"הציפור השותה" (Drinking Bird), צעצוע ילדים נחמד, יכולה "לשתות" שעות וימים ללא מקור אנרגיה פנימי. אבל אל תתבלבלו, זו מכונה פיזיקאלית מתוחכמת והשמועה היא שאפילו לאיינשטיין לקח זמן רב להבין כיצד היא עובדת. אגב, מי שלא מבין במדע, כמו הומר סימפסון, עלול לגרום בגללה לתקלה גרעינית.🧵⬇️

רק 10$ באמזון, הציפור היא בעצם מנוע חום - מכונה שהופכת הפרש טמפרטורות (ואת העקרון שאנרגיה נעה מחם לקר) להפרש לחצים ועל כן לעבודה מכאנית, תנועה. ישנם סוגים רבים של מנועי חום עם מקורות אנרגיה שונים (כגון מנוע בעירה פנימית). הציפור שלנו עובדת על אידוי מים והסוד שלה הוא בתכנון מבריק.

הרעיון של מנוע חום מבוסס אידוי הופיע כבר במאה ה-18 אך ב-1946, מדען אמריקאי בשם מיילס סאליבן מ-Bell Labs שיפר אותו, הלביש תחפושת של ציפור, רשם פטנט... ועשה מיליונים ממכירתה כצעצוע ילדים. מסתבר שגם מפיזיקה אפשר לעשות ביזנס. ואגב, התחפושת היא לא רק ליופי - יש לה גם תפקיד פיזיקאלי!

אז איך זה עובד? נתחיל במבנה. מתחת לתחפושת הציפור היא בסה"כ שני כדורי זכוכית חלולים מחוברים בצינור שחודר פנימה לכדור התחתון. החומר בפנים הוא בדר"כ דיכלורומתאן (CH₂Cl₂), אשר נבחר בשל נקודת הרתיחה הנמוכה שלו - כ-40 מעלות צלזסיוס. לאחר המילוי האוויר נשאב ואדי החומר ממלאים את החלל.

הנוזל עצמו שקוף, הצבע נוסף כדי שאפשר יהיה לראותו ובלעדיו המיסתורין היה גדול יותר. הגוף מעוגן במרכזו לציר ונשען על בסיס - הרגליים. ראש מבד עם מקור מייצר מעט הטייה של מרכז המסה לצד אחד. כאמור זה אינו רק גימיק - מייד יהיה לו תפקיד. הציפור מתחילה לפעול כשטובלים את ראשה במים ומשחררים.

הציפור מזדקפת בבת אחת. מרכז הכובד שלה נמצא מתחת לציר ולכן תנודותיה יציבות. באותו זמן, המים שבראשה מתאדים. אידוי המים גורם לקירור הנוזל שבראש הציפור, לעיבוי האדים ולהורדת הלחץ. מכיוון שלמטה חם יותר, לחץ האדים בכדור התחתון גבוה יותר והוא דוחף את הנוזל התחתון במעלה הציפור לעבר ראשה.

כשהנוזל עולה, מרכז המסה עולה עד שהוא מגיע מעל לציר. אז, ממטוטלת יציבה, הציפור הופכת לא יציבה והיא נופלת עם המקור לתוך המים... ו"שותה" שוב. כאשר הציפור במצב מאוזן, נוצר "קצר" בין שני כדורי הזכוכית, הלחצים משתווים וחלק מהחומר זורם חזרה לכדור התחתון ומייצב את הציפור חזרה למצב זקוף.

וחוזר חלילה. תנועת הציפור יכולה להימשך שעות ואפילו ימים! שימו לב כמה חכם התכנון: - סוג החומר (לחץ אדים נמוך). - מקור וראש מבד (לספיגה מקסימלית של מים). - תכנון מיקום מרכז המסה. - יחסים מדויקים בין הכדורים לצינור (להשוואת לחצים). צעצוע, אבל מתוכנן להפליא.

אבל שלא יהיה ספק - כמובן שבסוף היא תיעצר. אין דבר כזה "תנועה נצחית" או "פרפרטום מובילה". חוק שימור האנרגיה מתקיים והציפור תמשיך בתנועתה רק כל עוד היא תגיע למים שהולכים ומתאדים. הציפור כיכבה ב"סימפסונים". חבר הציג אותה להומר שמוחו העצלן והתחמן מיד זיהה הזדמנות לפעולה מינימלית.

