XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Фонтан Герона

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Иктисамов А.Р. 1

---

1МАОУ "Лицей №97 г.Челябинска"

Климова Л.В. 1

---

1МАОУ «Лицей № 97 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Город Челябинск является столицей Южного Урала. В нём много достопримечательностей, музеев, театров и парков. В сквере на площади Революции в 2014 году после реконструкции открыли поющий фонтан. Водная конструкция имеет несколько десятков насадок. Из них поочерёдно бьёт вода, синхронизируясь с музыкой и светом. Летом здесь собирается много народа, чтобы полюбоваться им, отдохнуть, сидя на лавочках в тени деревьев, а зимой фонтан отключают, но декорируют, подсвечивают, отчего он не перестает быть местом притяжения множества людей.

В очередной раз, наблюдая за тем, как ввысь поднимаются струи воды, мы задумались о принципе работы фонтана. При изучении литературы по данной теме нас заинтересовал рассказ об удивительных творениях античного изобретателя Герона Александрийского. Одно из них – красивая чудо-чаша в храме, из которой бил фонтан на значительную высоту без внешнего воздействия и какого-либо двигателя. Мы выдвинули гипотезу: сможем ли собрать модель фонтана Герона в домашних условиях, изучив его устройство и принцип работы.

Мы определили цель работы: собрать модель фонтана Герона в домашних условиях.

Для выполнения цели нами были определены задачи:

1. изучить понятие «фонтан»;

2. рассмотреть виды фонтанов;

3. исследовать принцип работы фонтанов;

4. создать модель фонтана Герона;

5. провести эксперименты, в ходе которых установить зависимость высоты струи фонтана от различных параметров.

Объект исследования: фонтан.

Предмет исследования: зависимость высоты струи от уровня воды и положения резервуара.

Методы исследования: сбор информации по теме, систематизация, анализ информационных ресурсов, практическая работа, обобщение, создание презентации.

Актуальность работы состоит в том, что в настоящее время водоемы не утратили своей актуальности. Они по-прежнему влекут к себе людей. Мы живем в мире, в котором огромное количество разных произведений искусства. К ним относятся фонтаны, которые можно встретить практически везде. Фонтан является своеобразным символом эстетики, которая воплощает в себе извечное стремление человечества к красоте.

I.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

I.1.ПОНЯТИЕ «ФОНТАН»

Слово «фонтан» произошло от латинского слова «Fontis», что означает источник, родник, начало.

Фонтан - природное или искусственно вызванное явление, заключающееся в истечении жидкости (обычно воды), под действием оказываемого на неё давления, вверх или в сторону.

Уже в древности люди задумывались о том, как создать искусственные водоемы, особенно интересовала их загадка «бегущей воды»

Первые фонтаны (VI в до н.э.) 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. Первые фонтаны имели очень простое устройство и совсем не были похожи на пышные фонтаны современности. (Приложение А)

В Риме фонтаны сооружались как источники питьевой воды и для того, чтобы освежить воздух в жару. Римляне значительно усовершенствовали устройство фонтанов. Для фонтанов они делали трубы из обожженной глины или свинца. В эпоху расцвета Рима, фонтан стал обязательным атрибутом всех богатых домов. Струи воды били изо рта красивых рыб или экзотических животных. (Приложение Б)

Фонтаны современного мира представляют собой настоящие шедевры инженерной и конструкторской мысли: это самые разнообразные сооружения, привлекающие туристов красотой и величием, высотой и впечатляющим декором.

