Исследовательский проект по физике на тему "Роль сообщающихся сосудов в жизни людей"

Районная научная конференция молодых исследователей

«Шаг в будущее - 2022»

Исследовательская работа на тему:

«Сообщающиеся сосуды в жизни людей»

Автор:                                                                                           

Панфилов Семён Ильич,

ученик 7а класса,

Муниципального казенного общеобразовательного учреждения

Болчаровская средняя общеобразовательная школа

                                                                                         Научный руководитель:

Змановский Леонид Владимирович,

Учитель физики высшей категории

Муниципального казенного общеобразовательного учреждения

Болчаровская средняя общеобразовательная школа

Ханты-Мансийский автономный округ-Югра, Кондинский район,

п. Болчары - 2022

Сообщающиеся сосуды в жизни людей.

Панфилов Семён

ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ

7а класс

Аннотация.

Я люблю путешествовать на поезде, а особенно люблю пить чай или кофе под монотонный шум колес. Когда я подходил к котлу в вагоне, чтобы налить кипяток, иногда слышал от проводника, что котёл пустой и воды в нём нет. Мне всегда было интересно, как проводник это узнаёт, ведь котёл непрозрачный. Я спросил у него об этом. На что проводник мне ответил, что у котла есть водомерное стекло, которое соединено с котлом по принципу сообщающихся сосудов. На тот момент про сообщающиеся сосуды я ничего не знал, но решил выяснить что это такое и где ещё помимо железнодорожного транспорта они используются. Я подошел к учителю физики и спросил у него, на что он предложил мне написать исследовательский проект на эту тему.

Данная работа представляет собой исследование значения и роли сообщающихся сосудов в жизни людей: в быту, в технике, в природе.

Целью работы являлось изучить закон и свойства сообщающихся сосудов, показать где используются сообщающиеся сосуды, проанализировать их значение в жизни людей и на основе проведенного анализа создать модель фонтана Герона.

Использованные в работе теоретические (анализ, сравнение, классификация, систематизация), практические (наблюдение, создание модели фонтана Герона) и интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов) методы позволили решить задачи исследования.

В ходе проделанной работы мы изучили закон сообщающихся сосудов и проанализировали их роль и значение в жизни людей. Оказалось, что сообщающиеся сосуды окружают нас буквально везде: и на кухне, и в медицине, и в квартире, и в автомобиле, и на огороде. Огромное значение сообщающиеся сосуды играют в природе и технике. Начнём с того, что все моря и океаны являются гигантскими сообщающимися сосудами, ведь они соединены друг с другом проливами. Реки и озёра также являются сообщающимися сосудами, ведь они впадают друг в друга. Системы водоснабжения домов, радиаторы отопления и расширительные баки, чайники, заварники, кофейники, лейки, строительные уровни, системы шлюзов, капельницы, водонапорные башни, всевозможного рода фонтаны, тормозная система автомобиля, система охлаждения автомобиля, кровеносно-сосудистая система человека и животных, гейзеры, гидравлический пресс – всё это примеры сообщающихся сосудов.

Сообщающиеся сосуды в жизни людей.

Панфилов Семён

ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ

7а класс

План исследования.

Я люблю путешествовать на поезде, а особенно люблю пить чай или кофе под мо-нотонный шум колес. Когда я подходил к котлу в вагоне, чтобы налить кипяток, иногда слышал от проводника, что котёл пустой и воды в нём нет. Мне всегда было интересно, как проводник это узнаёт, ведь котёл непрозрачный. Я спросил у него об этом. На что проводник мне ответил, что у котла есть водомерное стекло, которое соединено с котлом по принципу сообщающихся сосудов. На тот момент про сообщающиеся сосуды я ничего не знал, но решил выяснить что это такое и где ещё помимо железнодорожного транспорта они используются. Я подошел к учителю физики и спросил у него, на что он предло-жил мне написать исследовательский проект на эту тему.

Проблемой нашего исследования является поиск использования сообщающихся сосудов в быту, в природе, в технике и выяснение их роли в жизни людей.

Противоречия состоят в том, что с одной стороны знание и использование закона сообщающихся сосудов значительно облегчает жизнь человека, делает её более удобной и комфортной, даёт эстетическое удовольствие (например, от наблюдения фонтанов Петергофа), а с другой стороны может привести к непредсказуемым последствиям (например, затоплению значительных территорий при прорыве плотин и различного рода гидросооружений).

