VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Макет фонтана
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Прошлым летом я с родителями отдыхала в Петербурге. Мы посетили много интересных мест, но больше всего меня впечатлил Петергоф! Столько фонтанов всевозможных форм и размеров собрано в одном месте! Больше других мне запомнился Фонтан «Самсон», расположенный в центральной части. На трёхметровом постаменте установлена статуя Самсона, борющегося со львом, а из пасти льва, разорванной героем, вырывается необычайно высокая струя воды, которая достигает в высоту почти 21 метр. Особенно интересно и то, что все фонтаны Петергофа работают без использования электричества, по принципу сообщающихся сосудов. Как и несколько столетий назад, вода поступает в фонтаны из специальных прудов расположенных в 24-х километрах от Петергофа.
Во время просмотра передач на научно-популярном познавательном канале «Наука 2.0» о достижениях российской и мировой науки, наблюдая за работой макета фонтана с использованием насоса, у меня возникла идея постройки макета, работающего по принципу сообщающихся сосудов. Ведь для его функционирования не нужен источник электричества, да и изготовление не потребует больших затрат времени и дорогостоящих материалов.
Была выдвинута гипотеза: возможна работа макета фонтана без использования электричества, работающего по принципу сообщающихся сосудов
Объектом исследования работы является макет фонтана.
Предмет исследования – работа фонтана по закону сообщающихся сосудов.
Цель исследования: проверить на практике возможность работы фонтана без использования насоса.
Задача работы заключается в изучении теоретического материала, проведении экспериментов по действию закона о сообщающихся сосудах и изготовлении на его основе макета фонтана.
Методика исследования заключается в изучении литературы, проведении наблюдений и экспериментов, их анализе и на основе сделанных выводов изготовлении макета.
Пользуясь литературой и информацией из интернета, я узнала о законе сообщающихся сосудов и его применении.
В экспериментальной части были проведены опыты и наблюдения за поведением жидкости в сообщающихся сосудах.
После проведения опытов и экспериментов с сообщающимися сосудами, был изготовлен действующий макет фонтана.
Практическая значимость работы заключена в том, что мы наглядно демонстрируем не энергозатратность использования данного принципа работы фонтана, а простота в изготовлении макета делает его доступным для учащихся младшего школьного возраста.
Новизна работы в возможности использования макета в качестве наглядного пособия на уроках физики и окружающего мира.
2. Теоретические сведения
2.1. Закон сообщающихся сосудов
Открытие свойства сообщающихся сосудов было сделано голландским ученым Стевином в 1586 г.
Симон Стевин (1548-1620гг.) – был знаменитым голландским математиком, физиком и инженером, который родился в Бельгии. Стевин работал в разных научных областях. До нас дошли его труды по оптике, географии, механике, геометрии, астрономии, в теории музыки. Его познания, предположения, открытия были многогранны и новаторски.
В 1590 году Стевином была выдвинута теория, объясняющая морские приливы на Земле притяжением Луны, и уже в начале 17 века он объяснил, что вечное движение невозможно, а, следовательно, вечный двигатель не может существовать. В Московском Политехническом музее хранится уменьшенная модель (1:10) изобретения Симона Стевина уникального для своего времени средства передвижения, прозванного "гаагским чудом". Это парусная яхта на четырех колёсах, передвигающаяся по суше, изготовленная для принца Оранского. В 1600 году принц с приближенными в количестве 28 человек, на глазах многочисленной публики промчался на паруснике по побережью со скоростью, выше скорости лошади (до 30 км/час). Перемещался парусник, используя силу ветра. С помощью этой повозки даже удалось организовать сообщение между городами, расположенными друг от друга на расстоянии 60 км. В качестве военного инженера Стевин предложил использовать для обороныкрепостей артиллерию, ранее для этого использовалось только стрелковое оружие. К сожалению, имя Симона Стевина сегодня очень редко упоминается в учебниках физики [4] .
В нашей жизни сообщающиеся сосуды встречаются ежедневно. Эти сосуды мы используем для заварки чая, кипячения воды и полива цветов в горшках. Всем знакомые чайник, кофейник, лейка это не просто предметы утвари, но и самый яркий бытовой пример сообщающихся сосудов.
