Het drinkende vogeltje

Datum :  mei 2003 en januari 2016

Principe:

Bestuderen en analyseren van het drinkende vogeltje.

Benodigd:

  • Digitale Camera
  • Dippy Bird (gekke vogeltje)
  • PaintShop
  • IR thermometer met laserpointer

Werkwijze:

  • Stel de camera in om zo snel mogelijk achter elkaar foto's te maken.
  • Maak van die foto's een filmpje m.b.v. een tekenprogramma. Deze optie kan men vinden in bv. PaintShop.   
  • 2016: Gebruik de IR thermometer om de temperatuur van het lichaam, de vilten kop en het hoedje te meten.
  • Voer een meting direct in het begin uit en vervolgens meerdere malen met tussenpozen totdat het temperatuurverschil stabiel lijkit te zijn.  

 Resultaten:

De frames worden in onderstaand filmpje vertraagd weergegeven.

 

In 2016 een filmpje gemaakt met mijn Smartphone.

 

YouTube link: Dippy Bird

Temperatuurmetingen

De anatomie en drinkgewoontes van het vogeltje:

1. Lichaam: 
Het lichaam van de vogel is opgebouwd uit twee bollen, van gelijke grootte, verbonden door een rechte buis. De bovenste bol steekt via de buis in de onderste bol waarbij de buis bijna de bodem van de onderste bol raakt (zie onderstaande figuur).

2. Draaipunt: 
Het midden van de buis is vastgeklemd aan een haaks erop staand staafje waardoor het voor de opstelling mogelijk is om op 'benen' te staan/hebben. Dit staafje is een beetje hol/ruggegraatvormig waardoor het vogeltje altijd lichtelijk naar voren leunt. De uiteinden van het staafje bevatten uitsteeksels die ervoor zorgen dat de voorwaartse beweging gestopt wordt. Op deze manier kan het vogeltje heen en weer bewegen zolang het verticaal staat maar kan niet "doorslaan" als het (bijna) horizontaal is tijdens het "drinken".

3. Pruik: 
De bovenste bol is bedekt met een wollige stof die ook de snavel bedekt.

4. Staart: 
De staart bevat geen significante externe bijzonderheden. De enige eis die gesteld wordt is dat deze niet isolerend mag werken. Indien er vet of olie op de glazen delen terecht komt hebben deze een isolerend effect en wordt de werking (negatief) be´nvloedt.

5. Buik:
De vogel is gedeeltelijk gevuld (in een redelijk nauwkeurig afgemeten hoeveelheid) met een vloeistof die een alge viscositeit, lage dichtheid en lage verdampingswarmte heeft.  Voor water is de verdampingswarmte 2250 kJ/kg, voor dichloormethaan (DCM) 406 kJ/kg en voor ethanol 406 kJ/kg. De vloeistof die dus vaak gebruikt wordt is DCM.

6. Versieringen:
Hoedjes, ogen, veren en vloeistof kleur zijn alleen ter versiering aanwezig en hebben geen andere functie.

7. Werking:
The vogel begint op en neer te bewegen door de hoofdhuid (die wollige stof) te bevochtigen. Zolang de vogel nu zijn hoofd kan blijven bevochtigen en zolang de relatieve vochtigheid in de lucht niet te groot is zal de vogel op en neer blijven bewegen.

De werking:

In het begin is het systeem in evenwicht waarbij de temperatuur in beide kamers gelijk is waarbij pV/n in elke kamer compenseert voor de vloeistofniveaus. Door verdamping van water aan de buitenkant van het hoofd wordt warmte onttrokken aan de binnenkant van het systeem. De damp in de binnenkant (oorspronkelijk in evenwicht met de vloeistoffase) condenseert nu (gedeeltelijk) uit waardoor pV/RT kleiner wordt. Hierdoor ontstaat dus een drukverschil waardoor de damp in de buik naar beneden drukt, waardoor de vloeistof omhoog gedrukt wordt door de keel, waardoor het volume in het hoofd kleiner wordt. De druk p in de buik neemt af waardoor weer verdamping kan plaatsvinden, waardoor n (in de dampfase) toeneemt, waardoor warmte onttrokken wordt van buiten het lichaam.