Актуальность обозначенной нами проблемы заключается в том, что закон сообщающихся сосудов является одним из основных законов в физике, сообщающиеся сосуды окружают нас повсюду и умение эффективно его использовать является одним из основных умений современного культурного и образованного человека, инженера, конструктора, ученого.

Объектом исследования являются сообщающиеся сосуды.

Предмет исследования – факторы, влияющие на величину напора и высоту струи в фонтане.

Целью нашей работы является изучить закон сообщающихся сосудов и свойства сообщающихся сосудов, показать где используются сообщающиеся сосуды в быту, технике, природе, проанализировать их значение в жизни людей и на основе проведенного анализа создать модель фонтана Герона.

В качестве гипотезы мы выдвинули идею о том, что высота струи фонтана зависит от разницы уровней жидкости в сообщающихся сосудах и диаметра сопла струи.

Для достижения поставленной нами цели были выделены следующие задачи:

1. Изучить научную, научно-популярную и научно-познавательную литературу по данному вопросу, цифровые образовательные ресурсы, ресурсы Интернет.

2. Изучить закон сообщающихся сосудов и их свойства.

3. Исследовать способы увеличения и уменьшения величины напора и высоты столба жидкости в сообщающихся сосудах.

4. Ознакомиться с ролью сообщающихся сосудов в быту, технике, природе.

5. Создать модель фонтана Герона.

6. Сделать выводы по проделанной работе.

Эмпирическая база исследований.  Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Болчаровская средняя общеобразовательная школа (кабинет физики, квартира, кухня, уборная, душевая комната и др.).

Методы исследования.

- Теоретические (изучение, анализ, обобщение).

- Эмпирические (наблюдения, беседы, измерения).

- Интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).

Научная новизна исследования заключается в исследовании роли сообщающихся сосудов в большом количестве самых обычных вещей, с которыми мы ежедневно сталкиваемся в повседневной жизни: на кухне, в уборной, в душевой и т.д.

Практическая значимость исследования состоит в том, что результаты данной работы можно использовать в качестве дополнительных материалов на уроках физики в 7 классе при прохождении темы «Сообщающиеся сосуды», а также на уроках технологии при объяснении устройства сливной канализации, гидрозатворов в подключаемой сантехнике, инструктажей по соблюдению техники безопасности при работе с лейкой и шлангом на приусадебном участке, на уроках кулинарии и технологии и др.

Таблица 1 - Этапы исследования

№ п/п	Содержание этапа	Сроки проведения
1.	Изучение параграфов №38 «Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля», №39 «Давление в жидкости и газе», №40 «Расчёт давления жидкости на дно и стенки сосуда» и №41 «Сообщающиеся сосуды» учебника физики для 7 класса автор Перышкин А.В., научно-популярной литературы, цифровых образовательных ресурсов и ресурсов Интернет	Ноябрь 2021 года
2.	Изучение закона сообщающихся сосудов и свойств сообщающихся сосудов.	Декабрь 2021 года
3.	Ознакомление с ролью и значением сообщающихся сосудов в быту, технике, природе.	Январь 2022 года
4.	Выявление факторов, влияющих на величину напора и высоту струи в фонтане.	Февраль 2022 года
5.	Создание действующей модели фонтана Герона и её запуск.	Март 2022 года
6.	Подведение итогов и оформление отчета о проделанной работе.	Апрель 2022 года

Библиография

1. Акведуки и бани в Древнем Риме - // https://italy4.me.

2. Боруцкий В. Гидрозатвор для канализации: классификация затворов и правила их монтажа. - // https://sovet-ingenera.com.

3. Жизнь под давлением: как устроены водонапорные башни - // https://habr.com.ru.

4. Коллекция цифровых образовательных ресурсов// http://school-collection.edu.ru.

5. Физика. 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений/А.В.Перышкин. – 2-е изд.,стереотип. – М.: Дрофа, 2013. – 221, [3] с.: ил.

6. Фонтан Герона своими руками из пластиковых бутылок - // https://sdelairukami.ru.

7. Энциклопедический словарь юного техника/ Сост. Б.В.Зубков, С.В.Чумаков. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Педагогика, 1988. – 464 с.: ил.

8. Энциклопедический словарь юного физика/ Сост. В.А. Чуянов. – М.: Педагогика, 1984. – 352с., ил.

Сообщающиеся сосуды в жизни людей.

Панфилов Семён

ХМАО-Югра, Кондинский район, МКОУ Болчаровская СОШ

7а класс

Научная статья (описание работы).

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? На эти вопросы мы постараемся ответить в нашей работе.

1. Закон и свойства 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.

 

                                                    а)                                                                          б)

Рис.1. Сообщающиеся сосуды с однородной (а) и разными жидкостями (б).

