XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Как поднять слона или сила сообщающихся сосудов
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Я смотрел мультфильм «Смешарики: Пин-Код» про науку и меня заинтересовал один эпизод про сообщающиеся сосуды, то есть, сосуды, которые соединены между собой.(рис.1).
Рис. 1. Сообщающиеся сосуды
Далее в мультфильме говорится о том, что с помощью сосудов с водой даже один маленький Смешарик может поднять тяжелого слона (рис.2).
Мне стало интересно, правда ли один человек (например, я) может поднять большого слона или это фантазии мультипликаторов. Я попросил маму помочь мне доказать это на экспериментах.
Рис.2 С помощью сообщающихся сосудов можно поднять слона
-
Цель, задачи, гипотеза, методы и актуальность исследования
Цель моего исследования: изучить принцип действия сообщающихся сосудов и понять, как с его помощью можно поднять слона.
Задачи исследования: посмотреть видео-уроки, ознакомиться с научно-популярной литературой, самостоятельно воспроизвести различные модели сообщающихся сосудов, провести эксперименты с помощью этих моделей, сформулировать выводы.
Гипотеза исследования: Совунья права – жидкость в сообщающихся сосудах всегда устанавливается на одном уровне и один человек может поднять слона.
Гипотезу о том, что, если налить жидкость в один из таких сосудов, то вода обязательно перельется во все сосуды и установится на одном уровне, я неоднократно проверил экспериментальным путем.
Методы исследования: создание моделей сообщающихся сосудов, эксперименты, наблюдение, анализ.
Актуальность темы:
В повседневной жизни мы можем встретить много примеров сообщающихся сосудов:
- лейка (чайник) и ее носик,
- секции отопительной батареи,
- поилка для домашних животных,
- водопровод,
- фонтаны,
- дамбы и т.д. (см. стр. 16).
и даже кровеносные сосуды нашего организма тоже построены по принципу сообщающихся сосудов.
Закон о сообщающихся сосудах является основой для понимания работы гидравлических систем, которые широко используются в различных сферах жизни: инженерии, строительстве и даже медицине. Изучение этого закона позволяет разрабатывать гидравлические устройства и системы.
Понимание принципов сообщающихся сосудов имеет большое значение для обеспечения безопасности в промышленности и предотвращения аварийных ситуаций. Также это помогает человечеству избегать и природных катаклизмов (например, минимизировать вред от наводнений).
Исследование закона о сообщающихся сосудах приводит к расширению наших знаний о свойствах жидкостей, их поведении в различных условиях и взаимодействии с другими объектами. Полученные данные могут быть использованы для дальнейших научных исследований в области физики.
-
Экспериментальная часть
П риступим к экспериментальной части, чтобы на практике найти и смоделировать сообщающиеся сосуды и исследовать поведение воды в таких сосудах.
Эксперимент 1
Я наливал заварку в чайник, потому, что чайник и его носик - это как раз два сообщающихся сосуда (рис.3).
И в теле чайника и в его носике жидкость устанавливалась на одном уровне. Всегда.
Рис. 3. Чайник – сообщающийся сосуд
Эксперимент 2
Я наливал жидкость в экспериментальный стенд из кабинета физики с колбами разной формы (рис.4).
Несмотря на разную форму, объем и протяженность колб, жидкость во всех колбах устанавливалась на одном уровне.
Рис. 4. Экспериментальный стенд
В продолжение экспериментов, я усложнил задачу и сделал конструкцию сообщающихся сосудов своими руками.
Эксперимент 3
Мы с папой соединили 2 бутылки трубкой: проделали отверстие в пластиковых бутылках, продели в отверстия трубку и залили места соединения трубки с бутылкой клеем. Теперь бутылки сообщаются. Наливаю воду в одну бутылку и жду, когда вода перельется во вторую. Очень быстро вода установилась на одинаковом уровне в обеих бутылках, не выше, не ниже.
