XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изготовление действующей модели фонтана Герона
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Воздух у водоема всегда чист, свеж и прохладен. Наверное, каждый замечал, насколько легче дышать возле воды, как исчезают усталость и раздражение, как бодрит и одновременно умиротворяет нахождение вблизи моря, речки, озера или пруда. Да и не зря говорят, что вода – «очищает», «омывает», не только тело, но и душу. Не всегда человек может позволить себе отправиться на берег ручья или городского пруда.
Но иногда в здании, будь то офис, кинотеатр или дворец культуры, можно встретить маленькие декоративные фонтаны. Это стало модным и используется, как правило, для украшения интерьера. Но такие маленькие фонтачики могут выполнять и другие функции в помещениях: увлажнять сухой воздух, благоприятно сказываться на настроение и самочувствие человека. Я не раз с родителями заходил в интерьерные магазины и видел там в продаже многообразные фонтаны, как правило, работающие с помощью насоса. При этом они стоят не так уж и дешево.
Поэтому я подумал: а не изготовить ли мне комнатный фонтан, который улучшит микроклимат в доме, за счет увлажнения воздуха, подарит членам моей семьи радость, ощущение уюта и комфорта, потому что движущаяся вода, которая тихонько плещется или брызжет вверх, окажет успокаивающее воздействие на слух, зрение и психику.
Исходя из моих рассуждений, я сформулировал цель проекта: изготовить действующую модель фонтана Герона.
Для достижения цели я сформулировал задачи:
-
Изучить различные источники информации по данному вопросу.
-
Изучить принцип действия фонтана Герона.
-
Подобрать необходимые материалы для сборки действующей модели фонтана и собрать его.
-
Выяснить, от каких физических параметров зависит высота струи в нем, а также исследовать, изменилась ли влажность воздуха в комнате до и после работы фонтана.
Гипотеза: если я изучу строение фонтана и принцип его работы, то смогу самостоятельно собрать фонтан из подручных материалов.
Практическая значимость: на основе предложенной идеи с использованием дополнительных средств можно будет изготовить фонтан на дачном участке или в загородном доме: зона отдыха есть в любой квартире, и, конечно же, её украшением может стать фонтан.
Объект исследования: законы физики, которые объясняют действие фонтана Герона (законы сообщающихся сосудов и действие атмосферного давления). Предмет исследования: фонтан Герона.
Думаю, что мне удастся самостоятельно изучить необходимые для конструирования фонтана законы физики, потому что этот вопрос по программе изучается только в 7 классе. И применить их на практике.
В своей работе я опишу рекомендации и инструкции для самостоятельного создания фонтана у себя дома для улучшения климатической обстановки и состояния здоровья человека в целом.
Основная часть
-
Теоретическая часть.
История фонтанов насчитывает не одно тысячелетие. На заре цивилизации они несли чисто практическую функцию, орошая сады в засушливых регионах. Позднее им довелось оказать влияние на европейскую архитектуру и азиатскую духовную жизнь. В наши дни фонтаны считаются обязательным атрибутом городского благоустройства и чуть ли не главным украшением, призванным радовать глаз.
Иллюстративный ряд дошедших до наших дней реликвий Древнего Египта и Месопотамии содержит изображения фонтанирующих источников. В те времена люди ещё не сформулировали принцип сообщающихся сосудов, однако уже с успехом применяли его на деле. Внимание древнего человека привлекли бьющие из-под земли источники и заставили задуматься о том, как можно применить это явление там, где необходимо.
Один из образцов подобных конструкций известен как фонтан Герона. Принцип действия его основан на законах физики. Его можно изготовить в домашних условиях. В первый сосуд наливается вода, которая по трубке поступает вниз. Когда в одном из нижних увеличивается давление, жидкость перетекает в средний сосуд, откуда под напором попадает обратно в чашу. Египтяне устраивали работающие по этому принципу фонтаны в садах возле прудов, и, несмотря на засушливый климат, там всегда красовались декоративные растения.
