Сообщающееся сосуды своими руками

Статьи

Основное общее образование

Линия УМК А.В. Перышкина. Физика (7-9)

Физика

Все мы ежедневно пользуемся сообщающимися сосудами – это чайник, лейка, в общем, это любая система ёмкостей, в которых жидкость, к примеру, вода, может свободно перетекать из одной ёмкости в другую. В чайнике, например, такими ёмкостями являются корпус и носик или корпус чайника и специальная ёмкость для определения уровня воды в нём. Что особенного в сообщающихся сосудах? Каким свойством или свойствами они обладают? Чем заслуживают наше внимание?

26 апреля 2019

Закон сообщающихся сосудов

Сосуды соединенные между собой, жидкость в которых может свободно перетекать, имеющие общее дно, называются сообщающимися. В соответствии с законом Паскаля, жидкость передаёт оказываемое на неё давление во всех направлениях одинаково. В открытых сосудах, атмосферное давление над каждым из них одинаково, значит, и давление жидкости на стенки сосудов будет одинаковым на любом уровне. Так как давление жидкости прямо пропорционально её плотности и глубине, в случае одинаковой жидкости в сообщающихся сосудах на одинаковой глубине будет одинаковое давление, что и объясняет выравнивание уровней жидкости в них. В случае разных жидкостей, чтобы на одинаковой глубине было одинаковое давление, жидкость с меньшей плотностью должна иметь больший уровень в сравнении с жидкостью большей плотности. Т.е.

ρ1 / ρ2 = h2 / h1

Физика. 7 класс. Учебник

Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту основного общего образования. Большое количество красочных иллюстраций, разнообразные вопросы и задания, а также дополнительные сведения и любопытные факты способствуют эффективному усвоению учебного материала.

Купить

Свойство сообщающихся сосудов

Возьмем несколько различных по размеру и форме открытых сосудов, проделаем в каждом из них отверстие и соединим отверстия в сосудах трубками, чтобы жидкость, которую мы будем наливать в один из них, могла свободно перетекать из одного сосуда в другой. Для большего эффекта, пожмем трубки, которые их соединяют и наполним один из сообщающихся сосудов водой. Теперь откроем трубки и увидим, что когда жидкость перестанет перетекать, то, вне зависимости от формы и размера сосудов, уровни жидкости в каждом будут совершенно одинаковыми. Или проведём иной опыт – возьмём пластиковую бутыль и срежем донышко, а крышку плотно прикрутим, проделаем в ней небольшое отверстие и вставим в него небольшой шланг, место соединения шланга и крышки бутыли сделаем герметичным с помощью пластилина. Теперь закрепим бутыль вверх дном, а шланг расположим параллельно бутыли открытым концом чуть выше её срезанного дна. Заполним бутыль жидкостью, например, подкрашенной водой. И вновь мы увидим, что вне зависимости от высоты сообщающихся сосудов, уровень воды в бутыли будет точно таким же, как и уровень воды в шланге. В этом и заключается первое и основное свойство сообщающихся сосудов: в открытых сообщающихся сосудах уровни одинаковой жидкости будут одинаковыми. Это замечательное свойство нашло широкое применение в практике, но об этом поговорим чуть позже. А теперь возьмём U-образную стеклянную трубку. Это тоже сообщающиеся сосуды, их, в данном случае, называют коленами трубки. В правое колено нальём воду и она, конечно же, перетечёт в левое колено так, что уровни воды в обоих коленах будут одинаковыми – мы уже знаем, что так и должно быть, хоть пока что и не знаем, почему. А теперь в левое колено, очень аккуратно, чтобы жидкости не смешивались, нальём керосин или подкрашенный спирт. И мы увидим, что теперь верхние уровни каждой жидкости в коленах будут отличаться. Уровень спирта или керосина будет выше уровня воды. Заглянем заодно в таблицу плотности жидкостей и увидим, что плотность керосина или спирта меньше плотности воды, а уровень, наоборот, выше. Из этого эксперимента можно сделать вывод – если в открытых сообщающихся сосудах налиты две разные жидкости, то уровень будет выше у той, чья плотность меньше. Иными словами, плотности жидкостей и их уровни будут обратно пропорциональными. Настала пора объяснить, почему так получается.

