Проектная работа по физике : "Давление. Фонтан Герона"

 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

"Средняя общеобразовательная школа № 70

 с углубленным изучением отдельных предметов"

 Кировского района г. Казани

Проектная работа по физике:

Давление.

Фонтан Герона

                                                                                 Выполнил ученик 9 «В» класса

                                                                                 Скареднов  Егор Алексеевич

                                                                                 Руководитель проекта: учитель физики

                                                                                 Светчикова Ирина Владимировна

Казань

2021год.

Оглавление

1. Введение…….…......…………………………………………………………………     3стр

1.1. Актуальность.…………………………...………………………………………....     3стр

1.2. Цели…...……………………………………………………………………………     3стр

1.3. Задачи....…………………………………………………………………………….    3стр

2. Основная часть:

2.1. Интересные факты.…………………………..…………………………………….    4стр

2.2. Давление в жидкостях и газах…………………………………………………….    5стр

2.4. Примеры давления в технике……………………..…...……………………...…..    7стр

2.3. Открытие Блеза Паскаля……………………………………...…………………...    6стр

2.5. Герон Александрийский…………………………..…………………………........    8стр

2.6. Устройство фонтана Герона…...……………..………...…………………………    8стр

2.7. Принцип действия фонтана……….…………………...……………...….............     9стр

2.8. Вред и польза домашних фонтанов……………………………………………...   10стр

3. Практическая часть:

3.1. Изготовление фонтана Герона……………...…………………………………...    11стр

3.2. Практическое применение фонтана в жизни……………..…………………......   12стр

3.3. Выводы…………………………………………………………...………………..   13стр

4. Заключение…………………………………………………………………..………   14стр

5. Список литературы…. ……………………………………………………………...   15стр

1. Введение

За последние несколько месяцев я очень много болел. Меня заинтересовало то, по какой причине моё самочувствие постоянно ухудшалось. Как выяснилось, на него могла повлиять относительная влажность помещения, которая значительно уменьшается в отопительный сезон.

1.1. Актуальность

Дело в том, что с подобной проблемой сталкивалось и продолжает сталкиваться множество людей. На некоторых форумах люди жаловались на плохое самочувствие как хозяев, так и их животных по той же причине. А потому я решил найти такой механизм, который сможет увлажнять воздух в комнатах без использования электроэнергии, изучить его и создать инструкцию по его созданию в домашних условиях.

А теперь немного полезной информации о давлении:

Давление измеряется в паскалях(1Па=1Н/м²) и вычисляется по формулам:

Механическое давление:P=F/S(сила/площадь взаимодействия)

Давление  в жидкостях:P=pgh

(плотность жидкости*гравитационная постоянная*глубина)

Если объем воздуха в неизменяемом форму сосуде повышается, то атмосферное давление внутри этого сосуда растёт. То же самое происходит при уменьшении предоставляемого объема сосуда для воздуха.

1.2. Цели:

1) Изучить принцип работы фонтана Герона.

2) Изготовить фонтан Герона.

3) Найти практическое применение в фонтана жизни.

4) Создать список преимуществ и недостатков содержания фонтана дома.

5)Создать подробную пошаговую инструкцию по созданию фонтана в домашних условиях.

1.3. Задачи:

1) Найти и изучить информацию о давлении в жидкостях и механическом давлении.

2) Найти примеры применения давления в технике для наглядности.

3) Ознакомиться с  работами Блеза Паскаля.

4) Изучить литературу про фонтан Герона.

5) Найти на форумах преимущества и недостатки содержания фонтана дома

2.1. Интересные факты

Разберем обычное катание на коньках. У конька очень острое лезвие, и со льдом контактирует довольно небольшая поверхность. Это означает, что твой вес создает большое давление на лед, причем оно гораздо больше, чем когда ты стоишь на льду в обычной обуви.

Лед обладает одной очень интересной особенностью: он тает под давлением, даже если его температура ниже 0°С. Поэтому, когда ты катаешься на коньках, ты фактически скользишь по тонкому слою только что растаявшей воды, которая тут же замерзает по мере твоего движения!

