Схема фонтана сообщающиеся сосуды
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: 2223
Источник
Тем, кто отлично знает законы физики еще со школьной скамьи, описанное ниже будет знакомо и понятно. Для тех, кто далек от научных трудов или по какой-то причине пропустил уроки в школе, расскажем, как сделать фонтан Герона своими руками, и узнаем, правда ли он может работать бесконечно?
Кто такой Герон и в чем важность его изобретения?
Сразу скажем, что о жизни это изобретателя известно очень мало, одни лишь предположения, как и о том, в каком веке он жил. Есть лишь несколько записей, сохранившиеся с тех времен, где он делает описание лунного затмения, на основании чего можно предположить, что жил он во второй половине I века н.э. Но суть не в этом.
К его заслугам можно отнести несколько важных открытий, которые и сейчас используются в повседневной жизни. Это ему мы обязаны появлением:
- автоматических дверей и паровых турбин,
- автоматических театров кукол и автоматов для продаж,
- автоматических декораций и приборам для измерения протяженности пути,
- арбалетам, способным автоматически заряжаться,
- фонтанам Герона и многим другим изобретениям.
К сожалению, до наших дней дошла лишь малая часть всех трудов, но даже то, что известно, говорит о всесторонней развитости этого человека.
Его труды затрагивают несколько областей науки: оптику, катоптрику, механику, геометрию, гидростатику и многие другие сферы, которые, в частности, берутся за основу и в наше время.
Но чаще всего упоминание о Героне можно услышать при проектировании фонтанов, один из которых носит его название.
Принцип работы фонтана
Если вы ищите вариант обустройства своего бассейна или фонтана без применения насоса, то этот вариант не то, что вы думаете. И сейчас вы поймете почему. Для начала, давайте рассмотрим простую схему функционирующего фонтана, с использованием наноса.
Есть определенный резервуар воды, внутри которого бьет фонтанчик. Больше вам ничего не видно и определить источник подачи воды очень сложно. На самом деле все интересное скрыто от наших глаз. Это система перекачки воды.
Приведенная схема раскроет все карты:
В нижней части резервуара стоит фильтр, который при помощи наноса забирает воду и направляет ее в бак, расположенный выше уровня самого резервуара. В итоге получается замкнутый круг, обеспечивающий непрерывный кругооборот. Но без подачи электроэнергии такая цепь не работает. Можно ли сделать то же самое, но без участия мотора?
По сути, фонтан Герона предоставляет такую возможность, только схема перекачки несколько усложняется, но принцип остается тот же, рассчитанный на разное давление между емкостями.
Принцип работы такой системы достаточно прост:
Есть три емкости, две герметично закрытые и одна в виде чаши, в которой и наблюдается некое подобие фонтанчика.
Принцип действия фонтана заключается в последовательном соединении сосудов несколькими трубочками. Как их правильно соединить:
- 1-я и 3-я
- 2-я и 3-я
- 2-я и 1-я
При заполнении среднего резервуара, и доливании воды в верхнюю чашу происходит фокус, фонтан начинает работать. Если вы внимательно посмотрите представленные ниже видео ролики, то заметите, что жидкость, подаваемая в верхнюю чашу, постепенно переходит в нижнюю через вторую трубочку, постепенно заполняя нижний резервуар. Следовательно, под действием давления, скопившегося в нижнем отсеке, происходит выталкивание жидкости из второго резервуара. Т.е. на первый взгляд это выглядит бесконечно.
Но как только средняя емкость освобождается, фонтанчик иссякает. Обидно, но закономерно. Ничего вечного, к сожалению, у нас нет! Чтобы повторить этот фокус, достаточно перевернуть мини демонстрацию фонтана, чтобы жидкость из нижнего резервуара перешла в средний, снова долить немного воды в верхнюю чашу и у вас есть несколько минут, чтобы полюбоваться фонтанчиком.
Чем больше емкость 2-го и 3-го отсека, тем длительнее будет процесс циркуляции воды. Но это интересно посмотреть один раз, в крайнем случае 2 или 3, но не более. Применить эту технологию для декоративных фонтанчиков в квартиру или на дачный участок – это пустая трата времени, сил и средств. Потому что заниматься перемещением жидкости с нижнего отсека в верхний – никто не будет, а при больших объемах – тем более.