Читайте также:

Проекты на уроках физики: плюсы и минусы

Что такое радуга?

Почему море соленое?

Почему небо голубого цвета?

Применение на практике

Благодаря своим свойствам, сообщающиеся сосуды нашли широкое применение в различных технических и бытовых устройствах. Перечислим некоторые из них:

• измерители плотности,
• жидкостные манометры,
• определители уровня жидкости (водомерное стекло, к примеру),
• домкраты,
• гидравлические прессы,
• шлюзы,
• фонтаны,
• водопроводные башни и т.д.

Свойство сообщающихся сосудов реализуется не только в физике. Такая известная поговорка «Если где-то прибыло, значит где-то убыло» фактически напрямую связана со свойством сообщающихся сосудов и означает, что в окружающем нас мире всё взаимосвязано, а значит – стремится к равновесию. Когда человек смещает это равновесие в одну сторону, это немедленно сказывается в чём-то другом. Над этим стоит задуматься, не так ли?

Материал по физике на тему «Сообщающиеся сосуды» для 7 класса.

Методические советы учителям

• При изучении этой темы обязательно необходима демонстрация. Описанные в статье эксперименты обязательно нужно показать детям в живом исполнении.
• Желательно продемонстрировать принцип действия фонтана (это также довольно не сложно сделать своими руками).
• Обратите внимание учащихся на формулу для двух жидкостей – это обратная пропорция. На нескольких примерах поясните смысл обратной пропорциональности.
• Рассмотрите ситуацию с тремя жидкостями (решите соответствующую задачу).
• А вот действие шлюзов лучше всего продемонстрировать с помощью видео.

#ADVERTISING_INSERT#

Источник

Автор LocDog На чтение 15 мин. Просмотров 3.9k. Опубликовано 16.09.2020

Принцип действия фонтана Герона из бутылок

Чтобы собрать фонтан в домашних условиях из бутылок, необходимо ознакомиться с принципом его работы, особенностями устройства. Основой в данном случае является механизм гидропневматики, где выталкивание воды струей вверх происходит за счет работы воздуха и самой жидкости.

Кроме этого, здесь не последнюю роль играет гравитация, создающая в системе фонтана нужное давление.

• Чаша, которую условно можно обозначить стартовым местом, откуда вода начинает свое перемещение по системе. Представляет она собой открытый резервуар, напоминающий по внешнему виду миску, тарелку. Из этой чаши жидкость по тонкой трубке направляется в пустую тару, находящуюся в самом низу фонтана.
• Нижний резервуар (пустой), он необходим для создания давления из стекающей с чаши жидкости, которая сжимает находящийся в нем воздух. В результате вода струей выталкивается вверх. Помимо этого, в данной пустой емкости собирается жидкость, создающая то самое нужное давление. Вода остается здесь до следующей перезарядки системы.
• Верхний резервуар, который в заряженном состоянии наполнен водой. Это та жидкость, что выходит наружу в виде тонкой струи. Процесс выталкивания осуществляют за счет сжатого воздуха – давления, которое появилось в нижней емкости. Поступая по тонкой трубке в верхний резервуар, воздух выталкивает оттуда воду. А она уже в виде фонтанчика опять поступает в чашу, из которой стекает в нижнюю емкость.

Сделанный своими руками фонтан из бутылок не является бесконечным, периодически его нужно перезаряжать.

Ничего трудного и сложного здесь нет – полную емкость (нижнюю) устанавливают на место пустого резервуара, который находится сверху, а пустой – на место полного. Чтобы запустить фонтан Герона, достаточно в верхнюю чашу долить немного жидкости.

Схема фонтана Герона из пластиковых бутылок

Домашний мини фонтан

Как сделать фонтан без насосов и генераторов, используя самые простые подручные материалы:

• саморезы;
• дрель;
• пластиковые трубки разного диаметра (этот момент особенно важен, о чем можно узнать из статьи о вечном фонтане);
• герметик или клей;
• обычные пластиковые бутылки – 2 или 3 шт.

На схеме показано устройство будущей конструкции, в которой важно соблюсти расстояние и длину трубок внутри сосуда. Такой фонтан будет работать по принципу выдавливания воды и воздуха собственным весом жидкости.

