Сообщающиеся сосуды. Шлюзы

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Сообщающиеся сосуды. Шлюзы

Гусев И.Д. 1
1МБОУ "Каменногорский ЦО"
Зверева С.Г. 1
1МБОУ "Каменногорский ЦО"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение

На уроках физики я познакомился с таким явлением, как гидростатическое давление и узнал, что это явление используется во многих приборах, в частности в сообщающихся сосудах. Оказывается, сообщающиеся сосуды окружают нас. Например, наша кровеносная система- это сообщающиеся сосуды. Меня заинтересовало устройство таких сообщающихся сосудов, как фонтаны и шлюзы.

Актуальность

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

Мой город располагается на реке Вуокса, на которой, как мне известно, располагается система шлюзов. Река связана с Сайменским каналом, на котором тоже находятся шлюзы. Мне стало интересно: связаны ли периодические изменения уровня воды в нашей реке с работой шлюзов. Для этого мне необходимо разобраться в их устройстве.

Цель проекта: Исследовать свойства сообщающихся сосудов и изготовить модель шлюза для демонстрации применения закона сообщающихся сосудов.

Задачи:

  1.  изучить историю возникновения шлюзов

  2.  рассмотреть назначение и виды шлюзов;

  3.  изучить физические основы работы шлюза;

  4. сконструировать шлюз своими руками;

Методы:

  • Теоретические (работа с информационными источниками, анализ)

  • Эмпирические (наблюдение, сравнение)

  • Математические (статистический, визуализация)

  • Экспериментальная часть

Продукт проекта: шлюз, созданный при помощи 3d-технологий.

Источники, использованные в ходе работы: учебник «Физика 7 класс» под авторством Перышкина и интернет-ресурс obrazovaka.ru.

II. Основная часть

История возникновения и создания шлюзов началась еще в Древнем Китае и продолжается по сей день. Шлюзы повсеместно встречаются в нашей жизни, они украшают площади, улицы, парки, внутренние и внешние помещения зданий. Но мало кому известно, на каких физических законах основана работа шлюза. Я решил разобраться в этом вопросе. Своими руками собрать демонстрационную модель шлюза, которую можно потом будет использовать на уроках физики.

2.1 История возникновения шлюзов

Понятие «гидростатическое давление» впервые начинают изучать на уроках физики в 7 классе. Итак, что же это такое? Гидростатическое давление — давление столба жидкости над условным уровнем.

Простыми словами, это давление, производимое на жидкость силой тяжести.

Наиболее яркий пример использования этого давления- шлюзы.

Считается, что первые судоходные шлюзы появились в Китае в 984 г., благодаря Цяо Вэйюэ, являвшимся помощником министра транспорта в Хуайнани. Шлюз представлял собой прямолинейный участок протяженностью 76 м, ограниченный с двух сторон деревянным опускными воротами. Берега шлюза были укреплены, а над ним устраивался навес. Ворота изготавливались из деревянных брусьев и перемещались вертикально. Напоры, преодолеваемые шлюзами, доходили до 1,5 м. В течение следующего XI столетия шлюзы были устроены по всей длине Великого канала.

Строительство шлюза было осуществлено на Великом Китайском канале и в течении XI века подобные сооружения строились на всем протяжении этого водного пути. Напор на сооружения достигал 1,5 м. Строительство самого канала велось с 70 г. до XIII века.

2.2 Сайменский канал

В моем регионе тоже есть шлюз, который соединяет озеро Сайма (Финляндия) и Финский залив (Россия).

Если посмотреть на карту Финляндии, то первое, что бросится в глаза – огромное количество озёр. Самое большое финское озеро – Сайма. По размеру оно четвертое в Европе – 4,4 тысячи квадратных километров (что всего в 2 раза меньше нашего Онежского озера). Казалось бы, карта отчетливо показывает, что Онежское озеро во много раз крупнее. Не в 4 раза, а раз в 15.

В 19 века, когда Финляндия была частью Российской Империи было решено начать строительство Сайменского канала из озера Сайма в Финский залив. анал назвали Сайменским. Его длина – 57 км. Минимальная ширина – 34 метра. Минимальная глубина – 5 метров.

Канал существует до сих пор и очень активно используется. Однако, после распада Российской Империи, канал оказался разделен. Примерно 34 км осталось в России, а 23 км – в Финляндии.

Канал оборудован восемью шлюзами. Пять из них расположены на арендованной части Карельского перешейка.

2.3 Применение шлюзов

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, таких как: 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. Для усовершенствования водного пути на реке используются дополнительные шлюзы:

В верхней части обводного канала устанавливается водоспускной шлюз для предотвращения наводнений. Чем длиннее обводной канал, тем больше разница уровня воды между его началом и концом, что может потребовать установки на отдельных отрезках такого канала целых групп шлюзов (см., например, Волго-Донской канал).Шлюзы также могут применяться и для регулирования уровня воды в верхнем бьефе, например для пропуска части паводковых вод.

    1. Виды шлюзов. Шлюзование.

Шлюзы бывают однокамерными и многокамерными, в одну нитку и параллельные. Однокамерныешлюзыуспешно работают при напоре до 23 м на нескальных грунтах и до 42 м — на скальных. Параллельные, или парные, шлюзыстроят на водных путях с интенсивным судоходством. Большинство из них двухниточные, возможно строительство и большего количества ниток. Многокамерныешлюзывозводят при значительных напорах или в связи со спецификой грузопотоков.

