José Luis Giordano
Septiembre 22, 2005 (Última revisión: Octubre 01, 2005)
1-QUÉ ES
El dispositivo denominado "drinking bird" (pájaro bebedor), "dunking duck" (pato que se remoja) o nombre similar, es una ingeniosa máquina térmica de juguete con aspecto de pájaro (ver fotografía siguiente), que al cabo de cierto tiempo de prepararse, comienza a inclinarse (como si fuese a beber). Luego vuelve a su posición casi vertical y el ciclo se repite.
El "animal" está formado por una especie de esfera inferior ("cuerpo") de vidrio, y otra superior ("cabeza"), comunicadas por un tubo ("cuello") también de vidrio. Este conducto llega hasta el borde interior de la cabeza (sin entrar) pero penetra casi hasta el fondo del interior del cuerpo (ver foto del bicho desarmado).
Como se ve en la primera foto donde el pájaro está casi vertical, el interior del cuerpo está parcialmente ocupado (un 60% aprox.) por un líquido con colorante (típicamente rojo o, como en este caso, azul), que separa el aire encerrado en el cuerpo, del aire encerrado en el cuello y la cabeza.
Para darle aspecto de pájaro, tiene algunas plumas en el cuerpo y algo de decoración en la cabeza. Todo este conjunto de unos 16 cm de largo, tiene una pieza metálica colocada casi en el centro del tubo de vidrio, para que pueda balancearse en una base de plástico (con forma de "patas"). Un pequeño sombrero plástico cubre la parte donde se ha quitado un poco de aire y se ha cerrado el vidrio (La foto se ha tomado justamente cuando hay una gota de líquido azul en esa parte).
2-PARA QUÉ SIRVE
Sirve para mostrar fenómenos físicos como las leyes de los gases, el enfriamiento por evaporación, transformación de flujo de calor en trabajo mecánico, eficiencia termodinámica y variación del centro de masa
En general, sirve como motivación científico-tecnológica de niños y adolescentes, observando, estudiando y comprendiendo el funcionamiento de una máquina térmica que aprovecha los fenómenos mencionados.
Por supuesto, también sirve para enseñar a pensar sugiriendo que puede existir el "movimiento perpetuo", como si la Ley de Conservación de la Energía no se cumpliera.
3-CÓMO FUNCIONA
Cuando todo el pájaro (líquido, aire interior y vidrio) está a la misma temperatura que el ambiente, no sucede nada (como cuando se tomó la primera foto). Pero si la superficie exterior de la cabeza se moja con un líquido, éste se evapora, absorbiendo de la cabeza, la cantidad de calor necesaria para cambiar de estado líquido a vapor.
En virtud de la ecuación de estado de los gases:
p x V / T = constante (para gases ideales)
que relaciona la presión p con el volumen V que ocupa esa cantidad de gas, y con su temperatura T, el enfriamiento de la cabeza baja la temperatura T del aire interior, y consecuentemente, la reducción del volumen V de esa cantidad de aire tiende a disminuir la presión p en el cuello. Entonces, sube una columna de líquido azul, hasta que la presión del cuerpo equilibra la del cuello más la de la columna de líquido (ver foto siguiente).
A medida que continúa el enfriamiento, continúa aumentando la altura de la columna. Como el plumífero está levemente inclinado, la elevación del líquido cambia la posición del centro de masa haciendo que se incline más aún (ver las dos fotos siguientes).
En la siguiente fotografía, se observa que el nivel del líquido está por llegar al borde del tubo.
Finalmente, debido al líquido que subió a la cabeza, el pájaro se inclina tanto que alcanza a subir aire y a bajar líquido (ver la última foto), hasta que el pájaro queda otra vez en el estado inicial, bajando el centro de masa y en posición casi vertical. El proceso lo deja oscilando lentamente, lo que aumenta la evaporación del líquido que moja el exterior de su cabeza, y todo el ciclo vuelve a repetirse.
