VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Свойства жидкости и движение ее по различным сосудам
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I.ВСТУПЛЕНИЕ
Свою работу я хотела бы начать с того, что свойства воды - это очень важное
физическое явление, которое необходимо изучать. Поэтому мы посвятили этой проблеме стихотворение собственного сочинения:
Вода, ты жизнь, и ты же смерть.
В тебе сто тайн, десятки мелочей.
Ты обтекаешь всю земную твердь,
Но от загадок нет ни у кого ключей.
Ты рушишь камень, и метал, и лес.
Тебе никто не в силах помешать,
Ты бог и в то же время бес.
В тебе есть все, что можно пожелать.
Ты растворяешь яд, питаешь землю ты,
И без тебя живому жизни нет,
Как нет похожей в мире красоты,
И свет был без тебя не СВЕТ.
Ты вся изучена, но тайн в тебе полно.
И до сих пор в энциклопедии закладка.
Года летят, но знаю я одно:
ВОДА, ты самая великая загадка!!!
ПРОБЛЕМА: изучение физических и природных явлений с помощью опытов и теорий.
Гипотеза: Можно ли измерить частоту падения капель, увидеть воронку и услышать образование пузырька воздуха.
ЗАДАЧИ:
1) формулировка гипотезы
2) проверка гипотезы
3) изучение вода в разных состояниях
4) изучение воды в природе
5) анализ проблем, связанных с водой
ЦЕЛИ:
Целью нашей работы было изучить воду в разных условиях и состояниях,
сделать выводы.
Поставленная задача: с помощью эксперимента и теории доказать взаимосвязь физических и природных явлений.
Объектом исследования является вода.
МЕТОДЫ:
Эксперименты и наблюдения, математический расчет, теоретический анализ научной литературы по данной проблеме.
Наша работа освещает изучение физических и природных явлении на более высоком уровне, чем мы изучали данные свойства на уроках физики. В своей работе мы затронем, как глобальные проблемы такие, как нехватка пресной воды, таяние ледников, движение жидкостей по кровеносным сосудам, так и небольшие, но важные интересные разделы физики, связанные с водой. В своей работе мы использовали различные источники информации (научная и учебная литература, интернет). Проанализировав теоретический материал и проведя эксперимент, мы пришли к выводу, что знание свойств жидкостей необходимых для жизни и применения этих свойств на практике.
Оригинальность нашей работы была в том, что мы глубоко изучили свойства жидкостей, более детально изучили некоторые физические явления (замерзание воды, таяние ледников, образование воздушных пузырьков) в ходе эксперимента. Т.е. была доказана взаимосвязь теории с практикой.
Мы ставили перед собой задачу: изучить воду в разных состояниях и ее движения по различным сосудам входе эксперимента мы пришли к выводу, что свойства жидкостей зависят от многих факторов.
Наша работа освещает обширные разделы физики, географии, экологии, химии. Мы также использовали материалы из всемирной паутины (интернет) что может убеждать нас в их правдивости и точности.
II. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.Изучение воды в разных агрегатных состояниях:
а) Закон Бернулли.
Закон Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока
идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:
Здесь
— плотность жидкости,
— скорость потока,
— высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,
— давление.
Константа в правой части обычно называется напором, или полным давлением, а также интегралом Бернулли. Размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости.
Это соотношение, выведенное Даниилом Бернулли в 1738 г., было названо в его честь уравнением Бернулли. (Не путать с дифференциальным уравнением Бернулли.)
Для горизонтальной трубы h = 0 и уравнение Бернулли принимает вид:
Эта форма уравнения Бернулли может быть получена путём интегрирования уравнения Эйлера для стационарного одномерного потока жидкости, при постоянной плотности ρ:
Согласно закону Бернулли, полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока.
Полное давление состоит из весового (ρgh), статического (p) и динамического () давлений.
Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Это является основной причиной эффекта Магнуса. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров, водо- и пароструйных насосов.
Закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю, то есть таких жидкостей, которые не прилипают к поверхности трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого тела всегда в точности равна нулю.