Речные круизы и шлюзование неразрывно связаны. Каким же образом осуществляется шлюзование в ходе путешествия? Рассмотрим шлюзование по реке.Основной принцип заключается в следующем.

На канале или на реке, чтобы повысить уровень воды и увеличить глубину водного пути, ставят ряд плотин. Их возводят на известном расстоянии одну от другой. Русло каждой реки имеет уклон, направляющий течение. Плотина преграждает течение реки, подпирает воды и повышает их уровень. Высоту подъема определяют в зависимости от того, какую глубину желают иметь на подпертом участке, при этом учитываются размеры затоплений, которые получаются в результате подъема и разлива реки. Следующую по течению плотину ставят, исходя из таких же расчетов. Подпертые участки реки, которые называют бьефами, располагаются уступами. Уровни воды образуют как бы лестницу с гигантскими водяными ступенями. Такую лестницу называют каскадом.

Разница уровней бьефов иногда доходит до 35-40 метров. Вот тут и нужны шлюзы. Около плотин, для пропуска судов из одного бьефа в другой, устраиваются шлюзы. Они ставятся или рядом с плотинами, примыкая к ним, или в стороне от реки, в обходном (деривационном) канале, которым верхний бьеф соединен с нижним. Пропуск судов через шлюзы водного пути Москва – Волга, запроектированного при Петре 1, требовал не менее трех суток, в настоящее время на канале имени Москвы на это требуется три часа. 121 километр по каналу имени Москвы от Московского Северного речного вокзала, до пристани Большая Волга современные круизные теплоходы проходит за десять часов. Подпор воды, получающийся в результате постройки плотин, дает возможность использовать падение воды для вращения водяных турбин. Турбины приводят в движение электрические машины (генераторы).

Перед заходом теплохода в камеру шлюза начальник вахты готовит камеру шлюза. Все операции проходят одним поворотом ключа циклового управления. В ключе три операции:

1. Подготовить, то есть наполнить или опорожнить камеру (автоматически включаются светофоры).

2. Открыть или закрыть камеру. Суда входят или выходят из камеры.

3. Шлюзовать. Операция начинается после ошвартовки судна в камере шлюза.

Опорожнение камеры шлюза происходит по водоводным галереям, количество которых с каждой стороны камеры по 15. Галереи имеют прямоугольное сечение 4х4 м каждая. При опорожнении камеры поднимаются заслонки (на цепях Галя), расположенные в нижних головах шлюза. Сброс воды осуществляется за нижними воротами шлюзов в подходной канал нижнего бьефа. Заполнение камеры шлюза канала имени Москвы осуществляется из отверстия, которое образуется в результате поворота сегментных ворот вокруг оси. Сегмент поднимается и образует щель высотой до 1,8 метра. Поступающая вода ударяется о плиту (устой). В устое – 4 трубы диаметром по 4 метра каждая. Через эти трубы вода и поступает в камеру шлюза. Заполнение камеры происходит за 11 – 12 минут. Вес сегмента 123 тонны. Сегмент подъемно – опускной, при заполнении камеры укладывается в нишу на дне камеры.

III Практическая часть

Шлюз- это гидротехническое сооружение на судоходных и водных путях, которое обеспечивает переход судов из одного водного бассейна в другой с различными уровнями воды в них.

Схема Шлюза см. Приложение 2

Для создания демонстрационной модели шлюза использовалась программа САПР Компас- 3D. Разработанная модель изделия распечатана на 3D принтере с использованием плаcтика PLA. Компас- 3D широко используется для проектирования изделий основного и вспомогательного производств в различных отраслях промышленности, приборостроении, судостроении и др. 3D-моделирование – это процесс формирования виртуальных моделей, позволяющих с максимальной точностью продемонстрировать размер, форму, внешний вид объекта. По своей сути, это трехмерное изображение, которое создано при использовании компьютерных программ.

Этапы создания 3D модели шлюза:

  1. Построение модели в САПР Компас- 3D.

  2. Печать модели на 3D принтере

  3. Шлифовка деталей и сборка

  4. Практическое использование модели

IV Заключение

В ходе выполнения проекта были решены следующие задачи:

Изученаистория возникновения шлюзов;рассмотрены назначение и виды шлюзов;изучены физические основы работы шлюза;сконструирован шлюз;

Вывод:

1. Шлюз возможно изготовить своими руками.

2.Сконструируемая модель будет полезным для демонстрации применения закона сообщающихся сосудов.

Цель проекта достигнута. Мною был создан и исследован шлюз, работающий по принципу сообщающихся сосудов. Результатом проекта служит созданная мною модель шлюза, которая позволяет продемонстрировать, как применяется принцип работы сообщающихся сосудов на практике.

В ходе выполнения проекта я самостоятельно добывал и применял знания, учился планировать свои действия, узнал о практическом применении сообщающихся сосудов, тренировался производить измерения и записывать их результат.

 Созданная мною модель может применяться для демонстрации шлюза на уроках физики в 7-х классах общеобразовательной школы. А также в 9 класса при подготовке учащихся к экзаменам.

VI Список использованной литературы и интернет-ресурсы

  1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. — 14-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2017.

  2. Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. — М: Издательство «Экзамен», 2010.

Интернет- источники:

  1. Сообщающиеся сосуды – закон, примеры применения на рисунках и определение (obrazovaka.ru)

  2. Сообщающиеся сосуды | 7 класс | Физика (obrazavr.ru)

Приложение

    1. Озеро Сайма на карте

    1. Схема шлюза

Презентационное сопровождение проекта

Просмотров работы: 714