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.

Таким образом, сформулируем свойства сообщающихся сосудов:

1. В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне (рис.1 (а)).

2. При равенстве давлений высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости с большей плотностью (рис.1 (б)).

2. «Неиссякаемая» чаша.

Сообщающиеся сосуды использовали и жрецы Древнего Египта для демонстрации своих «чудес», и древние греки. В одном из древнегреческих храмов, например, находилась «неиссякаемая» чаша, наполненная водой. Люди постоянно черпали из неё воду, но её уровень не понижался. Это в народе считалось чудом. Там было два сообщающихся сосуда: один на виду – неиссякаемая чаша, а за стеной, невидимый для посетителей, второй сосуд – большой бак с водой. Он-то и соединялся с чашей, спрятанной под полом трубой, и подпитывал её, как только уровень воды в ней понижался.

     

                                              Рис.2. «Неиссякаемая» чаша.                       

3. Акведуки.

Акведуки Древнего Рима считаются идеальной водопроводной системой тех времен, чудом инженерной мысли! Благодаря им вода подавалась в фонтаны, бани, частные дома богатых людей. Римляне пользовались водой для питья, приготовления пищи, поддержания чистоты, постоянно промывались общественные туалеты.

Акведук – это водопровод, который предназначен для подачи воды к населенным пунктам, а также к гидроэнергетическим и оросительным системам из тех источников, что располагаются выше. В более узком значении акведуком называется часть водопровода в форме моста, что расположен над рекой, дорогой или оврагом.

Практически все древнеримские акведуки были простейшими самотечными конструкциями. Источник находился немного выше города, а водопровод имел постоянный уклон вниз, чтобы вода под воздействием силы тяжести стекала вниз.

Фото.1. Акведук Пон-дю-Гар.

4. Водонапорные башни.

Идея водонапорных башен настолько простая и гениальная, что по сей день в самых разных местах планеты можно встретить современные сооружения, выполняющие те же функции.

В верхней части башни размещается большой резервуар для воды. Уровень, на который устанавливается этот бак, должен быть выше самого высокого здания, в которое будет подаваться вода. Разница высот очень важна, поскольку весь принцип работы водонапорной башни основан на давлении, которое создает столб жидкости. К резервуару ведут трубы от насосной станции, где обычно используют маломощный насос, постепенно наполняющий резервный бак. Чтобы вода в них зимой не замерзала, их изолируют и укладывают под землю. В каждом доме в квартирах на трубах устанавливают водяные краны. Когда открывают кран, вода начинает выливаться, так как уровень жидкости в башне выше, чем в квартире (рис.3).

Рис.3. Устройство и принцип работы водонапорной башни.

    Фото 2. Водонапорные башни в Зеленоградске (Кранц) и Светлогорске (Раушен).

Функциональность водонапорных башен проста. Однако если мы посмотрим на архитектуру таких сооружений в Европе, особенно начала XX века, то увидим, что облик многих из подобных строений нередко напоминает средневековые замки.

Например, водонапорные башни в Кранце (Зеленоградск) и Раушене (Светлогорск) (Фото 2) являются настоящими произведениями искусства, которые и по сей день радуют глаз жителей и гостей этих популярных курортных городков на Балтике и являются их визитными карточками.

Каждый день, открывая кран, Вы видите пример сообщающихся сосудов на практике, потому что действие водопровода основано на этом принципе.

Принцип действия водопровода заключается в том, что на высокой башне устанавливается бак для накопления воды. От него идут трубы с ответвлениями, концы труб в квартирах домов закрыты кранами. Так как трубы и бак – сообщающиеся сосуды, то при открытии крана вода начинает течь. Такой водопровод не может подавать воду на высоту, большую, чем высота уровня воды в баке.

5. Шлюзы.

Примером сообщающихся сосудов являются шлюзы. Шлюзы – это гидротехническое сооружение для перевода судов на реке или канале с одного уровня на другой. Шлюзы – это своеобразные лифты для кораблей.

Рис. 4. Схема устройства шлюза и схема шлюзования судов.

Шлюзы являются одним из ярких примеров применения сообщающихся сосудов в технике. Любой шлюз состоит из шлюзовой камеры, в которой есть верхние и нижние ворота. Камера соединена с рекой или каналом широкими трубами, которые закрывают выдвижными заслонками.

