Схема фонтана по принципу сообщающихся сосудов
Принцип сообщающихся сосудов в работе фонтанов
- Авторы
- Руководители
- Файлы работы
- Наградные документы
Катушенко Д.А. 1Анурова Е.Д. 1
1МАОУ Апрелевская СОШ №3 СУИОП
Шашкина М.В. 1
1МАОУ Апрелевская СОШ №3 СУИОП
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF
Введение
Обоснование выбора данной темы
Однажды на уроке физики наш класс проходил принцип сообщающихся сосудов. В качестве домашнего задания нам предложили создать собственную модель. В тот момент мы вспомнили про фонтан «Дружбы Народов», находящийся на ВДНХ. Тогда мы решили подробно разобраться в работе фонтанов, а потом создать свою собственную модель.
Актуальность работы
Фонтаны это не только украшение, но и интересный физический механизм, о работе которого многие люди и не задумывались. Поэтому для нас важно рассказать и показать принцип работы такого интересного предмета, как фонтан.
Цель работы
Целью работы является исследование работы принципа сообщающихся сосудов, использующегося при работе фонтанов.
Задачи
Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи:
узнать, что собой представляет фонтан;
изучить принцип работы;
разобраться в истории фонтанов: от истоков к XXI веку;
узнать о самых известных примерах;
выполнить практическую часть работы.
Основная часть
Что такое фонтан
Каждый из нас видел фонтаны. Они бывают и комнатные, и садовые, и встроенные в ландшафт, и целые монументальные произведения искусства. Но не каждый задумывался, как появились фонтаны и как они работают.
Само слово фонтан произошло от латинскогоfontana, что означает «источник», «струя», «родничок». Обычно видим только верхнюю, красивую часть, через которую и выплескивается вода. Но что же скрыто внутри?
А внутри мы увидим примитивный принцип сообщающихся сосудов, известный нам еще со школьных времен.
Принцип сообщающихся сосудов
Мы знаем, что в сообщающихся сосудах уровень жидкости одинаковой плотности устанавливается на одном уровне. Это и есть закон сообщающихся сосудов.
Доказать это мы можем таким образом:
из закона Паскаля мы можем узнать, что p1=p2, где p1=ρgh1, p2=ρgh2,следовательно, ρgh1=ρgh2, т.е. h1=h2, где p-давление в жидкости, а h-высота столба.
А в сообщающихся сосудах с жидкостями, разной плотности, высота столба с меньшей плотностью будет больше высоты столба с большей плотностью.
Доказываем тоже при помощи закона Паскаля.
По закону Паскаля p1=p2, где p1= ρ1gh1, p2= ρ2gh2 ,
следовательно, ρ1gh1= ρ2gh2, т. е. h1:h2=ρ2:ρ1,
где p-давление в жидкости, а h-высота столба.
Высоты столбов в сообщающихся сосудах с разнородными жидкостями обратно пропорциональны их плотностям.
История использования сообщающихся сосудов
Впервые принцип сообщающихся сосудов начал использоваться еще в Древней Греции. Это были небольшие фонтанчики, но служили они не для эстетического удовольствия, а для удаления жажды, охлаждения и освежения воздуха. Они создавались при помощи бурения земли до подводных рек и ключей при естественных перепадах высот. Позже эти перепады начали создаваться искусственно.
3.1 Акведуки Древнего Рима
Понятие акведук происходит от латинских слов aqua — вода и ducere —вести. Акведуки являются прототипом современного водопровода. Они доставляли воду до общественных купальниц, называемых термами, Навмахий—мест римских водных сражений, богатых домов и фонтанов, о которых позже и пойдет речь. Особенностью римских водопроводов являлось то, что строители, древние римляне, не достаточно хорошо знали о принципе сообщающихся сосудов, поэтому строили их всё время под небольшим наклоном вниз, хотя этого и не требовалось. Достаточно было построить хранилище выше всех тех мест, куда должна была поступать вода.
В общей сложности насчитывалось около 11 таких величественных сооружений. Практически все они хорошо сохранились до наших дней. Это, несомненно, говорит о том, что римляне были просто гениальными инженерами и строителями.
