XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Волшебство фонтанов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Это лето было очень жарким. Отдохнуть от знойной жары можно было лишь вблизи водоемов. Ведь воздух у водоемов всегда чист, свеж и прохладен. В городе же в жаркие дни было очень здорово проводить время близи фонтанов. Мелкие водяные брызги охлаждают и увлажняют воздух. Звук падающей воды перекрывает городские шумы и позволяет расслабиться. Ну и что уж говорить, фонтаны – это очень красиво! Некоторые из фонтанов считаются чудесами света.
Несколько лет назад, я был в Объединенных Арабских Эмиратах и до сих пор помню завораживающее шоу танцующих фонтанов. Игру водяных струй сопровождают самые разные мелодии. В представлении участвует больше трех тысяч светодиодных лампочек, а высота струй достигает 105 метров (это примерно 30-ти этажное здание). Посмотреть на это приезжает огромное количество туристов, потому что это действительно впечатляющее зрелище.
С тех пор мне всегда было интересно, как устроен фонтан и я решил попробовать создать модель фонтана в домашних условиях. За основу я решил взять модель фонтана Герона, который способен работать без электроэнергии и насосов. Принцип этого фонтана основан на сообщающихся сосудах, которые особым образом связаны между собой через три ёмкости, образующие замкнутый контур. Приложение №1 .
Цель проекта :
Собрать модель фонтана Герона
Задачи проекта :
Познакомиться с историей фонтанов
Изучить принцип работы фонтанов
Изучить принцип работы фонтана Герона
Собрать модель фонтана Герона
Объект проекта:
Созданная своими руками модель фонтана
Предмет проекта:
Создание модели фонтана Герона своими руками и изучение его свойств при использовании разных видов воды ( пресная, сильногазированная).
Анкетирование:
Я провел анкетирование среди свои сверстников и выяснил, что 80 % опрошенных хотели бы узнать как устроен фонтан, 90% опрошенных хотели бы узнать принцип работы фонтана и принцип действия сообщающихся сосудов, 80% хотели бы попробовать собрать фонтан своими руками.
Немного истории.
Фонтан — природное (гейзер) или искусственно созданное явление, заключающееся в истечении жидкости (обычно воды), под действием оказываемого на неё давления, вверх или в сторону. Природные фонтаны называют гейзерами. Искусственно созданные являются, как правило, декоративными строениями, устанавливаемыми с целью украшения ландшафта или интерьера.[5]
Первые фонтаны возникли в Древнем Египте и Месопотамии, о чем свидетельствуют изображения на древних надгробиях. Изначально они использовались не столько для красоты, сколько для полива выращиваемых культур и декоративных растений. Египтяне сооружали фонтаны во фруктовых садах возле дома, где они устанавливались посреди прямоугольного пруда.[4]
Подобные фонтаны использовались в Месопотамии и Персии, славившимися своими прекрасными садами. Здесь на Востоке они получили еще большую популярность.
В средневековой Европе, фонтаны использовались не только как источник водоснабжения для полива и питья, а как обязательный элемент архитектуры и ландшафта.
В период эпохи Возрождения (ХV-XVI в.) фонтаны стали ключевой деталью в оформлении парков. Образцом последних научных достижений того времени стали фонтаны Версаля. Сооружённые в период правления Людовика XIV, они до сих пор обслуживаются дореволюционной гидросистемой. Ежегодно Версаль посещают миллионы туристов, чтобы полюбоваться вырывающейся из скульптур водной пылью. Однако многие признаются, что версальские фонтаны сильно проигрывают блистательному Петергофу. [4]
Император Пётр I пожелал увековечить славу Российской империи и перещеголять европейцев – и ему это удалось. Сверкающие струи из уст золотых титанов впечатляют туристов со всего мира. А в Москве фонтаны несли чисто утилитарную функцию – из них брали воду и поили лошадей. Один из старейших московских фонтанов, который находится в рабочем состоянии, расположен прямо за памятником Карлу Марксу на Театральной площади у стен Кремля.
История фонтанов связана и с духовными устремлениями человека. Как известно, лёгкий шум воды расслабляет и умиротворяет. Этим умело пользовались в монастырях – лёгкое журчание в садах настраивало на молитвенный лад и восхищение божьим творением. Многие средневековые трактаты были созданы благодаря нужному настрою. Восточные духовные практики требовали сосредоточения – этого состояния легко было достичь, бесконечно любуясь струями воды.
1.1 Разнообразный мир фонтанов.
