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饮水鸟

Wikipedia · 2026-07-15 维基百科 👁 1 阅读

，又名永动鸟，是一種根据热机原理制作的一种玩具，由美国人邁爾斯·V·蘇利文（Miles V. Sullivan）於西元1942年所设计的玩具。其動作模仿鳥類從水源中飲水的過程。

該玩具一般由玻璃制成。当“鸟头”被润湿时，由于水蒸发带走了热量，使头部的气压降低，鸟身体内的液体被吸到头部，使得身体头重脚轻，鸟头因过重而往前倾，当身体接近水平时体内两端空气又开始流通而压强平衡，头部的液体又回到体内，鸟头恢复初始状态。如果前面放有水，使鸟头前倾时能够沾到，保持鸟头湿润，则此过程即可反复进行。有時它們會被錯誤地認為是永動機裝置的例子。

結構與材料
飲水鳥由兩個玻璃球組成，透過一根玻璃管（即鳥的脖子/身體）連接。這根管子幾乎延伸至底部的玻璃球內部，而在頂部則連接到上方的玻璃球，但不進入其中。

飲水鳥內的空間包含液體，通常會染色以提高可見度。（這種染料可能在光照下褪色，褪色的速度取決於染料的種類和顏色。）液體通常是二氯甲烷。早期版本曾使用三氯氟甲烷。

在製造過程中，裝置內的空氣被移除，因此飲水鳥體內的空間由液體蒸發後產生的蒸氣填充。上方的玻璃球附有「鳥喙」，並且頭部覆蓋著類似氈的材料。：

頭部氈材上的水分蒸發。

蒸發過程吸收汽化熱，使玻璃鳥頭的溫度降低。

溫度下降使鳥頭內部分的二氯甲烷蒸氣凝結。

溫度的降低與凝結共同導致鳥頭內壓力下降（依據状态方程控制）。

溫暖基部中較高的蒸氣壓力推動液體上升至頸部。

隨著液體上升，鳥體重心上移，變得上部過重而傾倒。

當鳥體傾倒時，頸管下端上升至底部玻璃球內液面之上。

一個溫暖蒸氣泡藉由此空隙沿管子上升，同時擠壓出液體。

液體流回底部玻璃球（該玩具的設計使得在傾倒時，頸部的傾斜可以促成此過程），使頂部與底部玻璃球之間的壓力達到平衡。

底部玻璃球中液體的重量使飲水鳥恢復到垂直位置。

底部玻璃球內的液體受周遭空氣加熱，而該空氣的溫度略高於鳥頭的溫度。

若在鳥頭下傾時，將一杯水置於鳥喙浸入的位置，飲水鳥便會持續吸取水分，只要杯中水量足以保持鳥頭濕潤，這個循環便會持續進行。然而，即使沒有水源，只要鳥頭保持濕潤，或只要鳥頭與鳥體間存在溫差，飲水鳥仍會繼續擺動。這種溫差並非必須透過鳥頭的蒸發冷卻來產生；例如，將熱源對準底部玻璃球也能創造出頂部與底部間的壓力差，進而推動整個機制。最終，能量來源是玩具鳥頭與底部間的溫度梯度；此玩具並非永動機。

物理與化學原理
飲水鳥展示了多項物理定律，因此成為基礎化學與物理教育中的重要示範器具。這些原理包括：

  • 低沸点二氯甲烷：二氯甲烷在標準壓力下的沸點為 ；但由於飲水鳥在初期會先抽氣、部分注入液體並封閉，因此內部壓力（及其沸點）與標準狀態下（p o= 10 5Pa）有所不同。這使得熱機能夠從低溫中提取運動能，實現室溫下運作。
  • 綜合氣體定律：在恆定體積下，氣體所施加的壓力與其溫度呈正比。
  • 理想气体定律'：**在恆定體積下，氣體粒子數量與其壓力呈正比。
  • 馬克士威-波茲曼分布：該分佈說明，在一定空間及溫度下，分子能量存在差異，因此物質可在單一溫度下同時存在於多種相態（固態、液態及氣態）。
  • 汽化热（或凝结热）：物質在恆定溫度下改變相態時，會吸收或釋放熱量。
  • 力矩和質心
  • 吸濕氈的毛細作用
  • 湿球温度：鳥頭與鳥體之間的溫差取決於空氣的相對濕度。

飲水鳥的運作也會受到相對濕度的影響。

藉由考量濕球與乾球溫度之間的差異，可以推導出一個數學公式，用以計算從一定量「飲用」的水中所能產生的最大功率。此分析基於卡诺热机效率的定義以及測濕雪的概念。

此外，飲水鳥也可視為一種熵引擎，其運作動力來源於液態水與分散於空氣中的水蒸氣之熵的差異，也就是純水蒸發所產生的熵與水蒸氣在空氣中稀釋所產生熵的總和。水的蒸發是一個吸熱過程，需要從環境中輸入熱能或正焓流；而由於自發過程要求吉布斯自由能改變必須為負值，因此必須以大量熵增來彌補這正焓的影響。