б) движение воды.
Движение воды бывает двоякого рода: 1) когда частицы воды перемещаются в горизонтальном направлении, часто на громадные расстояния, - морские течения, и 2) когда частицы только колеблются вверх и вниз, вправо и влево, а в горизонтальном направлении распространяется лишь форма, движения, - это волны. Приливы и отливы занимают промежуточное положение, так как они представляют вертикальное изменение уровня, и связанные с ними течения обусловливают также горизонтальное перемещение водных масс.
На основании уравнений трохоиды можно вычислить главные-элементы волны. Расстояние между двумя гребнями или подошвами волны называется длиной волны L; период Т - время в секундах между прохождением двух следующих друг за другие гребней; С - скорость распространения волны в секунду - представляет частное длины на период. Как же возникают волны? Там, где упал какой-нибудь предмет да поверхность воды, он надавил на ее частицы, и они раздались в стороны. Вытесненные частицы надавили на соседние, и вокруг понижения получился кольцевой вал.
III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. ИЗУЧЕНИЕ ВОДЫ В РАЗНЫХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ:
В нашей работе вторым пунктом мы поставили именно агрегатные состояния воды, т.к. вода повсеместно присутствует в нашей жизни в этих состояниях.
1) Замерзание воды:
Кристаллизация (замерзание воды) - довольно известное явление. Однако самому проследить за этим процессом при разных условиях наблюдения интересно и поучительно.
Вода начинает замерзать в том месте сосуда, где ее температура самая низкая. В следствии этого кристаллы в замерзающей дистиллированной воде выглядят по-разному в зависимости от того, в каком месте холодильной камеры стоял сосуд. Чтобы измерять температуру, мы помещали сосуд с водой в верхнюю, в нижнюю и центральную камеры.
Прежде всего мы убедились, что водопроводная вода в отличие от дистиллированной начинает замерзать одновременно почти по всему объему.
При замерзании дистиллированной воды отчетливо видно различие расположения начальных областей кристаллизации, когда сосуд находиться в нижней части камеры и когда он был помещен в верхнюю часть камеры. Вид кристаллов зависит от формы сосудов.
Прежде всего мы убедились, что водопроводная вода (рис. слева) в отличие от дистиллированной (рис. справа) начинает замерзать одновременно почти по всему объёму.
При замерзании дистиллированной воды отчётливо видно различие расположения начальных областей кристаллизации, когда сосуд находился в нижней части камеры (рис.) и когда он был помещён в верхнюю часть камеры (рис.).
На рис. показана картина кристаллизации воды в сосуде, поставленном вблизи стенки камеры в верхней её части.
Сосуд для проведения опытов лучше брать из тонкого стекла, предварительно хорошо вымыв его с мылом и сполоснув сначала кипячёной водой, а затем дистиллированной. Сосуд с водой нужно закрыть сверху листом бумаги, чтобы в него не попадали снежинки со стенок морозильной камеры, которые могут стать дополнительными центрами кристаллизации.
2 ) Колебания падающей капли:
Это пункт посвящен колебаниям капель жидкости. Мы предложили простые и доступные эксперименты которые позволяют наблюдать вспышки света на потоке летящих капель, колебания на не смачиваемой поверхности плоской капли, определили период колебания сферической поверхности капли, использовали колебания падающей капли для измерения ускорения свободного падения.
Модель грозового дождя.
На стенке цилиндрической пластиковой бутылки проведем прямую линию и вдоль неё иглой проделаем отверстие диаметром примерно 1 мм находящиеся друг от друга на расстоянии 5 мм. Расположим бутылку с водой над широким сосудом горизонтально так, чтобы отверстие в стенки оказались внизу, сдавим бутылку руками, из отверстия польется настоящий дождь! Осветим стену пучком света от настольной лампы. Изменяя угол падения света на каплю и угол наблюдения, подобрав оптимальные условия мы увидим множество внешне беспорядочных пучков света. Эти вспышки берутся из за изменения угла падения, это объясняется свойством света.
