Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Ачитского городского округа

«Русскопотамская средняя общеобразовательная школа»

Творческий проект

Физические основы создания циркуляционного фонтана

Автор: Иванова Сумая,

ученица 8 класса

Руководитель работы: Полюхова

Татьяна Викторовна,

учитель физики, ВКК

село Русский Потам

2021 г

Оглавление

Введение. 2

I. Теоретическая часть. 4

1.Давление жидкостей. 4

2. Закон Паскаля. 5

3. Сообщающиеся сосуды.. 6

II. Практическая часть. 11

Заключение. 14

Литература. 15

Введение

Говорят, есть три вещи, на которые можно смотреть бесконечно – огонь, вода и звезды. Воздух у водоема всегда чист, свеж и прохладен. Наверное, каждый замечал, насколько легче дышать возле воды, как исчезают усталость и раздражение, как бодрит и одновременно умиротворяет нахождение вблизи моря, речки, озера или пруда. Конечно же, мы не всегда можем позволить себе отправиться на берег ручья или горного водопада.
А ведь фонтаны оказывают положительное воздействие практически на все органы чувств человека. Учёным удалось научно объяснить факт, почему, находясь рядом с фонтаном, человек испытывает положительные эмоции, а нередко настоящий восторг. Это брызги от фонтана привносят в воздух отрицательные ионы, благотворно влияющие на наш организм. Медики называют их витаминами здоровья. Фонтаны радуют нас прохладой, игрой своих хрустальных струй, блеском солнца в каждой капле воды, журчанием и плеском, ощущением свежести и чистоты. Этим, фонтаны благотворно влияют на душевный настрой человека, обеспечивая психологическое здоровье людей. Фонтаны, наконец, снижают количество содержащейся в воздухе пыли, повышают влажность и ионизацию воздуха, поддерживая микроклимат близлежащих территорий, предотвращая возникновения целого ряда заболеваний органов дыхания.
Актуальность темы: «комнатный фонтан», сможет улучшить микроклимат в доме, подарит нам радость, ощущение уюта и комфорта. Движущаяся вода, которая тихонько плещется или брызжет вверх, окажет успокаивающее воздействие на слух, зрение и психику. Создание такого устройства поможет лучше разобраться в принципе действия гидравлических приборов, понять закон сообщающихся сосудов.

Проблемный вопрос: можно ли в домашних условиях сделать фонтан, действующий на основе закона сообщающихся сосудов?

Гипотеза: модель фонтана можно самостоятельно сделать, используя подручные материалы, в том числе вторичное сырье.

Цель  проекта: изготовить модель электрифицированного циркуляционного фонтана, используя закон сообщающихся сосудов.

Задачи:

- изучить источники информации по теме работы;

- изучить свойства сообщающихся сосудов;

- рассмотреть применение сообщающихся сосудов в быту, технике и природе;

- познакомиться с историей изобретения фонтанов, принципами действия

- выбрать модель фонтана, подобрать материалы, изготовить модель.

Практическая значимость исследовательской работы заключается в том, что созданная мной модель может применяться для демонстрации фонтана на уроках физики в 7-х классах общеобразовательной школы. Созданная модель станет наглядным пособием в изучении данной темы в школе, привлечет внимание школьников к этому физическому процессу.

Объект исследования – сообщающиеся сосуды

Предмет исследования – модель фонтана, действующего на основе закона сообщающихся сосудов.

Методы:

- поиск и изучение литературы

- анализ и систематизация полученной информации;

- обобщение полученной (в ходе исследования) информации.

Ожидаемый  результат: действующая модель фонтана

I. Теоретическая часть

1.Давление жидкостей

Гидростатическое давление — давление столба жидкости над условным уровнем.

Благодаря полной подвижности своих частиц капельные и газообразные жидкости, находясь в покое, передают давление одинаково во все стороны; давление это действует на всякую часть плоскости, ограничивающей жидкость, с силой Р, пропорциональной величине  этой поверхности, и направленной по нормали к ней.

Это основное свойство жидкостей было открыто и проверено на опыте Блезом Паскалем в 1653 г.

Единица измерения

Единицей измерения давления в международной системе единиц (СИ) является Паскаль. На практике гидростатическое давление часто измеряют в атмосферах, принимая за 1 атмосферу давление в 76 см ртутногостолба, при температуре 0 °C при нормальном ускорении свободного падения 9,80665 м/с².