В Древней Персии зелёные уголки отдыха напоминали небольшие Эдемы – от палящего солнца защищала сень деревьев, дивно пахли диковинные цветы, щебетали птицы, а журчание водных струй умиротворяло. Позднее именно эти сады оказали влияние на последующий облик европейских городов – вернувшиеся из военных походов римские солдаты с восторгом рассказывали о заграничных диковинках, и вскоре подобное появилось в Вечном городе. Но римляне пошли дальше – воду заключили в трубы из обожжённой глины, украсили чаши цветной плиткой и мозаикой, а струи били из пастей животных и рыб. В домах состоятельных граждан появлялись бассейны с бьющими из середины водными струями.
Творчески подошли к украшению городов и древние греки – фонтаны сооружались из мрамора и совмещались с водными часами и кукольным театром.
Фонтан Герона – это гидро-пневматический прибор, придуманный в I веке нашей эры древнегреческим учёным Героном Александрийским. Конструкция обеспечивает длительное фонтанирование струи воды на значительную высоту без внешнего воздействия и какого-либо двигателя. Различные версии фонтана Герона сегодня используют на уроках физики для демонстрации принципов гидравлики и пневматики.
Я изучил разные виды фонтанов и места их расположения. Выводы, сделанные мной, лежат на поверхности:
1. Фонтан – архитектурное украшение центральной части города.
2. Фонтан – место отдыха городского жителя. Принцип работы фонтанов за многие века не изменился, но, в связи с развитием технологических процессов, качество работы фонтанов и их внешний вид значительно изменились в лучшую сторону.
3. Я с удовольствием отмечаю, что и в моем городе в парке есть работающий фонтан.
Ниже я представил наиболее популярные, яркие и впечатляющие фонтаны современности, работающие на основе разных технологических решений.
Фото 1. Фонтан Сваровски (Swarovski) в Австрии.
Фото 2. Фонтан «Лодка» в Испании.
Фото 3. Фонтан Стравинского в Париже.
Фото 3. Графический фонтан-часы в Японии.
Фото 4. Фонтан-скульптура «Металморфозы» в США.
Фото 5. Фонтан-водоворот «Харибда» в Великобритании.
Фото 6. Фонтан богатства в Сингапуре.
Фото 7. Светомузыкальный фонтан в Москве.
Фото 8. Поющий фонтан Дубай в ОАЭ.
Фото 9. Фонтан Джули Пенроуз («Непрерывный») в США
Практическая часть.Изготовление действующей модели фонтана Герона
В практической части своего проекта я описал и затем из подручных материалов собрал действующую модель фонтана Герона. Прибор состоит из трёх сосудов, сообщающихся между собой трубками. Для максимальной зрелищности работы фонтана я разместил сосуды вертикально один над другим: два нижних с нерастяжимыми стенками закрыты и герметизированы, а верхний имеет форму открытой чаши фонтана.
Для запуска фонтана надо не очень большое количество воды налить в верхнюю чашу. Вода из неё по трубке, проходящей транзитом, через средний резервуар спускается почти до дна нижнего сосуда. Из-за подъёма уровня воды повышается давление воздуха в нижней ёмкости, которое передаётся в средний сосуд по другой трубке, идущей от верхней части нижнего сосуда к верхней части среднего сосуда. Повышение воздушного давления в среднем сосуде выдавливает из него воду по трубке, проведённой от дна среднего сосуда в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бьёт фонтан.
В идеальных условиях высота фонтана над поверхностью воды в верхней чаше равна расстоянию между поверхностью воды в среднем и нижнем сосудах. Но сопротивление при движении жидкости по трубкам несколько уменьшают реальную высоту фонтана.
Постепенно вода из среднего сосуда через фонтан и верхнюю чашу наполняет нижний сосуд. Расстояние между уровнями уменьшается, из-за чего высота фонтана понижается. Работа фонтана прекращается после снижения уровня воды в средней ёмкости ниже среза трубки, подающей воду в фонтан.
Для «перезарядки» фонтана его нужно перевернуть и дождаться, пока вода из нижней ёмкости (которая после переворота станет верхней) перетечёт в средний резервуар. На рисунке 1 представлена схема основных элементов фонтана Герона и их расположение относительно друг друга.