Капля на не смачиваемой поверхности.
Раз вы видите вспышки, значит, капля в ваш глаз отражает больше света, чем в другие моменты. Это можно объяснить тем что капля не только поступательно движется, но и колеблется, меняет свою форму. Чтобы подтвердить или опровергнуть высказанное предложение, нужно вначале изучить всевозможные колебания капли.
Подберем металлическую крышку с ровной слегка вогнутой поверхностью над пламенем свечи, покроем вогнутою поверхность слоем копоти. Когда металл остынет, наносим на него каплю воды и держа крышку в руке слегка ударьте пальцем по краю. Мы увидим, что капля начнет совершать колебания, принимая круговую, эллипсоидальную и треугольную формы. Типы колебаний принято называть модами. Увеличению резонансной частоты колебаний соответствует рост номера моды. Понятно, что реальные колебания капли представляет собой суперпозицию большого количества мод.
3) Миражи в неравномерно нагретой воде.
Не может быть, чтобы вы не читали о миражах. Эти удивительные явления атмосферной оптики обычно описываются в книгах путешественниках, которые переплывают моря и пересекают пустыни. Возможно, вы и сами сталкивались с подобными захватывающими зрелищами. Если это не так-то сейчас вы можете произвести мираж в лабораторных условиях и детально исследовать в динамике его появления, изменения с течением времени и исчезновением.
а) Оптически неоднородная вода.
В природных условиях миражи возникают, когда свет проходит через слои неравномерно нагретого воздуха. При прохождении света через оптически неоднородную среду лучи искривляются, изгибаясь в сторону от меньших к большим значениям показателя преломления. Криволинейное распространение света приводит к тому, что предметы видны не там, где они находятся на самом деле, а это и есть мираж. Прямое моделирование миража первым предпринял выдающийся американский ученый Роберт Вуд.
б) Мираж в стакане с водой.
Мы провели опыт. Взяли стакан с водой и перегородкой поставили на подъемный столик на расстоянии 1-2м от объекта наблюдения, сядьте на стул на расстоянии 1м от стакана и смотрите сквозь него на объект. Изменяя высоту подъемного столика, на котором расположен стакан с водой, и положение объекта наблюдения, передвигая его по вертикали до тех пор, пока мы не увидим объект сквозь воду в стакане возле его дна. Включим кипятильник и внимательно посмотрим сквозь стакан. Когда вода начнет закипать, кроме находящегося внизу стакана мы увидим, что под перегородкой появиться не значительный блеск, а затем все отчетливее станет видно второе изображение предмета.
Итак, мы убедились, что, нагревая воду сверху, действительно можно получить мираж.
в) Экспериментальная установка для исследования миража.
В принципе все рассмотренные явления мы сможем наблюдать, используя описанную выше экспериментальную установку. Однако лучше устранить искажения, вызванные цилиндрической формой оптически неоднородной среды в химическом стакане с водой. Этого можно достичь, если использовать склеенную из стекла плоскопараллельную кювету внешними размерами 60 x lOO x lOO мм. Из дюраля или латуни вырежем полоску, сделав поперечные надрезы, отогнем края и загнем полоску так, чтобы она приняла п-образную форму. В кювету нальем оставшуюся или прокипяченную воду так, чтобы уровень ее оказался несколько выше ее будущей перегородки. Аккуратно введу в кювету полоску так, чтобы она повисла на отогнутых краях горизонтально и снизу ее не осталось воздушных пузырьков. Долью воду в кювету и погружу в нее кипятильник таким образом, чтобы он почти соприкоснулся с получившейся горизонтальной перегородкой.
г) Исследование особенностей вытекания воды из узкого отверстия
Часто возникающий вопрос
В повседневной жизни я часто наблюдаю выливание воды из узкого отверстия (горлышко бутылки), сопровождающееся образованием воздушных пузырей (бульканье). Также можно заметить, что при раскручивании бутылки иногда происходит образование воронки. Мы задумались: почему возникают эти явления? Казалось бы, если открыть пробку у бутылки с водой, перевёрнутой горлышком вниз, то выльется часть воды, а дальше наступит равновесие: столб воды высотой h в бутылке будет удерживаться разностью давлении воздуха снаружи р0 и внутри бутылки р:
Po-P = р g h (р - плотность воды, g — ускорение свободного падения).