De opstijgende vloeistof stijgt nu tot boven het draaipunt en verzameld zich in het hoofd. De heupen zijn lichtelijk gedraaid waardoor de vogel altijd lichtelijk naar voren buigt. Deze hoek wordt altijd gehandhaafd, ook bij volledige onderdompeling zodat drainage kan plaatsvinden. De hoeveelheid vloeistof is dusdanig gekozen dat bij volledige onderdompeling van het hoofd het lage uiteinde van de buis in contact komt met de damp. Een dampbel stijgt dan op door de buis waardoor er vloeistof in de buik stroomt.

De opstijgende dampbel draagt warmte over naar het hoofd en door de vallende vloeistof komt (gravitatie) potentiŰle energie vrij als warmte in de stijgende dampbel en de buik. De DCM daalt tot beneden het draaipunt en de vogel gaat weer rechtop staan. Het systeem staat dus weer in de beginstand, niet exact in evenwicht maar er dicht genoeg bij om het proces zichzelf te laten herhalen. 

De bek dient als "stopper", indien deze in het waterreservoir kan "dippen", en houdt zo het hoofd nat. Het is echter niet  noodzakelijk om bij elke beweging het hoofd onder te dompelen.

Bekijken we het iets meer fysisch chemisch:

Verdamping van water is een een spontaan verlopend proces als de partiaal druk van water in lucht lager is dan de evenwichtsdampdruk van water en fungeert zo als de drijvende kracht van het proces. Daarom zal het verhogen van de ventilatie de "dip" snelheid vergroten en zal als de vogel onder een stolp geplaatst wordt het proces stoppen aangezien de route naar entropieproductie gestopt afgesloten wordt.

Verdamping van water koelt het hoofd af aangezien thermische energie nodig is om de binding tussen de watermoleculen te verbreken, waarbij de intermoleculaire potentiŰle energie toeneemt.

Het vogeltje bevat dichloormethaan (DCM) als vloeistof en als damp (geen lucht). Door dit vloeistof-damp evenwicht in combinatie  met een slimme geometrie waarbij een hydrostatisch evenwicht en een mechanisch evenwicht elkaar wederzijds uitsluiten dat de mechanische beweging geproduceerd wordt.

De vogel bevat op twee plaatsen in zijn lichaam damp, zoals geschetst in bovenstaande figuur. De dampdruk van dichloormethaan neemt toe met ca. 15 Torr (0.02 Bar) voor elke graad die de temperatuur toeneemt. Een hydrostatisch evenwicht wordt bereikt als de hoogte van de kolom h het verschil in dampdruk tussen Pc en Ph uitbalanceert. 

Uitgaande van de dichtheid van de vloeistof kunnen we de hoogte van de kolom uitrekenen die nodig is voor het bereiken van hydrostatisch evenwicht. Vanuit de relatie tussen dampdruk en temperatuur kunnen we het temperatuurverschil uitrekenen dat nodig is om een bepaald drukverschil te bereiken. Deze relatie wordt weergegeven in bovenstaande grafiek (DCM heeft een dichtheid van 1.335 g/cm3). 

Een temperatuurverschil van minder dan een graad zal de vloeistof door de kolom naar het hoofd drukken en als dit gebeurt wordt het systeem mechanisch gezien onstabiel, het hoofd "dipt", damp lekt van de basis naar het hoofd, vloeistof loopt terug van het hoofd naar de basis en de vogel gaat weer rechtop staan, in een mechanisch evenwicht maar nu weer verder weg van het hydrostatisch evenwicht. Het proces kan dan weer van start gaan.


Discussie:

Niet alle vragen die we over deze vogel kunnen stellen zijn zo makkelijk te beantwoorden.
  • Alle energie die verkregen wordt door de opstijgende vloeistof wordt teruggeven aan het systeem als de vloeistof weer naar beneden komt. Waar gaat deze energie naar toe? In welke hoeveelheden en hoe be´nvloedt dit de snelheid waarmee de vogel beweegt?
  • De warmte die nodig is voor de verdamping van het water komt zowel van de omgeving als van de binnenkant van het hoofd. In welke verhoudingen is echter niet helemaal duidelijk. 
  • Welke vloeistof kunnen we het beste gebruiken? Methylchloride werkt perfect en wordt ook meestal gebruikt. Vreemd genoeg is kwik echter ook een geschikte kandidaat met zijn verdampingswarmte van 281 kJ/kg, alhoewel de dichtheid van kwik hier een probleem kon worden.
  • In welke mate be´nvloedt de omgevingstemperatuur de werking. Een hogere omgevingstemperatuur bevordert de verdamping, maar zijn er nog andere effecten? 