Пересмотрев множество видео роликов на эту тему можно натолкнуться на различные способы изготовления этого фонтанчика. Рассмотрим, как изготовить такой фонтан своими руками.
Материалы для изготовления экспериментального фонтана
Сам процесс создания очень интересен, причем его можно провести вместе с детьми и тогда пользы от него будет гораздо больше, чем сразу от демонстрации процесса.
Итак, что нужно взять для изготовления:
- 3 любых емкости, которые можно герметически закрыть. Это могут быть пластиковые бутылки, пластиковые ведерки или что-то из этой области.
- Несколько коктейльных трубочек или трубочек от капельницы.
- Пистолет с клеем.
- Острый нож.
- Паяльник, вместо него можно использовать дрель, но на практике, можно обойтись даже отверткой, нагретой на газовой горелке.
По сути, это все что нужно для сборки. Поэтому готовим все комплектующие и приступаем к работе.
При использовании паяльника, не забывайте о соблюдении техники безопасности, особенно, если весь процесс вы выполняете вместе с детьми. Это касается и других острых предметов. Лучше такие работы выполнять самим, а детям доверить процесс сборки конструкции.
Рассмотрим несколько вариантов изготовления фонтана и ответим на вопрос, может ли он работать беспрерывно?
Фонтан, изготовленных из трех емкостей
Это настоящий фонтан Герона, который демонстрирует изобретение ученого. Вам нужно 3 емкости, можно взять три пластиковые бутылки, объемом от 1 до 2 литров. Больше тоже можно, но для экспериментального образца хватит и такого объема.
Сразу определитесь, какой формы будет ваша конструкция: ориентированная по вертикали или горизонтали.
Второй вариант более устойчивый, так как емкости укладываются на специальную подножку и хорошо стоят на ровной поверхности. Вертикально ориентированная конструкция менее устойчива, за счет того что нижняя емкость сначала находится без воды и для демонстрации в кругу семьи ее лучше придерживать, чтобы не опрокинуть.
Рассмотрим вариант с горизонтальным размещением бутылок. Процесс изготовления выглядит таким образом:
- Сначала подготовьте ножки, которые могут удержать бутылку в горизонтальном положении, чтобы она не котилась по столу. Их можно сделать из картона, вырезав дугообразное углубление на одной из сторон. Когда фонтан будет готов к показу, эти ножки нужно приклеить при помощи клеевого пистолета.
- Второй вариант – это ножки, изготовленные из крышек от пластиковых бутылок. Их нужно приклеить на боковую сторону нижней бутылки конструкции.
- Из одной бутылки нам нужно отрезать горлышко, на высоту 7-8 см, это будет своеобразная чаша, внутри которой вы будете наблюдать фонтан.
- Две другие бутылки предназначены для изготовления самой конструкции. Берем одну бутылку и на одной боковой стороне отмечаем места для двух отверстий и прожигаем их при помощи паяльника.
- Аналогичные отверстия на том же уровне делаем и на второй бутылке, проверяя их расположение линейкой.
- На одной из бутылок отмечаем дублирующие отверстия со второй стороны, только одно из отверстий смещаем на 1 см в сторону, вдоль бутылки, и точно так же их прожигаем. Это будет средний резервуар.
- В нижнюю бутылку устанавливаем трубочку для коктейля, чтоб она доходила почти до дна, но не касалась его, а место прохождения бутылки фиксируем клеем, для большей герметичности.
- Аналогично устанавливаем трубочку во второе отверстие, только глубина ее вхождения должна быть минимальной. Место прохождения бутылки тоже фиксируем клеем.
- На боковую часть бутылки, со стороны выхода трубочек, приклеиваем две крышки от пластиковых бутылок, это держатели.
- Затем, на выведенные трубочки одеваем вторую бутылку, продевая их через подготовленные отверстия. Обратите внимание, что одна трубочка, идущая со дна первой емкости – остается длинной, а вторая – короткая. Она идет с нижней емкости и доходит до верхнего края второй емкости, но не упирается в нее.