Сложно поверить, но даже очень стройная модель может испортить пол своими каблуками. Этот факт можно объяснить очень малой площадью каблука, который создает большое давление на поверхность пола. Между прочим, давление такой шпильки гораздо больше давления, создаваемого слоном, если бы он стоял на этом же подиуме.[1]

1. На конце иголки в швейной машине развивается давление до 5000 атмосфер(1атмосфера = 101 325.011Па)

2. Находиться у женщины под каблуком опасно для жизни — ведь давление под набойкой высокого каблука превышает 37 атмосфер, что в два раза больше, чем давление в бытовом баллоне со сжиженным газом.

3. Давление в центре Земли в 3 миллиона раз выше, чем давление в земной атмосфере.

4. В Агапе (Сибирь), 31 декабря 1968 года было зарегистрировано рекордно высокое атмосферное давление - 815 миллиметров ртутного столба.(в среднем норма 760мм)

5. Крупные артерии человека могут выдерживать давление в 20 атмосфер

6. Предел Армстронга – это высота над уровнем моря, где давление падает до такой степени, что кровь в человеческом теле закипает (19200 метров над уровнем моря).[7]

2.2. Давление и текучие вещества

С точки зрения физики, газы и жидкости относятся к текучим веществам, т.е. веществам, способным изменять форму в зависимости от сосуда, в котором они находятся. По сравнению с твердыми веществами жидкости и газы несколько иначе реагируют на давление. Например, если взять  в руки мяч, его внешний вид вообще не изменится от прикосновения, однако если с силой сжать мяч, то он деформируется. Что касается текучих веществ, то они скорее разольются, чем деформируются. Свойства распределения давления в жидких и газообразных средах исследовались еще с начала XVII века, первым, кто установил законы распределения давления в жидкой и газообразной средах был французский математик Блез Паскаль.

Предположим, что в некоторой жидкости существует прямоугольная призма, один из катетов которой расположен вертикально, а второй – горизонтально. Давление на вертикальную стенку будет равно Р_2, давление на горизонтальную стенку будет Р_3, давление на произвольную стенку будет Р₁. Три стороны образуют прямоугольный треугольник, силы давления, действующие на эти стороны, направлены по нормали к этим поверхностям. Поскольку выделенный объем находится в состоянии равновесия, покоя, никуда не движется, следовательно, сумма сил, на него действующих, равна нулю. Сила, действующая по нормали к гипотенузе, пропорциональна площади поверхности, то есть равна давлению, умноженному на площадь поверхности. Силы, действующие на вертикальную и горизонтальную стенки, так же пропорциональны величинам площадей этих поверхностей и так же направлены перпендикулярно. То есть сила, действующая на вертикаль, направлена по горизонтали, а сила, действующая на горизонталь, направлена по вертикали. Эти три силы в сумме равны нулю, следовательно, они образуют треугольник, который полностью подобен данному треугольнику.[2]

2.3. Открытие Паскаля

Французский математик и физик Блез Паскаль, живший в XVII в., исследовал ряд важных свойств жидкостей и газов.

Он провел очень простой опыт: в закрытую бочку, наполненную водой, вставил длинную узкую трубку. Поднявшись на второй этаж, Паскаль через трубку влил в бочку всего лишь стакан воды. В это трудно поверить, но бочка развалилась на части!

Почему это произошло? Вода в бочке заняла весь объем, и давление воды увеличилось настолько, что бочка лопнула. На основании этого опыта ученый пришел к выводу, что когда на поверхность жидкости или газа оказывается давление, это давление передается без изменения в любую точку жидкости или газа.

На основе изучения этого явления, открытого ученым, были созданы различные приборы и механизмы, в которых используется закон Паскаля. [3]

Закон Паскаля и атмосферное давление:

Проводя опыты с трубкой Торричелли — сосудом, заполненным ртутью — он доказал существование атмосферного давления, подтвердив существовавшие ранее гипотезы. Сам Паскаль писал, что с помощью такого прибора можно было бы узнать, как две разных точки земного шара смещены относительно друг друга. Эти исследования стали важным этапом усовершенствования барометров.

Продолжая развивать работы Симона Стевина и Галилео Галилея, Паскаль сформулировал закон о распределении давления в жидкой среде, получивший затем его имя. Выведенное им уравнение служит основой гидростатики. Кроме того, в своём трактате «О равновесии жидкостей» Блез впервые опубликовал идею гидравлического пресса. Изобретение долгое время оставалось невостребованным, и только в 1795 году английский инженер Джозеф Брама запатентовал рабочий прототип устройства.