De temperatuurmetingen bevestigen dat er maar een klein temperatuurverschil (< 1 ░C) nodig is tussen het lichaam en het hoofd om de oscillerende beweging in stand te houden. Verrassend vond ik echter dat de hoedtemperatuur bijna 2 ░C lager dan de lichaams- en koptemperatuur is. Dat lijkt tegen te spreken dat het hoedje er alleen maar voor de versiering opzit. Het lijkt wel degelijk van belang te zijn voor de temperatuurdaling van het hoofd (groter oppervlak, ge´soleerde opslag van afgekoelde lucht/waterdamp?). Daartegenover staat dan weer dat in het oorspronkelijk patent het hoedje niet getoond wordt hetgeen suggereert dat het niet essentieel is. Al met al een vraag die ik niet gemakkelijk te beantwoorden vindt.

Een vervolgexperiment zou kunnen zijn het hoedje verwijderen en de effecten daarvan bestuderen m.b.t. temperatuurverschil en osccilatiefrequentie.

Conclusie:

Ook een ogenschijnlijk makkelijk te beschrijven systeem levert enkele moeilijk te beantwoorden vragen op.  

Opmerkingen:

  • In het engels staat het drinkende vogeltje bekend onder de naam "dippy bird".
  • Ik heb de mijne gekocht bij BellTree op de Spiegelgracht in Amsterdam.
  • Maak de kop van de vogel niet te nat. Als teveel druppels water op de onderste bol terecht komen wordt het thermodynamische proces verstoord.
  • Een te hoge relatieve luchtvochtigheid belemmert het verdampingsproces waardoor de beweging verstoord wordt. De verdamping van water op het hoofd is afhankelijk van de diffusiesnelheid van waterdamp in de atmosfeer. Een hoge partiaal druk van waterdamp in de atmosfeer vertaald zich naar een lage verdampingssnelheid.
  • Als je je vogel vastpakt maak deze daarna dan schoon met alcohol. De huidvetten die op je handen aanwezig zijn hebben een hoge verdampingswarmte (specific heat) en isolerende vermogen (lage thermische geleidbaarheid) waardoor het warmtetransport naar de omgeving bemoeilijkt wordt. Draag handschoenen tijdens het schoonmaken of houdt hem alleen maar bij de buis vast.
  • Mijn IR thermometer is een Powerfix PTSI 9 A1 Infrarood temperatuurmeter die ik ooit bij de Lidl gekocht heb.

Literatuur:

  • Robert E. Wagner; "Physical Chemistry of the Drinking Duck"; Journal of Chemical Education; 1973 3 50; p. 213.
  • Robert. C. Plumb; "Footnote to the Drinking Duck Exemplum"; Journal of Chemical Education; 1975 11 52; p. 729.
  • G.K. Vemulapall; "A Discourse on the Drinking Bird"; Journal of Chemical Education; 1975 11 67; p. 457, 458.
  • A. Ziggelaar; "Het duikende eendje - een perpetuum mobile?"; Archimedes; 1970 2 7; p.25-28.
  • ôThe Drinking Bird Demoö; The Caliper; 2006 2 23; p.  3

Relevante Websites:

Minder relevante Websites:

Achtergrondinformatie:

Patentinformatie
Men denkt dat het drinkende vogeltje voor het eerst gezien is in 1946. In dat jaar werd in de VS door Miles V. Sullivan een patent ingediend van een overeenkomstige, meer aangeklede variant (patentnummer US2402463).   

vintage_drinking_bird.gif (31079 bytes)

 

Het volledige patent (3 pagina's) kan men (gratis) ophalen via bv de site van het europees octrooibureau (espacenet). In het zoekscherm typt men dan bij het publicatienummer bovenstaand patentnummer in waarop men de pagina's als pdf files kan ophalen.

Foto verpakking

Op 29 december een update uitgevoerd:
a. Filmpje gerepareerd
b. Niet werkende links verwijderd

Op 9 januari 2016 het experiment uitgebreid met:

  1. IR temperatuur metingen
  2. Een filmpje gemaakt met de smartphone

09-01-2016