XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сообщающиеся сосуды на примере шлюзов Волжской ГЭС

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Климов К.В. 1

---

1МОУ «Средняя школа №5 Краснооктябрьского района Волгограда»

Шабес К.С. 1Ануфриева С.В. 2

---

1МОУ «Средняя школа №5 Краснооктябрьского района Волгограда»

2МОУ «Средняя школа №91 Краснооктябрьского района Волгограда»

Работа в формате PDF

4.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

На уроках физики я познакомился с таким явлением, как гидростатическое давление и узнал, что это явление используется во многих приборах, в частности в сообщающихся сосудах. Оказывается, сообщающиеся сосуды окружают нас. Например, наша кровеносная система — это сообщающиеся сосуды. Меня заинтересовало устройство таких сообщающихся сосудов, как фонтаны и шлюзы.

Актуальность:

Практически каждому ученику знакома ситуация, когда он всем своим видом озвучивает вопрос: «Зачем мне это надо?». Действительно, зачастую непросто увидеть прикладной, практический смысл физических знаний. В 21 веке увлечь школьника нелегко, так как большую конкуренцию составляют компьютерные игры и социальные сети. А без вовлеченности в точные науки сложно рассчитывать на высокие результаты. Чтобы заинтересовать ученика, полезно показать, как применяются физические законы в разных областях жизни. Моя работа посвящена роли физики в функционировании Волжской ГЭС.

Мой город Волгоград располагается на реке Волга, на которой, построена одна из крупнейших в Европе Волжская ГЭС, являющаяся последней Волжско КАМском каскаде. Мне стало интересно: как устроена ГЭС, как работают шлюзы и как происходит процесс шлюзования. Для этого мне необходимо разобраться в их устройстве и какие физические законы и явления использовались.

Цели:

1. увидеть и обосновать связь физических законов в работе шлюзов;

2. Повысить интерес учащихся в изучении физических законов и их применении в окружающем нас мире;

3. расширить кругозор учащихся в работе ГЭС;

Задачи:

- воспитать интерес к изучению предмета «физика»;

- развивать навыки предметно-исследовательской деятельности, навыки самоанализа;

-  изучить историю возникновения шлюзов

-  рассмотреть назначение и виды шлюзов;

-  изучить физические основы работы шлюза;

- сконструировать шлюз своими руками;

- воспитать у учащихся уважение к науке;

Методы:

• Теоретические (работа с информационными источниками, анализ)

• Эмпирические (наблюдение, сравнение)

• Физические свойства и явления

• Экспериментальная часть

Продукт проекта: макет Волжской ГЭС и шлюза №31

Глава 1. Истории о судоходных шлюзах

Считается, что первые судоходные шлюзы появились в Китае в 984 г., благодаря Цяо Вэйюэ, являвшимся помощником министра транспорта в Хуайнани. Шлюз представлял собой прямолинейный участок протяженностью 76 м, ограниченный с двух сторон деревянным опускными воротами. Строительство шлюза было осуществлено на Великом Китайском канале и в течении XI века подобные сооружения строились на всем протяжении этого водного пути.

Позднее шлюзы стали строить в Голландии и Италии.
В нашей стране первые шлюзованные водные пути появились в XVIII в., что было вызвано необходимостью водотранспортного соединения Волги с Балтийским морем. К строительству первых шлюзов Петром I в 1702 — 1704 гг, были привлечены специалисты из Голландии.
Условно историю строительства шлюзов можно разделить на два периода:

Ⅰ (до начала XX в.) — строительство шлюзов на каналах, вызванное прокладкой последних (только для обеспечения судоходства); основными материалами для строительства служили древесина и камень;

Ⅱ (с начала XX в. по настоящее время) — строительство речных шлюзов в составе других гидротехнических сооружений для использования водных ресурсов и энергии (водохранилища, гидроэнергетика и т.д.), основные материалы, применяемые в строительстве — бетон, железобетон, металл.