3.2 Фонтаны в Средневековье и Новом Времени
Основой фонтанов в Средневековой Европе послужили персидские сады. Мусульманские фонтаны были окружены террасами из разноцветной плитки. Брызги, отражаясь в них, представали перед зрителями необыкновенной картиной. В Европе же сады впервые появились при монастырях. В их середине был расположен фонтан-место для уединения, размышления, молитвы. Но в большинстве фонтаны еще использовались как источники воды для полива и питья.
Наибольшего расцвета ландшафтное искусство в области фонтанов достигло в XVII веке во Франции. Лучший пример-Версаль, расположенный в 17 километрах от Парижа. Это парк фонтанов и архитектурных шедевров. Здесь находятся более 25 фонтанов, разных не только внешним оформлением, но устройством подачи воды.
3.3 Фонтаны-шутихи
Фонтаны-шутихи—еще одно произведение фонтанного искусства, появившееся еще за полторы тысячи лет до нашей эры. Но широкое распространение получили такие забавные фонтаны только в XVII в Европе.
Первые европейские шутихи не имели собственного стиля и создавались по арабо-сицилийским мотивам. Первый такой фонтан появился в парке «Эдем» в Бургундии, Франция.
На данный момент наиболее известны фонтаны-шутихи Петра I. Их прообразом могли служить фонтаны в Хелльбрунне под Зальцбургом.
Смысл таких фонтанов в придании игривого настроения среди посетителей парка при помощи неожиданного поливания водой. Часто такие фонтаны замаскированы под обыденные предметы, что и добавляет потешности.
3.4 Фонтаны нашего времени
В наше время фонтаны из маленьких отверстий для питья превратились в огромные и сложные системы. Если раньше маленькие фонтаны, созданные руками человека, считались чудом света, то сейчас каких только видов нет: с музыкой, с подсветкой, танцующие и т.д. Самый мощный фонтан выдает струю высотой до 318 метров (высота Эйфелевой башни 300)!
Фонтаны блещут разнообразием. Каждый из них это произведение искусства. Кто-то впечатляет размерами, а кто-то красотой подачи воды. В этой работе можно проследить, как происходила их эволюция.
4. Самые известные фонтаны мира
Изучив множество фонтанов в процессе изучения данной темы, мы решили составить собственный список самых красивых и удивительных фонтанов мира.
Светозвуковой фонтан на Кипре. Этот фонтан находится в небольшом курортном городке Протарас. Пусть это и не самый крупный и знаменитый фонтан, но его лазерные шоу просто впечатляют свой красотой и оригинальностью.
Фонтан Треви в Риме, Италия. Этот фонтан знаменит на весть мир. Его основная особенность — скульптурная композиция Нептуна с нимфами.
Фонтан короля Фахда. Этот фонтан расположен в Саудовской Аравии. Это тот самый высокий фонтан, про который мы говорили ранее. Напомним, что высота столба, выбрасываемого им, равна 318 метрам!
Фонтан «Белладжио». Этот фонтан построен на берегу искусственного озера в Лас-Вегасе. Есть обычай делать предложение, стоя рядом с этим фонтаном. В этом случае он будет олицетворять красоту любви.
Это танцующий фонтан. Ночью он подсвечивается десятками прожекторов, а его струю поднимаются более чем на 80 метров и переливаются всеми цветами радуги.
И, конечно, не забудем про фонтан, из-за которого и зародилась идея создания этого проекта.
Фонтан «Дружбы Народов» в Москве. Этот фонтан был построен еще в 1954 году, в качестве символа единства Советского союза. Огромный размер, роскошные позолоченные статуи, олицетворяющие различные республики. Для нас этот фонтан является самым красивым и роскошным из всех.
5. Практическая часть
Изучив простейший принцип работы фонтанов, мы захотели создать свою собственную модель. Для этого нам потребовалось:
фанера для декорации;
краски;
пластиковая бутылка;
резиновая трубочка;
импровизированная насадка;
шурупы;
петли;
жестяная коробка;
ракушки для украшения;
два магнита.