Эксперимент меня вдохновил, и я решила сочинить стихотворение.
В ода в сосуде.
Задумались мы на досуге однажды;
что, если бутылку нам вниз наклонить,
Воронка и бульканье будет?
И дважды сумели опыт мы с ним повторить.
Вопрос был не сложный, а может, и легкий.
И опыт решили мы вновь повторить.
Бутыль повернули, поставили тазик,
Чтоб воду нам на пол не очень пролить.
Бутыль раскрутили, воронка всё больше.
Вода из бутылки к нам в тазик течёт.
Мы пробки меняли с резьбою различной,
А после составили полный отсчёт.
Мы вывод решили так быстро не делать,
И, график построив, задумались вновь...
Мы много часов изучали таблицы!
О, как этот опыт подпортил нам кровь!
Потом мы сошлись в одинаковом мненье,
Что бульканье будет, когда пузырёк
От трубки в бутылке внутри оторвётся.
О, как занимателен этот урок!
Выясним при каких условиях, начинает вытекать вода. Это сопровождается:
1) образованием воронки;
2) образованием всплывающих с характерным звуком (бульканьем) пузырьков воздуха и периодическим вытеканием воды из бутылки - для этого случая исследовать зависимость интервала времени между выбросами воды из бутылки от:
• характеристик отверстия -внутреннего диаметра d и длины L;
• высоты воздушного столба h в бутылке;
3) вытекания воды не происходит.
Разделим два случая вытекания воды: «бульканье» и «воронка».
З аметим, что при выливании воды из любого сосуда бульканье происходит далеко не всегда. Например, когда вода выливается из кастрюли, то не наблюдается вообще никакого физического явления, мгновение - и вода оказывается на полу. Также, если взять сосуд с очень узким горлышком и налить в него воду доверху, то, скорее всего, вода просто не будет выливаться. Бутылка без специального оборудования не совсем годится для опытов. При выливании воды из бутылки бульканье происходит, но вода выливается очень быстро и проводить наблюдения не очень удобно. В нашем опыте бутылка затыкается специальными пробками.
Пробки с отверстием в виде длинной трубки (длины L трубок 85 мм и 55 мм, диаметры d внутренних отверстий 5 мм и 7 мм). Процесс бульканья исследовался именно для этих пробок. Одну из пробок этого типа мы изготовили следующим образом (она представлена на рис.). Эту пробку мы изготовили из двух пробок, у каждой из которых в середине мы просверлили отверстие, затем склеили их между собой клейкой лентой (в нашем случае изоляционной лентой) и пропустили через отверстие стержень, который был пластиковым корпусом от гелиевой ручки. Затем мы тщательно за герметизировали все соединения, а пробки с боков обмотали изоляционной лентой. Это было сделано для того, чтобы в поcледствии использовать вторую бутылку для сбора вытекающей воды.
Пробка с широким отверстием диаметром 12 мм и малой длины - 25 мм (рис.). Для такой пробки мы наблюдали явление воронки: берём пробку №2, затыкаем ею бутылку, переворачиваем её и начинаем раскручивать, а через некоторое время перестаём раскручивать. Мы наблюдаем, что в бутылке начинает образовываться воронка, поскольку, когда бутылка вращается, движение передаётся только её к раям, и поэтому вращается только та часть воды, которая находится рядом с краями бутылки, а та часть, которая находится в середине, начинает как бы проваливаться вниз.
Мы провели исследования «процесса бульканья» (для пробок с отверстием в виде длинной трубки - длины L трубок 85 мм и 55 мм, диаметры d внутренних отверстий 5 мм и 7 мм).
