水を飲む鳥

水を飲む鳥
水飲み鳥が水にくちばしをつけようとしている
分類	熱機関
応用	おもちゃ、科学的なデモンストレーション
燃料源	熱伝達
コンポーネント	電球、チューブ、車軸、サポート
発明された	1945年 / 1920年よりずっと前

水飲み鳥は、ダンキング鳥、ドリンキー鳥、ウォーターバード、ディッピング鳥とも呼ばれ^{[1] [2] [3]、水源から水を飲む鳥の動きを模倣した}おもちゃの 熱機関です。永久機関の例であると誤って考えられていることがあります。^[4]

水飲み鳥は、ガラス管 (鳥の首/胴体) でつながれた 2 つのガラス球で構成されています。管は、下部の球のほぼ全体まで伸びており、上部の球に取り付けられていますが、上部の球の中には伸びていません。

鳥の体内の空間には、通常、視認性を高めるために色が付いた液体が入っています。（この染料は光にさらされると退色する可能性があり、退色の速度は染料/色によって異なります）。^[5] この液体は通常、ジクロロメタン（DCM）で、塩化メチレンとしても知られています。^{[6] [7]} 以前のバージョンにはトリクロロフルオロメタンが含まれていました。^[7] マイルズ・V・サリバンの1945年の特許では、エーテル、アルコール、四塩化炭素、またはクロロホルムが示唆されていました。^[8]

製造中に装置から空気が除去されるため、本体内の空間は液体から蒸発した蒸気で満たされます。^[8]上部のバルブには「くちばし」が付いており、頭とともにフェルトのような素材で覆われています。^[8]鳥は通常、紙の目、プラスチックのシルクハット、1枚以上の尾羽で飾られています。装置全体は、本体に取り付けられた横木で回転します。

水飲み鳥は、温度差を利用して熱エネルギーを装置内の圧力差に変換し、機械的な作業を行う熱機関です。すべての熱機関と同様に、水飲み鳥は熱力学サイクルを通じて機能します。システムの初期状態は、濡れた頭が垂直に向いた鳥です。

このプロセスは次のように機能します。^[9]

1. 頭のフェルトから水分が蒸発します。
2. 蒸発によりガラスヘッドの温度が下がります（気化熱）。
3. 温度が下がると、ヘッド内のジクロロメタン蒸気の一部が凝縮します。
4. 温度の低下と凝縮により、ヘッド内の圧力が低下します（状態方程式によって決まります）。
5. 温かいベース内のより高い蒸気圧により、液体が首の方へ押し上げられます。
6. 液体が上昇するにつれて、鳥は上半身が重くなり、ひっくり返ります。
7. 鳥がひっくり返ると、首のチューブの下端が下のバルブ内の液体の表面より上に上がります。
8. 温かい蒸気の泡がこの隙間を通ってチューブ内を上昇し、移動するにつれて液体を押しのけます。
9. 液体は下部のバルブに戻ります (おもちゃは、転倒したときに首の傾きによってこれが起こるように設計されています)。上部のバルブと下部のバルブの間の圧力が均等になります。
10. 下部のバルブ内の液体の重さにより、鳥は垂直の位置に戻ります。
11. 下部のバルブ内の液体は、鳥の頭の温度よりもわずかに高い温度の周囲の空気によって加熱されます。

コップに水を入れて、鳥が下降するときにくちばしが水に浸かるようにすると、コップに頭を濡らすのに十分な水がある限り、鳥は水を吸収し続け、サイクルは続きます。しかし、水源がなくても、頭が濡れている限り、または頭と体の間に温度差が維持されている限り、鳥は水に浸かり続けます。この温度差は、頭の蒸発冷却がなくても生成できます。たとえば、下部のバルブに熱源を向けると、上部と下部の間に圧力差が生じ、エンジンが駆動します。究極のエネルギー源は、おもちゃの頭とベース間の温度勾配です。おもちゃは永久機関ではありません。