2.4.1 Гидравлический пресс

Практически каждый день мы сталкиваемся с необходимостью перемещать какие-либо предметы. И нет никаких проблем, если вес этих предметов 3—5 или даже 10 кг! А вот что делать, если нужно поднять, например, машину на станции техобслуживания? Вот здесь и приходится прибегать к помощи специальных механизмов. Одним из них является гидравлический пресс. Гидравлический пресс позволяет получить большой выигрыш в силе даже в случае приложения незначительных усилий. Устройство представляет собой два сообщающихся цилиндра разного диаметра. Цилиндры заполняются маслом, водой или любой другой жидкостью. Сверху каждый цилиндр плотно закрыт поршнем.

Согласно закону Паскаля, давление распространяется одинаково по всем направлениям. Поэтому когда мы применяем силу, например, нажимаем на поршень малого цилиндра, то такое же давление передается на второй поршень, и машина поднимается.

2.4.2 Гидравлический домкрат

Гидравлический домкрат — еще один пример применения закона Паскаля в современной технике. Гидравлические домкраты используются для подъема очень тяжелых грузов в различных машинах: бульдозерах, пожарных подъемниках и прочих устройствах для выполнения различных работ на высоте. Гидравлический домкрат тоже состоит из двух сообщающихся цилиндрических сосудов разного диаметра, двух клапанов и подъемной платформы. Сосуды снабжены поршнями и заполнены маслом. При действии силы в узком сосуде создается избыточное давление, которое передается во все точки без изменения. Именно поэтому в широком цилиндре также создается избыточное давление. Под действием силы платформа домкрата поднимается вместе с расположенным на ней грузом.

Системы торможения и открывания дверей в поездах также работают благодаря закону Паскаля [5]

2.5. История гения

Герон Александрийский — греческий математик и механик.

Время жизни отнесено ко второй половине I века н. э. на том основании, что он приводит в качестве примера лунное затмение 13 марта 62 г. н. э. Подробности его жизни неизвестны.

Герона относят к величайшим инженерам за всю историю человечества. Он первым изобрёл автоматические двери, автоматический театр кукол, автомат для продаж , скорострельный самозаряжающийся арбалет, паровую турбину, автоматические декорации, прибор для измерения протяжённости дорог (древний одометр) и др. Первым начал создавать программируемые устройства: вал со штырьками с намотанной на него верёвкой.

Занимался геометрией, механикой, гидростатикой, оптикой. Основные произведения: «Метрика», «Пневматика», «Автоматопоэтика», «Механика» (произведение сохранилось целиком в арабском переводе), «Катоптрика» (наука о зеркалах; сохранилась только в латинском переводе) и др. В 1814 году было найдено сочинение Герона «О диоптре», в котором изложены правила земельной съемки, фактически основанные на использовании прямоугольных координат. Герон использовал достижения своих предшественников: Евклида, Архимеда, Стратона из Лампсака. Многие из его книг безвозвратно утеряны (свитки содержались в Александрийской Библиотеке). Одна из копий его книг, сделанная в 19 веке, содержится в Оксфордском университете.

В средние века многие из его изобретений были отвергнуты, забыты или не представляли практического интереса, но не смотря на это, об одном из его изобретений сейчас и пойдёт речь. [6]

2.6.  Детальное рассмотрение одного из проектов Герона

Древние Арабские рукописи донесли до нас рассказ об удивительных творениях античного изобретателя Герона Александрийского. Одно из них - красивая чудо-чаша в храме, из которой бил фонтан. Нигде не было видно никаких подводящих труб, а внутри — механизмов. Удивительное творение античного изобретателя — вечный фонтан. Где его можно применить в современной жизни?

Устройство фонтана: Каждая емкость фонтана служит для определенной цели. Фонтан Герона начинается с чаши. Она представляет собой миску, наполненную водой, из которой отходит тонкая трубка, направленная в нижнюю емкость. Именно по ней вода начинает свое движение.