Обратите внимание! Герметичность также должна быть соблюдена на 100%.

Схема сборки фонтана из 3-х сосудов

Разрежьте одну бутылку пополам. Верхняя часть с горлышком послужит резервуаром для фонтана (чаша).

Следует помнить, что внутри конструкции будут располагаться пластиковые трубки (подойдет капельница, соломка для коктейля). Для этого в крышках делаются отверстия требуемого диаметра, а трубка обрезается до нужной длины).

• Нижнюю и среднюю бутылки соединить между собой при помощи клея в области горловин (склеить крышки, предварительно приклеив их к горловине).
• Резервуар (чаша) для фонтана приклеивается ко дну второй емкости, а в крышке и дне (соответственно) делается отверстие для трубок. Все стыки герметизируются.

• Далее, в верхнюю чашу наливается столько же воды, сколько входит во вторую бутылку. Вода будет стекать в нижнюю часть. Чтобы ее вернуть в центр фонтана, достаточно перевернуть конструкцию.

Когда вся жидкость окажется в центральном резервуаре, остается созерцать на живой фонтан, без внешних источников питания. Для этого, в верхнюю чашу добавляется немного жидкости, которая запускает следующий цикл:

• вода из верхней чаши попадает в нижнюю бутылку, выталкивая воздух во вторую емкость;
• за счет давления воздушных масс, во втором бутылке вода вынуждена искать выход, коим служит трубка;
• вода поступает в трубку, поднимается вверх и образуется фонтан.

Данный процесс не является бесконечным до момента, пока, не закончится вода во второй бутылке. Далее, все можно повторить – перевернуть емкость, долить немного воды в чашу и все!

Фонтан, который работает сам из пластиковых бутылок

Классическая схема фонтана Герона описывается еще в учебниках по физике 7 класса, и представляет собой 3 емкости с водой, расположенные одна над другой и соединенные тремя трубками.

Для домашнего эксперимента как раз подойдут пустые пластиковые бутылки из-под минеральной воды или газировки.

Первая трубка выходит из верхней чаши и опускается до самого дна конструкции. Вторая, которая крепится отдельно от первой, выходит из нижней емкости, заходит в среднюю и доходит практически до самого верха. Третья трубка идет со дна средней емкости и входит в верхнюю чашу.

• «По умолчанию» вся жидкость находится в средней емкости. Чтобы фонтан начал работать, нужно добавить немного воды в верхнюю чашу – тогда по первой трубке жидкость начнет автоматически поступать в нижнюю емкость, пока не заполнит полностью.
• В это время будет расти давление воздуха, который по второй трубке будет передаваться в средний резервуар.
• При этом на воду также будет воздействовать давление, в результате чего она по третьей трубке начнет подниматься в верхнюю чашу и струиться вверх. Выполнив это стандартное задание по физике, вы сможете повторить опыт великого греческого математика и изобретателя Герона Александрийского.
• Ещё один важный момент, на который обязательно нужно обратить внимание, это герметичность соединений. По этой причине после завершения сборки места входа трубок в крышках залейте термоклеем или герметиком.

Если под рукой нет герметика, в качестве альтернативного варианта можно использовать обычный пластилин, но учитывайте, что в этом случае возможна протечка.

Какие инструменты и материалы потребуются

Для сборки самодельного фонтана из бутылок и трубочек необходимо подготовить следующие расходные материалы и инструменты:

• пластиковая тара (из-под напитков, газированной воды, йогуртов);
• трубочки для коктейля/гибкий шланг;
• термоклей/герметик;
• сверло/гвоздь (для проделывания отверстий);
• фрагменты от толстого стержня шариковой ручки/коннекторы от капельницы (в случае применения гибкого шланга);
• крепежные элементы типа саморезов;
• электродрель;
• плоскогубцы;
• острый нож;
• ножницы;
• маркер;
• наждачная бумага.

Как сделать фонтан Герона из пластмассовых бутылок своими руками

Есть несколько вариантов изготовления фонтана Герона, и из одной бутылки, и из 2-3. Каждый из них имеет свои конструктивные особенности, которые следует учитывать, чтобы система функционировала долго и эффективно.