I.2.ВИДЫ ФОНТАНОВ

Существуют водные фонтаны природного происхождения – фонтанирующие небольшими струями родники, ключи, источники. (Приложение В)

Также в природе существуют гигантские фонтаны горячей воды и пара. Они называются гейзерами. Они характерны для районов с активной вулканической деятельностью. В нашей стране чудом природы является Долина гейзеров на Камчатке. Она была открыта геологом Т.И. Устиновой в 1941 году. Выходы водяного пара и горячей воды гейзеров человек использует для отопления зданий и получения электроэнергии. (Приложение Г)

Артезианские воды— напорные подземные воды, заключенные в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями на глубине от 100 до 300 метров. Обычно встречаются во впадинах, образуя артезианские бассейны. При вскрытии буровой скважины артезианские воды поднимаются выше водоносного пласта, иногда фонтанируют под действием давления. (Приложение Д)

Техногенными - батареи из множества водяных фонтанов горячей воды используются для её охлаждения на тепловых электростанциях. (Приложение Е)

Но самыми красивыми являются декоративные фонтаны. Они выполняют функцию украшения. (Приложение Ж)

Декоративные фонтаны классифицируются по различным признакам:

• по размеру и расположению — на уличные и интерьерные фонтаны (комнатные, настольные);

• по декоративному исполнению — композиции, имитирующие в миниатюре природные пейзажи или архитектурные сооружения;

• классические и скульптурные фонтаны;

• по наличию динамики в работе фонтанного и светового оборудования - статические и динамические («поющие» или «музыкальные» фонтаны, фонтаны с динамической подсветкой — цветодинамические).

В современных фонтанах значительную роль играют передовые технологии и новые изобретения: фонтан-водопад (Сваровски/Австралия), фонтан-пианино, фонтан-мост (Сеул/Южная Корея), фонтан-кран (парк Аквалэнд/Испания). (Приложение З)

Таким образом, фонтаны соединили в себе загадки природы и задумки архитекторов.

I.3.ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ФОНТАНОВ

Идея работы фонтанов взята человеком у природы. Цель конструкции любого фонтана состоит в том, чтобы привести воду в движение.

Первые фонтаны работали по принципу сообщающихся сосудов. (Приложение И) В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне. Воду собирают в ёмкость расположенную выше бассейна фонтана. При этом давление воды на выходе из фонтана будет равно разнице высот воды p. Если жидкость в сообщающихся сосудах находится на разных уровнях (это можно сделать, поставив между сообщающимися сосудами перегородку или зажим и долив жидкость в один из сосудов), то создается напор жидкости. Под действием этого давления

жидкость, если убрать зажим, будет протекать в тот сосуд, где уровень её ниже, до тех пор, пока уровни не сравняются.

Первые фонтаны были прямоточными, то есть работали напрямую от естественных водоемов (Приложение К) Особенность прямоточной схемы – отсутствие внешних источников энергии, но необходимо иметь водоем или бак значительно выше самого фонтана, чтобы вода стекала самотеком и питала фонтан.

В XIIV веке фонтаны стали приводить в действие с помощью механических насосов, которые постепенно заменили паровые установки, а затем и электрические насосы. Насос помещают в чаше фонтана. Энергия вращает лопасти, создается разность давлений и помпа всасывает воду из сосуда. Далее центробежная сила выбрасывает воду по трубке вверх. Три элемента – водный резервуар, насадки и насос, основные элементы фонтана и очень важен их правильный взаимный подбор. Фонтаны действуют по принципу циркуляции. Вода в них бежит по замкнутому кругу и из чаши поднимается выше по шлангу с помощью помпы. В данных фонтанах применяется «оборотное» водоснабжение. Особенность оборотной схемы – источник воды может быть расположен в любом месте, но необходим внешний источник энергии. (Приложение Л)

Самая оригинальная в мире система питания фонтанов водой сооружена в Петергофе. Петергоф - летняя парадная резиденция Петра. Город завоевал мировую славу красотой дворцов, парков, а главное фонтанов. (Приложение М) Фонтаны там очень красивые. В некоторых из них вода вырывается стремительно густым напором. В других – тоненькими струйками переплетается между собой. Самые знаменитые фонтаны –«Самсон», «Менажерный», «Римский» и «Пирамида». (Приложение Н)