Сосуды, имеющие общую (соединяющую их) часть, заполненную покоящейся жидкостью, называются сообщающимися [6]. Вода в носике чайника или лейки всегда находится на одном уровне, с уровнем воды в основной емкости. При наклоне чайника под разными углами, мы можем наблюдать, как поверхность успокоившейся жидкости, останавливается на одном уровне и в чайнике, и в носике. Именно в этом и состоит принцип сообщающихся сосудов. Сосуды, о которых в нем говорится, не должны иметь слишком малые диаметры, в противном случае мы будем наблюдать капиллярные эффекты. Капиллярность заключается в том, что под действием молекулярных сил смачивающая жидкость поднимается вверх по очень тонким трубкам, называемым капиллярами.
Закон сообщающихся сосудов гласит:
"В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне"[7].
Форма и размер сечения сосудов значения не имеют. Это хорошо было видно на рассмотренном примере чайника с носиком. Просто объяснить этот закон можно так: если жидкость покоится,не перемещаясь из одного сосуда в другой, то давление в обоих сосудах на одном уровне будет одним и тем же. Если мы доливаем жидкость в один из сосудов или меняем ее уровень, то давление в сосуде изменится, жидкость начнет перетекать в другой сосуд до того момента, как силы давления сравняются.
Давление столбов жидкости на одном горизонтальном уровне одинаково и зависит только от плотности и высоты столба жидкости. Иными словами если жидкость покоится, то давления в обоих сосудах на любом уровне одинаковы. Если жидкость в обоих сосудах одна и та же, то ее плотность одинакова. У покоящейся жидкости должны быть одинаковы и высоты в разных частях сообщающегося сосуда. Если мы поднимаем одну часть или доливаем в нее жидкость, давление в ней увеличивается и жидкость перемещается в другую часть до тех пор, пока давления не уравновесятся [8].
2.2. Применение сообщающихся сосудов
Все крупные водоемы на планете (моря и океаны) можно назвать сообщающимися сосудами, потому что они связаны между собой проливами. Благодаря этому уровень моря одинаков почти во всем мире. Он может отличаться только во внутренних морях, не сообщающихся с океаном. Каспийское море, например, на десятки метров ниже «уровня моря». Мёртвое море – самый низкий участок суши в мире (он на 392 м ниже чем уровень мирового океана). Поэтому ученые зачастую считают внутренние моря не морями, а озерами.
Водопровод
Принцип работы сообщающихся сосудов применяли еще древние Греки. В Грузии во время раскопок был найден водопровод (XIII в), созданный на основе этих знаний.
Совсем иначе выглядела водопроводная система в Древнем Риме [3]. Она создавалась в виде акведуков. Акведук – это водяной желоб, поддерживаемый мостами, по которому вода, под действием собственной тяжести, спускалась от горных потоков к городам, находящимся в долине. Акведуки можно назвать наземным прообразом современной системы водоснабжения
Инженеры Древнего Рима отлично справлялись с решением технических задач, но их знания в физике были недостаточно высоки. Поэтому водопровод римляне прокладывали над землей, хотя гораздо проще и удобнее проложить его под землёй, как это делается сегодня. Римляне боялись, что в водоемах, соединенных очень длинными трубами вода не установится на одном уровне. Если трубы проложены в земле, следуя уклонам почвы, то в некоторых участках вода ведь должна течь вверх, – вот римляне и опасались, что вода вверх не потечёт. Из-за этого они были вынуждены вести воду в обход или возводить высокие арочные подпоры, чтобы придать трубам равномерный уклон вниз на протяжении всего пути. Одна из римских труб имеет длину 100 км, между тем как прямое расстояние между её концами вдвое меньше. Из-за незнания элементарных физических законов, строителям приходилось прокладывать около пятидесяти километров каменной кладки.
Фонтан
С давних времен многие города мира украшают фонтаны различных форм и размеров, но все они устроены по одному принципу, принципу закона о сообщающихся сосудах. Вот несколько самых знаменитых из них: фонтаны в Петергофе (Санкт-Петербург), фонтаны в парке “Победы” (Тбилиси), фонтаны на площади “Дружбы” (Ташкент), фонтаны Еревана [5].