Как сделать фонтан Герона из одной бутылки

Собрать фонтан из ПЭТ бутылки можно, придерживаясь следующей технологии:

• Сделать в пробке от пластиковой тары отверстие, просверлив его электродрелью, либо путем использования раскаленного гвоздя. Главное, чтобы соломинка или трубочка входила в него достаточно туго.

• Наполнить емкость водой, но не доверху.

• Вставить пробку в горлышко, в проделанное отверстие – трубку, нижний конец которой должен оказаться в воде, достигнув самого дна.

• Чтобы фонтан, изготовленный своими руками из бутылки и пластиковой трубочки, начал функционировать, необходимо сжать находящийся внутри емкости воздух. Для этих целей отлично подойдет насос, применяемый для накачивания мячей.
• За неимением насоса можно воспользоваться следующим способом: дунуть через трубочку изо всех сил. Во избежание травмирования губ ее конец не должен иметь никаких зазубрин, заостренностей. При использовании стеклянного элемента конец можно оплавить при помощи парафиновой свечи, горелки. Если это металлическая соломинка, то нужно опилить ее конец мелким напильником.

Фонтан из одной бутылки будет действовать до тех пор, пока в ней находится сжатый воздух. В попытке расшириться он вытесняет из емкости жидкость.

Первый вариант фонтана функционирует при условии достаточного количества сжатого воздуха внутри резервуара. Учитывая этот момент, продлить эффект можно, если удастся периодически подкачивать воздух.

Нужно обустроить в пробке еще одно отверстие, через которое установить дополнительную пластиковую трубочку/соломинку.

Погружать ее в воду не нужно. Необходимо отогнуть верхний ее конец, и дуть в него, либо накачивать воздух при помощи насоса с вентилем, подойдет и аквариумный компрессор. Работа фонтана из пластиковой бутылки будет продолжаться в этом случае, пока жидкость не закончится.

Как сделать фонтан из двух бутылок

Эту модель фонтана из 2 пластиковых бутылок, которую тоже можно запросто собрать своими руками, делают по следующей схеме:

• Подготовить две емкости и в пробках просверлить по 2 отверстия под трубочки. Во втором резервуаре должны находиться 2 короткие соломинки.

• Соединить при помощи резиновой трубочки 2 бутылки, установить на разной высоте.

• Если дунуть в соломинку первой бутылки, то начнется процесс движения воды из нее во вторую пластиковую емкость. Даже если перестать дуть, то жидкость все равно будет течь. Здесь главное, чтобы одно отверстие находилось на определенном расстоянии от другого, была сохранена эта разность высот.
• Если попытаться заглушить пальцем выходную трубочку второй емкости, то можно ощутить давление воздуха. Это называют героновым компрессором. Если состыковать шланг и аквариумный распылитель, то такая своеобразная продувка будет функционировать до того момента, пока жидкость из первого резервуара не окажется во втором. Чтобы такой компрессор работал очень долго, а не один час, понадобится емкость большего объема и тонкая трубочка.
• Интересно, что фонтан в действительности является разработкой древнего инженера Ктезебея. Он и Герон Александрийский, математик и механик, изобрели множество оригинальных устройств, среди которых двухцилиндровый распылитель однократного действия, автоматический механизм для открывания дверей в храме.

Фонтан Герона из 3 бутылок

Работает фонтан из трех пластиковых бутылок довольно эффективно, бесшумно, хорошо помогает освежить воду в аквариуме, а также повысить уровень влажности в помещении. Алгоритм выполнения работ следующий:

• Необходимо разрезать одну пластиковую емкость напополам, где верхняя ее часть (с горлышком) будет исполнять роль резервуара для фонтана.

• Следующим этапом идет проделывание отверстий в крышках. Через них будут проходить трубочки/соломки от коктейлей, капельница.

• Нужно произвести стыковку нижней и средней емкости, склеив пробки между собой, их заранее прикрепляют к горловине.

• Чашу, где будет изливаться непосредственно сам фонтан, приклеивают ко дну второго пластикового резервуара. Обязательно в пробке и днище нужно сделать отверстия подходящего диаметра. Все стыковочные участки необходимо хорошо загерметизировать.

