Устройство фонтанов — особенности функционирования.
Панова А.Р.
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №16» Копейского городского округа
Махалина Е.Н.
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №16» Копейского городского округа
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
Введение
Все живое вокруг нас обусловлено четырьмя стихиями: огнем, водой, землей и воздухом. Человечество научилось использовать эти элементы в свою пользу. Например, журчание воды, которое кто-то может воспринимать как тиканье часов, или играющие языки пламени, вдохновили на создание различных устройств, в том числе и фонтанов. «Как устроен фонтан?» — вопрос, который показывает интерес человека к миру стихий.
Однажды мне в руки попала книга для чтения по физике. [3] Листая её, я увидела, что в домашних условиях можно сделать фонтан. Меня заинтересовали два вопроса: как работает фонтан и смогу ли я сама при помощи взрослых сделать его дома. Актуальна эта тема еще и потому, что сейчас популярно иметь дома декоративные фонтаны.
Объект исследования: фонтан
Предмет исследования: принцип работы различных фонтанов
Цель: выявление особенностей работы проточного фонтана и фонтана Герона
Задачи:
1. изучить различные источники информации по данной теме;
2. изучить принцип работы проточного фонтана и фонтана Герона;
3. провести эксперимент; проанализировать, сделать выводы.
Гипотеза: если мы узнаем, как работает фонтан, то, возможно, сможем построить макет для его демонстрации
Методы исследования: эксперимент, наблюдение, анализ, обобщение.
Глава 1. Общая характеристика фонтанов
1.1. Фонтаны: история возникновения
Первые фонтаны возникли в Древнем Египте и Месопотамии, о чем свидетельствуют изображения на древних надгробиях. Изначально они использовали для полива выращиваемых культур и декоративных растений. Египтяне сооружали фонтаны во фруктовых садах возле дома, где они устанавливались посреди прямоугольного пруда.
Подобные фонтаны использовали и в Месопотамии и Персии, славившимися своими прекрасными садами. Здесь на Востоке они получали еще большую популярность.
Огромные значения фонтаны имели в Китае и Японии. В создание знаменитого японского сада Киото участвовали монахи буддисты. Каждый элемент этого сада – несет в себе особое значение и вызывает у посетителей определенное настроение и состояние души.
Ландшафтной и архитектурной основой фонтанов и садов в Европе послужили персидские сады. В средние века сады появлялись при монастырях и подобно персидскому саду делились на четыре части – для цветов, трав, овощных культур и фруктовых деревьев. В середине сада был расположен колодец или фонтан – место уединения, размышления и молитвы для послушников монастыря. Но в основном, как и в Древнем мире, в Средневековье фонтаны использовались как источники водоснабжения – для полива и питья.
Только с началом Эпохи Возрождения фонтаны в Европе становятся частью архитектурного ансамбля, его ярким акцентом, а порой главным элементом.
В современных фонтанах значительную роль играют передовые технологии, новые изобретения. [5]
1.2. Как работают фонтаны?
Устройство фонтана основано на принципе сообщающихся сосудов. (приложение, рисунок 1) В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.Воду собирают в емкость расположенную выше бассейна фонтана. При этом давление воды на выходе из фонтана будет равно разнице высот воды. Соответственно чем больше разница этих высот, тем сильнее давление и выше бьет струя фонтана. Так же на высоту струи фонтана влияет диаметр выходного отверстия фонтана. Чем оно меньше, тем выше бьет фонтан. (приложение, рисунок 1)
Фонтан Герона. (Приложение, рисунок 2)Прибор состоит из трёх сосудов, помещённых прямо один над другим и сообщающихся между собой: два нижних закрытые, а верхний имеет форму открытой чаши, в которую наливается вода, а также и в средний сосуд, через отверстие в дне чаши, потом закрываемое. По открытой трубке, идущей от дна чаши почти до дна самого нижнего сосуда, вода течёт из чаши вниз и, сжимая находящийся там воздух, увеличивает тем его упругость. Нижний сосуд сообщён со средним посредством открытой трубочки, начинающейся в верхнем дне его и идущей до верхнего дна среднего сосуда, так что находящийся здесь над поверхностью воды воздух также сжимается. Производя давление на воду, воздух заставляет её подниматься из среднего сосуда по особой трубке, проведённой почти от его дна в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бьёт фонтан. Высота фонтана, в идеальных условиях, равна разнице уровней поверхности воды в среднем и нижнем сосудах. Но трение жидкости, движущейся в трубках, и другие причины уменьшают высоту фонтана. Вода фонтана, падающая в чашу, течёт из неё по трубке в нижнее отделение прибора, где уровень воды постепенно повышается, и потому высота давящего столба, измеряемая от названного уровня до уровня воды в чаше, постепенно уменьшается; уровень же воды в среднем сосуде, по мере расходования воды фонтаном, понижается. По этим двум причинам высота фонтана постепенно убывает и, наконец, движение воды прекращается.