- Проклеиваем все места соединения трубочек с бутылками и крышками-распорками между бутылками. В готовом виде у вас должна получиться такая конструкция.
- Берем пробку от пластиковой бутылки и прожигаем в ней 2 отверстия.
- Готовим третью трубочку, устанавливаем ее в верхнюю бутылку, а сверху надеваем крышечку с двумя отверстиями. Все места соединения проходим клеевым пистолетом.
- Обрезаем первую трубочку, идущую с нижнего резервуара, почти под самый низ.
- Сверху накручиваем воронку, обрезанную в самом начале нашей работы.
- Схематически, вся конструкция выглядит таким образом:
- Заливаем воду через воронку, пока не наполнится нижняя емкость.
- Когда это произошло, всю конструкцию нужно перевернуть вверх ногами и подождать, пока вся вода перейдет в среднюю емкость.
- Как только это произошло, конструкцию возвращаем в исходное положение, наливаем в воронку еще немного воды, тем самым запуская процесс циркуляции.
Все, фонтан Герона готов!
Второй вариант фонтана – зрительный обман или в чем фокус?
Это второй вариант фонтана, который тоже претендует на звание «вечного двигателя». Его суть достаточно проста и примитивна. Чтобы понять, как устроена эта конструкция, нужно взглянуть на представленное ниже фото:
Что мы видим:
- Площадку, где будут установлены 2 держателя – один для фрагмента бутылки, второй для крепления трубочки
- Два держателя, в виде деревянных палочек или шпажек
- Половинка бутылки или любая другая емкость
- Трубочка от капельницы
Процесс изготовления такого фонтана достаточно прост:
- Сначала готовим основание под фонтан. Это может быть любая коробка от обуви или игрушки, либо коробка, изготовленная из гофро картона. Как вариант, можете взять обрезки от фанеры или листа ОСБ, главное, чтоб на основе вы могли зафиксировать две вертикальные планки.
- На готовую коробку устанавливаем 2 деревянные палочки (шпажки) – они предназначены для удерживания трубочки и емкости с жидкостью. С изнаночной стороны концы шпажек фиксируют клеевым пистолетом.
- Из пластиковой бутылки делают емкость, для сбора жидкости. Это может быть литровая или полуторалитровая бутылка, отрезанная со стороны горлышка на 1/3.
- Отрезанную заготовку необходимо приклеить к деревянной шпажке, горлышком вниз. Для этого берете клеевой пистолет, наносите клей на ровный участок бутылки и фиксируете заготовку на держателе.
- На вторую шпажку необходимо прикрепить медную проволоку, при помощи фрагментов трубочек от коктейля. Их нарезают небольшими кусочками, надевают на шпажку, вставляют в проволоку в образовавшиеся отверстия и при помощи зажигалки сжимают пластиковые держатели.
- Сгибаем свободный конец проволоки в дугу, направляя его в емкость, из обрезанной бутылки.
- Откручиваете крышечку с бутылки, просверливаете или прожигаете в ней отверстие, и устанавливаете в него трубочку от капельнцы. Завинчиваете крышечку.
- Фиксируете трубочку от горлышка бутылки сначала к платформе, потом ко второму держателю из проволоки. Когда эти работы выполнены, можно приступать к самому эксперименту.
- Устанавливаете платформу с фонтанчиком на стол, готовите жидкость для заливки. Для большего эффекта ее можно окрасить, чтоб был виден сам процесс запуска и дальнейшая циркуляция воды в системе.
Представленная модель не принадлежит Герону, ее открыл Роберт Бойль, но тем не менее, в качестве эксперимента ее можно изготовить.
Эту модель можно использовать не только как демонстрационный элемент, но и как мини-аквариум с постоянным фонтанчиком. Единственное, придется постоянно контролировать уровень жидкости, так как она имеет свойство испаряться.
Как видите, фонтан Герона своими руками изготовить не сложно, но говорить о вечном двигателе я бы не рискнула. Второй вариант немного напоминает разработку Герона, но существенно отличается от нее, хотя и намного проще по устройству.
Видео, как изготовить фонтан Герона своими руками
Источник