Drinking bird
Artifact
탁자 위의 유리 새는 부리를 물에 적신 뒤 일어나고, 잠시 후 다시 고개를 숙인다. 태엽도 전선도 보이지 않아 영구기관처럼 보이지만, 실제로는 방 안의 작은 온도 차를 왕복 운동으로 바꾸는 열기관이다.
장치는 두 유리구와 그것들을 잇는 관, 회전축, 물을 머금는 펠트 머리로 이루어진다. 내부에는 낮은 온도에서도 증기압이 큰 휘발성 액체가 들어 있고 공기는 대부분 제거되어 있다. 겉의 물과 속의 작동 유체는 섞이지 않는다. 하나는 머리를 식히고, 다른 하나는 압력과 무게중심을 옮긴다.
Observation
Exploratorium의 실험 설명에 따르면 머리의 물이 증발하면 위쪽 유리구가 식는다. 머리 안의 증기 일부가 액체로 응축되어 위쪽 압력이 낮아지고, 상대적으로 따뜻한 몸통의 증기압이 내부 액체를 목 위로 밀어 올린다. 액체가 올라갈수록 무게중심도 높아져 새가 앞으로 넘어진다.
기울어진 순간 관의 아래 끝이 몸통 액체 표면 밖으로 나온다. 증기가 관을 통해 위로 통하고 양쪽 압력이 같아지면서 액체가 몸통으로 떨어진다. 아래쪽이 다시 무거워진 새는 일어서고, 젖은 부리에서는 다음 증발이 시작된다. 고개를 숙이는 동작이 다음 주기에 필요한 물을 스스로 보충한다.
American Journal of Physics의 실험 연구는 진동 주기를 내부·외부 액체의 성질과 연결하고 습도에 따라 두 증발 영역이 나타남을 보였다. UCSB 물리 시연은 머리를 차가운 저장고, 몸통을 뜨거운 저장고로 설명한다. 따라서 새의 속도는 시계 장치가 아니라 공기가 물을 얼마나 빨리 받아 갈 수 있는지에 달려 있다.
Multiple Lenses
1. 물을 연료가 아니라 온도 차를 만드는 매개로 보기
컵의 물은 내부 액체를 직접 밀지 않는다. 물은 머리에서 증발하며 열을 가져가고, 그 냉각이 증기압 차를 만든다. 사라지는 물은 운동의 재료라기보다 열기관의 차가운 쪽을 계속 갱신하는 매개다.
2. 고개 숙임을 출력이자 재급유 동작으로 보기
새가 숙이는 것은 우리가 보는 결과이면서 다음 주기를 준비하는 입력이다. 부리가 다시 젖지 않으면 머리가 마르고 냉각도 멈춘다. 출력 동작이 자기 작동 조건을 복구한다.
3. 공기의 빈자리를 보이지 않는 부품으로 보기
상대습도가 높으면 물이 증발할 여지가 작아지고 머리와 몸통의 온도 차도 줄어든다. 장치는 유리와 액체만으로 닫혀 있지 않다. 주위 공기 속 아직 채워지지 않은 수증기 용량이 보이지 않는 냉각 통로다.
4. 한 번의 전도를 리셋 밸브로 보기
액체가 계속 머리에 쌓이면 장치는 한 번 쓰러진 뒤 멈출 것이다. 넘어지는 각도가 관의 아래 끝을 노출해 압력을 같게 하고 액체를 되돌린다. 실패처럼 보이는 전도가 오히려 상태를 지우는 리셋이다.
Twist
첫 반전은 새가 물을 마셔서 무거워지는 것이 아니라, 머리의 물을 공기에게 잃으면서 움직인다는 점이다. 컵은 소비되는 물질을 공급하지만 운동을 직접 밀어 주는 피스톤은 아니다.
두 번째 반전은 가장 눈에 띄는 고개 숙임이 에너지 생산의 순간만이 아니라 압력차를 무너뜨리는 순간이라는 점이다. 장치는 자신을 넘어뜨려야 내부 액체를 원위치로 돌리고 다시 시작할 수 있다.
마지막 반전은 기관의 경계다. 유리 새만 떼어 놓으면 완전한 기계가 아니다. 방의 열, 젖은 펠트, 불포화 공기, 증발 속도가 함께 있어야 주기가 닫힌다. ‘연료’는 한 물질보다 환경이 유지하는 차이에 가깝다.
Core Question
젖은 머리의 물이 사라질수록 유리 새가 계속 움직이고, 습한 공기에서는 그 움직임이 느려진다면, 이 장치의 연료는 물일까 주위의 열일까 아직 수증기로 차지 않은 공기일까?
Related Works / Contrast Cases
- 습구 온도계 · 젖은 표면의 증발 냉각으로 공기의 습도를 읽는다. 물 마시는 새는 같은 온도 차를 눈금 대신 압력과 운동으로 번역한다.
- 히트 파이프 · 작동 유체의 증발과 응축으로 열을 옮긴다. 물 마시는 새는 상변화에 무게중심 이동과 기계적 리셋까지 결합한다.
- 스털링 엔진 · 뜨거운 곳과 차가운 곳 사이의 온도 차로 주기 운동을 만든다. 물 마시는 새의 차가운 쪽은 고정 냉각기가 아니라 계속 마르는 젖은 머리다.
- 마시는 새 경주 · 같은 장치라도 바람과 습도가 다르면 주기가 달라진다. 장난감의 속도가 내부 기어비가 아니라 주변 미기후의 기록이 된다.
Further Reading
- Dipping Bird — Exploratorium — 젖음, 응축, 압력차, 무게중심과 리셋의 전체 순서.
- Experiments with the drinking bird — American Journal of Physics — 진동 주기 모델과 습도에 따른 증발 영역.
- Drinking birds — UCSB Physics — 머리와 몸통을 두 열저장고로 보는 시연.
- Drinking Bird Races — American Physical Society — 펠트의 물과 한 주기의 관찰 방법.
- Drinking bird — Wikimedia Commons — Hero 원본, 제작자와 라이선스 정보.