Эта емкость пуста. В ней накапливается вода, которая, поднимаясь вверх, создает

давление воздуха, поднимающегося по тонкой трубке, и попадает в верхнюю емкость, наполненную водой. Отсюда воздух выталкивает воду, которая движется по трубке в чашу с водой и создает струю, что видна над поверхностью жидкости. Фонтан Герона может работать очень долго, но емкости приходится менять местами. Потому что нижняя постепенно наполняется водой, а верхняя - воздухом, а значит, перестает создаваться нужное давление.[14,15]

2.7. Принцип действия

Возможно, вы удивитесь, узнав о том, как можно сделать фонтан своими руками. Ведь в этой модели используется пластмасса, а 200 лет назад ее еще не изобрели. Греческий изобретатель использовал стеклянные емкости. Для начала он провел эксперимент. Налил воду в стеклянную бутылку, затем заткнул ее пробкой, в которой проделал отверстие. В это отверстие он вставил трубку, доходящую до дна бутылки. Поставив эту конструкцию на солнце, Герон принялся наблюдать за ней. Солнце начало нагревать бутылку, и вода устремилась по трубочке вверх. Причем, чем сильнее грело солнце, тем больше вытекало воды. Тогда Герон взял увеличительное стекло и направил его на бутылку, чтобы усилить действие солнечных лучей. Нагретая вода высокой струей вырвалась по трубке из бутылки. Это натолкнуло Герона на мысль о том, что вода может двигаться по кругу, поднимаясь из бутылки и возвращаясь в нее.

Тогда он стал думать над тем, как сделать так, чтобы вода самостоятельно возвращалась обратно в емкость.[10,11,15]

Фонтан Герона состоит из трех стеклянных сосудов – наружный, средний и внутренний, помещенных один внутри другого. Наружный сосуд имеет форму открытой чаши, в которую наливается вода, так что вода скрывает два сосуда склеенных между собой, таким образом, чтобы образовался вакуум и термоизоляция между водой из первого сосуда и воздухом в третьем сосуде. Также третий сосуд является рабочей емкостью. В сосуде находятся два отверстия — сверху, куда плотно вставляется трубка, до дна сосуда и снизу, где расположен клапан. Вода из наружного сосуда, под атмосферным давлением, через клапан поступает во внутренний третий сосуд и сжимает, находящийся между трубкой и наружными стенками сосуда воздух, до тех пор пока не уровняется атмосферное давление в первом сосуде и давление воздуха в третьем сосуде. Солнечные лучи проходят через первый и второй сосуды, образующих водяную лупу (две стеклянные линзы наполненные водой), усиливаются и через вакуум между вторым и первым сосудами нагревают стенки третьего сосуда и воздух в сосуде. Воздух в третьем сосуде расширяется и выталкивает воду из третьего сосуда по трубке, образуя фонтан. Уровень воды в первом сосуде повышается и соответственно повышается атмосферное давление воды в первом сосуде, таким образом, как только нарушается равенство атмосферного давления в первом сосуде и давления воздуха в третьем сосуде, вода через клапан поступает в чашу, охлаждает и сжимает воздух в третьем сосуде, процесс повторяется. Таким образом, в данном изобретении, энергия солнечных лучей преобразуется в движение воды. Фонтан работает каждый день, без видимых механизмов и подводящих труб. Преимуществом

является то, что сосуды не надо переставлять или переворачивать. Фонтан работает каждый день без видимых механизмов и подводящих труб, и в любом месте, куда попадают солнечные лучи. Через первый сосуд заполненного водой стеклянный трудно разглядеть внутренние стеклянные сосуды и создается эффект вечного двигателя, который не мог повторить ни один ученный в течение 2000 лет. [12,16,18]

2.8 Польза и вред фонтанов

1.1. Большинство фонтанов с движущейся водой также издают звуки проточной воды. Эти звуки напоминают слушателям о спокойном журчащем ручье, способствующем успокаивающему эффекту. Шумы фонтана также скрывают звуки внешней среды. Этот эффект известен как белый шум и может помочь уменьшить стресс и раздражение, вызванные звуками лающих собак, дорожного движения и шумных телевизоров из соседней квартиры.