הומר מפעיל את הציפור ללחוץ באופן קבוע על המקש "Y" (התשובה לכל שאלה בחדר הפיקוד של הכור הגרעיני) והולך לסרט. כמובן שהוא לא מכיר את חוקי השימור ועקרונות הפיזיקה ובהעדרו הציפור עוצרת... ואז, שוב, תקלה גרעינית. קטע קלאסי של הסדרה ושיעור חשוב במדע - אין דבר כזה תנועה אינסופית!

פרמטרים רבים יכולים להשפיע על פעולת הציפור: ראשית, התכנון המפורט שלה וסוג החומר בתוכה. שנית, ככול שטמפרטורת האוויר גבוהה יותר - כך האידוי אפקטיבי יותר וזמן המחזור מתקצר. כך גם בוואקום - האידוי מהיר והציפור תעבוד מהר יותר. מאידך, ב-100% לחות, אין אידוי ולכן הציפור לא תעבוד כלל.

אידוי המים מוריד את הטמפרטורה באופן מזערי ולכן יעילות הציפור כמנוע חום נמוכה ביחס למנועים עם הפרשי טמפרטורות גדולים יותר. התכנון נדרש להיות אופטימלי כדי למקסם את מיצוי האנרגיה. עדיין, העקרון הבסיסי של מנוע זה הינו מעניין ונחקר כיום כמקור לאנרגיות מתחדשות.

הפיזיקאי Wallace Minto שעבד בפרויקט מנהטן המציא את ה-Minto wheel שעובד על עקרון דומה במטרה לשמש כמנוע פשוט לשימוש במדינות עולם שלישי. הגלגל המכיל מספר צינורות דו ראשיים שכל אחד מהם הוא, דה-פקטו, ציפור שותה. כאשר הגלגל טבול במים, הוא יסתובב כל עוד הוא טבול.

העקרון של שימוש בהפרשי טמפרטורה ובלחצי אדים על מנת להפוך חום לעבודה הוא כללי יותר. הרחיקו את המים מהציפור אך במקומם חממו את מיכל הזכוכית התחתון (נניח על ידי אור חזק) - ותקבלו תנועה דומה. גם המקרר של איינשטיין עליו כתבתי בעבר פועל בגדול על פי עקרונות דומים.

וקצת קאלט. הציפור השותה הופיעה ב-1979 בסצינת הפתיחה של הסרט האלמותי "הנוסע השמיני". המצלמה נעה ברחבי החללית השקטה כאשר הצוות עדיין בתרדמת ורק הציפור (בעצם שתי ציפורים) מתנדנדת - ניגודיות בין תרדמת האדם לאינסופיות של הטבע. הציפור הופיעה בהמשך כ-Easter egg במרבית הסרטים בסדרה.

הציפור הייתה פופולרית מאוד בשנות ה-50 וה-60. עדיין ניתן להשיגה אבל היא כנראה פחות מעניינת ילדים ביחס לגירויים של העידן המודרני. היא משמשת כיום בעיקר להדגמות מדעיות באירועים ובכיתות מדעים והיא תזכורת לכך שגם מאחורי צעצוע פשוט לכאורה יש מדע מעניין. מי יודע? אולי היא עוד תעשה קאמבק.

אני מנסה לכתוב שרשורים מעניינים על מדע ולהראות איך מצד אחד דברים מסובכים הם פשוטים ומצד שני כיצד מאחורי דברים פשוטים לכאורה עומדים עקרונות מדעיים מורכבים. אני מקווה שהציפור השותה הייתה דוגמא טובה. אשמח אם תוכלו לשתף.

─────── ⋆˖ . ݁𝜗𝜚. ݁₊⋆ ─────── ⋆⭒˚ ⋆Somewhere over the Rainbow ⋆⭒˚.⋆ ⋅˚₊‧ ⋅˚₊‧ ⋅˚୨HollyDayle cover୧ ‧₊˚ ⋅ ‧₊˚ ⋅