Вычисление гидростатического давления

В каждой жидкости существует давление, обусловленное её собственным весом p=F\S=mg\S {\displaystyle p=G/S=mg/S}; так как m=rV {\displaystyle m=\rho V}, то {\displaystyle p=\rho gV/S}p=rgV; учтём, что {\displaystyle V=Sh}V=Sh и получим формулу {\displaystyle p=\rho gh}p=rgh.Плотность жидкости {\displaystyle \rho }p зависит от температуры. Для очень точных вычислений плотность следует рассчитывать по специальной формуле. Давление на данной глубине одинаково во всех направлениях. Суммарное давление, обусловленное весом столба жидкости и давлением поршня, называют гидростатическим давлением.

Гидростатический парадокс.

Вычисление немного усложняется, когда надо узнать давление, производимое на не горизонтальную часть стенки сосуда вследствие тяжести налитой на него жидкости. Здесь причиной давления становится вес столбов жидкости, имеющих основанием каждую бесконечно малую частицу рассматриваемой поверхности, а высотой вертикальное расстояние от каждой такой частицы до свободной поверхности жидкости. Расстояния эти будут постоянны только для горизонтальных частей стенок и для бесконечно узких горизонтальных полосок, взятых на боковых стенках; к ним одним можно прилагать непосредственно формулу гидростатического давления. Для боковых же стенок надо суммировать, по правилам интегрального исчисления давления на все горизонтальные элементы их поверхности; в результате получается общее правило: давление тяжелой жидкости на всякую плоскую стенку равняется весу столба этой жидкости, имеющему основанием площадь этой стенки, а высотой вертикальное расстояние её центра тяжести от свободной поверхности жидкости. Поэтому давление на дно сосуда будет зависеть только от величины поверхности этого дна, от высоты уровня жидкости в него налитой и от её плотности, от формы же сосуда оно зависеть не будет. Это положение известно под именем «гидростатического парадокса» и было разъяснено ещё Паскалем.

Действительно, оно кажется на первый взгляд неверным, потому что в сосудах с равными доньями, наполненными до равной высоты одной и той же жидкостью, вес её будет очень различный, если формы различны. Но вычисление и опыт (сделанный в первый раз Паскалем) показывают, что в сосуде, расширяющемся кверху, вес излишка жидкости поддерживается боковыми стенками и передается весам через их посредство, не действуя на дно, а в сосуде, суживающемся кверху, гидростатическое давление на боковые стенки действует снизу вверх и облегчает весы ровно на столько, сколько весило бы недостающее количество жидкости.

2. Закон Паскаля

Закон сформулирован французским ученым Блезом Паскалем в 1653 г.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.

Закон Паскаля является следствием закона сохранения энергии и справедлив и для сжимаемых жидкостей (газов).

Закон Паскаля описывается формулой давления:

 {\displaystyle p={\frac {F}{S}}},

Где p {\displaystyle p} — это давление,

F{\displaystyle F} — приложенная сила,

S{\displaystyle S} — площадь поверхности\сосуда.

Из формулы мы видим, что при увеличении силы воздействия при той же площади сосуда давление на его стенки будет увеличиваться.

На основе закона Паскаля работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, гидравлические прессы и др.

3. Сообщающиеся сосуды

заполненные жидкостью (рис.1). Другими словами, это сосуды, соединенные ниже поверхности жидкости таким образом, что жидкость может перетекать из одного сосуда в другой 

Закон сообщающихся сосудов — один из законов гидростатики, гласящий, что в сообщающихся сосудах уровни однородных жидкостей, считая от наиболее близкой к поверхности земли точки, равны.

Доказательство. Рассмотрим два сообщающихся сосуда, в которых находится жидкость плотностью {\displaystyle ~\rho }p. Давление жидкости в I сосуде расписывается по формуле p₁=pgh {\displaystyle p_{1}=\rho gh_{1}}, гдеh₁ {\displaystyle h_{1}} — высота столба в I сосуде. Давление жидкости во II сосуде {\displaystyle p_{2}}p2 расписывается аналогично как {\displaystyle \rho gh_{2}}pgh₂, где {\displaystyle h_{2}}h₂ — высота столба во II сосуде. Так как система статична, то давления равны, и p₁=p₂→pgh₁=pgh₂→h₁=h₂.{\displaystyle p_{1}=p_{2}\Rightarrow \rho gh_{1}=\rho gh_{2}\Rightarrow h_{1}=h_{2}}
Аналогично предыдущему утверждению, справедливому только для однородных жидкостей, можно доказать и следующее утверждение: отношение уровней жидкостей обратно пропорционально отношению их плотностей, то есть

жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба с меньшей плотностью. Чем меньше плотность жидкости, тем выше его уровень.