歷史
在1760年代（或更早），德國工匠已發明出一種所謂的「脈衝錘」（Pulshammer）。

1767年，本杰明·富兰克林訪問德國時見到這種脈衝錘，並於1768年對其進行改良。富蘭克林的脈衝錘由兩個玻璃球透過一根U形管連接而成；其中一個玻璃球部分充滿水，且水與其蒸氣處於平衡狀態。當將這個部分充水的玻璃球握在手中時，水就會流入另一個空的玻璃球中。 1872年，意大利物理學家暨工程師恩里科·伯納迪 (Enrico Bernardi)將三個富蘭克林管結合起來，製作出一種利用蒸發產生動力的簡易熱動機，其運作方式與飲水鳥類似。

1881年，以色列的L·蘭迪斯獲得了一項針對類似擺動馬達的專利。1882年，伊斯克兄弟也取得了一項相似馬達的專利。與飲水鳥不同的是，在這款引擎中，低部儲槽是被加熱的，而上部儲槽僅依靠空氣散熱。除此之外，其運作原理與飲水鳥相同。當時，伊斯克兄弟就一種相關引擎取得了多項專利，該引擎現稱為 Minto wheel。

在雅科夫·佩雷尔曼的著作《娛樂物理學》中，描述了一款可追溯至1910年代到1930年代的中國飲水鳥玩具，名為「永不知足小鳥」。

此外，來自日本东北大学玩具学教授坂井隆夫（Takao Sakai）曾介紹過這款中國玩具。

1945年，Arthur M. Hillery 獲得了一項美國專利，他建議採用丙酮作為工作流體。1946 年，邁爾斯·V·蘇利文（Miles V. Sullivan）又在美國取得專利。1947年，Robert T. Plate 獲得了一項美國設計專利，其中引用了 Arthur M. Hillery 的專利。
File:US250821-Figure_1.png|alt=Israel L. Landis 1881|以色列·L·兰迪斯（ Israel L. Landis） 1881 年
File:US2402463-0.png|alt=Miles V. Sullivan 1945|迈尔斯·V·蘇利文（ Miles V. Sullivan） 1945 年
File:Drinking_Bird_Patent_D0146744_crop.png|alt=Robert T. Plate 1947|罗伯特·T·普拉特（ Robert T. Plate ） 1947年

流行文化
飲水鳥曾在許多虛構背景中出現。它曾作為情節元素出現在1951年 Merrie Melodies卡通《Putty Tat Trouble》和1968年科幻驚悚片《The Power》中。在情景喜劇《发展受阻》第四季第11集中，一位患有妄想症的角色聲稱他透過飲水鳥聽到了上帝的聲音。

在澳大利亚当代剧作家约翰·罗默里尔的戏剧《浮世绘》（The Floating World）中，中，飲水鳥作為象徵性道具，代表著萊斯（Les）瘋狂逐漸加深的過程。

在動畫情景喜劇《辛普森一家》第七季第七集《特大号荷马》（King-Size Homer）中，荷馬利用飲水鳥按下核能控制電腦上的 Y 鍵，最終導致核熔毀。此後，該飲水鳥於兩季後的「Das Bus」一集中再次出現。

替代設計
2003年，美國俄亥俄州的 Nadine Abraham 和 Peter Palffy-Muhoray 提出了一種替代機制，利用毛細作用與蒸發來產生運動，而不依賴揮發性工作流體。他們的論文《第二類飲水鳥》（A Dunking Bird of the Second Kind）於2004年6月發表在《美國物理學期刊》（American Journal of Physics）。該論文描述了一種與原始飲水鳥類似但不依賴溫度差運作的機制，而是利用毛細現象、重力位能差和水的蒸發來驅動裝置。

該飲水鳥的運作方式如下：它被設計成在乾燥時會傾倒至頭朝下的位置。鳥被放置在水源旁，使其喙部在這一位置能夠接觸到水。水透過毛細作用被吸入鳥喙（研究者使用了一塊三角形海綿），並透過毛細作用傳遞過支點，最終進入一個較大的海綿儲存器，該儲存器被設計成類似翅膀的形狀。當儲存器吸收足夠的水後，較重的底部導致鳥傾倒回頭朝上的位置。隨著喙部離開水面，最終海綿中的水分蒸發，使得平衡恢復，頭部再次向下傾倒。

儘管蒸發冷卻可能導致輕微的溫度下降，但這並不影響鳥的運動。該裝置的運行速度相對較慢，測得的平均週期時間為7小時22分鐘。

參考資料

外部鏈接
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