中國古代神祕玩具“飲水鳥”玩具的“永動機”小製作

無電無磁無發條頭上點水開始搖只要杯中水不斷日日夜夜不停奇妙奇妙真奇妙它還可以做預報陰天雨天運動慢風天晴天跑得快開發智力最需要饋贈禮品為最好

中國古代玩具“飲水鳥”古老玩具是永動機?這種古老的中國玩具外形就像一隻鳥,古代稱作智慧長壽鳥一種幾近失傳的玩具,與魔方、倒立陀螺並稱世界三大益智玩具,前蘇聯著名科普作家別萊利曼在他1936年編著的《趣味物理學續編》中傾心介紹的玩具,日本東北大學教授酒井高南編著的《玩具與科學》中極力推崇的玩具。2005年8月“中國古典物理玩具展”極盡全力通過網絡、媒體在全國尋找的玩具,中央電視台《科技博覽》2005年9月19日至9月20日以《尋找飲水鳥(上)(下)》進行全方位報道的玩具。

“智慧長壽鳥”有這麼神奇嗎?“智慧鳥”的神奇之處就在於:它不充電不裝發條不借助外來的動力,永動鳥主體由玻璃製成。它的身體是一根玻璃管,管的上端是一個小球,也就是鳥頭,管的下端是一個大球,也就是鳥的尾部。球內裝有液體,管的下端浸在液麪下。整個鳥身是密閉的,架在一個類似鳥腿的座上。它的頭部粘有尖尖的嘴,尾部粘有羽毛。而它的神奇之處就是,只要在鳥嘴前面放上一杯水,把嘴巴浸到水裏,讓它“喝”上一口,接着把頭抬起,鳥就會自動俯下身去,把嘴浸到水裏,“喝”了一口後,又直立起來。以後它就會不知疲倦地永遠喝下去。只要前面杯子裏有水,它就如同一台“永動機”一樣永遠不停地工作下去。四川有位朋友擁有一隻智慧鳥,總共喝了60年的水。

更有趣的是智慧鳥還能做天氣預報,陰天雨天喝得少,風天晴天喝得多。“智慧鳥”集中代表了古人的智慧,它不停地點頭喝水,就像是一台永動機。但是永動機在科學理論上是不可能的,那麼這到底是怎麼回事呢。 

中國古代神祕玩具“飲水鳥”玩具的“永動機”小製作

究竟是什麼原理讓“智慧鳥”無休止地“喝”個不停呢?“智慧鳥”的原理並不容易説得清,物理學家給出好幾種不同的解釋。

基本的認識是,“飲水鳥”體內的液體是一種易揮發的液體,在高温裏很容易蒸發,而液體的飽和蒸汽所產生的壓力又會隨温度的改變而改變。於是,當它頭部受冷,氣壓下降,尾部的液體就會沿頸部被“抬升”至頭部。這樣頭的重量在增加,尾部的重量在減輕,重心位置發生變化,鳥就把嘴巴浸到水裏。而當兩部分氣體混合之後,由於吸收了周圍空氣的熱量,又沒有了氣壓差,這時上升到頭部的液體,在本身的重量作用下流向下端尾部,這時尾部變重,頭部向上翹。與此同時,頭部因為剛粘到水又開始冷卻,如此就開始了反覆運動。

頭部(包括嘴部)通常被粘上一層紅色毛氈,這種材料的吸水性很好。在第一次使用時,你要把飲水鳥的頭部按在水杯裏,讓這隻鳥頭部的毛氈吸水被浸濕。當你放開手後,這隻鳥搖擺起來。由於毛氈上水的蒸發,導致頭變得比腹部温度稍低(即有一個“微温差”)。而鳥的搖擺的行動又協助了蒸發的加速(就象你沾水的手在空中揮舞感到更涼快一樣),真是天作之合!

雖然頭部和玻璃管的上部看起來好象是空的,但是它們裏面實際上是充滿了從二氯甲烷蒸發出來的蒸氣。二氯甲烷或者乙醚是製作飲水鳥的絕好材料,因為它們都具有“低潛熱”,很容易蒸發,不需要獲取很多熱量就能氣化變成蒸氣。

由於頭部温度降低,一些蒸氣冷凝,成為流動的小液滴(就象水蒸汽接觸到冷的玻璃窗凝結成為小水滴流下來一樣)。

蒸氣凝結成為小液滴後,佔用的空間減少,這使頭部裏面的壓力比腹部稍低,頭部和腹部之間的壓力不平衡,導致了液體被吮進玻璃管上升進入頭部。你也可以理解為腹部液體產生的蒸汽壓力推動液體沿玻璃管上升進入頭部(因為頭部氣壓低於腹部),這更減少了頭部蒸汽的數量,同時降低了腹部壓力。這樣更加進一步導致液體蒸發,造成更多蒸汽將更多的液體強制壓入玻璃管上升進入頭部。 隨着液體沿玻璃管上升進入頭部,它逐漸改變了這隻飲水鳥的重心。使重心逐漸移動到轉動軸以上,這導致它傾斜越來越多,直到它最終“頭重腳輕”地低頭“飲水”。這個動作正是我們所希望看到的“飲水”效果。但是,我認為這個動作更重要的意義在於它使飲水鳥巧妙地補充了頭部毛氈所蒸發掉的水份。

當飲水鳥的身體差不多呈水平狀態時,在腹部內的玻璃管的末端與液體脱離接觸,2只玻璃球的空間連通,在腹部的液體之上的蒸氣現在可以迅速地通過玻璃管進入到頭部,使頭部和腹部的氣壓相等,氣壓差消失。這時,以前移動到頭部的液體汩汩地向下流回腹部。 由於頭部的液體流回腹部,它迅速地移動了重心,使其回到轉動軸以下比較低的腹部,因此這隻鳥的頭部離開玻璃杯,搖擺着恢復直立狀態。然後,頭部毛氈上的水份又蒸發,飲水鳥重複上述過程,不停循環,就如同一台“永動機”一樣時刻不停地工作着。

中國古代神祕玩具“飲水鳥”玩具的“永動機”小製作 第2張

飲水鳥運用了物理學的蒸發致冷,飽和汽壓與温度關係,帕斯卡原理,重心、槓桿原理以及毛細現象等原理。

至少在清朝中期飲水鳥就誕生了,雖然那時沒有乙醚等藥物,但人們利用高濃度的酒精等液體,也能產生同樣效果。 飲水鳥絕不是什麼“永動機”,它實際上是巧妙地利用了物理學裏的熱力學原理,乙醚很容易揮發,飲水鳥一頭一尾的温度差異,就能讓玻璃管裏的乙醚蒸汽的分佈發生變化,從改變小鳥的重心讓它下垂,而鳥不斷地喝水,又會打濕它的頭部,頭部水分的蒸發,吸收周圍空氣的熱量,再次產生温度差異,這就是奇妙的飲水鳥能夠不停活動的祕密,兩段玻璃管,一點乙醚,一些普通的棉花,就能做出一隻不知疲倦的小鳥,聽上去簡單,可要讓它不停歇的運動並不容易,為了復原這隻小鳥,孫貴傾注了三十年的心血。 通過二十多年的努力,孫貴終於掌握了一些製作竅門,要讓小鳥動起來,一是要把握好鳥身體裏乙醚的量,過多會讓身體太重,過少則無法帶動身體擺動,二是要找好小鳥身體的平衡點,最佳的支點才能保證小鳥運動自如。