История Волжской ГЭС

Во́лжская ГЭС (ранее Сталинградская ГЭС, Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС) — гидроэлектростанция на реке Волге в Волгоградской области, расположенная между городами Волгоградом и Волжским. Крупнейшая гидроэлектростанция в Европе, в 1960—1963 годах была крупнейшей ГЭС в мире. Входит в Волжско-Камский каскад ГЭС, являясь его нижней ступенью. Волжская ГЭС играет важную роль в обеспечении надёжности работы Единой энергосистемы России, а также обеспечивает крупнотоннажное судоходство, водоснабжение, орошение засушливых земель.

Волжская ГЭС — это уникальное сооружение, аналогов которой не было во всем мире, по своей мощности, протяженности, компоновки, и по своему устройству. Люди сюда ехали со всего Советского союза и даже с ближнего зарубежья, так же, как и стройматериалы так, например древесину нам доставляли из Карелии. На Волжской ГЭС располагается 22 основных гидроагрегата, 23-й гидроагрегат — это рыбоподъемник, он особенный. Когда началось строительство Волжской ГЭС, экологи забили тревогу, так как полностью перегораживалось русло реки, и рыба не могла идти на нерест, инженеры схитрили и придумали рыбоподъемник.

Строительство станции было начато в 1950 году и было объявлено одной из «Великих строек коммунизма». Первоначально строительные работы велись под контролем МВД СССР с использованием труда заключённых, с 1953 года и до завершения строительства в 1962 году станция возводилась силами вольнонаёмного персонала.

Строительство Волжской ГЭС и связанных с ней линий электропередачи сыграло решающую роль в объединении энергосистем Центра, Поволжья и Юга, с линий электропередачи Волжской и Жигулёвской ГЭС началось формирование Единой энергосистемы России. Станция стала основой нового территориально-производственного комплекса, большая часть предприятий которого располагается в городе Волжском, выросшем из посёлка гидростроителей ГЭС.

Конструкция станции

Волжская ГЭС представляет собой низконапорную русловую гидроэлектростанцию (здание ГЭС входит в состав напорного фронта). Сооружения гидроузла имеют I класс капитальности и включают в себя три земляные плотины, здание ГЭС с донными водосбросами и сороудерживающим сооружением, водосбросную плотину с рыбоподъёмником, судоходные шлюзы с дамбами, подходными каналами и Межшлюзовой ГЭС, ОРУ 220 и 500 кВ. По сооружениям ГЭС проложены автомобильная и железная дороги. Установленная мощность электростанции — 2734 МВт (с учётом Межшлюзовой ГЭС — 2756 МВт), проектная среднегодовая выработка электроэнергии — 11 500 млн кВт·ч, фактическая среднегодовая выработка электроэнергии — 11 100 млн кВт·ч.

План расположения основных сооружений гидроузла:

1 - земляная плотина (3)

2 - здание ГЭС с донными водосбросами и

сороудерживающим сооружением

3 – водосбросная плотина с рыбоподьемником

4 - судоходные шлюзы с дамбами

5 - подходные каналы:

6 - межшлюзовая ГЭС

7 - ОРУ 220 кВ и ОРУ 500 кВ.

По сооружениям ГЭС проложены автомобильная

и железная дороги.

В работе шлюзов используется закон сообщающихся сосудов:

Сообщающиеся сосуды — сосуды, у которых есть несколько выходов (отверстий) любой формы, но сообщающиеся друг с другом посредством каналов, заполненных однородной жидкостью.

Закон сообщающихся сосудов: один из законов гидростатики, что в сообщающихся сосудах уровни однородных жидкостей, считая от наиболее близкой к поверхности земли точки, равны. Это происходит потому, что напряженность гравитационного поля и давление в каждом сосуде постоянны (гидростатическое давление). Это было обнаружено Симоном Стевином.

Доказательство:

Рассмотрим два сообщающихся сосуда, в которых находится жидкость плотностью ρ. Давление жидкости в первом сосуде расписывается по формуле P1= ρgh1, гдеh1- высота столба в первом сосуде. Давление жидкости во втором сосуде P2 расписывается аналогично как P2= ρgh2, где h1- высота столба во втором сосуде. Так как система открыта, то давления равны, и следовательно высоты равны P1=P2, h1=h2.

Жидкость однородная

Чем более вникают в деяние природы,

тем видима наиболее становится простота

законов, коим следует она в своих деяниях.

