Trinkvogel

Ein Trinkvogel (auch bekannt als „Wippvogel“, „Pickvogel“, „Schluckspecht“, „Trinkstorch“, „Nickente“, „Nickvogel“ oder „Glaskolbenente“, engl. „drinking bird“) ist ein physikalisches Spielzeug.

Aufbau

Der Trinkvogel ist in der Regel als Hohlkörper aus Glas konstruiert, bestehend aus einem Hals, der oben in einen filzüberzogenen Kopf mit Schnabel übergeht und unten in einen (abgeschlossenen) Bauch hineinragt, welcher ohne Luft mit einer Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt in der Nähe der Raumtemperatur (z. B. Ether, in der EU nicht zugelassen) gefüllt ist. Der Vogel liegt auf einem Gestell und kann um eine Drehachse oberhalb des Bauches nach vorne kippen. Kippt er weit genug nach vorne, so ragt sein Schnabel in ein vor ihm stehendes Wasserglas.

Funktionsweise

Das Wasser auf dem feuchten Schnabel verdunstet in die Außenluft. Die dazu notwendige Wärme wird dem Glaskopf entzogen. Durch die entstehende Verdunstungskühlung kühlt neben dem Glaskopf auch der Etherdampf im Kopf ab und kondensiert. Dadurch sinkt hier der Dampfdruck. Der Dampf im unteren Körperteil kann sich nun ausdehnen und drückt die farbige Flüssigkeit im Glasrohr nach oben. Damit hebt sich der Schwerpunkt, der Vogel wird instabil und kippt nach vorn in die Schräglage. Gleichzeitig bewegt sich durch die Neigung das untere Rohrende aus der Flüssigkeit im Bauch heraus, so dass ein Druckausgleich stattfinden kann. Hierdurch fließt kältere Flüssigkeit in den Bauch zurück und wärmerer Dampf steigt in den Kopf, der Vogel kippt zurück in die Ausgangsposition. Er pendelt um die Ausgangslage und der Prozess beginnt von vorne. Sorgt man für einen automatischen Wassernachschub, kann der Vogel „ewig“ nicken. Es handelt sich also um eine Wärmekraftmaschine, oder noch genauer um eine Stoffkraftmaschine, mit einem Kreisprozess. Die ausgewählte Flüssigkeit muss bei Raumtemperatur leicht verdampfbar sein. Auch muss ihr Sättigungsdampfdruck empfindlich mit der Temperatur ansteigen. Ether wäre geeignet, ist aber brennbar, Dichlormethan ist umweltschädlich, so setzt man geheimgehaltene gefärbte Mischungen ein.

Wird das Trinkglas mit Spiritus gefüllt, trinkt der Vogel häufiger, weil er leichter verdampft. Die Kippbewegung kann auch durch eine gezielte Erwärmung des unteren Körpers mit einem Fön oder durch Wärmestrahlung ausgelöst werden.

Physikalische Begriffe und Gesetze, die mit dem Spielzeug angesprochen werden: Ideales Gas, Sättigungsdampfdruck, Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht, Clausius-Clapeyron-Gleichung, Verdampfungswärme, Kondensation, Schwerpunkt, Drehmoment, 2. Hauptsatz der Thermodynamik.

Der Trinkvogel ist scheinbar ein Perpetuum mobile zweiter Art, da er seine Antriebsenergie aus der Umgebungswärme gewinnt und damit durch Absenkung der Außentemperatur Bewegungsenergie erzeugen kann. In Wirklichkeit erfüllt er jedoch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, da sehr wohl eine Entropiezunahme stattfindet, wenn das Wasser aus dem Glas am Schnabel verdunstet, in den gasförmigen Zustand übergeht und damit das Gesamtsystem Wasserglas+Luft näher an seinen Gleichgewichtszustand (100 % relative Luftfeuchtigkeit) heranbringt.

In einem abgeschlossenen System erreicht die relative Luftfeuchtigkeit bald 100 % und der kühlende Verdunstungsprozess kommt zum Erliegen. Dies lässt sich leicht durch eine über den Vogel gestülpte Glasglocke zeigen: nach einigen Minuten kommt die Bewegung zum Stillstand. Entfernt man die Glocke, beginnt die Bewegung des Vogels wieder.

Literatur

• Wolfgang Bürger: Der paradoxe Eierbecher. Physikalische Spielereien aus Professor Bürgers Kabinett. Birkhäuser, Basel u. a. 1995, ISBN 3-7643-5105-5, S. 154–161.
• J. Güémez, R. Valiente, C. Fiolhais, M. Fiolhais: Experiments with the drinking bird. In: American Journal of Physics. Bd. 71, Nr. 12, 2003, S. 1257–1267, doi:10.1119/1.1603272.

Weblinks

Commons: Trinkvogel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Trinkende Ente: Schauversuch (Versuchsanleitung und Video)
• Thermodynamische Grundlagen des Wippvogels: Anschauliche Erklärung in acht Minuten