В 20 км от Петергофа находятся Ропшинские высоты, богатые родниками и поднимающиеся над уровнем моря на 100 метров. (Приложение О) В 1721 году от Ропшинских высот по проекту инженера-гидравлика Туволкова был прорыт Петергофский канал, по которому вода поступает в фонтаны самотеком, благодаря понижению местности к морю. Петергофский водовод обеспечивает действие 173 фонтанов и 4 каскадов. Принцип работы фонтанов Петергофа Создать давление воды можно перепадом высот { Hпот H Hф. Каждый фонтан в парке тратит 1000 литровв секунду, а в целом за день уходит 8млн литров.Однако, чтобы фонтан заработал, необходимо лишьс помощью вентиля открыть задвижку.Петергофский фонтан льется сам по себе. Под фонтанами находится огромное количество труб маленьких и больших. Во времена Петра Великого не существовало прочных труб, ихзаменяли полые деревья, чистить их приходилось изнутри очень худым детям. На ночь все фонтаны останавливают с помощью все того же вентиля, а к утру все вновь готово к полноценной работе.

Петергоф также известен своими фонтанами–шутками. (Приложение П) Если наступить на один из камней, фонтан сразу же заработает. Но никто из посетителей не замечает, что рядом с фонтаном сидит неприметный мужчина и держится за палку. На самом деле именно он руководит процессом поступления воды. Такие невидимые сотрудники Петергофа несут свою вахту около каждого фонтана-шутки, а найденные еще Петром I принципы водоснабжения действуют и поныне, свидетельствуя о таланте основателя Петергофа. В 1990-ом ансамбль фонтанов в Петродворце был признан ЮНЕСКО всемирным культурным наследием.

I.4. ФОНТАНЫ В г. Челябинске

Фонтаны всегда притягивали к себе людей, так волшебно завораживая. Может от того, что в их шуршании, шелесте, шепоте, шуме можно услышать смех русалки, строгий окрик водяного царя или плеск золотой рыбки.

С давних времен они приносили радость смотрящему на них человеку, иногда веяли ужас и страх, но всегда это было смешанно с восторгом.

Фонтанов в Челябинске много - 258. В Калининском районе 28 фонтанов. В 2000 году бывший глава города Вячеслав Тарасов - мечтал сделать Челябинск городом фонтанов. В городе проводилась программа по строительству и реконструкции фонтанов. За 2 года было реконструировано и построено только 63 фонтана: 49 - в 2001 году и 14 - в 2002-м. Проектирование фонтанов вели архитекторы «Челябгражданпроекта». По стоимости фонтан обходился от 300 до 500 тысяч. Оборудование производилось в Челябинске, на заводе АМЗ. Фонтаны расположены на улицах и в скверах нашего города, а также в зданиях - в здании вокзала и в бизнес-доме "Спиридонов". В своей работе назовём самые интересные фонтаны:

Самый большой- площадь Революции. (Приложение Р)

Исполняющий желания - парк им. Ю.А.Гагарина. (Приложение С)

Самый старый - парк им. А.С.Пушкина (1909 г). (Приложение Т)

Самый сказочный - парк им. А.С.Пушкина. (Приложение У)

Самый "глобальный" - сквер на пересечении улиц Доватора и Воровского. (Приложение Ф)

Самый новый – сквер на улице Воровского, у челябинской городской больницы. (Приложение Х)

Таким образом, городской фонтан, всегда является одной из обязательных достопримечательностей, посещаемой туристами и жителями города.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

II.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОНТАНА ГЕРОНА

В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

Нас заинтересовал фонтан, который придумал Герон Александрийский за 200 лет до н.э.