А.Н. Радищев

Применение сообщающихся сосудов

Естественные фонтаны –гейзеры

Природный
сообщающийся сосуд

Моря и находящиеся на одном

уровне с ними низменности суши

образуют сообщающиеся сосуды.

Артезианские колодцы

Римский водопровод – акведукСамо слово произошло от двух латинских слов:

aqua — вода и duco — веду. А называют так мосты или эстакады, на которых располагаются

трубы для воды. Иначе говоря — это часть водопровода.

Водопровод

Фонтаны

Фонтаны работают без насосов и сложных водонапорных сооружений.
Используется принцип сообщающихся сосудов –
разница в уровнях, на которых расположены фонтаны и
пруды-хранилища.

Поилка для птиц

Шлюзы

Глава 2. Устройство шлюза

2.1 Шлюз (гидротехническое сооружение)

Шлюз судоходный, гидротехническое сооружение на судоходных водных путях (реках, каналах) для перевода судов из одного водного бассейна (бьефа) в другой с различными уровнями воды в них. Шлюз представляет собой камеру, ограждённую продольными стенками и массивными воротами (затворами). Для подъёма судна из нижнего бьефа в верхний открываются нижние ворота, и судно входит в камеру, которая после закрытия нижних ворот наполняется водой (через водопроводные галереи) до уровня верхнего бьефа; по мере повышения уровня воды в камере судно поднимается и затем, когда уровень воды в камере сравняется с уровнем верхнего бьефа, выходит через верхние ворота. При опускании судна из верхнего бьефа в нижний уровень вода в шлюзе понижается до уровня нижнего бьефа, и судно выходит через нижние ворота.

Различают шлюзы морские (для морского судоходства; строятся на входах закрытых морских каналов или акваторий портов с большими амплитудами приливно-отливных колебаний уровня воды) и речные, или канальные (для внутреннего судоходства). По числу последовательно расположенных камер (зависящему от величины падения уровня реки, канала и рельефа местности) шлюзы делятся на однокамерные и многокамерные (многоступенчатые).

2.2 Шлюзы Волжской ГЭС

В состав Волгоградского гидроузла входит два параллельных двухкамерных шлюза №30 и №31. Это нумерация непростая, все на самом деле достаточно логично объяснимо. Дело в том, что наши сооружения шлюзов являются замыкающим звеном в Волго-Камском каскаде. Свое начало каскад берет на канале им. Москва, там находятся первые одиннадцать шлюзов. Дальше спускается вниз до Волги, и по Волге спускается уже вниз до наших сооружений. В состав нашего гидроузла входит также нижнеподходной канал, обрамленный двухъярусной причальной эстакадой. Верхняя территория водного пространства, которая называется Аванпорт, с двух сторон она ограждена дамбами, с одной стороны это земляной берег, который оканчивается железобетонной дамбой, с другой стороны это полностью железобетонная дамба. На головках каждой дамбы находится по одному маяку. Расстояние между маяками 300 метров, но этого достаточно, чтобы суда могли курсировать в разных направлениях, при этом не мешать друг другу встречным течением. Также к составу наших сооружений относится Ахтубинский водосброс, часть воды сбрасывается во время шлюзования в старое русло реки Ахтуба. Именно здесь, в этом месте когда-то Ахтуба впадала в Волгу. Чтобы старое русло не пересыхало, инженеры придумали такую систему обводнения нижней пойменной части реки Ахтуба. Также к составу наших сооружений относится своя межшлюзовая ГЭС. Здание меж шлюзовой ГЭС располагается между двумя нитками шлюзов под землей между башнями управления и еще ниже берут начало два гидроагрегата. Мощность, которую вырабатывают гидроагрегаты хватает на обеспечение электроэнергией наш гидроузел АОП Волгодонской и остальная электроэнергия в общую сеть все это на государственном уровне. Очень долгое время наша ГЭС была засекречена, потому что предполагалось, если вдруг каким-то волшебным образом удастся вывести большую Волжскую ГЭС на какой-то период из работы, то наша ГЭС меж шлюзовая справится с обеспечением электроэнергии основных необходимых объектов для города Волжский.

Наполнение и опорожнение камер шлюза занимает всего лишь 8 минут, в связи с чем в камерах образуются сильные водовороты, поэтому швартовка в камере шлюза является специальным условием для шлюзования.