Фонтаны бывают искусственные и естественные.[3]
Искусственные фонтаны:
декоративные
питьевые
музыкальные
Декоративные фонтаны бывают разных видов. Вид фонтана зависит от насадки, используемой для подачи воды. Приложение № 2. В зависимости от насадки выделяют:
струйный фонтан
колокол
тюльпан
рыбий хвост
полушарие
кольцо
одиночный распылитель
ярусный распылитель
Естественные фонтаны: гейзеры, родники и артезианские воды.
Гейзеры. Гейзеры всегда расположены там, где находятся вулканы. Раскаленная магма поднимается к поверхности Земли и сильно нагревает породу, в которой содержатся грунтовые воды. Вода скапливается в мелких и крупных трещинах, не находя выхода нагревается и наконец закипает. При этом образуется много пара, который находится под большим давлением и пробивается наверх, в горловину образованного ранее гейзера. Происходит сильное извержение сначала пара, а потом и воды, и длится оно до тех пор, пока подземное "водохранилище" не опустеет.
Родник, источник, ключ — естественный выход подземных вод на земную поверхность. Человеку нравились бьющие небольшими струями родники. Мастера проявляли чудеса изобретательности, украшая родники. Приложение № 3.
1.2 Как устроен фонтан?
В зависимости от техники устройства фонтаны бывают:
Проточные
Циркуляционные
Для устройства работы фонтана циркуляционного вида необходимо обеспечить круговорот воды, которая будет заполнять резервуар. После этого жидкость при помощи насоса поднимается к специальной насадке, которая уже разбрызгивает воду. Надо пополнять резервуары, поскольку жидкость постепенно испаряется.
Приложение № 4.
Состоит фонтан из двух частей: кессона и фонтанной чаши. Первый – это резервуар, где накапливается вода, которую используют для перемещения и создания водяного столба. Объем кессона определяется требуемым количеством воды. Изготавливают его из разных материалов: бетона, металла, пластика и др.[1]
Фонтанная чаша – это емкость, которую сооружают по разным технологиям. Выбор здесь невелик: бетонное сооружение, стальное, пластиковое или из композитных материалов.[1]
Но принцип работы фонтана зависит от одного самого важного элемента – привода, он же насосная установка. Именно насос создает давление внутри системы перемещения воды. И чем больше напор, тем сильнее вода будет выталкиваться из насадки, тем выше она будет взлетать над поверхностью водной глади.
Теперь разберемся как это работает. В первую очередь заполняется именно кессон. Наполнение может производиться разными способами из разных источников: открытые водоемы, централизованный водопровод, колодец или скважина. В данном случае для заполнения используется любой из бытовых насосов. Чем больше его производительность, тем быстрее кессон будет заполняться водой.
Между собой бассейн и кессон соединены двумя трубами: подачи воды и обратки, по которой самотеком вода стекает снова в кессон. В контур подачи монтируется насос, обеспечивающий перемещение водных масс. Есть в кессоне и еще одна трубная разводка, которая соединяет его с канализационной системой. Она необходима для того, чтобы сливать воду на зиму, когда проводится консервация фонтана.[1]
Циркуляционные отличаются тем, что вода в них бежит по замкнутому кругу. Вода из чаши поднимается выше по шлангу с помощью помпы. Шланг проходит внутри и не заметен снаружи. Таким образом, фонтаны, основанные на принципе циркуляции, не требуют подключения к ним водопровода и оттока воды. Достаточно залить воду один раз, а затем уже доливать по мере ее испарения.
Для организации первого варианта необходимо оборудовать конструкцию водопроводом и дренажной системой. Фонтаны этого типа работают по такому принципу: вода поднимается, а после падает и уходит в канализацию. Главное преимущество — сооружение выполняет полезную функцию: проточные конструкции иногда применяют для полива огорода, газонов и клумб.
Устройство фонтана основано на принципе сообщающихся сосудов.В сообщающихся сосудах любой формы и сечения 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. Соответственно, чем больше разница этих высот, тем сильнее давление и выше бьет струя фонтана. Так же на высоту струи фонтана влияет диаметр выходного отверстия фонтана. Чем оно меньше, тем выше бьет фонтан.[1]
Практическая часть.
Для изучения устройства фонтана, я решил собрать фонтан Герона.
Герон Александрийский – греческий математик. Древние Арабские рукописи донесли до нас рассказ об удивительных творениях античного изобретателя. Одно из них – красивая чудо-чаша в храме, из которой бил фонтан.
