Як працює іграшка "П'юча пташка"
Може бути це все-таки "вічний двигун"? Раз тільки Макніл її носом у воду, а далі здається, що все повторюється само собою. Принцип роботи питущою пташки не так вже й новий, він був використаний ще великим І. Бернуллі в термометрі для вимірювання максимальних температур. Цікаво, що пташка буде нахилятися і "пити" раз в 5 частіше, якщо воду в склянці замінити будь-яким спиртовим розчином, а опромінення її світлом або теплом також змусить пташку міняти частоту своїх рухів.
Повільно опускає "питуща пташка" свій дзьоб в стоїть перед нею склянку з водою, потім випрямляється, погойдується злегка туди-сюди, наче збирається зупинитися, але через деякий час, как-будто набравшись сил, знову нахиляється і вмочує свій дзьоб в воду . Так пташка може пити до нескінченності, поки при нахилі під її дзьобом буде вода.
Познайомимося з пристроєм іграшки. Фізична іграшка "питуща пташка" складається з двох порожнистих скляних кульок з'єднаних вузькою трубочкою. Причому один з кінців трубочки упаяний в кульку так, що закінчується недалеко від дна кульки. При виготовленні іграшки система заповнюється рідиною і запаюється. В якості рідини береться легко випаровується рідина з низькою температурою кипіння, наприклад, ефір або метанол. Для більшого ефекту рідина підфарбовують. Наливають рідини стільки, щоб виступаючий в кульку кінець трубочки, був в неї занурений.
Кулька з виступаючою трубочкою - це "живіт" пташки, протилежний кулька - "головка". Зверху скло розмальовується і декорується під пташку: пір'я, капелюшок, хвостик. Обов'язковою частиною пташки є дзьоб достатньої довжини, який часто обклеюють фетром. Іграшка закріплена трохи вище живота на поворотній горизонтальній осі і опорах, в результаті чого пташка може перевертатися вниз, тобто "Клювати". Для приведення іграшки в дію перед іграшкою ставлять склянку з водою і один раз нахиляють її, щоб намочити дзьоб. А далі все відбувається без зупинки. Поки пташка зможе дістати дзьобом воду в склянці про зупинку іграшки можна не турбуватися!
Які ж причини "мимовільних" нахилів?
Спочатку всередині замкнутого судини-пташки є легко випаровується рідина, між рідиною і парами над її поверхнею встановлюється термодинамічна рівновага. Пари в залежності від температури створюють тиск на рідину.
Вмочимо дзьоб пташки в поставлений перед нею посудина з водою і відпустимо. Центр ваги лежить трохи нижче осі обертання (ближче до живота), таким чином, пташка змушена буде випрямитися.
Вода з намоклого фетрового дзьоба почне випаровується, при цьому головка пташки буде охолоджуватися. При охолодженні головки термодинамічна рівновага порушується. Зниження температури парів в голівці веде до конденсації парів ефіру на внутрішніх стінках головки. Тиск парів ефіру в голівці впаде. Таким чином, тиск парів в голівці стане менше, ніж тиском парів над рідиною в животі пташки. Так як вирівнювання тисків стає можливим тільки після того, як рідина буде витіснятися більш високим тиском парів з нижнього судини вгору по трубочці, рівень рідини в трубочці почне підвищуватися. Це при веде до підняття точки центру ваги над віссю обертання. і пташка перевернеться, знову вмочуючи дзьоб в воду.
При перевороті нижній кінець трубочки піднімається над поверхнею рідини, і рідина з трубочки стікає знову вниз, а тиск парів в верхньому і нижньому кульці вирівнюються. Центр тяжкості опускається, пташка повертається у вертикальне положення.
Але процес повторюється, так як дзьоб вже знову мокрий. Ось Вам і казка про бичка, у якій немає кінця.
Якщо подбати, щоб рівень рідини в склянці залишався постійним, то пташка може "пити" вічно!
Але, зауважте! В результаті вирівнювання тисків парів у верхній і нижній частинах пташки, тиск пара в нижній частині трубочки стає менше початкового. У нижній частині починається випаровування рідини, і температура рідини при цьому падає. Температура рідини в нижній частині пташки стає нижче температури навколишнього середовища, і починається теплопередача від навколишнього середовища животу пташки.
Ось Вам і підсумок: процеси в пташці можна порівняти з процесами, які спостерігаються в тепловій машині: циклічний процес (abcd) за рахунок теплообміну з навколишнім середовищем, при якому внутрішня енергія перетворюється в механічну.
ab - ізотермічний розширення
bc - адіабатичний розширення
cd - ізотермічний стиск
da - адіабатичне стиснення
Цікаво, що пташка буде наклоняться- "пити" раз в 5 частіше, якщо воду в склянці замінити будь-яким спиртовим розчином. Навіть опромінення її яким-небудь чином світлом або теплом змушує пташку міняти частоту своїх рухів. Вона буде реагувати по-різному, якщо опромінювати. наприклад, голову або живіт. При опроміненні голови вона уповільнює, а потім і зовсім припиняє свої нахили. Якщо ж направити світло або джерело тепла на живіт пташки, то вона пожвавлюється і кланяється частіше. Пташка завмирає і тоді, коли її ставлять під скляний ковпак і відкачують водуха. Створюється враження, що їй потрібна не тільки вода в склянці, а й наявність повітря навколо.
Можна навіть прибрати склянку з водою, але опромінювати теплом або світлом живіт пташки, В цьому випадку пташка також буде здійснювати свої нескінченні нахили.
Так як же, є тут "вічний двигун" чи ні?