水を飲む鳥はいくつかの物理法則を示す例であり、そのため化学と物理の基礎教育の定番となっています。これには以下のものが含まれます。

• 沸点が低いジクロロメタン（標準圧力p ^o  = 10 ⁵ Paで 39.6 °C（103.3 °F） - 給水鳥は最初に真空にされ、部分的に充填されて密閉されるため、給水鳥内の圧力と沸点は異なります）により、熱機関は低温から運動を引き出すことができます。給水鳥は室温で動作する熱機関です。 
• 複合気体の法則。一定の体積内の気体によって及ぼされる温度と圧力の間に比例関係があることを規定します。
• 理想気体の法則。一定の体積内の気体粒子の数と圧力の間に比例関係があることを規定します。
• マクスウェル・ボルツマン分布は、特定の空間、特定の温度における分子のエネルギーレベルが変化し、したがって単一の温度で複数の相（固体/液体/気体）で存在できることを確立します。
• 蒸発熱（または凝縮熱）は、物質が一定温度で状態を変えるときに熱を吸収（または放出）することを表します。
• トルクと質量の中心。
• 吸湿フェルトの毛細管現象。
• 湿球温度：頭部と体部の温度差は空気の相対湿度によって変わります。

鳥の動作は相対湿度によっても影響を受ける。^{[10] [11]}

水の代わりに水とエタノールの混合物を使用することで、異なる蒸発速度の影響を実証することができます。^[12]

湿球温度と乾球温度の差を考慮することで、与えられた量の水を「飲んだ」ときに生み出される最大の仕事量を計算する数式を作成することができます。このような分析は、カルノー熱機関の効率の定義と湿度測定の概念に基づいています。^[13]

水を飲む鳥は、液体の水のエントロピーと空気中に拡散した水蒸気のエントロピーの差、つまり純水の蒸発のエントロピーと空気中の水蒸気の希釈のエントロピーの合計によって駆動されるエントロピー エンジンであると考えることもできます。水の蒸発は、熱エネルギーの入力または環境からの正のエンタルピー フローを必要とする吸熱プロセスです。自発的なプロセスにはギブスの自由エネルギーの負の変化が必要であるため、正のエンタルピーは大きなエントロピーの増加によって克服される必要があります。

1760年代（あるいはそれ以前）までに、ドイツの職人はいわゆる「パルスハンマー」（パルスハンマー）を発明していた。1767年にベンジャミン・フランクリンがドイツを訪れ、パルスハンマーを見て、1768年にそれを改良した。^[14] フランクリンのパルスハンマーは、U字型の管でつながれた2つのガラス球で構成されていた。球の1つには、蒸気と平衡状態にある水が部分的に満たされていた。部分的に満たされた球を手に持つと、水が空の球に流れ込む。^[15] 1872年、イタリアの物理学者でエンジニアのエンリコ・ベルナルディは、 3つのフランクリン管を組み合わせて、水飲み鳥に似た方法で蒸発を動力とする単純な熱モーターを作った。^[16]

1881年にイスラエル・L・ランディスが同様の振動モーターの特許を取得しました。^[17] 1年後（1882年）、イスケ兄弟が同様のモーターの特許を取得しました。^[18] このエンジンでは、飲用鳥とは異なり、下部のタンクが加熱され、上部のタンクが空冷されるだけでした。それ以外は、同じ原理を使用していました。当時、イスケ兄弟は現在ミントーホイールとして知られている関連エンジンのさまざまな特許を取得しました。

1910年代から1930年代にさかのぼる中国の水飲み鳥のおもちゃ「飽くことのない鳥」は、ヤコフ・ペレルマンの「娯楽のための物理学」に記述されている。^[1]この本では「飽くことのない」メカニズムについて次のように説明されている。「ヘッドチューブの温度がテールリザーバーの温度よりも低くなるため、ヘッドチューブ内の飽和蒸気の圧力が低下する...」^{[1] 1922年に上海を訪れた}アルバート・アインシュタインと妻のエルザは、中国の「飽くことのない鳥」のおもちゃに魅了されたと中国の上海では言われている。^[19]

