古老玩具的現(xiàn)代應用假設

      飲水鳥是中國古代一種看似“永動機”的玩具。其構造并不十分復雜：主體由玻璃制成，身體是一根玻璃管，管的上端是一個小球，作為鳥頭，管的下端是一個大球，就是鳥的尾部。球內(nèi)裝有易蒸發(fā)的液體（一般為乙醚），管的下端浸在液面下。整個鳥身是密閉的，架在一個相當于鳥腿的支架上（圖１）。

      飲水鳥的特點在于，表面上看沒有任何能量來源，卻可以不停的擺動，每當看似快要停下來時，鳥的頭卻能自主地俯下來接觸前方容器中的水。如此循壞，只要容器中一直有水，它就能一直這樣擺動。前蘇聯(lián)著名科普作家別萊利曼編著的《趣味物理學續(xù)編》中提到，曾有人將這個涂了顏色、看不見內(nèi)部奧秘的飲水鳥贈送給愛因斯坦博士，并對他說：“科學家不是說永動機是不可能的嗎？現(xiàn)在就讓你瞧瞧這臺永動機?！碑攼垡蛩固箍催^并明白其原理時，真的十分驚嘆飲水鳥的巧妙設計。因此這個玩具就被別人叫做“愛因斯坦也吃驚的玩具”。

      為了弄清飲水鳥不停擺動的原因，我們可以簡單的把飲水鳥在一個周期內(nèi)的運動分為以下兩個階段：

      １．上方玻璃球（以下稱為“鳥頭”）外部在上一周期接觸的水使鳥頭中的液體蒸氣逐漸冷卻液化，導致鳥頭中的氣壓下降，下方玻璃球（以下稱為“鳥腹”）中的液體被吸入鳥頭（圖２-１），致使重心上移，當重心高于支點時，鳥頭就俯下去，與容器中的水接觸；
 

      ２．在鳥頭與水接觸的同時，玻璃管連通了鳥頭和鳥腹，使兩個玻璃球的氣壓平衡（圖２-２），鳥頭里的液體就會受重力作用流回鳥腹，致使重心下移，當重心低于支點時，鳥就會再次直立起來擺動（圖２-３）。 中學生科技網(wǎng) http://m.lgmparts.com

      從飲水鳥的工作原理可以看出：飲水鳥從空氣中吸收了熱量，并把吸收的能量間接轉(zhuǎn)化為機械能，使自己不斷擺動。雖然飲水鳥并不是永動機，但與永動機卻有著異曲同工之妙。只要給飲水鳥不斷地供水，它就可以在適當?shù)耐獠凯h(huán)境下不斷運動。

      根據(jù)能量守恒定律，飲水鳥的能量輸入只有空氣內(nèi)能，能量輸出主要是鳥頭外部的水蒸發(fā)吸收的熱量，以及支點處摩擦力、空氣阻力、液體流動時的阻力做功，其余的能量不斷地在重力勢能和動能之間轉(zhuǎn)化。因為每個飲水鳥的制作工藝不同，各處摩擦力所做的功也不同，所以，能否從這些能量中取出一部分為人所用呢？

      以現(xiàn)有的普通技術來看，人們完全可以通過涂抹潤滑油、安裝軸承等方式來減小支點處的摩擦力，也可以通過改變飲水鳥外形的方式減小其空氣阻力，所以我認為，人們可以從飲水鳥，確切地說從一組相同周期的飲水鳥中獲取相當可觀的能量。

      舉例來說，人們可以在飲水鳥的支點處安裝齒輪，通過齒輪組把雙向轉(zhuǎn)動的動力齒輪轉(zhuǎn)化為單向轉(zhuǎn)動：如圖３所示，Ａ為與飲水鳥的軸直接連接的原動力輪，Ｂ、Ｃ為相反的類似自行車飛輪的單向傳動輪，這樣就可以從Ｄ、Ｅ中任選一個齒輪，來獲取單向轉(zhuǎn)動的動力。

      （圖３僅為示意圖，各齒輪之間的大小關系需要根據(jù)具體情況而定，且這種傳動方式只是由我所見過的幾種齒輪所組成，我想應該還有更好的傳動裝置使能量損失更少）

      因為飲水鳥的機械能是在動能和重力勢能之間不斷轉(zhuǎn)化，而這種方法只能利用動能，所以盡管可以得到單向轉(zhuǎn)動的齒輪，但是轉(zhuǎn)速是不均勻的。對于這一點，我不知道有沒有可以將其直接轉(zhuǎn)化為勻速轉(zhuǎn)動的齒輪組，但是我認為至少可以將其連接到交流發(fā)電機的線圈傳動軸上，因為飲水鳥的擺動有一定的周期，所以可以得到瞬時電壓和頻率都呈周期性變化的交流電，經(jīng)過調(diào)幅、調(diào)頻后即可以使用。 中學生科技網(wǎng) http://m.lgmparts.com

      總而言之，飲水鳥動力最大的好處就在于它只需要水和來自于空氣的熱量。水在這其中只不過是起到降溫的作用，所以即使是海水也同樣可以使飲水鳥運轉(zhuǎn)。而空氣中的熱量是免費的，也是可再生的。如今，化石燃料被大量使用，而燃燒化石燃料所產(chǎn)生的能量中人類真正利用的還不到一半：譬如汽油發(fā)動機的熱效率僅有30％左右，柴油發(fā)動機的熱效率也僅有40％左右，這其余的70％和60％都以熱的形式進入了大氣，導致了全球變暖；同時化石燃料燃燒后會產(chǎn)生大量的碳、氮、硫氧化物，造成溫室效應及酸雨等諸多環(huán)境問題；且化石燃料大多是由古生物遺骸經(jīng)數(shù)億年時間變化而來，是不可再生的。飲水鳥的運轉(zhuǎn)恰好可以利用化石燃料燃燒后人類無法利用的那部分進入大氣的熱量，因此如果飲水鳥被大量利用，那么對全球變暖問題就能夠起到一定緩解作用，可以說飲水鳥間接的提高了人類對化石燃料的利用率，同時也提高了人類對太陽能的利用率。

      當然，飲水鳥動力也有不少缺陷。其中最主要的便是單個飲水鳥所提供的力太小了，盡管我們可以試著把多個飲水鳥的軸連在一起，積少成多，且每個飲水鳥的造價也不算太高（根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)上的資料，普通的玩具飲水鳥造價不超過２元），但是，這個“飲水鳥組”的占地面積將會相當大。并且這種動力對相關零件的要求較高，因為只有盡可能地減少各組件之間的摩擦力，才能輸出更多的能量，所以對“飲水鳥組”及齒輪組的保養(yǎng)工作是十分重要的。