Столб воды в верхнем сосуде до её поверхности в нижнем, создает избыточное давление в нижнем сосуде. Сжатый воздух из нижнего сосуда передает полученное давление в средний сосуд. (приложение, рисунок 2)
1.3. Виды фонтанов
Естественные. Известны естественно образовавшиеся фонтаны, называющиеся гейзерами — как, например, на Камчатке.
Техногенные. Искусственно созданным фонтаном является фонтанирующая нефтяная скважина. Батареи из множества водяных фонтанов горячей воды используются для её охлаждения на тепловых электростанциях. Декоративные. В обиходе фонтаном называют специфическое гидротехническое сооружение, как правило, выполняющее декоративную функцию. Утилитарную функцию имеют питьевые фонтанчики, позволяющие обеспечить повышенную гигиеническую безопасность при утолении жажды массовым потребителем. Питьевые фонтаны используются для обеспечения питьевого режима в учебных заведениях, в производственных цехах. Музыкальные. Музыкальный фонтан — тип фонтанa, имеющий эстетический дизайн и создающий, в соединении с музыкой, художественное представление. Эффект достигается с помощью пересечения волн воды и световых эффектов, создаваемых прожекторами или лазерами. [2]
1.4. Фонтаны в повседневной жизни
Красивый фонтан — это прекрасное лекарство от стрессов, от суеты повседневной жизни горожан, оазис покоя и радости, место для отдыха и самосозерцания. [5]
Глава 2. Экспериментальные основы проекта
Из предложенных принципов работы фонтанов, мы построили проточный фонтан, работающий на законе сообщающихся сосудов, а также фонтан Герона.
2.1.Создание макета «Город фонтанов» (на основе сообщающихся сосудов)
Оборудование: (приложение, рис. 3; фото 1-6)
Ёмкость для сбора воды, 2 пластиковых бутылки одинакового размера (резервуары для воды), трубка от капельницы, трубка для аквариума,
2 наконечника от гелиевой ручки, 2 наконечника от капельницы, картон, клей, цветная бумага, ёмкость для фонтана, декоративное оформление.
Разработка технологического процесса
1. Подготовка рабочего места, инструментов, материалов.
2.Закрепить две пластиковых бутылки (резервуары для воды) на опорах.
3. Прикрепить к ним в первом случае – 2 трубочки от капельницы, во втором случае – 2 трубочки от аквариума.
4. Вывести трубочки через ёмкость для сбора воды
5. Прикрепить к трубочкам в первом случае наконечник от капельницы, во втором случае – наконечник от гелиевой ручки.
6. Придать эстетичный вид сооружению.
7. Провести эксперимент.
Исследования: Опыт №1 (приложение, фото 7, 8, 9, 10)
«Зависимость высоты струи в фонтане от взаимного расположения сообщающихся сосудов»
Ход работы: меняя высоту резервуара, при постоянном диаметре отверстия мы измеряли высоту струи фонтана.
|
резервуары для воды |
диаметр отверстия |
высота сосуда |
 высота струи |
|
0,2 см |
14 см |
3 см |
|
|
0,2 см |
4 см |
1 см |
Вывод: высота струи фонтана зависит от высоты сосуда: чем выше сосуд, тем выше струя фонтана
Опыт №2 (приложение, фото 11)
«Зависимость высоты струи в фонтане от диаметра отверстия»
Ход работы: не меняя высоту резервуара, мы брали разные наконечники: от капельницы и от гелиевой ручки и измеряли высоту струи.
|
резервуары для воды |
диаметр отверстия |
высота сосуда |
высота струи при наконечнике от капельницы |
высота струи при наконечнике от аквариума |
|
0,2 см |
14 см |
3 см |
9 см |
|
|
0,2 см |
4 см |
1 см |
5 см |
Вывод: чем меньше диаметр выводного отверстия, тем высота струи фонтана больше.
Опыт № 3 (приложение, фото 12) «Зависимость высоты струи в фонтане от диаметра трубки сообщающегося сосуда»
Ход работы: не меняя высоту резервуара, оставив наконечники от аквариума мы поменяли трубки.
|
резервуары для воды |
высота сосуда |
диаметр отверстия |
высота струи при наконечнике от аквариума |
диаметр отверстия |
высота струи при наконечнике от аквариума |
|
14 см |
0,2 см |
9 см |
0, 5 см |
19 см |
|
|
4 см  |
0,2 см |
5 см |
0, 5 см |
10 см |
Вывод: чем больше диаметр трубки, тем выше высота струи фонтана.
2.2. Создание макета «Фонтан Герона» [6,7]
Оборудование: (приложение, фото 13 – 19)
Ёмкость для сбора воды, 2 пластиковых бутылки одинакового размера (резервуары для воды), трубка от капельницы, трубка для аквариума, 2 наконечника от гелиевой ручки, 2 наконечника от капельницы, картон, клей, цветная бумага, ёмкость для фонтана, декоративное оформление.
Разработка технологического процесса
1. Подготовка рабочего места, инструментов, материалов.