Питание шлюзов происходит через подземные продольные водопроводные галереи, это железобетонные трубы, диаметром более 2 м. Они находятся в днище камер шлюза, под каждым шлюзом их находится по 4 штуки, по две из них выведены в нижнеподходной канал и две выведены в старое русло реки Ахтуба, для водосброса. Вода попадает в камеры шлюзов через днище по продольным желобам, но прежде, чем вода попадет на поверхность, она под дном камеры еще несколько раз меняет свое направление. Для того, чтобы загасить поток наполнения камеры шлюза.

2.3 Судоходные шлюзы №30, №31

Судоходные двухкамерные шлюзы №30 и №31, входящие в состав сооружений  Волгоградского гидроузла, расположены на 2530 км реки Волги.
Оба шлюзы расположены параллельно друг другу. Справа от них находится плотина Волжской ГЭС. Между шлюзом №30 и №31 проходит водосбросный канал. В состав шлюза входит верхняя и нижняя камеры. Длина каждой из камер шлюза — 290 метров, ширина камеры — 29,7 метров, глубина — 3,65 метра. Между верхней и нижней камерой проходит мост, предназначенный для движения автомобильного и железнодорожного транспорта.

Строительство шлюза началось в 1955 году, а открыт он был 10 апреля 1959 года. Пропуск судов на шлюзе начинается с 1 апреля, а завершается 25 ноября.
При движении вниз по реке Волге суда заходят в шлюз со стороны Волгоградского водохранилища, а при движении вверх по реке — с нижнего подходного канала Волгоградского гидроузла. Глубина реки Волги у верхней камеры шлюза (со стороны водохранилища) составляет 19 метров, а у нижней — 4,4 метра.

Шлюзы Волгоградского гидроузла уникальны по конструкции – в их состав входит небольшая ГЭС мощностью 22 МВт. Она располагается между камерами шлюза и так и называется – Меж­шлюзовая. В изначальном проекте шлюзов ее не было, но уже в ходе строительства, наблюдая за шлюзами ранее построенной Цимлянской ГЭС на Дону, ученые установили, что в шлюзы заходит много идущей на нерест рыбы. Поэтому появилась идея использовать шлюзы как дополнительное рыбопропускное сооружение, а для этого в период нереста рыбы необходимо обеспечить постоянный ток воды, чтобы использовать инстинкт рыбы идти на нерест против течения и привлекать ее к шлюзу. А чтобы энергия сбрасываемой воды не расходовалась попусту, шлюзы дополнили гидроэлектростанцией. Интересно, что к этому времени строительство шлюзов уже близилось к завершению и станцию пришлось вписывать в уже возведенные сооружения.

Принцип шлюзования судов на внутренних водных путях (ВВП) заключается в комплексе технологических операций по вертикальному перемещению судов с уровня одного бьефа на уровень другого бьефа.  

В многоступенчатых шлюзах, камеры которых имеют общие промежуточные головы, и шлюзование судов осуществляется на разные уровни, в операции по шлюзованию включаются операции по переходу судов из камеры в камеру. 

Процесс пропускания судна через шлюз называется шлюзованием. Перевод судов посредством судоходного шлюза осуществляется последовательным переводом в смежную камеру после выравнивания в них уровня воды. Использование шлюзов главным образом направлено на то, чтобы сделать водные пространства с различными уровнями воды в них более пригодными для судоходства.

Каждый шлюз имеет три главных элемента:

• Герметичная камера, соединяющая верхнюю и нижнюю головные части канала и имеющая объём, достаточный для включения в себя одного, или нескольких судов. Положение камеры фиксированное, однако уровень воды в ней может изменяться.

• Ворота — металлические щиты, расположенные на обоих концах камеры и служащие для впускания и выпускания судна из камеры перед началом шлюзования и герметизирующие камеру во время шлюзования.

• Водопроводное устройство — устройство, предназначенное для наполнения, либо опустошения камеры. Как правило, в качестве такого устройства используется плоский щитовой затвор. В крупных шлюзах могут использоваться перекачные насосы.

Принцип работы шлюза, следующий:

• Входные ворота открываются, и судно заходит внутрь камеры.