Прибор состоит из трех сосудов: верхнего открытого (A) и двух закрытых (B, C), помещенных прямо один над другим. Сосуды соединены трубками. (Приложение Ц)

Когда в сосуде (A) есть немного воды, сосуд (B) заполнен водой, а шар (C) воздухом – фонтан начинает работать

Принцип работы – вода из сосуда (A) переливается по трубке в (C), вытесняя оттуда воздух в шар (B). Под давление поступающего воздуха вода из (B) устремляется по трубке вверх и бьет фонтаном над сосудом (A)

В книге Я.И.Перельмана «Занимательная физика» описывается упрощенное устройство «геронова» фонтана, которое придумал учитель из Италии. Вместо шаров он применил аптечные склянки, вместо стеклянных трубочек он взял резиновые. В таком виде прибор гораздо удобнее к употреблению – когда вся вода из банки перельется через сосуд (A) в банку (C), можно просто переставить банки (B) и (C), и фонтан вновь действует (не нужно забывать конечно пересадить также наконечник на другую банку). Другое удобство видоизмененного фонтана состоит в том, что он дает возможность произвольно изменять расположение сосудов и изучать, как влияет разница уровней сосудов на высоту струи. (Приложение Ч)

В работе мы взяли упрощенную схему и по ней из доступных материалов изготовили действующую модель фонтана, провели ряд экспериментов для определения от чего и как зависит высота струи фонтана.

Изготовление модели (Приложение Ш):

• В качестве сосудов B и C взяты литровые стеклянные банки

• В качестве сосуда А – пластиковый контейнер

• Трубки –прозрачные силиконовые

• Для наглядности воду подкрасили в синий цвет.

Проведем эксперимент, поднимая поочередно сосуды В и С: при поднимании сосуда B струя усиливается (Приложение Щ), поднимая сосуд С наблюдаем ослабление струи, вплоть до полного прекращения. (Приложение Э)

Подведем итоги эксперимента:

1. Была реализована действующая конструкция фонтана Герона в домашних условиях

2. Опыты показали, что сила (и высота, если направить струю вверх) зависят от взаимного расположения сосудов

3. Для достижения максимального зрелищного эффекта с высокой струёй фонтана средняя ёмкость (сосуд В) должна быть сразу под чашей, а нижняя размещаться от них на максимальном удалении вниз (сосуд С)

Таким образом, вещей, которые способны работать самостоятельно, без внешнего источника энергии, не так уж и много, и особое место среди них занимает фонтан Герона. Его основным достоинством является то, что он работает благодаря естественным законам природы, не затрачивая при этом сторонней энергии. Фонтан прост в исполнении и доступен, хотя приходилось бороться с некоторыми трудностями при создании герметичности сосудов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы мы выяснили, что фонтаны являются важной частью мер по созданию комфортной, экологически безопасной среды обитания человека, поэтому в нашем городе их достаточно много. Исследовав принципы действия фонтанов, мы смогли выполнить модель фонтана Герона. Нами была проведена серия экспериментов по изучению свойств фонтана. Работает он совершенно бесшумно и не отвлекает. Фонтан Герона актуален и в наши дни, хотя и был придуман две тысячи лет назад. Это декоративное и полезное украшение интерьера.

Цель и задачи работы выполнены, гипотеза подтвердилась.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Белоусов В. Современная школьная энциклопедия. Физика.–М.:Миркниги,2007.– 92с

2.ПерельманЯ.И. Занимательная физика.–СПб.: СЗКЭО,2023-96-97 с.

3.Ферринг Род. Настольные фонтаны.– М.: Арт-Родник, 2014.- 27 с

4.Шумовская Татьяна. Использование комнатных фонтанчиков в качестве увлажнителей, 2015. Электронный ресурс -  https://www.botanichka.ru/article/ispolzovanie-komnatnyih-fontanchikov-v-kachestve-uvlazhniteley

5.Изготовление фонтана Герона. Электронный ресурс https://remnabor.net/fontan-gerona-iz-butylok-shema-sborki

6.Материал из Википедии - свободная энциклопедия. Фонтан Герона. Электронный ресурс https://ru.wikipedia.org/wiki/Фонтан_Герона

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение А. Первые фонтаны

Приложение Б. Фонтаны Рима

Приложение В. Фонтаны природного происхождения 

Приложение К. Прямоточная схема

П риложение Л. Оборотная схема

Приложение Щ. Эксперимент 1

Приложение Э. Эксперимент 2