1.2. В офисных помещениях фонтаны могут стать местом сбора сотрудников, особенно, если они размещены в комнате отдыха, или украсить зону ожидания или приема посетителей офиса. Специально разработанные водные объекты, включающие логотип или фирменный стиль, служат маркетинговыми инструментами для клиентов или повышают лояльность сотрудников.

1.3. Движущаяся вода фонтана позволяет части воды испаряться в воздух. Это способствует повышению влажности воздуха, устраняя необходимость в увлажнителе. Но есть некоторые конструкции фонтанов, которые охватывают большую часть движения воды, уменьшая испарение.

1.4. Кроме повышения влажности в помещении, он также очищает воздух во всем доме. Со всеми мобильными телефонами, ноутбуками, телевизорами, рассредоточенными по домам, создается среда, полная отрицательных ионов. Комнатные фонтаны уменьшают выброс отрицательных ионов и помогают снизить общее загрязнение воздуха.

2.1. Вода в фонтане может представлять угрозу безопасности. Если водный объект включает в себя открытый бассейн, он должен содержать элементы дизайна, которые предотвращают случайный допуск детей и животных.

2.2. Большие фонтаны могут потребовать специальной страховки покрытия в зависимости от дизайна и местоположения.

2.3. Утечка также представляет угрозу безопасности, так как она может нанести ущерб области вокруг фонтана и нижним этажам. Это возлагает определенную ответственность на владельцев водных объектов.[20]

3. Практическая часть:

3.1 Изготовление фонтана Герона

Материалы: две пластиковые бутылки объемом 0.2л, одна бутылка в 5л, соломинки для коктейля, гвоздь.

Оборудование: газовая плита, ножницы,  ножницы, маркер, наждачная бумага, клеевой пистолет (или любой другой водостойкий клей).

Пошаговая инструкция:

Шаг 1. Зачищаем наждачной бумагой пробки от бутылок и склеиваем их клеевым пистолетом. Разогретым на плите гвоздем проделываем два отверстия в склеенных пробках.

Шаг 2. Ко дну бутылки приклеиваем пробку от бутылки в 5л, проделываем тем же гвоздем 2 отверстия и герметизируем всё клеем. (Отрезаем горло 5л бутылки)

Шаг  3. Надрезаем один конец трубки и соединяем её с другой.

Шаг 4. В отверстия на склеенных пробках вставляем 2 трубки. (Короткая должна касаться дна 3 сосуда и выходить из него примерно на середине длины второго. Длинная должна подавать воду из чаши, а значит лишь немного входит в нижний сосуд.)

Шаг 5. Вставляем второй конец длинной трубки в отверстие в дне бутылки так, чтобы он находился почти на дне чаши.

Шаг 6. Во второе отверстие в крышке чаши вставляем трубку, проведя её до дна среднего сосуда так, чтобы другой её конец был примерно на уровне или чуть выше чаши. (при несоответствии длин трубок можно их обрезать или удлинить так же, как и длинную трубку ранее )

Шаг 7. Проклеиваем все стыки и отверстия так, чтобы воздух и вода не проходили сквозь сосуды.

Шаг  8. Собираем все части фонтана вместе

Шаг  9. При необходимости делаем подставку к фонтану для его большей устойчивости

Обрезаем нижнюю часть 1.5 л бутылки. Приклеиваем эту подставку ко дну нижней бутылки фонтана.

Шаг 10. Фонтан готов. Можно приступать к испытанию.[13,14,19]

3.2. Практическое применение фонтана в жизни

Важным фактором, который определяет комфортность микроклимата помещения, является влажность воздуха. Оптимальный уровень влажности воздуха для человека, его домашних питомцев и комнатных растений составляет 40 – 60 %. А как уже было сказано ранее, во время отопительного сезона в квартирах влажность воздуха составляет, в среднем 30%. Это очень негативно отражается на здоровье людей. Одним из способов это исправить - это использовать увлажнители, к которым можно отнести и фонтаны. Они имеют не только эстетическое значение, но и практическое. А именно:

- очищение воздуха: фонтан очищает воздух от пыли, рядом с ним даже дышится легче.

- увлажнение: фонтан способен качественно увлажнять воздух, что положительно сказывается на здоровье.

Докажем это на практике. Определим относительную влажность воздуха в помещении.

