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论 - 饮水鸟

[字体: ] [ 中学生科技网 | 时间:2006-10-30 01:23 ]

古老玩具的现代应用假设

      饮水鸟是中国古代一种看似“永动机”的玩具。其构造并不十分复杂:主体由玻璃制成,身体是一根玻璃管,管的上端是一个小球,作为鸟头,管的下端是一个大球,就是鸟的尾部。球内装有易蒸发的液体(一般为乙醚),管的下端浸在液面下。整个鸟身是密闭的,架在一个相当于鸟腿的支架上(图1)。


      饮水鸟的特点在于,表面上看没有任何能量来源,却可以不停的摆动,每当看似快要停下来时,鸟的头却能自主地俯下来接触前方容器中的水。如此循坏,只要容器中一直有水,它就能一直这样摆动。前苏联著名科普作家别莱利曼编著的《趣味物理学续编》中提到,曾有人将这个涂了颜色、看不见内部奥秘的饮水鸟赠送给爱因斯坦博士,并对他说:“科学家不是说永动机是不可能的吗?现在就让你瞧瞧这台永动机。”当爱因斯坦看过并明白其原理时,真的十分惊叹饮水鸟的巧妙设计。因此这个玩具就被别人叫做“爱因斯坦也吃惊的玩具”。

      为了弄清饮水鸟不停摆动的原因,我们可以简单的把饮水鸟在一个周期内的运动分为以下两个阶段:

      1.上方玻璃球(以下称为“鸟头”)外部在上一周期接触的水使鸟头中的液体蒸气逐渐冷却液化,导致鸟头中的气压下降,下方玻璃球(以下称为“鸟腹”)中的液体被吸入鸟头(图2-1),致使重心上移,当重心高于支点时,鸟头就俯下去,与容器中的水接触;
 

      2.在鸟头与水接触的同时,玻璃管连通了鸟头和鸟腹,使两个玻璃球的气压平衡(图2-2),鸟头里的液体就会受重力作用流回鸟腹,致使重心下移,当重心低于支点时,鸟就会再次直立起来摆动(图2-3)。 中学生科技网 http://www.zxskj.com

      从饮水鸟的工作原理可以看出:饮水鸟从空气中吸收了热量,并把吸收的能量间接转化为机械能,使自己不断摆动。虽然饮水鸟并不是永动机,但与永动机却有着异曲同工之妙。只要给饮水鸟不断地供水,它就可以在适当的外部环境下不断运动。

      根据能量守恒定律,饮水鸟的能量输入只有空气内能,能量输出主要是鸟头外部的水蒸发吸收的热量,以及支点处摩擦力、空气阻力、液体流动时的阻力做功,其余的能量不断地在重力势能和动能之间转化。因为每个饮水鸟的制作工艺不同,各处摩擦力所做的功也不同,所以,能否从这些能量中取出一部分为人所用呢?

      以现有的普通技术来看,人们完全可以通过涂抹润滑油、安装轴承等方式来减小支点处的摩擦力,也可以通过改变饮水鸟外形的方式减小其空气阻力,所以我认为,人们可以从饮水鸟,确切地说从一组相同周期的饮水鸟中获取相当可观的能量。

      举例来说,人们可以在饮水鸟的支点处安装齿轮,通过齿轮组把双向转动的动力齿轮转化为单向转动:如图3所示,A为与饮水鸟的轴直接连接的原动力轮,B、C为相反的类似自行车飞轮的单向传动轮,这样就可以从D、E中任选一个齿轮,来获取单向转动的动力。

      (图3仅为示意图,各齿轮之间的大小关系需要根据具体情况而定,且这种传动方式只是由我所见过的几种齿轮所组成,我想应该还有更好的传动装置使能量损失更少)

      因为饮水鸟的机械能是在动能和重力势能之间不断转化,而这种方法只能利用动能,所以尽管可以得到单向转动的齿轮,但是转速是不均匀的。对于这一点,我不知道有没有可以将其直接转化为匀速转动的齿轮组,但是我认为至少可以将其连接到交流发电机的线圈传动轴上,因为饮水鸟的摆动有一定的周期,所以可以得到瞬时电压和频率都呈周期性变化的交流电,经过调幅、调频后即可以使用。 中学生科技网 http://www.zxskj.com

      总而言之,饮水鸟动力最大的好处就在于它只需要水和来自于空气的热量。水在这其中只不过是起到降温的作用,所以即使是海水也同样可以使饮水鸟运转。而空气中的热量是免费的,也是可再生的。如今,化石燃料被大量使用,而燃烧化石燃料所产生的能量中人类真正利用的还不到一半:譬如汽油发动机的热效率仅有30%左右,柴油发动机的热效率也仅有40%左右,这其余的70%和60%都以热的形式进入了大气,导致了全球变暖;同时化石燃料燃烧后会产生大量的碳、氮、硫氧化物,造成温室效应及酸雨等诸多环境问题;且化石燃料大多是由古生物遗骸经数亿年时间变化而来,是不可再生的。饮水鸟的运转恰好可以利用化石燃料燃烧后人类无法利用的那部分进入大气的热量,因此如果饮水鸟被大量利用,那么对全球变暖问题就能够起到一定缓解作用,可以说饮水鸟间接的提高了人类对化石燃料的利用率,同时也提高了人类对太阳能的利用率。

      当然,饮水鸟动力也有不少缺陷。其中最主要的便是单个饮水鸟所提供的力太小了,尽管我们可以试着把多个饮水鸟的轴连在一起,积少成多,且每个饮水鸟的造价也不算太高(根据互联网上的资料,普通的玩具饮水鸟造价不超过2元),但是,这个“饮水鸟组”的占地面积将会相当大。并且这种动力对相关零件的要求较高,因为只有尽可能地减少各组件之间的摩擦力,才能输出更多的能量,所以对“饮水鸟组”及齿轮组的保养工作是十分重要的。

      总之,我在此只提出我对饮水鸟及其应用的一些假设,至于这些假设能否成立,还需要科学家们进一步论证和试验。

作者:北京首都师范大学附中高二(二)班  陈悦

 


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