• Заполнить верхнюю емкость жидкостью, равной объему второй бутылки. Стекать она будет в нижнюю часть. Возвратить воду в центр фонтана можно, просто перевернув систему.

Как только вся вода будет находиться в центральном резервуаре, уникальное устройство начнет действовать, не требуя дополнительных источников питания. Сделать фонтан из бутылки и трубки под силу каждому, если соблюдать определенную последовательность действий. Доливая в верхнюю емкость жидкость, способствуют запуску следующего цикла:

1. вода из верхнего резервуара поступает в нижний, провоцируя выход воздуха во вторую бутылку;
2. благодаря имеющемуся давлению воздушных масс во втором резервуаре жидкость вынуждена находить для себя выход, и это пластиковая трубочка;
3. жидкость поступает в соломинку, направляется вверх и появляется действующий фонтан.

Благодаря фонтану в комнате можно повысить уровень комфорта в ней, микроклимат станет на порядок лучше, уменьшится количество сухого воздуха, влажность будет в оптимальном диапазоне, 40-60%. Это особенно важно для здоровья человека, комнатных культур и домашних питомцев. Это устройство позволит поддерживать влажность воздуха в отопительный сезон, когда ее показатели составляют 22%.

Такой увлажнитель, собранный из пластиковой тары, будет способствовать очищению воздуха от частиц пыли, эффективно смягчать его. Фонтан из пластиковых бутылок также будет полезен для рыбок в аквариуме.

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.

Сила тяжести будет изначальным двигателем, который запустит наш фонтан.

Идем дальше:

1. Присоединяем теперь к нашей гипотетической емкости трубку, которая будет уходить вниз – там мы направим воду строго в определенную точку.
2. Если эту трубку внизу загнуть кверху, то вода начнет вылетать из нее с напором. Вот, в принципе, простейшее строение фонтана.
3. Чем выше поднимается резервуар с водой, и чем шире диаметр трубы, тем сильнее будет напор. Давление в этом случае выражается в высоте водяного столба.
4. Подобным образом можно организовать фонтан для дачи, если есть какой-то источник, из которого основная емкость будет постоянно пополняться.
5. Например, можно задействовать ручей. В этом случае, помимо подачи следует побеспокоиться и о водоотведении.

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.

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.

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.

• 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.

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.

• 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.
• 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.

Как сделать фонтан Герона: что можно усовершенствовать

Говорят, что совершенству нет предела, и практически любую вещь можно модернизировать до бесконечности – это не совсем так, но тем не менее возможность усовершенствования любого изделия практически всегда имеется. Фонтан Герона в этом отношении не является исключением – модернизировать в нем можно много чего.

Самое первое – это увеличение струи воды. Выше мы уже говорили, что она зависит от расстояния между верхней и нижней емкостью – сами понимаете, что до бесконечности (или, по крайней мере, до необходимого момента) увеличивать это расстояние может не получиться.

Здесь есть одна хитрость – если правильно спарить две такие системы емкостей и трубочек, то как минимум высота струи увеличится вдвое. В общем, понадобится не одна, а две полные с водой бутылки и две такие же пустые, соединенные между собой трубками последовательно – полная, пустая, потом снова полная и опять пустая банка. Полные банки сверху, пустые снизу – по-другому работать не будет.

В общем, несмотря на то, что в целом фонтан Герона является весьма продуманным изделием, место для его усовершенствования все же имеется и предела этому месту, судя по всему, нет. В заключение темы остается добавить, что по описанному выше принципу можно изготовить достаточно много разнообразных систем, начиная от небольших опытных моделей фонтанов, до огромных рабочих моделей.

С последними, правда, возникает проблема перезарядки, решить которую без насоса или других хитроумных приспособлений современности весьма и весьма сложно.

Заключение

Фонтан Герона из бутылок своими руками представляет собой довольно интересную конструкцию, которая пригодится в доме. Это одновременно и украшение, и увлажнить воздуха. Для ее изготовления не нужны серьезные финансовые и трудовые затраты, действуя согласно схеме, можно легко и быстро собрать это оригинальное устройство. Особенно интересен фонтан из пластиковых бутылок, сделанный своими руками, будет детям.

Источник