Для этого я использовал 2 термометра для воздуха. Один из них обвязал кусочком марли, погруженным в воду. Испарение воды с поверхности влажного термометра приводит к понижению его температуры. Второй же, сухой термометр, показывает обычную температуру воздуха.

Ход работы:

- Измерил температуру воздуха спиртовым термометром и записал показание. Это показание сухого термометра.

- Плотно обернул головку термометра мокрой марлей, и через 10 минут снял показания мокрого термометра. Он должен быть подвешен так, чтобы его головка ни с чем не соприкасалась.

- Из первой цифры вычел вторую. По разности показаний сухого и влажного термометров определил по психрометрической таблице относительную влажность воздуха.

Показания снимали в течение 7 дней.

Итак, влажность воздуха в среднем за эти дни составила 33%.

Если провести такое определение в день, когда в квартире тепло, а на улице солнечно и стоит легкий морозец, результаты потрясут: в квартире влажность воздуха примерно 28%, а то и ниже - точно такая же, как в пустыне Сахара. Налицо все признаки низкой влажности: шерстяные вещи "стреляют", пыль прилипает к вертикальным поверхностям полированной мебели, белье сохнет мгновенно.

Исследование влажности воздуха с действующим изготовленным в домашних условиях фонтаном.

Фонтан, изготовленный самостоятельно из пластиковых бутылок, работал с 9 часов утра до 21 часа. С 4-мя 5-ю минутными перерывами на перемену местами бутылок, Один цикл работы фонтана длится 20 минут. Результат – достигнута влажность воздуха 50%.

Растения, находящиеся в комнате чувствуют себя просто прекрасно, а вместе с ними и мы.

3.3.  Выводы:

  Было создано несколько фонтанов. Изучено множество литературы о фонтане Герона. Проведены исследования изменения относительной влажности в помещении при использовании самодельных Героновых фонтанов. Эксперимент показал, что фонтаны действительно хорошо справляются со своей работой и качественно увлажняют воздух в помещении.

4. Заключение

Фонтан Герона – великое открытие. Его систему можно использовать в быту и в научных презентациях. Это открытие помогло улучшить жизнь множества людей.

В ходе исследования выявлено, что наиболее подходящими по конструктивным особенностям для расположения в квартире являются Героновы фонтаны. Созданы модели фонтанов. В проектно-исследовательской работе приводятся рекомендации и инструкции для самостоятельного создания фонтана у себя дома для улучшения климатической обстановки и состояния здоровья человека в целом. Таким образом, мною были выполнены следующие задачи:

Изучен принцип  работы фонтана Герона;

Изготовлен фонтан Герона;

Найдено практическое применение в жизни, а именно, фонтан Герона является прекрасным средством для увеличения влажности воздуха, а так же звук текущей воды помогал расслабиться, когда сломался первый фонтан.

Были изучены все физические законы, которые позволили разобраться в устройстве самого фонтана.

5. Список литературы:

1.Учебник по физике 7 класс Громов С.В., Родина Н.А.

2.Учебник по физике 7 класс Марон А.Е., Марон Е.А.

                                           6. Интернет ресурсы:

[1] - https://procsima.com/articles/chto-takoe-zatochka-konkov-i-zachem-ona-nuzhna/

[2] - https://uchitel.pro/давление-тел/

[3] - https://obrazovaka.ru/fizika/zakon-paskalya-davlenie-zhidkostey-i-gazov.html

[4] - https://yandex.ru/turbo/hydropnevmo.ru

[5] - https://principraboty.ru/princip-raboty-gidravlicheskogo-domkrata/

[6] - http://kakizobreli.ru/geron-aleksandrijskij/

[7] - http://Pandia/ru

[8] - http://yaplakal/ru

[9] - http://forumhoyse/ru

[10] - http://Wikipedia/org

[11] - http://domeshti/ru

[12] - http://ciscoexpo/ru

[13] - http://vopros-remont/ru

[14] - http://pandoraopen/ru

[15] - http://picaby/ru

[16] - http://kryaker/dwg/ru

[17] - http://7lafa/com

[18] - http://Notevilbrid/livejournal/com

[19] - http://Dic/academik/ru

[20] - http://dekormyhome.ru/media-obzor-art-i-dizajn/uyutnyj-dom/komnatnyj-fontan-plyusy-i-minusy.html