Саксонская миска

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

Саксонская миска

Гостева А.В. 1
1МАОУ «СОШ № 137 г. Челябинска»
Коренкова А.А. 1
1МАОУ "СОШ № 137 г. Челябинска"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Сегодня деление на годы, дни и месяцы, дни, часы, минуты и секунды естественно и само собой разумеющееся. Но на заре своего культурного развития человечеству сложно давалось понятие времени и сначала придумывались разные способы его измерения [1].

Раньше существовало огромное количество способов измерения времени, одним из которых является так называемая «саксонская миска» - сосуд с небольшим отверстием внизу, через которое жидкость медленно заполняет пространство внутри ёмкости.

Саксонская миска похожа на водяные часы, за исключением того, что ее функции абсолютно противоположны. Вместо того чтобы использовать скорость истечения воды для измерения времени, чаша с отверстием внизу помещается на воду в ёмкости, чтобы измерить, сколько времени требуется для ее полного погружения. История заключается в том, что саксы поместили чашу с отверстием в дне в воду и использовали время, которое потребовалось для погружения чаши в воду, чтобы ограничить время выступления оратора.

Актуальность работы: в наши дни этот вопрос не утратил своего значения, так как он имеет практическое значение, например, для изучения этого явления в моделировании процесса затопления судна.

В исследовательской работе было решено изготовить подобие саксонской миски и найти наиболее подходящий её вариант для измерения небольших отрезков времени.

Гипотеза: время затопления зависит от плотности жидкости; объема, массы и формы миски, температуры воды, площади отверстия в дне миски.

Цель: исследовать параметры, определяющие время затопления миски с отверстием в дне.

Задачи:

Изучить теорию данного вопроса с использованием различных источников информации.

Изготовить различные «миски».

Провести эксперименты.

Провести анализ полученных результатов и сделать вывод.

Основная часть

Опыт 1. «Измерение времени наполнения миски из пластилина в зависимости от различных факторов»

Приборы и материалы: пластилин, шило, линейка, электронные весы, датчик температуры, лаборатория «Архимед», ареометр, секундомер.

Ход работы

Сделаем миску из пластилина.

С помощью шила сделаем отверстие в дне миски.

Поместим миску из пластилина в сосуд с водой и будем наблюдать за наполнением миски водой, засекая при этом время.

Проведем несколько опытов, в которых будем изменять один из значимых параметров для данного эксперимента.

Для выполнения задания мы подобрали 6 факторов, влияющих на скорость заполнения миски: объем полости, масса тела, температура воды, площадь отверстия в миске, форма миски и плотность воды.

Таблица 1. «Зависимость времени наполнения миски водой из пластилина от различных факторов»

Параметр

Тело 1

Тело 2

τ1, с

τ2, с

Объём

0,33 · 10-6 м3

8 · 10-6 м3

29

4,4

Масса

0,023 кг

0,036 кг

80

30

Температура воды

299 К

363 К

27

28

Площадь отверстия

2,54 · 10-4 м2

4,52 · 10-4 м2

8

1,5

Форма дна миски

Вогнутое дно

Плоское дно

4,5

6,6

Плотность воды

1000 кг/м3

1030 кг/м3

12

11

Вывод: время погружения «саксонской миски» зависит от её массы, формы, объёма и площади отверстия в ней. Свойства воды (температура, плотность) также влияют на время погружения.

Опыт 2. «Поиск материала, наиболее пригодного для изготовления миски»

Приборы и материалы: пластилин, стеклянная воронка, фольга, яичная скорлупа, шило, секундомер.

Ход работы

Сделаем «миски» из разных материалов.

Поместим поочерёдно «миски» в сосуд с водой и будем наблюдать за наполнением «миски» водой, засекая при этом время.

       

Стекло

Фольга

Яичная скорлупа

Пластилин

Фото 1. Виды мисок из разных материалов

Таблица 2. «Исследование зависимости времени затопления «миски» от вида материала из которого она сделана»

Вещество

Стекло

Фольга

Яичная скорлупа

Пластилин

Время, с

60

22

96

27

Вывод: наиболее пригодным материалом для изготовления нашей миски (мы рассматриваем длительность наполнения миски водой) оказалась яичная скорлупа: она всех дольше продержалась на воде.

Теоретическое объяснение

Первоначально, как только поместим миску на воду, на дно миски р = ρgH + ратм, а сверху в пустую миску - только ратм. Поэтому миска всплывает на поверхности воды (это если бы не было отверстия в миске).

Мы кладем миску с отверстием на поверхность воды, действуя на нее с силой, создавая дополнительное к атмосферному, давление. Давление по закону Паскаля в жидкости передается по всем направлениям, следовательно, давление снизу на дно увеличивается и струя устремляется в миску.

Рассмотрим силы, действующие на «миску»:

Сила тяжести F = mg , направленная вниз.

Сила со стороны воды, находящейся внутри сосуда: F = ρgrS, направленная вниз.

Сила со стороны воды, находящейся под сосудом. Эта сила противоположна по направлению предыдущей силе и равна F = ρghS.

Рис 1. Силы, действующие на «миску»

Необходимо отметить, что существуют и другие силы, действующие на «миску», но они или взаимно компенсируются (например, силы, действующие на стенки), или пренебрежимо малы (например, силы поверхностного натяжения), а потому их можно не учитывать.

Так как сосуд тонет медленно, можно допустить, что его ускорение равно нулю. Тогда из второго закона Ньютона можно получить равенство:

Заключение

В рамках данного исследования были получены следующие зависимости: время погружения «саксонской миски» зависит от её массы, формы, объёма и площади отверстия в ней. Свойства воды (температура, плотность) также влияют на время погружения.

В зависимости от времени, отводимого для выступления «оратора», можно подобрать наиболее подходящий материал. Наиболее пригодным материалом для изготовления нашей «миски» (мы рассматриваем длительность наполнения миски водой), оказалась яичная скорлупа: она всех дольше продержалась на воде.

Список использованных источников и литературы


1. https://worldofnature.ru/izobreteniya?view=page&id=667

2. https://iypt.ru/задачи/2019/06-саксонская-миска/

3. https://pennyroyalresearch.wordpress.com/2017/01/05/saxon-water-bowls/

4. https://flot.com/publications/books/shelf/specialcases/93.htm

Просмотров работы: 32