Применение  сообщающихся сосудов

1.      Лейка, чайник, кофейник (рис.3)

2.      Кровеносная система человека (рис.4)

3.      Водная оболочка Земли.

4.      Акведуки (от лат. aqua — вода и duco — веду) — водовод (канал, труба) для подачи воды к населённым пунктам, оросительным и гидроэнергетическим системам из расположенных выше их источников.

5.      Картриджи струйного принтера.

6.      Водомерное стекло.

Водомерное стекло, прибор для определения высоты уровня воды в котле, состоящий из стеклянной трубки, которая закрепляется между двумя кранами, ввинченными в днище горизонтального или в стенку вертикального котла. Верхний кран сообщается с паровым пространством котла, нижний - с водяным; уровень воды в водомерном стекле, по закону сообщающихся сосудов, будет находиться на той же

7.      Шлюз

Шлюз - гидротехническое сооружение на водных путях для обеспечения перехода судов на плаву из одного водного объекта (бьефа) в другой с различными уровнями воды в них с помощью наполнения или опорожнения камеры c выравниванием в ней уровня воды с уровнем верхнего или нижнего бьефов. Использование шлюзов главным образом направлено на то, чтобы сделать водные пространства с различными уровнями воды в них более пригодными для судоходства. Они необходимы в случаях, когда для прохождения судов создаётся искусственный обводной канал в обход таких препятствий, как пороги, плотины, дамбы, а также для преодоления локальных перепадов высот на пути канала. Плотина увеличивает глубину водного пространства перед ней, в таком случае шлюз может быть установлен либо непосредственно в плотине, будучи её составной частью, либо в устье бьефа. Река, оснащённая такого рода сооружениями, носит название водного пути. С помощью установки шлюза в морском или океанском устье реки можно устранить влияние на уровень воды в ней приливов и отливов.

Шлюзы также могут применяться и для регулирования уровня воды в верхнем бьефе, например для пропуска части паводковых вод.

8.      Артезианская скважина — это буровая скважина, которая пробурена для эксплуатации артезианских вод (подземных вод, заключённых между водоупорными слоями и находящихся под гидравлическим давлением). Такая скважина работает по принципу сообщающихся сосудов. Под слоем почвы в низких местах скапливается вода. После бурения скважины вода  поднимается вверх до уровня верхних горизонтов грунтовых вод

9.      Жидкостные манометры.

Жидкостный манометр – это прибор для измерения давлений больше или меньше атмосферного. Жидкостный манометр состоит из двухколенной стеклянной трубки, в которую наливают какую-нибудь жидкость. С помощью гибкой трубки одно из колен манометра соединяют с круглой плоской коробочкой, затянутой резиновой плёнкой.

 Работа манометра основана на сравнении давления в закрытом колене с внешним давлением в открытом колене. Чем глубже погружают в жидкость коробочку, тем больше становится разность высот столбов жидкости в коленях манометра, и тем большее давление производит жидкость.

В настоящее время жидкостные манометры применяются в электровакуумной и авиационной технике, метеорологии, геологоразведке и геодезии, метрологии и при физико-технических исследованиях – в общем, там, где требуются высокоточные измерения давления, близкого к атмосферному давлению.

10.  Система водопровода

Системой внутреннего водопровода зданий называют совокупность инженерных устройств, обеспечивающих получение воды из сети наружного водопровода и подачу ее под требуемым напором к водозаборным устройствам внутри здания.

Схема устройства водопровода показана на рисунке. С помощью насоса 1 вода поступает в большой бак с водой, находящийся в водонапорной башне 2. От этой башни вдоль городских улиц на глубине примерно 2,5 м проложены трубы, от которых в каждый отдельный дом идут специальные ответвления, оканчивающиеся кранами. Эти краны не могут располагаться выше уровня воды в баке водонапорной башни, так как иначе вода до них доходить не будет.

II. Практическая часть

Фонтан (от лат. fontana в значении «источник», «родник», «ключ») — природное или искусственно созданное явление, заключающееся в истечении жидкости (обычно воды), под действием оказываемого на неё давления, вверх или в сторону. В последнем случае, особенно, когда истечение жидкости происходит относительно спокойно, такой фонтан относят к категории источников. В ряде случаев такой источник называют ключом.