さらに、東北大学の玩具学教授である酒井隆夫氏もこの中国の玩具を紹介した。^[20]

アーサー・M・ヒレリーは1945年に米国特許を取得した。アーサー・M・ヒレリーは作動流体としてアセトンを使用することを提案した。 ^[21] これは1946年に米国でマイルズ・V・サリバンによって再び特許取得された。 ^{[8]彼は米国}ニュージャージー州マレーヒルのベル研究所 の博士号取得者で発明家科学者だった。^{[8] [22] [4]}ロバート・T・プレートは1947年にアーサー・M・ヒレリーの特許を引用した米国意匠特許を取得した。 ^[23]

• 
  イスラエル・L・ランディス 1881 ^[17]
• 
  イスケ兄弟 1881 ^[18]
• 
  アーサー・M・ヒレリー、1944年^[21]
• 
  マイルズ・V・サリバン 1945 ^[8]
• 
  ロバート・T・プレート 1947

水飲み鳥は多くのフィクションの文脈で使われてきました。水飲み鳥は、1951年のメリーメロディーズの漫画『Putty Tat Trouble』や1968年のSFスリラー『The Power』のストーリー要素として登場しました。コメディシリーズ『Arrested Development』のシーズン4エピソード11では、妄想に陥ったキャラクターが水飲み鳥を通して神の声を聞く場面があります。^[24]

オーストラリアの現代劇作家ジョン・ロメリルの戯曲『浮世』では、水を飲む鳥がレスの狂気の進行を表す象徴的な小道具となっている。^[25]

アニメコメディ『ザ・シンプソンズ』シーズン 7 エピソード 7 「キングサイズ ホーマー」では、ホーマーは水を飲む鳥を使って核制御コンピュータの Y キーを押し、最終的に核メルトダウンを引き起こします。鳥は 2 シーズン後のエピソード「バス」で再び登場します。

2003年、米国オハイオ州のナディーン・エイブラハムとピーター・パルフィー・ムホレイは、毛細管現象と蒸発を組み合わせて運動を生み出すが、揮発性の作動流体を使用しない代替メカニズムを考案した。彼らの論文「第二種の水に浸す鳥」^[26]は、アメリカ物理学誌に投稿され、2004年6月に出版された。この論文では、元の水飲み鳥に似ているが、温度差なしで動作するメカニズムについて説明している。代わりに、毛細管現象、重力による電位差、水の蒸発を組み合わせて装置に電力を供給している。

この鳥は次のように動作します。乾燥すると、頭を下にした姿勢になるようにバランスが取られています。鳥は水源の横に置かれ、この姿勢でくちばしが水に触れるようになります。次に、毛細管現象によって水がくちばしに吸い上​​げられ (著者らは三角形のスポンジを使用)、毛細管現象によって支点を通り過ぎ、翼に似せて作ったより大きなスポンジ容器に運ばれます。容器に十分な水が吸収されると、底が重くなり、鳥は頭を上にした姿勢に傾きます。くちばしが水から出ると、やがてスポンジから十分な水が蒸発して元のバランスに戻り、頭が再び下がります。蒸発冷却によって温度が少し下がることがありますが、これは鳥の動きに影響しません。このデバイスは比較的ゆっくりと動作し、測定された平均サイクル時間は 7 時間 22 分です。

• ミントホイール-飲鳥のように内部に揮発性液体が入った密閉されたチャンバーのセットからなる熱機関
• クリオフォラス-液体の水と水蒸気が入った2つの球根が付いたガラス容器。物理学の授業で蒸発による急速凍結を実演するために使用されます。
• ヒートパイプ -相転移を利用して2 つの固体界面間で熱を伝達する熱伝達装置。
• 熱力学- 熱と温度、およびエネルギーと仕事との関係を扱う物理学の分野

ウィキメディア・コモンズには、水を飲む鳥に関連するメディアがあります。

• モリアーティ、フィリップ (2009)。「水を飲むアヒル」。60のシンボル。ノッティンガム大学のブレイディ・ハラン。