具很着迷。但是他研究了这个玩具3个半月，但最终也没有想通它的原理。

你可以尝试把水杯拿开，就会发现这个鸟还是在不停低头喝不存在的水。大概需要一段时间，鸟才会完全停止不动。

不过，只要鸟的面前有水，它就会一直喝水不会停。太奇怪了吧！

实际上，如果把鸟头的帽子拿掉，会看到喝水鸟的头部是一个玻璃球。

@Bill Hammack

如果用几滴酒精滴在玻璃球上面让它降温，下方的液体就会上涌，改变鸟鸟的重心位置，使它低头。

鸟肚子里的液体是二氯甲烷或者乙醚，它们都是低沸点的有机溶剂。鸟头的尖尖里有一根管子通到鸟肚子里，当时这些液体就是这样被注入的。

注入液体后，液体被冻成固体，然后管子就被抽真空，尖头被封住了。

由于二氯甲烷沸点低，一个大气压时沸点只有39摄氏度，很容易蒸发。它蒸发成气体填满了鸟鸟的头部。

不知道讲到这里，你有没有看出门道来。

实际上，鸟头部和脖子这里的管道的二氯甲烷蒸汽，和鸟肚子上方的二氯甲烷蒸汽没有联通。

当然，用中学物理知识可以知道，当二氯甲烷在管子内外的液面保持相同的水平时，这两块蒸汽的气压是一样的。

然而，当鸟头冷却时，二氯甲烷蒸汽凝结，所以脖子管道内的气压降低，液面上升，二氯甲烷顺着脖子流到了头部，鸟的重心发生变化，于是倾斜。

可是，当鸟的倾斜程度到达一定角度时，鸟肚子里的空气上升跑到鸟头这里，鸟头和肚子里的气体联通起来，于是液体就流回了鸟肚子。

接着，又重复这个循环。

为了让鸟头更好地降温，鸟头的材料一般容易吸水，蒸发的水分带走热量（大概降低0.3摄氏度），使鸟头里的二氯甲烷蒸汽凝结。

明白了喝水鸟的原理，你就能知道，如果加热鸟肚子，鸟肚子里的气体压强变大，液体也会上头让鸟低头鞠躬。

对了，2019年浙江中考丽水卷就出了喝水鸟的题——

实际上，喝水鸟是一种热机，也就是把热能转化为机械能的机器。

热机 Minto wheel

@wikimedia

喝水鸟和19世纪的热机 Minto wheel 的原理有些类似。

用8个喝水鸟做的Minto wheel

@exergia

既然是这么好用的热机，机智的网友争先恐后地开发了喝水鸟的实用性——

喝水鸟发明人：我发明了给杯水就能永远磕头的小鸟，我真是个天才啊！ヽ( ^∀^)ﾉ

喝水鸟内心OS：你试试 Loop (if 脑袋一凉 then 就想吐，if 呕到嘴巴里then 再咽回去)。( *・ω・)✄╰ひ