Рисунок 1. Схема основных элементов фонтана Герона и их расположение относительно друг друга
Ниже описаны приборы и материалы, которые я использовал для конструирования фонтана, а также последовательность моих действий при сборке фонтана.
Материалы, необходимые для сборки действующей модели фонтана:
-
3 бутылки по 1 литру
-
3 трубки
-
Железное кольцо
-
Два железных колечка поменьше
-
Сверло
-
1 бутылка 5 л
-
Нож
-
И клей пистолет
Далее я описываю порядок работы над сборкой фонтана:
Этап 1. Сначала берем 1 бутылку объемом в1 литр, высотой 25 см и отрезаем у нее донышко. Далее берем вторую такую же бутылку и отрезаем от нее половину. Затем вставляем во 2 бутылку железное кольцо и потом вставляем 1 бутылку во 2. И у нас получилась конструкция, представленная на фото 1. Эта конструкция у меня получилась 350 см высотой и объемом примерно 1,5 литра
Фото 1. Этап 1. Конструкция 350 см высотой и объемом примерно 1,5 литра
Этап 2. Дальше берем еще одну бутылку и делаем в крышке 2 дырочки, вставляем туда одну трубку длинной 60 см (+ - 4-8см), чтобы она почти упиралась в донышко, а вторая трубочка длинной 40 см (+- 2-4 см), находится в самом верху и её почти не видно.
Дальше берем бутылку объемом 1,5 литра и в зеленной крышке делаем две дырочки, устанавливаем трубочки. Затем берем кольцо и склеиваем крышки. Далее берем трубочку длинной примерно 43 см (у нее срез отверстия 45 градусов) и она упирается в донышко.
Потом в синей крышке делаем два отверстия, просовываем трубки, у которой срез 45 градусов и ту которую почти не было видно в первой бутылке. Далее берем бутылку объемом 5литров, срезаем до конуса и получается воронка. В крышке от этой воронки делаем 2 отверстия, вставляем в кольцо вместе с трубками и заклеиваем.
Затем берем насадку меньшего диаметра и вставляем в трубку, у которой в начале был срез 45 градусов. Из-за того, что у насадки меньший диаметр то будет создаваться давление и струя будет выше. В итоге у нас получится вот такая конструкция
Фото 2. Готовая конструкция фонтана Герона
Самостоятельно изготовленная действующая модель фонтана Герона требует исследования. Основные моменты представлены на фото ниже:
Фото 3,4. Исследование конструкции самодельного фонтана Герона.
В результате работы получены следующие данные: модель изготовлена, проведена серия экспериментов по изучению свойств фонтана. Работает он совершенно бесшумно и не отвлекает. Фонтан может выполнять роль наглядного пособия для демонстрации некоторых физических законов, ведь, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать
Исследовав, от чего зависит высота струи фонтана, я пришла к выводу, струя фонтана будет выше, если: выше уровень воды в водяном хранилище (резервуаре с водой), меньше диаметр выходного отверстия трубочки.
Фонтан прост в исполнении и доступен, хотя приходилось бороться с некоторыми трудностями при создании герметичности сосудов. Фонтан может выполнять роль наглядного пособия для демонстрации некоторых физических законов на уроках физики, ведь, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.
Для наглядной работы фонтана мною снят видеоролик «Работа самодельной модели фонтана Герона из подручных средств».
Мною определена относительная влажность воздуха в отопительный сезон в комнате. Спустя полтора часа работы фонтана в комнате объемом 36 кубических метров относительная влажность воздуха повысилась. Следовательно, свои функции комнатный фонтан Герона выполняет успешно!
Заключение
В результате проведенной работы я узнал, как работает фонтан Герона. Основа его работы – на принципе действия сообщающихся сосудов, а подъём воды происходит за счёт разности высоты воды в сообщающихся сосудах. Я изготовил модель фонтана Герона и провел несколько экспериментов по изучению свойств фонтана: фонтан Герона работает без дополнительных затрат на электричество, т.е. без электродвигателя, насоса и другого оборудования.