Рис. 5. Две бутылки, соединенные трубкой
Эти эксперименты наглядно демонстрируют закон о сообщающихся сосудах: если в открытые сообщающиеся сосуды налита одна и та же жидкость, ее уровень во всех сосудах одинаков.
Авторство закона приписывают голландскому ученому Симону Стевину.
Эксперимент 4
Есть еще один прибор, работающий на основе закона о сообщающихся сосудах, – это гидроуровень. Гидро – это значит водный. Прибор используется, когда надо что-то ровно повесить или поставить без измерений и рулетки. На рисунке 6 строители отмеряют высоту под установку кухни.
В колбы гидроуровня налита вода и в обеих колбах вода устанавливается на одном уровне. Между колбами длинная трубка. Если отойти с одной из колб даже на 5 метров, вода все равно будет на одном уровне, и мы сможем провести между ними ровную линию (рис. 6).
Рис. 6. Использование гидроуровня
М ы с мамой приобрели в магазине гидроуровень и начали наблюдение за водой в колбах. Мы расходились с колбами в руках на разное расстояние – вода в колбах устанавливалась на одном уровне. Потом я по очереди понемногу опускал и поднимал колбы, - вода устанавливалась на одном уровне (рис.7).
Но вот что интересно!
ВОДА находилась на одном уровне пока СОСУДЫ находились примерно на одном уровне. Но как только я начинал сильно поднимать один сосуд, из второго сосуда вода начинала бить фонтаном. Почему? Потому что когда начинает меняться ДАВЛЕНИЕ на воду, она приходит в движение, стремится вверх- к уровню верхнего сосуда. Так работают безнасосные фонтаны.
Рис.7. Наблюдение за водой в гидроуровне
Эксперимент 5
Н а основе предыдущего вывода, я сделал простой самодельный фонтан из одной бутылки и гибкой трубки (рис. 8). Я держу трубку в руке, а бутылку понемногу двигаю вверх-вниз, вода в трубке движется и подстраивается под уровень воды в бутылке, выравниваясь с нею. Но когда я высоко поднимаю бутылку, вода из трубки начинает бить фонтаном. Потому что стремится к уровню воды в бутылке.
Т
Рис. 8 Самодельный фонтан на
основе сообщающихся сосудов
ак работают знаменитые фонтаны Петергофа [2]. Как и 300 лет назад, сегодня фонтаны Петергофа работают без единого насоса и электричества, по принципу сообщающихся сосудов. Благодаря естественному перепаду высот озера, из которых вода подается фонтаны находятся выше по уровню, за несколько километров от Петергофа. Вода стекает по трубам в фонтаны и сама взлетает ввысь под огромным гидростатическим напором, как в моем пятом эксперименте.
Получается, что как только на жидкость в одном из сосудов начинает оказываться давление, оно превращается в СИЛУ, способную выталкивать воду на несколько этажей вверх.
Теперь становится понятным закон Паскаля, который объясняет, почему жидкость в сообщающихся сосудах устанавливается на одной уровне. В соответствии с законом Паскаля, жидкость передаёт оказываемое на неё давление во всех направлениях одинаково. В открытых сосудах, атмосферное давление над каждым из них одинаково, значит, и давление жидкости на стенки сосудов будет одинаковым на любом уровне [3].
-
Гидравлические машины
Эту силу люди используют еще и в гидравлических машинах. Например, домкрат (подъемник) поднимает грузовики, чтобы поменять колесо (рис. 9).
Р ис. 9 Гидравлический домкрат
Внутри домкарта высоты столбов жидкости одинаковы, пока на поршни НЕ действуют силы. Как только мы начинаем качать домкрат, мы нажимаем на столб воды в одном сосуде и она с силой выталкивает столб воды в другом сосуде так, что способна поднять тяжелый груз.
Вот мы и приблизились к разгадке, как поднять слона…..