2. Три одинаковых по размеру пластиковых баночки соединяем между собой.
3. Создаём герметичность емкостей и мест их соединения.
4. Перед герметизации вставляем трубочки (приложение, схема 1)
5. Провести эксперимент.
Исследование заключалось в том, что, если мы правильно собрали конструкцию, то фонтан будет работать.
Принцип работы:
Чаша. Назовем ее точкой отсчета – стартом, с которого жидкость начинает свое движение в системе фонтана Герона. Это обычная открытая емкость, изготовленная по типу миски или тарелки. Из нее по тонкой трубке вода поступает в пустую емкость, расположенную в самом низу фонтана.
Нижняя пустая емкость. Она служит для достижения двух целей. Во-первых, стекающая с чаши вода сжимает содержащийся в ней воздух и тем самым создает давление, необходимое для выталкивания воды струей вверх. И, во-вторых, в ней собирается вода, которая создает это давление (то есть та, которая стекает вниз). Здесь она и остается до следующей перезарядки фонтана.
Верхняя емкость – в заряженном состоянии она с водой. Именно эта жидкость и выталкивается наружу в виде тонкой струи воды. Выталкивается она благодаря сжатому воздуху – давлению, образовавшемуся в нижней колбе. Этот воздух по тонкой трубке поступает в верхнюю колбу, вытесняя оттуда жидкость, которая изливаясь фонтанчиком, снова попадает в чашу, откуда, опять-таки, стекает в нижнюю колбу.
Вывод: схема верна – наш фонтан Герона работает
Заключение
Мне очень понравилось работать над фонтаном. Он получился довольно красивым. Это была очень большая и сложная практическая работа, и конечно, были вещи, которые у меня не получались, или получились. Я узнала много нового о фонтанах и об их истории. Мной были проведены некоторые опыты и сделаны выводы.
Выводы:
не во всех фонтанах используются сообщающиеся сосуды
в сообщающихся сосудах однородная жидкость стремится оказаться на одном уровне
фонтан бьет не только за счет разности высот воды в сообщающихся сосудах
вещей, которые способны работать самостоятельно, без внешнего источника энергии, не так уж и много, и особое место среди них занимает фонтан Герона. Его основным достоинством является то, что он работает благодаря естественным законам природы, не затрачивая при этом сторонней энергии.
Источники информации
1. Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике. 6-7 класс. Пособие для учащихся. Сост. И.Г.Кириллова. М., «Просвещение», 1978
2. Мир фонтанов. [Электронный ресурс].- URL: http:// www. mirfontanov.ru /fountain_history.html
3.Спышнов П. А. Фонтаны. Описание, конструкции, расчёт. — М., 1950.
4.Танцующая вода .[Электронный ресурс].- URL: https://www.ivd.ru/dizajn-i-dekor/aksessuary/tancuusaa-voda-4687
5. Фонтаны. [Электронный ресурс].- URL: https://ru.wikipedia.org/wiki
6. Фонтан Герона. [Электронный ресурс].- URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/
7. Фонтан Герона: как сделать. [Электронный ресурс].- URL: http://nw-ps.ru/fontan-gerona-kak-sdelat/
Приложения
Рисунок 1. Фонтан на основе сообщающихся сосудов
Рисунок 2. Фонтан Герона
Рисунок 3. Макет «Город Фонтанов»
Схема 1. Принцип работы фонтана Герона
Фото 1- 6. Создание макета «Город фонтанов»
Фото 7. Заливаем воду в резервуар для воды Фото 8. Измеряем высоту ёмкостей
Фото 9, 10. Измеряем высоту струи фонтана(первичный результат)
Фото 11, 12. Измеряем высоту струи фонтана (конечный результат)
Фото 13. Материал для фонтана Герона
Фото 14, 15. Обрабатываем поверхности герметиком
Фото 16, 17, 18, 19. Собираем макет фонтана Герона
Для чего был создан фонтан?
Фонтаны были созданы в разных культурах и эпохах для различных целей. Одним из основных назначений фонтанов являлась демонстрация могущества, богатства и роскоши правителей и владельцев замков и дворцов. Фонтаны были часто устанавливаемыми на центральных площадях, перед зданиями и в парках, чтобы служить визуальным украшением и привлекать внимание прохожих.
Кроме декоративных функций, фонтаны также использовались для питьевой воды, орошения растений и животных, а также для обеспечения охлаждения в жаркие дни. В истории известны фонтаны, которые служили для обеспечения водой жителей городов, например, фонтаны в Риме или Стамбуле.
Фонтаны также могут иметь религиозное значение. В разных религиях фонтаны использовались для омовения, очищения, и для подчеркивания святости места или памятника. В некоторых случаях, фонтаны становились объектами паломничества.
В современном мире фонтаны продолжают использоваться для различных целей, в том числе для украшения городов и парков, для создания атмосферы в ресторанах и гостиницах, для праздничных мероприятий, и как объекты искусства.