Фонтан Герона может служить как освежитель воздуха, так и украшение интерьера. Польза фонтана в том, что он поддерживает нормальную относительную влажность в комнате, это полезно организму человека, а также тем, у кого есть растения, которым привычен влажный климат.
Фонтан может выполнять роль наглядного пособия для демонстрации некоторых физических законов, ведь, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Гипотеза, выдвинутая в начале проекта, подтвердилась.
Фонтаны радуют нас прохладой, игрой своих хрустальных струй, блеском солнца в каждой капле воды, журчанием и плеском, ощущением свежести и чистоты. Фонтаны благотворно влияют на душевный настрой человека, обеспечивая психологическое здоровье людей. Фонтаны, наконец, снижают количество содержащейся в воздухе пыли, повышают влажность и ионизацию воздуха, поддерживая микроклимат близлежащих территорий, предотвращая возникновения целого ряда заболеваний органов дыхания.
Я сделал вывод, что фонтаны являются важной частью мер по созданию комфортной, экологически безопасной среды обитания человека, поэтому очень хочется, чтобы и в нашем поселке тоже были действующие фонтаны, которые не только дадут эстетическое наслаждение, но и благоприятно будут влиять на здоровье и самочувствие жителей и гостей нашего поселка!
Фонтан Герона актуален и в наши дни, хотя и был придуман две тысячи лет назад. Это декоративное и полезное украшение интерьера, «изюминка» вашего дома или участка. Такой фонтан может также украсить холл школы, офиса или больницы. Фонтаны необходимы человеку, т.к. они: экономичные увлажнители воздуха, благоприятно влияют на здоровье, особенно при заболеваниях дыхательной системы, благотворно воздействуют на психику человека, уменьшается накопление статистического электричества в ковровых покрытиях, связанного с излучением компьютеров.
Я думаю, что каждый хотел бы иметь в своей комнате такую же свежесть как у водоёма, но хорошие освежители очень дорогие и в каждом присутствует химия, но когда вы узнаете, что фонтан Герона сможет собрать каждый, то вы сами сможете сами его собрать и в вашей комнате будет райская свежесть. Актуальность моего проекта ещё больше раскрывается зимой, когда батареи прибавлены на максимум и в квартире душно
Фонтан Герона – великое открытие. Его систему можно использовать в быту и в научных презентациях. Это открытие помогло улучшить жизнь множества людей. В ходе исследования я заключил, что наиболее подходящими по конструктивным особенностям для расположения в квартире или на участке являются Героновы фонтаны.
Список литературы и интернет-источников:
1.Учебник по физике 7 класс Громов С.В., Родина Н.А.
2.Учебник по физике 7 класс Марон А.Е., Марон Е.А.
Интернет ресурсы:
[1] https://procsima.com/articles/chto-takoe-zatochka-konkov-i-zachem-ona-nuzhna/
[2] https://uchitel.pro/давление-тел/
[3] https://obrazovaka.ru/fizika/zakon-paskalya-davlenie-zhidkostey-i-gazov.html
[4] https://yandex.ru/turbo/hydropnevmo.ru
[5] https://principraboty.ru/princip-raboty-gidravlicheskogo-domkrata/
[6] http://kakizobreli.ru/geron-aleksandrijskij/
[7] http://Pandia/ru
[8] http://yaplakal/ru
[9] http://forumhoyse/ru
[10] http://Wikipedia/org
[11] http://domeshti/ru
[12] http://ciscoexpo/ru
[13] http://vopros-remont/ru
[14] http://pandoraopen/ru
[15] http://picaby/ru
[16] http://kryaker/dwg/ru
[17] http://7lafa/com
[18] http://Notevilbrid/livejournal/com
[19] http://Dic/academik/ru
[20] http://dekormyhome.ru/media-obzor-art-i-dizajn/uyutnyj-dom/komnatnyj-fontan-plyusy-i-minusy.html
[21] https://ethnomir.ru/articles/istoriya-fontanov/
[22] wikipedia