Если судно идет вниз по течению, то оно заходит в верхнюю камеру, ворота которой после этого закрываются. Вода из камеры выпускается в нижнюю камеру до тех пор, пока ее уровень не сравняется с уровнем воды в нижней камере. После этого открываются другие ворота, судно выходит из камеры и свободно плывет дальше по реке. Подобным способом суда поднимаются вверх против течения реки (рис. 4). Но в этом случае камера наполняется водой до тех пор, пока она не достигнет верхнего уровня воды в реке. Такие шлюзы, как правило, строят на судоходных реках, на которых построены водонапорные плотины.

6. Роль сообщающихся сосудов в быту

С сообщающимися сосудами мы сталкиваемся ежедневно и даже не замечаем этого. Например, различного рода чайники, заварники, кофейники и лейки – примеры сообщающихся сосудов (рис.5). Вода, налитая в чайник, заварник, кофейник или лейку всегда будет на одном уровне с водой в носике.

Рис. 5. Примеры сообщающихся сосудов в быту.

Никак не обойтись без сообщающихся сосудов и в сантехнике (раковинах, канализационных трубах, унитазах, душевых кабинах). Сифон (гидрозатвор) – один из обязательных элементов подключения сантехнического оборудования к канализационным сетям.

Гидрозатвор – это искусственно созданный столб воды высотой не менее 10 см, препятствующий обратному поступлению смытых в канализацию дурно пахнущих летучих веществ и токсинов.

Функции гидрозатвора (сифона):

1. Блокировать гидроудары для снижения нагрузки на трубы;

2. Предотвращать проникновение неприятных специфических запахов в жильё.

Конструкции гидрозатворов разных видов отличаются, однако все они так или иначе представляют собой трубы с изгибами определенной формы (см.рис.6).

Рис.6. Устройство и принцип действия сифона (гидрозатвора).

Одно из важнейших условий функционирования гидрозатвора – постоянное наличие в его полости воды, которая играет роль преграды против проникновения наружу газов и неприятного запаха (рис.7).

Рис.7. Схема козырькового унитаза с косым выпуском.

7. Роль сообщающихся сосудов в технике

Благодаря своим свойствам, сообщающиеся сосуды нашли широкое применение в различных технических устройствах: домкратах, гидравлическом прессе, жидкостном манометре и др. (см. таблицу 1).

Таблица 1 – Применение сообщающихся сосудов в быту

Устройство	Принцип действия
	Принцип работы любого гидравлического домкрата основан на известном ещё со школы законе Паскаля. Все гидравлические домкраты выполнены как два сообщающихся сосуда. Они заполнены специальным гидравлическим маслом. В процессе перекачки этого масла из одного сосуда в другой через специальный клапан, во втором сосуде создаётся избыточное давление. Благодаря этому давлению происходит процесс движения поршня домкрата, Этот поршень исполняет роль подъёмника.
	Гидравлический пресс состоит из двух сообщающихся сосудов-цилиндров с поршнями разного диаметра. Цилиндр заполняется водой, маслом или другой подходящей жидкостью. По закону Паскаля давление в любом месте неподвижной жидкости одинаково по всем направлениям и одинаково передается по всему объёму. Силы, действующие на поршни, пропорциональны площадям этих поршней. Поэтому выигрыш в силе, создаваемый идеальным гидравлическим прессом, равен отношению площадей поршней.
Жидкостный манометр	Принцип действия жидкостных манометров основан на свойстве сообщающихся сосудов и законе Паскаля.      Жидкостный манометр состоит из двух трубок, соединенные в U-образную конструкцию. Система наполовину заполнена жидкостью (обычно ртутью), и, если на нее действует только атмосферное давление – уровень жидкости в обеих трубках будет одинаков.     Если одну из трубок подключить к накачивающему устройству или к закрытой емкости, на жидкость в ней будет действовать измеряемое давление (р1). В то время как на жидкость во второй трубке действует только атмосферное давление (р2). При изменении р1 уровень жидкости во второй трубке тоже будет меняться.      Измерив разность высоты столба      Δh = h1 − h2, можно узнать, насколько изменилось давление Δp = p1 − p2.

8. Фонтаны

Ещё одним примером сообщающихся сосудов являются фонтаны. Мы часто любуемся красотой фонтанов. Каждый фонтан – это волшебная сказка, сказочный уголок, куда стремятся жители, особенно в жаркий солнечный летний день. Особенно красивы фонтаны Петергофа, этого русского Версаля, восьмого чуда света и Мировой столицы фонтанов, как его окрестили современники. Но что самое интересное так это то, что воду к фонтанам Петергофа подают самотёком путем естественного перепада высот. Был построен канал общей протяжённостью 27,4 километра, ведущий от близлежащих озер к Петергофу. Общий перепад высот составляет 100 метров, Таким образом был достигнут необходимый напор воды. Высота основной струи фонтана Петергофа «Самсон, раздирающий пасть льва» составляет около 20-22 метров.