Благодаря свойству сообщающихся сосудов можно поднимать тяжелые грузы. Достаточно соединить широкий и узкий сосуды, заполнить их жидкостью и оказать давление на один из сосудов. Так можно поднять любой предмет, используя силу лишь собственного тела.
Вывод
С лона можно поднять с помощью гидравлического домкрата, который работает по принципу сообщающихся сосудов. Это смогу сделать даже я один.
На рисунке 10 изображен гидравлический стол (платформа). Управление устройством осуществляется при помощи ножной педали и удобной ручки [6]. Слон может зайти на платформу, а я, нажимая на педаль, его подниму.
В
Рис.10 Ручной гидравлический стол (платформа). Подъемный механизм ножничный двойной, привод гидравлический.
сё потому, что давление, которое создаёт небольшой вес в малом цилиндре, по закону Паскаля без изменений передаётся в большой цилиндр, там действует на большую площадь, и требуется огромная сила (или тяжёлый слон), чтобы его
удержать на том же уровне [5].
Заключение
Конструкция гидравлического домкрата (пресса) была изобретена в конце XVIII века англичанином Джозефом Брамой. С его помощью можно, приложив сравнительно небольшое усилие, поднимать огромные тяжести или сильно сдавливать предметы. Ну а самое распространённое применение изобретения Брамы – это гидравлические тормоза, которые стоят в любом автомобиле и на многих велосипедах (рис. 11).
Слегка надавив на педаль, водитель через систему трубок с жидкостью передаёт давление на широкие поршни, сжимающие диски тормозов с многократно увеличенным усилием [5].
Рис.11 Гидравлические тормоза на велосипед
В заключении необходимо отметить, что закон сообщающихся сосудов достаточно часто применяется в повседневной жизни. Например, для устройства бака для сбора дождевой воды (рис.12) или водомерных колб в водогрейных котлах в поезде (рис.13) или платформы для подъема мотоциклов, автомобилей, людей или грузов (рис.14).
Рис.12 Бак для сбора дождевой воды
Водомерное стекло (рис.13) представляет собой открытую стеклянную трубку, присоединённую к котлу в верхней и нижней части. Давления пара над свободной поверхностью воды в котле и в трубке одинаковы. По закону сообщающихся сосудов уровень воды в котле и стеклянной трубке будет одинаковым. Таким образом, можно без открытия парового котла следить за уровнем воды в нём. В больших паровых котлах в котельных так же. Назначение водомерного стекла - отслеживать перепады уровня воды в агрегате и своевременно предотвращать возможные аварийные ситуации [4].
Р ис. 13 Водомерное стекло в котлах, которые греют воду в поездах
Рис.14 Гидравлические подъемники
Список литературы
-
Лекция 4. Механика жидкостей и газов. Сайт презентаций – URL: https://present5.com/lekciya-4-mexanika-zhidkostej-i-gazov-ravnovesie/
-
Как работают фонтаны Петергофа// Государственный музей-заповедник Петергоф: [сайт]. - URL: https://peterhofmuseum.ru/special/fountains300#:~:text=Как%20и%20300%20лет%20назад%2C,парка%20–%20на%20Ропшинских%20высотах
-
Муранов, В. А. Закон сообщающихся сосудов// Корпорация Российский учебник: [сайт]. - URL: https://rosuchebnik.ru/material/soobshchayushchiesya-sosudy/
-
Что такое водомерное стекло парового котла и зачем оно нужно// Альянстепло: [сайт]. - URL: https://www.kotel-modul.ru/boiler/steam/chto-takoe-vodomernoe-steklo-parovogo-kotla-i-zachem-ono-nuzhno?ysclid=ltkdvueujs723976670
-
Вировец, Ю. Физика вокруг нас// Книжный клуб Элементов: [сайт]. - URL: https://elementy.ru/bookclub/chapters/436739/Fizika_vokrug_nas_Glava_iz_knigi
-
Дело техники: [сайт]. - URL: https://avtopogruzchiki.com/katalog/podyemnyy-stol-tfd-100/