Как только начиналось бульканье, отмечалась высота воздушного столба h 1. Затем отмечалось время t1 первых 10 колебаний. После первых 10 колебаний секундомер останавливался, и показание t 1 фиксировалось. Секундомер (после сброса на 0) включался снова при достижении высоты воздушного столба h2 = h1 + +10 мм и выключался после отсчёта 10 колебаний (показание секундомера t2)
• Для 8 высот (для двух трубок) и 6 высот (для третьей трубки) строилась зависимость «период колебаний Т = tn /10» - «высота воздушного столба hn » (рис. ). При данных обозначениях п = 1 соответствует первому отсчёту (для высоты воздушного столба h1). Здесь нам приходилось работать вдвоём - один из нас фиксировал высоты воздушного столба hn, а другой - отмечал времена tn.
Результаты исследований
Точки зеленого цвета: трубка L = 85 мм; d = 5 мм. Точки красного цвета: трубка L = 55 мм; d = 5 мм. Точки синего цвета: трубка L = 55 мм; d = 7 мм.
период, сек
высота воздушного столба, см
Р ис. . Зависимость «период - высота воздушного столба»
Обсуждение результатов
Во время проведения данных опытов между нами возник спор: в какой момент происходит бульканье? Артем считал, что звук появляется тогда, когда пузырёк отрывается от трубки, Сергей же думал, что явление возникает, когда пузырёк достигает границы «вода - воздух» внутри бутылки. Наш спор разрешила видеозапись процесса бульканий - анализ в режиме последовательных стоп-кадров показал, что бульканье возникает, когда пузырёк отрывается от трубки внутри бутылки.
М ы считаем, что бульканье происходит из-за того, что описанное равновесие неустойчиво: иногда по поверхности пробегает неровность, из-за которой атмосферное давление
начинает пересиливать давление «столбика» внутри бутылки.
При образовании неровности поверхности воды на границе с воздухом (красный пунктир) равновесие воздушного столба (голубой цвет) нарушается.
При объяснении особенностей изменения периода выбросов воды из бутылки мы сначала думали, что период - это примерно время восхождения пузырька к поверхности воды. Так как уровень воды понижается, то должен уменьшаться и период, поскольку уменьшается время всплывания пузырька. Но период, напротив, растёт (хотя и не на всех участках, но этого мы пока не можем объяснить). Тогда мы сравнили воздушный промежуток с пружиной. Как известно, если разрезать пружину пополам, её коэффициент жёсткости вырастет в два раза. Поэтому, когда мы наливаем в бутылку слишком много воды, воздушная пружина становится очень короткой, и её очень сложно сжать - вода просто не выливается. Если же длина «воздушной пружины» достаточно велика, то она как бы медленнее колеблет воду -этим и объясняется то, что чем меньше воды осталось в бутылке, тем больше период выбросов воды. Также мы отмечаем, что время между выбросами воды зависит и от размеров выходного отверстия — чем короче отверстие и чем больше его внутренний диаметр, тем меньше период. Мы можем это объяснить тем, что короткое и широкое отверстие оказывает меньше сопротивления вытеканию жидкости, т.е. вода вытекает быстрее.
Мы видим ценность нашей работы в двух качествах:
• практическая ценность,
• научная ценность.
Практическая ценность
В сливных устройствах (домашние и промышленные трубопроводы, нефтеналивные системы, системы отопления и канализации) часто наблюдается такое явление, как «воздушная пробка» .
В ода, заключённая в объёме А, находится в условиях, близких к условиям нашего эксперимента. Эффект «бульканья» может разрушить или причинить вред сливной системе, так как периодическое воздействие на трубы вызовет явление резонанса, если период «бульканий» будет близок к периоду механических колебаний самих труб. Поэтому проведённые в работе исследования могут быть полезны для будущих инженерных разработок сливных систем широкого назначения.
Наши исследования нельзя считать завершёнными. В частности, мы бы хотели продолжить эксперименты в двух направлениях:
• исследование зависимости порога начала колебаний от внутреннего диаметра отверстия и длины сливной трубки;
• исследование зависимости «период - высота воздушного столба» в системе герметично связанных бутылок.
