有趣問題–趣怪的飲水鳥
文﹕湯兆昇    

趣怪的飲水鳥
圖一  趣怪的「飲水鳥」
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「飲水鳥」的結構
圖二  「飲水鳥」的結構
 
「飲水」時的「飲水鳥」
圖三  「飲水」時的「飲水鳥」
 

為甚麼這隻玩具小鳥不需要外來的動力,卻可以做出週而復始的飲水動作呢?

「飲水鳥」可說是一個經典的科學玩具 (圖一)。它既不需要電力推動,也不需要上發條,卻會不斷重覆低頭點水的動作。原來這個小玩具的操作,涉及毛細管作用、氣化潛熱和蒸氣壓等多種有趣的物理學原理,藉得在這裡為大家介紹一下。

飲水鳥的身體其實是一根長長的玻璃管,連接著頭部和底部的腔 (圖二)。它的嘴是一根很窄的金屬管,內有一條綿繩,與包裹著頭部的布相連。底部的腔盛著一些易揮發的液體,使玻璃管內充滿了蒸氣。玻璃管延伸到底部的腔內,液體浸過了玻璃管的末端。鳥身由一軸心承托,可以自由轉動。

當小鳥直立時,先前吸收了的水份在包裹著頭部的布上蒸發,帶走氣化潛熱,令頭部的玻璃腔內的蒸氣變冷。玻璃管內的蒸氣壓減低,底部腔內的氣壓遂把液體迫進玻璃管內,使直立的小鳥失去平衡,頭部向前傾,金屬嘴點在盛水的小盤上,完成了「飲水」的動作。

到底小鳥如何「飲水」呢?「飲水」之後,又如何恢復直立的狀態呢?當小鳥的嘴點在水中時,基於毛細管作用,水便會沿著綿繩被吸到包裹著頭部的布上。小鳥的身體在「飲水」時處於水平狀態 (圖三),底部腔內的空間與頭部接通,不平衡的蒸氣壓消失,液體流回底部,使小鳥再度直立,重覆整個動作。

如果大家細心閱讀上文,便會發現這短短的描述已涉及了許多物理學的原理。你能夠一一把它們列舉出來嗎?