Рассмотрим внимательнее, как именно принцип сообщающихся сосудов работает в системе фонтанов. Вода из резервуара течет по трубке и стремится подняться до того же уровня, что и в большом сосуде. Но трубка заканчивается, и вода бьет фонтаном вверх. Даже если расположить шланг так, чтобы его уклон поднимался вверх, вода не перестает быть из фонтана.
Современный водопровод
Действие современной водопроводной системы основано на том же принципе что и фонтаны. Бак для накопления воды устанавливается на высокой башне. От него идут трубы с ответвлениями, а концы труб, закрытые кранами, расположены в наших домах. При открытии крана вода начинает течь, потому что труба и бак выступают здесь в роли сообщающихся сосудов. Но такой водопровод не может подавать воду на высоту большую, чем высота уровня воды в баке.
Также на основе закона о сообщающихся сосудах действуют артезианские колодцы и гейзеры (термин произошел от названия фонтана горячей воды в местечке Гейзер в Исландии).
Шлюз
Каким образом судна заплывают на верхний уровень рек? А как возвращаются обратно? Для решения этих задач используется такое гидротехническое устройство как шлюз. Благодарю шлюзу, корабли могут попасть с одного уровня реки на другой. Устройство шлюза тоже основано на принципе сообщающихся сосудов.
Принцип сообщающихся сосудов используется также и в устройстве многих приборов. Ватерпас – небольшой прибор для проверки горизонтальности. Водомерное стекло – прибор, который показывает уровень воды в котле. Это своего рода стеклянная трубка, соединенная с котлом и сверху, и снизу. Вода в трубке всегда устанавливается на таком же уровне, что и в котле.
Проведение экспериментов с сообщающимися сосудами
Опыт 1. [2]
ВОПРОС.
Можем ли мы продемонстрировать закон сообщающихся сосудов?
ГИПОТЕЗА.
Мы можем собрать сообщающийся сосуд из пластиковых бутылок, соединенных пластиковой трубкой, и пронаблюдать за поведением уровня жидкости в нем.
НЕОБХОДИМЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
2 пластиковые бутылки
Пластиковая трубка
Нож
Шило
Зажим
Емкость с водой
ПОДГОТОВКА.
Отрезаем донышки пластиковых бутылок
В пробках делаем сквозные отверстия
Соединяем пробки шлангом – Рис. 1
ДЕЙСТВИЯ.
Шланг перекрываем зажимом.
Зажав трубку в середине, наливаем воду в одну бутылку.
Откроем зажим и проследим за перетеканием воды из одной бутылки в другую, сообщающуюся с первой.
Одну из бутылок будем поднимать, опускать или наклонять в сторону.
РЕЗУЛЬТАТ.
Мы увидим, что вода будет перетекать до тех пор, пока поверхности воды в обоих сосудах не установятся на одном уровне. – Рис. 2
Как только движение воды прекратится, ее уровни в обоих бутылках окажутся одинаковыми. – Рис. 3
ВЫВОД.
В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.
Опыт 2.
ВОПРОС.
Зависит ли положение уровня жидкости в сообщающихся сосудах от ширины сосуда?
ГИПОТЕЗА.
Поведение воды не зависит от формы и размера сосуда.
НЕОБХОДИМЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
2 пластиковые бутылки разной формы
Пластиковая трубка
Нож
Шило
Емкость с водой
ПОДГОТОВКА.
Отрезаем донышки пластиковых бутылок
В пробках делаем сквозные отверстия
Соединяем пробки шлангом – Рис. 4
ДЕЙСТВИЯ.
Наливаем воду в одну бутылку.
Проследим за перетеканием воды из одной бутылки в другую, сообщающуюся с первой.
Одну из бутылок будем поднимать и опускать.
РЕЗУЛЬТАТ.
Мы увидим, что вода будет перетекать из одной бутылки в другую - Рис. 5. Как только движение воды прекратится, ее уровни в обоих бутылках окажутся одинаковыми. - Рис. 6
ВЫВОД.
Гипотеза подтвердилась: поведение воды не зависит от формы и размера сосуда.
Опыт 3. [1]
ВОПРОС.