Пока мы можем только отметить, что при герметичном подсоединении второй бутылки период колебаний резко уменьшается. Этот факт мы можем объяснить тем, что добавляется ещё одна «воздушная пружина». Такая добавка увеличивает упругость системы и, следовательно, сокращает период колебаний - выбросов воды.
Научная ценность
В исследованиях не хочется ограничиваться только ответом на вопрос «зачем?». Как писал известный нижегородский ученый - профессор ИПФРАН М.А. Миллер (М.А. Миллер. Всякая и не всякая всячина. ИПФ РАН. 2005 г.), очень важна «ценность знания самого по себе». Конкретно, применительно к нашей задаче, мы исследовали довольно непростую колебательную систему. Сложность нашей колебательной системы состоит в том, что, во-первых, начало колебаний имеет порог — существует наименьшая высота воздушного столба, при которой возникают колебания - бульки (даже при условии первоначального толчка -вертикального встряхивания). Также стоит отметить, что модель колебаний - «бульканий» - не сводится к модели «груз (масса воды) - пружина (упругость воздушного столба)». Это подтверждают полученные нами графики «период - высота воздушного столба». На графиках отчётливо видно, что при одинаковых высотах воздушного столба период увеличивается при увеличении длины трубки или при уменьшении внутреннего диаметра выходного отверстия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В нашей работе мы охватили множество моментов, как провели опыты, так и воспользовались и общеизвестными материалами. Например, при исследовании вытекания воды из узкого отверстия мы провели опыт и вывели планы на будущие, мы видим две ценности этого пункта: практическую и научною.
Мы не ограничивались полным исследованием этой проблемы и продолжим ее в дальнейшем. Мы бы хотели закончить свою работу небольшим стихотворением и задачкой по теме нашей работы.
Пока течет вода
Пленник был брошен в зале пред троном.
Великий визирь здесь вершил ему суд.
Может быть, стражники с низким поклоном
Его голову с телом отдельно снесут...
Сухо со словом визирь колдует:
Внимай, о неверный, же речи мои,
Аллах тебе жизнь не надолго дарует,
Простит он тебе прегрешенья твои,
Если загадку великую нашу
Ты сможешь же и здесь отгадать.
И он повелел с водой плоскую чашу
Стражникам на цепь повыше поднять.
Стоит открыть эту пробку в дне чаши,
Тотчас же вниз устремится вода.
Каждый миг вытекают ведь равные массы,
Почему же сужается струйка тогда?
Решение: если за равные промежутки времени вытекают равные массы, то и объемы, протекающие через поперечные сечения струи за равные промежутки времени, тоже равны. Если промежутки времени равны, то форма объемов близка к форме цилиндра. Скорость движения жидкости по мере падения увеличивается.
Площадь сечения струйки и скорость воды в данном месте струйки обратно пропорциональны: по мере увеличения скорости падения площадь сечения уменьшается.
Список литературы
1. Л.Г. Асламазов, АА. Варламов. Удивительная физика. Москва, МЦНМО, 2005, 258 с.
2. А.Боровой. Пузырьки в жидкости. Квант, 1985, №2.
3. Большая книга экспериментов для школьников. Под ред. А. Мейяни, пер. с итал. И.Э. Мотылевой, Москва, Росмэн, 2001 г., 260 с.
4. Ф. Вафин. Ещё раз о реакции вытекающей и втекающей струи. Квант, 1980, №9.
5. Р.В. Даминов. Физический эксперимент - это просто! Занимательные опыты с пластиковыми бутылками. Казань, Новое знание, 2001
6. Майер В.В. Реакция вытекающей и втекающей струи. Квант, 1978, N9.
7. Рэлей Дж.В. Теория звука. Т. 2. - М.: Гостехтеориздат, 1955. - 476 с. (С. 358-363)
8. Стерлядкин В.В. Измерение резонансных свойств вибрирующей капли // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 1982. - Т. 18. -№ 1. - С. 98-101.
9. Стерлядкин В.В. Неожиданные свойства дождевых капель // Природа. - 1989. - № 3. - С. 64-65.