Сначала мы придумали идею декорации фонтана. Наш выбор остановился на доме с садом.
Для исполнения идеи мы вырезали из фанеры необходимые детали: фасад дома, заднюю крышку и подставку. Потом мы сделали сами сообщающиеся сосуды из бутылки и резиновой трубочки. Насадку подсоединили к сосудам и замаскировали ракушками, сымитировав с помощью железной коробки наружную часть фонтана.
В конце мы соединили все детали с помощью шурупов, петель и магнитов. Для завершения работы нам осталось только раскрасить нашу модель.
Заключение
В процессе изучения данной темы мы смогли доказать верность закона сообщающихся сосудов, узнать о различных способах его применения, выяснить, где и для чего впервые использовались свойства данного утверждения. Также мы смогли проследить эволюцию развития фонтанного искусства, его виды и ответвления, узнать впечатляющие факты.
Но самым главным нашим достижением мы считаем собственноручно сделанную модель фонтана, с помощью которой мы можем продемонстрировать механизм для подачи воды.
Выводы
Анализ результатов, полученных в ходе данной работы, позволяет сделать выводы:
принцип сообщающихся сосудов оказался хорошо применим в современном мире;
история использования этого принципа берет начало еще в Древней Греции и тянется до наших дней;
фонтанное искусство неотъемлемо связано с простейшей физикой;
посмотреть принцип работы фонтана можно даже в домашних условиях;
собственноручно можно создать работающую модель фонтана.
Приложение
Рис.1 Пример фонтана
Рис.2 Сообщающиеся сосуды
Рис. 3 Акведуки
Рис. 4 Фонтан в Версале
Рис. 5 Фонтан-шутиха в Петергофе
Рис.6 Современный фонтан
Рис.7 Светозвуковой фонтан на Кипре
Рис.8 Фонтан Треви
Рис.9 Фонтан короля Фахда
Рис.10 Фонтан «Белладжио»
Рис.11 Фонтан «Дружба Народов»
Рис. 12 Моя модель(1)
Рис. 13 Моя модель (2)
Рис.14 Моя модель (3)
Просмотров работы: 1547
Источник
Все современные фонтаны устанавливаются с насосным оборудование. Или не все? Конечно, нет, так как существует несколько способов заставить воду течь и даже фонтанировать без агрегатов принудительного действия. Использовать эти методы можно и в строительстве дачного фонтана Герона из бутылок, который будет функционировать без насоса.
Ели высота конструкции большая, то можно получить хороший напор
Вернуться к оглавлению
Как заставить течь воду без постороннего вмешательства
Если вы посещали школьные уроки физики, то уже должны представлять, за счет какой силы проще все заставить что-то двигаться. Конечно же, речь идет о гравитации или, по-другому, силе тяжести.
Для ее задействования вещь нужно поднять на некоторую высоту и отпустить. То же самое происходит и с водой. Если резервуар с ней поднять над землей и открыть пробку, то она за некоторое время вытечет.
Насос закачивает воду в бак, после чего она стекает по трубе вниз
Сила тяжести будет изначальным двигателем, который запустит наш фонтан.
Идем дальше:
- Присоединяем теперь к нашей гипотетической емкости трубку, которая будет уходить вниз – там мы направим воду строго в определенную точку.
- Если эту трубку внизу загнуть кверху, то вода начнет вылетать из нее с напором. Вот, в принципе, простейшее строение фонтана.
- Чем выше поднимается резервуар с водой, и чем шире диаметр трубы, тем сильнее будет напор. Давление в этом случае выражается в высоте водяного столба.
Подобным образом можно организовать фонтан для дачи, если есть какой-то источник, из которого основная емкость будет постоянно пополняться.
Например, можно задействовать ручей. В этом случае, помимо подачи следует побеспокоиться и о водоотведении.
Такой фонтанчик без насоса не сделаешь
Так как ручьи отыщутся далеко не на каждом участке, да еще и особенности рельефа могут не соответствовать, рассматривать подобный способ устройства фонтана не стоит.