Принцип работы фонтана Герона основан на сообщающихся сосудах, которые особым образом связаны между собой через три емкости , образующие замкнутый контур. [2]
Для создания фонтана мне потребуются следующие материалы:
Пластиковые бутылки - 3 шт.
Трубочки для коктейля - 3 шт.
Клеевой пистолет
Густой герметик
Нож канцелярский
Ножницы
Приложение № 5.
Для начала делаем отверстие в одной из стенок первой бутылки. Это будет чаша нашего фонтана. С противоположной стороны делаем два отверстия достаточного диаметра, чтобы туда входила трубочка для коктейля. Приложение № 6.
Делаем три дырочки во второй бутылке № одну в пробке , а две другие сбоку .
Для третьей бутылки тоже понадобится сделать три отверстия: в пробке и два сбоку , ближе к горлышку , на небольшом расстоянии друг от друга.
Вставляем трубочки . Первая должна соединять бутылки № 1 и № 2. Нижняя часть трубки должна доставать до дна бутылки № 2. Вторая трубочка соединяет бутылки № 1 и № 3.Она также должна доставать до дна бутылки . Трубочка между бутылками № 2 и № 3 не будет касаться воды. Приложение № 7.
Обрабатываем края герметиком . Ждем когда подсохнет.
Заливаем жидкость в первую бутылку, откуда она должна под собственным весом перейти в третью.
Переворачиваем фонтан, чтобы вода перетекла в бутылку № 2. Возвращаем конструкцию в исходное положение.
Фонтан готов. Теперь добавим воды в первую бутылку, жидкость под собственным весом устремится в бутылку № 3. Чтобы она заполнилась нужно куда-то выместить воздух, который в ней находится. Деваться ему некуда, кроме как в бутылку № 2. Раньше она была пустая и лишний газ без препятствий улетучивался через трубочку, но теперь она заполнена водой. Давление воздуха нарастает и начинает выталкивать воду из бутылки № 2 наверх, в чашу фонтана. Приложение № 8.
Герон создал фонтан, как модель вечного двигателя. Но проблема в том, что когда в третьей бутылке не останется воздуха, действие фонтана прекратится.
Мне стало интересно , что будет если в фонтан залить газированную воду. Сможет ли тогда фонтан функционировать. Но оказалось, что в газированной воде слишком много пузырьков газа, которые мешают воде нормально перемещаться по трубкам . Пришлось приложить немало усилий, чтобы фонтан заработал.
2.1 Практическое применение фонтана.
Комфортность микроклимата помещения определяется уровнем влажности в помещении. Я измерил уровень влажности в детской комнате. Он составлял всего лишь 29 %. Возможно, такой низкий уровень влажности из-за работающих батарей, ведь на улице зима. Одним из способов увеличить этот уровень являются увлажнители, в которым можно отнести и фонтан.
Фонтан я поставил на письменном столе. Утро измерил уровень влажности: Приложение № 9.
Он работал с 8 утра и до 22 часов вечера. Периодически я подливал воду в фонтан и заново его запускал. Вечернее измерение уровня влажности:
Мой фонтан оказался прекрасным средством для увеличения влажности в комнате. Кроме того для себя я отметил, что звук переливающейся воды поднимает настроение.
Заключение.
Я изучил историю и виды фонтанов. Создал свою модель фонтана Герона. Изучил принцип его работы, основанный на сообщающихся сосудах, которые особым образом связаны между собой через три емкости, образующие замкнутый контур. Изучил возможное практическое применение фонтана в жизни. За один день в комнате, влажность воздуха увеличилась на 27 единиц.
Мое исследование было очень увлекательным. Мне понравилось наблюдать за процессом перемещения воды в моем фонтане. Я с интересом наблюдал, как воздух вытесняет жидкость и она устремляется вверх по трубочке. Для себя я отметил, что звуки перетекающей воды поднимают настроение и настраивают на позитивный лад.
Список использованной литературы
1. Я.И. Перельман «Занимательная физика» изд. дом Мещерякова
2. Журнал «Думай», выпуск №4 (апрель 2021г.)
3. Фонтан. Виды и устройство. Работа и форма струи. Особенности (tehpribory.ru)
4. История фонтанов (ethnomir.ru)
5. Фонтан — Википедия (wikipedia.org)
Приложение № 1.
Приложение № 2.
Приложение № 3.
Приложение № 4.
Приложение №5.
Приложение №6.
Приложение № 7.
Приложение №8.
Приложение № 9.