    

      Фото 3. Фонтан «Самсон, раздирающий пасть льва».             Рис.8. Схема фонтана.

Практическая часть

Фонтан – это сообщающийся сосуд, имеющий между собой сообщение или общее дно. Устройство фонтана основано на принципе сообщающихся сосудов, известного нам из физики: в сообщающихся сосудах 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.

Первый вопрос, который я себе задал – как это сделать, из какого материала и с помощью каких инструментов? Я предлагаю свой вариант и объяснения.

Для изготовления фонтана мне понадобились:

1. Бутылка для воды с отверстием для силиконовой трубки. 2. Силиконовая трубка от медицинского набора для капельницы. 3. Штатив с держателями. 4. Пищевой краситель. 5. Линейка. 6. Пластиковая посуда. 7. Пластилин.

Созданная мною модель была испробована с использованием воды, окрашенной пищевым красителем синего цвета. Результат проверки показал, что модель работает исправно.

Мною были выполнены измерения для исследования:

- зависимости высоты струи h от уровня воды в резервуаре H1;

- зависимости высоты струи h от высоты резервуара  H.

Для определения зависимости высоты струи фонтана от уровня воды в резервуаре, необходимо регулярно измерять высоту струи по мере уменьшения уровня воды.

Для определения зависимости высоты струи фонтана от положения резервуара относительно штатива необходимо наблюдать за максимальной высотой струи фонтана при разных значениях высоты поднятия резервуара от уровня демонстрационного стола.

В ходе выполнения работы были сделаны следующие выводы:

1. Высота струи фонтана прямо пропорциональна уровню воды в резервуаре: чем больше воды в резервуаре, тем выше ее струя в фонтане

2. Высота струи фонтана зависит от расположения резервуара на штативе: чем он выше, тем давление воды сильнее и, соответственно, выше поднимается струя, причем давление воды на выходе из фонтана будет равно разнице высот воды.

3. Чем меньше диаметр сопла, тем больше высота фонтана.

Схема и принцип действия фонтана Герона

Мне так понравились опыты с фонтаном, что после проведения данных исследований я решил собрать модель фонтана Герона и показать его действие в классе. Для этого мне понадобились три прозрачные пластиковые бутылки объёмом по 1,5 литра, силиконовая трубка от медицинского набора для капельницы, пластилин и пищевой краситель. Схема фонтана Герона показана на рис.9.

Рис.9. Схема фонтана Герона.

Фонтан Герона состоит из трех сосудов, помещенных один над другим и сообщающихся между собой. Два нижние сосуда – закрыты, а верхний имеет форму открытой чаши, в которую наливается вода. Также вода наливается и в средний сосуд, позже закрываемый. По трубке, идущей от дна чаши почти до дна нижнего сосуда, вода течет из чаши вниз и, сжимая находящийся там воздух, увеличивает его упругость. Нижний сосуд сообщен со средним посредством трубки, по которой давление воздуха передается в средний сосуд. Производя давление на воду, воздух заставляет ее подниматься из среднего сосуда по трубке в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бьет фонтан. Вода фонтана, падающая в чашу, течет из нее по трубке в нижний сосуд, где уровень воды постепенно повышается, а уровень воды в среднем сосуде понижается. Вскоре фонтан перестает работать. Чтобы запустить его заново, надо просто поменять местами нижний и средний сосуды.

Выводы:        

В результате проведенного исследования мы подтвердили гипотезу о том, что высота струи фонтана зависит от разницы уровней жидкости в сообщающихся сосудах и диаметра сопла струи.

В самом начале своей работы я поставил себе цель выяснить роль сообщающихся сосудов в жизни людей: в быту, в технике, в природе. На приведенных примерах я подробно рассмотрел эту роль и выяснил, что сообщающиеся сосуды играют колоссальную роль в жизни современного человека. Без них не обойтись ни на кухне, ни в сельском хозяйстве, ни в промышленности.

Таким образом, грамотное и эффективное использование закона сообщающихся сосудов и их свойств в различных научно-технических изобретениях и ноу-хау делает нашу жизнь более удобной, комфортной, насыщенной и интересной.

Приложение 1

Фото 4. Сообщающиеся сосуды.

Фото 5. Регулирование напора фонтана.

Приложение 2

Фото 6. Фонтан Герона в действии.