Но для наполнения бака можно использовать и другие источники – тот же летний водопровод. Однако где-то там далеко воду в него также нагнетает насосное оборудование.
Так как же сделать постоянно работающий фонтан без насоса? Для этого одной силы тяжести недостаточно. Решение проблемы кроется в ее совместном действии с давлением. По этому принципу работает древний фонтан Герона.
Вернуться к оглавлению
Геронов фонтан – рециркуляционная система без электричества
Герон Александрийский – это греческий механик и математик, живший во второй половине I века нашей эры. Этого ученого ставят в один ряд с самыми гениальными изобретателями человечества за всю его историю.
К изобретениям инженера причисляют: первые автоматические двери, самозаряжающийся арбалет, паровую турбину, первый одометр и многое, многое другое.
Подробности жизни Герона практически неизвестны
Этот изобретатель отметился созданием многих устройств, работающих с водой. К ним же и относится знаменитый фонтан без насоса.
Схема и принцип работы фонтана Герона
Классический фонтан Герона состоит из трех емкостей, соединенных между собой в определенной последовательности трубками. Ниже представлена схема взаимодействия этих сосудов.
Схема фонтан Герона
Первая емкость (№1) может быть открытой – таковой она чаще и делается.
Трубка из нее ведет в герметично закрытый сосуд (№2). Она достает практически до его дна.
Из крышки этого сосуда берет начало еще одна трубка. Она воды касаться не должна, поэтому и укорочена. Тянется трубка до следующего герметичного сосуда (№3), заканчиваясь точно под пробкой.
Еще одна трубка также практически достает до дна третьего сосуда. Ее второй конец выходит наружу и является патрубком, их которого будет бить струя.
Фонтан Герона из пластиковых бутылок
Работает это все по следующему принципу:
- Третий сосуд (вторая герметично закрытая колба или №3) нужно до конца заполнить водой. Сделать это можно заранее, перед его закупориванием.
- Затем в открытую емкость (№1) наливается немного воды.
- Эта вода начинает перетекать в первую закрытую бутылку (№2), в результате чего замыкается цепь.
- Вода под воздействием силы тяжести течет вниз. От этого в сосуде растет давление воздуха, который по цепочке передается в третью емкость (№3), выдавливая из нее воду. В результате она опорожняется, и вода перетекает в закрытую колбу номер один (№2).
Несложно понять, что как только вода в последней емкости закончится, фонтан прекратит свою работу. Это важная недоработка знаменитого ученого, которая не позволяет создать вечное устройство.
Но вопрос можно решить. Для того чтобы получить усовершенствованный фонтан Герона, конструкцию нужно, как это ни странно, упростить.
Вечный фонтан Герона своими руками из бутылок
Избавляемся от третьей емкости, которая, по сути, совершенно ни к чему не нужна. Схема будет состоять из одной герметичной и одной открытой емкостей и двух кусков трубок, разных по диаметру.
Чтобы поддерживать стабильное давление в системе, необходимо, чтобы сливная трубка была немного больше по диаметру, чем выходная, через которую будет бить струя.
Итак, емкости соединяются трубками. По короткой, которая не достает до воды, вода будет стекать из чаши вниз. По длинной, дотягивающейся практически до дна, жидкость будет подниматься обратно, снова восполняя уровень воды в чаше. В результате цепочка получается полностью замкнутой.
Практически пошаговая инструкция по изготовлению фонтана Герона
Для запуска вечного фонтана Герона наливаем в бутылку воду, чтобы закрыть полностью длинную трубку. Затем наливаем в чашу немного воды, и работа устройства начинается.
Если ничего не происходит, то необходимо удалить из системы воздушную пробку. Для этого можно всосать в себя воздух из выходного патрубка фонтана.
Фонтан Герона из двух бутылок можно собрать как первую пробу, прежде чем пытаться соорудить что-то более серьезное.
Все предельно просто. По такому принципу даже предлагается делать вечный двигатель. Для этого по ходу движения воды располагается турбина, которая приводится во вращение жидкостью.