• Входные ворота закрываются.

• Открывается перепускной клапан, вызывая падение уровня воды в камере с находящимся в ней судном.

• Впускные ворота открываются, судно выходит из камеры.

Шлюзование длится как правило от 10 до 20 минут в зависимости от размера камеры и перепада уровня воды. В случае, если судно движется вверх по течению, процесс реверсируется: судно входит в полупустую камеру, затем открывается клапан, наполняя камеру водой и поднимая судно.

При шлюзовании как правило стараются чередовать направление пропускания судов: после того, как судно, идущее, к примеру, вниз по течению, завершило шлюзование, в камеру уже пониженным уровнем воды в ней может сразу же зайти судно, движущееся в обратном направлении. Таким образом не требуется выполнять лишнее заполнение, либо слив воды из камеры.

Н а фото: теплоход «Добрыня Никитич» с правительственной делегацией во главе с Никитой Сергеевичем Хрущевым, в камере шлюза №31 Волжского гидроузла 10 сентября 1961 года. Фото: МУ «Волжский историко-краеведческий музей».

Заключение

В ходе моей работы был рассмотрен один из физических законов и его применение в повседневной жизни. Было установлено, что данный закон применили при строительстве шлюзов, а конкретно шлюзов Волжской ГЭС. Чем глубже я погружался в исследование этой темы, тем увлекательнее и занимательнее становилась моя работа. Знания законов физики и процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы. Физика — естественная наука.Источником знаний для неё является практическая деятельность: наблюдения, экспериментальное исследование явлений природы, производственная деятельность. Правильность физических знаний проверяется экспериментом, использованием научных знаний в производственной деятельности. Обобщением результатов научных наблюдений и эксперимента являются физические законы, которыми объясняются эти наблюдения и эксперименты. Физика сосредоточена на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы.

История шлюзов — это рассказ о человеческой изобретательности, стремлении покорять водные просторы и создавать удобные пути для торговли и путешествий. Шлюзы используются не только на реках и каналах. Они нашли свое применение и в других областях, например, в космонавтике - атмосферный шлюз. Помимо физических шлюзов, существуют и виртуальные шлюзы, которые играют важную роль в компьютерных сетях - межсетевой шлюз. Шлюзы — двигатели прогресса!

Шлюзы, будь то физические или виртуальные, играют важную роль в нашей жизни. Они позволяют нам перемещаться по воде, выходить в космос и общаться в интернете. Эти удивительные изобретения — результат человеческой изобретательности и стремления к прогрессу.

Вывод:

Выполнив этот проект можно сделать следующие выводы:

Достигнуты все цели поставленные в начале работы над проектом, а в частности:

- проработав большое количество материала развил навыки предметно-исследовательской деятельности, навыки самоанализа,

- изучив историю шлюзов, получил знания не только в области физики, но и истории,

- углубил свои знания в физических основах работы шлюзов,

- возрос интерес к изучению предмета «физика»,

- изготовленную модель шлюза можно использовать в обучающихся целях, как демонстрационный материал.

Нас физика повсюду окружает.

Из дома в школу утром провожает.

Набраться бы ученикам терпения:

Подняться из постели тяготения,

Умыться, применяя силу трения,

В кабине лифта ощутить падение,

На тротуаре – сильное скольжение.

А вот и школа – вечное движение!

Всем физикам почет и уважение!

Литература

1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. — 14-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2017.

2. Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. — М: Издательство «Экзамен», 2010.

3. Современная физика в 2-х т. П.А.Типлер, 2007г.

4. Справочное руководство по физике. Ч.Пул, 2007г.

5. Учебник Физика – 7, С.В.Громов,2008г., М: «Просвещение»

6. Шлюзование водных путей Калинович Б.Ю., Речиздат. Москва. 1940

Интернет- источники:

1. Сообщающиеся сосуды – закон, примеры применения на рисунках и определение (obrazovaka.ru)

2. Сообщающиеся сосуды | 7 класс | Физика (obrazavr.ru)

3. http://otvet.mail.ru/ 

Приложение 1

С чего все начиналось…

Макет Волжской ГЭС и шлюза №31

Защита проекта в школе