Популярную игрушку «пьющая птичка» можно использовать и на уроках физики, и для развлечения. Птичка начинает раскачиваться, если смочить ее головку водой. Тогда она будет медленно наклоняться вперед, пока неожиданно не займет почти горизонтальное положение. После одного или двух таких наклонов птичка выпрямляется. Если поставить перед ней стакан воды, куда птичка может опускать клюв, она будет кланяться и кланяться очень долго. Что заставляет птичку двигаться? Можно ли заставить ее кланяться, не смачивая головку водой? Предположим, что такое возможно. Тогда птичка будет раскачиваться и при высокой влажности. Но если использовать воду, при высокой влажности птичка не захочет кланяться.

ОТВЕТ • Тельце птички (ее нижняя часть) заполнена легко испаряющейся жидкостью, обычно хлористым метиленом (дихлорметаном, CH2Cl2). Незаполненное пространство тельца и головки наполнено парами этой жидкости. Головка и клюв покрыты фетром. Шея представляет собой длинную трубочку, идущую вниз от головки к тельцу. Птичка закреплена на горизонтальной оси на шее, между тельцем и головкой, и может свободно вращаться относительно ног и подставки.

Рис. 4.8 / Задача 4.62. Пьющая птичка готова выпрямиться.

Когда головку смачивают, вода начинает испаряться в окружающий воздух. Поскольку испарение требует затраты тепловой энергии, фетр, головка и пары жидкости внутри нее охлаждаются. (Подув на головку, испарение можно сделать более интенсивным.) Вместе с температурой внутри головки уменьшается и давление. Поскольку область тельца, заполненная парами, с головкой непосредственно не связана, давление там оказывается выше давления в головке, и эта разность давлений заставляет жидкость постепенно подниматься по трубочке. Перетекшая жидкость утяжеляет головку птички и заставляет ее поворачиваться вокруг закрепленной на ногах оси. Вначале движение птички плавное, а потом она неожиданно проворачивается вперед, занимая почти горизонтальное положение. Затем птичка, слегка ударяясь о край стакана с водой или о ту часть ноги-опоры, которая ограничивает вращение, отскакивает обратно.

В тот момент, когда птичка занимает почти равновесное положение, нижний конец трубочки поднимается выше уровня жидкости в тельце. В этот момент две заполненные парами области оказываются связанными, и давление в них выравнивается. При движении вверх трубочка наклоняется, жидкость стекает обратно в тельце птички, прежнее распределение ее веса восстанавливается, и птичка до конца выпрямляется. Если при наклоне птичка погружает клюв в воду и вода просачивается через фетр на головке, птичка повторно наклоняется попить воды.

Есть несколько разных способов заставить птичку кланяться, не смачивая ее головку водой. Например, фетр можно смочить спиртом, испаряющимся даже при высокой влажности воздуха, но он может испортить фетр. А еще можно выставить птичку на яркое солнце, затенив только ее головку и верхнюю часть шейки. Если вдобавок покрасить тельце черной краской, птичка начнет вам радостно кланяться.

В 1960-х годах появилась идея, что большие «пьющие птички» — идеальное устройство для ирригации в условиях засушливого климата Ближнего Востока. (Патент на похожее устройство был получен еще в 1888 году.) Птиц предполагалось размещать вдоль канала с водой. Чтобы запустить устройство и начать полив, покрытую фетром голову птицы следовало смочить водой. После этого птица должна была наклониться вперед, а приделанный к ней ковш и труба — наполниться водой из канала, которую птица выливала бы на участок поля, находящийся выше уровня воды в канале. При каждом наклоне птица смачивала бы клюв в канале.

Для усиления экономического эффекта другой черпак можно было бы поместить с противоположного конца птицы, а ее саму поставить между двумя параллельными каналами. Тогда при раскачивании птицы взад-вперед воду можно было бы перекачивать из нижнего канала в верхний, расположенный на уровне поля.

А вот еще более смелое предложение. Предположим, что гигантскую «пьющую птицу» установили на мелководье у берегов Калифорнии. Веревками птица соединяется с зубчатыми колесами устройства на берегу. Непрерывно наклоняясь, птица макает клюв в воду, что заставляет колеса вращаться, а их движение преобразуется в электрическую энергию. Стая гигантских птиц, расположившихся вдоль береговой линии, может вырабатывать электроэнергию для целого штата.

Я решил не рекламировать эту идею после того, как один из моих сотрудников указал на таящуюся в ней опасность. На протяжении всей истории человечества люди боготворили источники энергии, такие как огонь и солнце. Угроза, исходящая из моего предложения, состояла в том, что могла вызвать появление культа поклонников «пьющих птиц». Выстроившись в ряд вдоль берега, они примутся кивать в унисон с птицами. Поскольку культов и так достаточно, я отказался от этой идеи.

Чтобы потратить меньше времени на приготовление в духовке куска свинины или крупной индейки, можно воткнуть в мясо снизу вверх и под углом тепловую трубку. Это приспособление состоит из полой запаянной трубки с пористой вставкой внутри. В трубку налито небольшое количество жидкости (например, воды). Нижний конец трубки — либо большой сплошной металлический цилиндр, либо кусок металла поменьше с несколькими ребрами. Кажется, что тепловая трубка устроена неправильно: непонятно, почему она внутри полая. Ведь она должна передавать тепло разогретой духовки внутрь мяса. Не лучше ли было бы для этой цели использовать сплошной металлический стержень?

Когда пекут картофель, многие хозяйки втыкают в клубни гвоздики (или металлические прутики), чтобы жар духовки попадал внутрь картофелин. Считается, что, поскольку металл проводит тепло гораздо лучше, чем картофель, воткнутый гвоздик позволит уменьшить время, необходимое для приготовления печеной картошки. Обычно на это требуется около часа. Почему же такие «картофельные колючки» позволяют уменьшить это время всего-то на несколько минут?

ОТВЕТ • Сплошной металлический стержень переносит тепло внутрь жарящегося куска мяса благодаря теплопроводности. Но это медленный процесс. Ускорить перенос тепла позволяет тепловая трубка. Когда мясо внутри еще холодное, тепловая трубка переносит тепло в несколько тысяч раз быстрее, чем сплошной металлический стержень того же размера.

Тепло передается быстро благодаря жидкости в трубке и устройству ее нижнего торчащего наружу конца. У него большая площадь поверхности, поэтому здесь интенсивно поглощается тепловая энергия, поступающая как от разогретого воздуха внутри духовки, так и благодаря тепловому излучению ее стенок. Постепенно жидкость внутри трубки превращается в пар, на что требуется большое количество энергии. Затем горячий пар поднимается по наклонной трубке в другой ее конец, где мясо холодное. Поскольку вокруг холодно, пар конденсируется, и при этом высвобождается тепловая энергия, затраченная на образование пара. Высвободившееся тепло расходится от трубки вглубь мяса. Одновременно конденсат спускается обратно в горячий конец либо по стенкам трубки, либо по пористой вставке. Когда жидкость вновь попадает в горячую часть трубки, она превращается в пар, и цикл повторяется. Поскольку в процессах парообразования и конденсации участвует большое количество тепловой энергии, передача тепла в мясо происходит существенно быстрее, чем за счет теплопроводности сплошного металлического стержня.