По сути, схему можно еще упростить. На фото вечный двигатель, который придумал Роберт Бойль.
Конусовидный сосуд в основании соединен со шлангом. Если создать в нем перепад давления, за счет вытягивания воздуха по манере того, как это делают шоферы, сливая бензин из бака автомобиля, вода начнет подниматься выше своего уровня в сосуде. Цепь также замыкается, и фонтан будет работать бесконечно долго.
Вечный двигатель Роберта Бойля
Совет! Фонтан Герона из одной бутылки можно сделать по такому же принципу.
Вернуться к оглавлению
Видео: принцип работы фонтана в сюжете программы «Галилео»
Вернуться к оглавлению
Заключение
Полученные сегодня знания можно использовать при создании достаточно габаритных фонтанов для дачи, так как принцип действия ничем отличаться не будет.
Источник
При благоустройстве участка собственники загородных домов используют каменные дорожки, подсветку и небольшие пруды. Искусственный водоём в саду служит местом для отдыха. Для украшения можно воспользоваться инструкцией по созданию фонтана своими руками в домашних условиях без насоса.
Особенности строительства фонтана
Фонтан без насоса работает по принципу разницы давления
Допускается изготовление фонтана без насоса открытого типа. В пруд заводится водопроводная труба от центральных коммуникаций или скважины. Через выходное отверстие под напором поступает струя на нужную высоту. Изменение формы достигается путём установления наконечника. Обратно вода может уходить в колодец или на участок, осуществляя полив грядок. Однако этот вариант всё же предусматривает наличие насоса на отдельном участке водоснабжения.
Ещё одним способом организации фонтана является монтаж ёмкости на определённой высоте. Вода подаётся по трубам, расположенные ниже уровня конструкции. Формирование струи требует монтажа контейнера на уровне не ниже 3 м. В данном случае используется не погружное оборудование для нагнетания давления, фильтр и система труб.
Создание фонтана без насоса осуществляется по методу Герона. Бесконечная технология разработана греческим инженером в I веке н. э. Классическая конструкция предусматривает использование 3 ёмкостей, связанных между собой трубками, расположенными в определённой последовательности.
Виды безнапорных фонтанов
Организация фонтана без электричества основывается на древних знаниях о гидро- и аэростатике. Технология, разработанная Героном Александрийским, популярна и в 21 веке.
Существует два типа фонтанов, циркуляция воды в которых осуществляется без использования оборудования для нагнетания напора. Оба варианта предполагают установку трёх ёмкостей, расположенных на разных уровнях. Отличие заключается в обеспечении потока жидкости:
- В первом случае движение воды обеспечивает ручное наполнение верхнего бака. Из основного резервуара жидкость плавно перемещается по трубке в нижние отделы. Время перелива зависит от объёма главного контейнера.
- Для создания второго варианта требуется декоративная мельница. За счёт движения лопастей происходит водоснабжение конструкции. Однако в этой ситуации необходимо вручную наполнять верхний отсек.
Основной недостаток таких фонтанных схем – обязательное формирование отвода на нижнем уровне или самостоятельное переливание жидкости. Однако на даче этот минус легко преобразуется в плюс. Например, конструкцию можно использовать для орошения цветов. Правильная организация работы системы снабдит пруд с рыбами кислородом.
Подготовительный этап
Расположение элементов конструкции фонтана
Для постройки фонтана на даче своими руками без насоса необходимо определиться с местом расположения. Выбор зависит от конструкционных особенностей и эстетического вкуса владельца, а также от нюансов участка.
Главной задачей на подготовительном этапе является планировка:
- тип конструкции;
- размеры фонтана;
- принцип работы;
- элементы декора.
Устройство должно гармонично смотреться с пространством дома или садового участка. На даче допускается установка габаритных конструкций. Для квартиры рекомендуется использовать компактные формы. Оптимальным способом сборки конструкции считается обустройство сообщающихся сосудов. Такая система формирует внутри типичный водопад и не требует насоса для принудительного давления.