El pájaro continuará "bebiendo", mientras esté con la cabeza mojada y esté en una atmósfera donde este líquido se evapore, manteniendo una diferencia entre la temperatura del cuerpo y de la cabeza. Esta diferencia de temperatura es la que hace que una máquina térmica pueda funcionar. Ese es su principio de funcionamiento, y a mayor diferencia de temperatura, mayor eficiencia en convertir flujo de calor en trabajo mecánico.
Si se coloca un recipiente con el líquido, para que moje la cabeza cada vez que se inclina, el funcionamiento se mantiene mientras haya líquido. O sea, el "combustible" de esta máquina, es el líquido que se evapora. El autor ha utilizado alcohol en vez de agua, para que el pájaro haga el ciclo con más frecuencia. Además le ha colocado un algodón (rosado) dentro del sombrero, para que acumule más líquido evaporable, y tenga más autonomía.
4-DE QUÉ ESTÁ HECHO
El pájaro utilizado aquí, es un Non-Flammable Drinking Happy Bird; Arora (Made in Taiwan) R.O.C. Patent No.: 100616, comprado al increíble precio de U.S.A. de solo USD 4.00. (Cod. 29599; 07/31/2000). Actualmente, a través de WWW puede encontrarse a unos USD 10.
En alguna de las referencias pueden encontrarse otros animales bebedores, como jirafas, por ej.
El físico nuclear George Gamow, en su entretenido libro "Biografía de la Física" (1961), y Richard Crane en un artículo de su sección "How Things Work" en The Physics Teacher, describen una especie diferente. Se trata de un pájaro con un líquido muy volátil en el interior (ether?). Al parecer, en este tipo de pájaros bebedores, el solvente no llega a la cabeza fluyendo líquido, sino que primero se evapora, y luego se condensa en la parte superior enfriada (o sea que hay dos líquidos que se evaporan, uno en el exterior, el combustible, y otro en el interior, el que inclina al pájaro). Este proceso requiere condiciones aún más favorables de temperatura y humedad ambiente. De hecho, el mismo Gamow dice que no pudo hacer que el bicho funcionara en la húmeda atmósfera de un típico verano en Wahington (U.S.A.).
Los materiales cerámicos tipo YBa2Cu3Ox descubiertos en 1987, tienen una transición superconductora cuando se sumergen en nitrógeno líquido (77 K ó -196 °C aprox.). Esto motivó el desarrollo de muchas ingeniosas máquinas térmicas. Por ejemplo, en el Museo de Ciencia de la Universidad Autónoma de México, se ha mostrado un "superconducting bird" (pájaro superconductor), junto con un pájaro bebedor con Freon 11 en su interior. A pesar que estos pájaros se inclinan porque, en el pájaro superconductor hay un superconductor (en el "pico") que baja por el peso hasta que se sumerge, enfría e interactúa con un imán (en el "bebedero"), y en el pájaro bebedor cambia el centro de masa, en ambos pájaros el mecanismo es una transición de fase (normal-superconductor, y líquido-vapor respectivamente), y en ambos el combustible es un líquido que se evapora (nitrógeno líquido en el pico y agua o alcohol en la cabeza, respectivamente).
REFERENCIAS
(1) Drinking Bird 2005 The Original Drinking Bird
http://www.thedrinkingbird.com/
(2) Rotten 2005 Dippy Drinking Birds
http://www.rotten.com/library/culture/novelties/dippy-drinking-birds/
(3) Backstreet Labs 2005 The Happy Drinking Bird
http://www.backstreet.demon.co.uk/oddstuff/drinkingbirds/drinkingbirds.htm
(4) Gamow G 1961 Biography of Physics (NY: Harper & Brothers)
En castellano: Biografía de la Física (Madrid: Alianza; 1980, 1988)
(5) Crane H R 1992 How Things Work (College Park: AAPT) 2nd printing, 1994
What Does the Drinking Bird Know About Jet Lag? The Physics Teacher, September 1989
(6) Guarner E and Sánchez A M 1992 The Superconducting Bird: A Didactical Toy The Physics Teacher 30 (March) 176-179
AGRADECIMIENTOS
A Jorge Ossandón por traerme este pajarraco (enjaulado) desde U.S.A.