По археологическим находкам, делают выводы, что одни из самых первых фонтанов еще в Древнем мире — в Египте, Месопотамии, Персии. Несмотря на их жаркий климат, эти страны слыли самыми тенистыми, зелеными и окруженными роскошными садами. В первую очередь фонтаны здесь играли роль — источника влаги для растений, и только после — нечто красивое и эстетичное.

В Крыму фонтаны, как элемент украшения архитектуры, появились благодаря колонизации Причерноморья древними греками. Переселенцы с Эллады любили красоту во всем, поэтому украшали все вокруг. Фонтаны в греческих колониях изначально являлись частью водоснабжения полисов, но греки оформляли их скульптурами, колоннами и другими элементами. Поначалу фонтаны устраивали самотеком или использовали бьющие из под земли источники. Позже использовали разницу высот, чтобы фонтан состоял из струй. С изобретением водяного насоса разнообразие фонтанов еще увеличилось.

Принцип действия фонтана.

Фонтан – гидротехническое сооружение, предназначенное для перемещения водных масс в замкнутом или открытом цикле. Чаще всего вся конструкция фонтана предназначается для того чтоб под давлением струя воды поднималась на заранее определённую высоту там распылялась или концентрировалась создавая водопады.

Устройство и принцип работы фонтана обычно состоит из двух основных компонентов, это источник, который создаёт поток воды и приемник, в который эта вода попадает. Дизайн, формы и размеры самого фонтана зависят от технических требований, от желаний и фантазий заказчиков. Форма струи воды зависит от насадки, используемой в том или ином фонтане.

По устройству и принципу работы фонтаны разделяются на две группы:

1.                      Циркуляционные фонтаны: в основном работают в замкнутой системе движения воды.

2.                      Проточные. Обязательное условие — подключение к канализации, поэтому резервуар для стока воды не требуется.

Фонтан своими руками

Для практической части была выбрана сборка циркуляционной модели фонтана.

1 – верхний резервуар (пластиковая бутылка)

2 – нижний резервуар (пластиковая чаша)

3 – емкость для сбора воды (пластиковая бутылка)

4 – насос,

5 – соединительные трубки

6 – ключ

7 - источник питания на 4,5 В

Заключение

Изучив принцип действия циркуляционного фонтана, я изготовила его модель, тем самым достигнув поставленной цели.

Фонтан прост в исполнении и доступен, хотя приходилось решать некоторые затруднения при создании герметичности сосудов. В домашних условиях такой фонтан можно использовать для увлажнения воздуха, создания уютной атмосферы. Удобен он и в роли наглядного представления некоторых физических законов, поэтому может быть использован на уроках физики для демонстрации закона сообщающихся сосудов.  Циркуляционный фонтан может быть актуален и в наши дни, хотя и был придуман две тысячи лет назад. Это не просто наглядное представление некоторых физических законов, это, при желании, декоративное и полезное украшение интерьера, «изюминка» вашего дома или участка.

В результате проведенной работы я познакомилась с историей, разновидностями и принципами работы фонтанов. Я сделала вывод, что фонтаны являются важной частью мер по созданию комфортной, экологически безопасной среды обитания человека, поэтому очень хочется, чтобы и в нашем селе тоже были действующие фонтаны, которые благоприятно будут влиять на здоровье и самочувствие жителей и гостей нашего района.

Литература

Список литературы:

1.      Атлас  по  технике.  М.: ОЛМА-ПРЕСС  Экслибрис, 2003 (иллюстрированный энциклопедический атлас).

2.      Бублейников Ф.Д., Веселовский И.Н.  «Физика и опыт» / М. Просвещение, 1970г, 272 с.

3.      Глобус:  Географический  научно-художественный  сборник/Сост. Л. Алешина;   Л.: Дет. Лит., 1990.-384 с.

4.      Перельман Я.И. «Занимательная физика» /ТРИАДА-ЛИТЕРА Москва, 1994г.

5.      Школьная энциклопедия. Естественные науки/ Пер. с англ. Лисецкой В.В. и др. – М.: ООО «Издательство «Росмэн-Пресс», 2001.– 448 с.

6.      Энциклопедия «Планета Земля»./ Москва Росмэн, 2012

7.      http://www.1000fontan.ru/catalog-fontan/shema/work/

8.      http://www.fontan.net