Перед созданием фонтана подготовьте материалы и инструменты:
- герметик для работы с водой;
- пластиковые переходники;
- инструменты сантехника;
- трубки;
- бутылки;
- декор.
Используйте для безнасосной конструкции пластиковые ёмкости из вод воды. С бутылями легче работать, т. к. при выходе из строя замена не требует высоких расходов.
Безнапорный фонтан своими руками
Фонтан без подключения к электроэнергии и насоса – реалистичная задача. Модель не потребляет свет, являясь полностью автономной конструкцией. Кроме того, создание устройства не требует специальных навыков, дорогих материалов и специфичного оборудования.
Алгоритм работы
Основная задача мастера – конкретизировать размеры и выбрать тип. Возводить крупную пирамиду нерационально, т. к. технология Герона подразумевает плавное переливание жидкости. После определения местоположения приступайте к работе.
Пошаговая инструкция, как сделать фонтан своими руками на даче использования без насоса:
- Простой способ конструирования – организация «вечного двигателя» путём создания сообщающихся сосудов. Подобный принцип фигурирует в школьной программе по изучению физики. Суть методики заключается в размещении контейнеров на разной высоте и наличия трубок для соединения. Водный обмен выполняется через переливание жидкости из одного резервуара в другой.
- Баки разместите ступенчато и соедините их трубками, используя Т-образный переходник. Вода, поступая в верхний контейнер, без препятствий перемещается в другие отделы конструкции. Задача пользователя – обеспечить непрерывный поток.
- В днищах двух бутылок просверлите отверстия диаметром чуть уже заготовленных трубок. Каналы установите в проделанные дырки и загерметизируйте. Повысить надёжность конструкции поможет холодная сварка или ремонтные аквастики.
- Возьмите третий резервуар объёмом в два раза превышающим первые две бутылки. По центру днища закрепите переходник. Сделайте 2 дополнительных отверстий – протяните через них трубки от верхних сосудов и обработайте места стыков герметиком.
- Установите готовый фонтан на участке.
Маленькие контейнеры монтируют выше, чем большой резервуар для обеспечения стабильной циркуляции воды в конструкции.
Технология Герона несовершенна, т. к. не позволяет получить «вечный двигатель» – пользователю нужно контролировать наличие воды в конструкции. Усовершенствовать систему можно, убрав третий резервуар. Две ёмкости соедините короткой и длинной трубкой. При этом первая не должна доставать до дна бутылки – вода стекает вниз. Вторую разместите максимально близко к днищу – по ней жидкость будет подниматься. В результате получается замкнутая цепочка.
Изложенный принцип бесконечного фонтана работает без внешних источников энергии при надлежащей герметизации сосудов в местах соединения. В противном случае ёмкости будут протекать, снижая плавность перелива. В качестве отвода воды используйте дренажную систему или выход на грядки для полива растения и цветов.
Декорирование
Фонтан можно оформить в центре небольшого пруда
При декорировании фонтана без насоса своими руками учитывается месторасположение конструкции – дача, сад или дом. Невзирая на самодельную конструкцию, её внешний вид должен соответствовать ландшафтному дизайну. Эксперты рекомендуют использовать элементы декора, перекликающиеся с общим ансамблем загородного коттеджа и участка.
Если монтаж фонтана происходит на земельном участке, то в указанном месте делается небольшая ямка ~30 см в диаметре. Углубление выравнивается, покрывается щебёнкой мелкой фракции или галькой. Над возвышающейся частью производится укладка камней, по форме имитирующей скалы или иной природный ландшафт. Здесь же располагают декоративную чашу.
В качестве оформления используйте следующие идеи:
- высадка цветов;
- расстановка в контейнерах водяных растений;
- организация светодиодной подсветки;
- садовые фигурки;
- деревянные подмостки.
При оформлении дизайнеры рекомендуют сделать свободный доступ к конструкции. Если фонтан большой, для повышения безопасности создайте кованое ажурное ограждение или перила. Дополнительно конструкцию можно разместить в центре небольшого пруда и обустроить мостик.
Источник