Как поведет себя вода, если сообщающийся сосуд будет состоять из бутылки и трубки?
ГИПОТЕЗА.
Вода будет бить фонтаном до тех пор, пока уровень воды в бутылке не сравняется с открытым концом трубки.
НЕОБХОДИМЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
Пластиковую бутылку с отрезанным дном
Пластиковая трубка
Нож
Шило
Емкость с водой
Емкость для сбора воды
ПОДГОТОВКА.
В пробке делаем сквозное отверстие
В отверстие должна плотно входить пластиковая трубочка
ДЕЙСТВИЯ.
Зажимаем пальцем отверстие трубки.
Переворачиваем бутылку и наполняем водой.
Открываем выход из трубки.
РЕЗУЛЬТАТ.
Вода забьет из нее фонтаном - Рис.7
ВЫВОД.
Фонтан будет работать до тех пор, пока уровень воды в бутылке не сравняется с открытым концом трубки.
Изготовление макета
Собираем сообщающийся сосуд из пластиковой бутылки вместимостью 1,5 л с обрезанным дном и пластикового шланга длиной около 50 см. Диаметр выбранного шланга 10 мм, это позволяет воде перетекать в системе с достаточной скоростью. Соединение шланга с пластиковой крышкой герметизируем полимерным клеем.
На месте расположения фонтана в фанерном основании сверлим отверстия для шланга, одно под основной емкостью для воды (бутылкой) и два под емкостью для сбора воды (поддоном).
Пластиковую бутылку закрепляем над поверхностью основания макета на «постаменте», изготовленном из пустых тарных коробок.
Шланг пропускаем через отверстия под основанием, приподнятым на небольших «ножках», и на поверхность выводим в центре дна емкости для сбора воды. Эта емкость имеет еще одно отверстие, используемое для слива воды (защита от переполнения). Оно снабжено шлангом произвольной длины, который выводится через отверстие основания за пределы площадки макета. Все места соединения шланга герметизируем.
На конце шланга сообщающегося сосуда закрепляем наконечник от системы для капельных инъекций. Он уменьшит диаметр струи и сделает демонстрацию работы фонтана более зрелищной.
Схема соединений шланга и емкостей приведена на Рис. 8.
Проводим испытания работы макета.
Шланг на участке под основанием макета перекрываем с помощью зажима.
Наполняем бутылку водой. – Рис. 9
Конец шланг для слива воды опускаем в пустую емкость достаточного объема.
Открываем зажим. – Рис. 10
Наблюдаем за высотой струи фонтана. – Рис. 11
По мере наполнения водой поддона ее излишки стекают по отводной трубке в емкость под столом.
Фонтан прекращает функционировать после того, как вся вода вытекает из бутылки.
Макет фонтана оформляем под здание фантазийного замка. Добавляем детали деревьев, животных выполненных в технике бумагопластики и оригами.
Для защиты от брызг поверхность вокруг емкости для сбора воды закрываем резиновым ковриком, саму емкость окружаем «зелеными насаждениями» из поролона.
Внешний вид макета демонстрирует Рис. 12.
Заключение
По результатам проведенных теоретических и практических исследований нами был изготовлен макет фонтана, действующий по принципу сообщающихся сосудов.
Макет функционирует без использования источника электричества, что говорит о не энергозатратности и экологичности использования данного принципа работы фонтана. Демонстрация работы макета вызывает интерес не только у ребят, но и у родителей и педагогов.
Своей работой мы наглядно продемонстрировали простоту изготовления макета, не большие затраты времени и использование доступных материалов, подтвердив, что его реализация доступна для учащихся младшего школьного возраста.
6. Список использованной литературы
Гальперштейн Л.Я. Забавная физика.- М.: Детская литература, 1993.- 255 с.
Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. - М.: Просвещение, 1985. – 194 с.
Перельман Я. И. Занимательная физика.- М.: АСТ, 2014. -320 с.
Симон Стевин. Что вы о нем знаете? - Режим доступа: http://class-fizika.ru/etud18.html
Сообщающиеся сосуды - Режим доступа: http://festival.1september.ru/
Физика: Учеб. для 7 кл. общеобразоват. учреждений / С. В. Громов, Н. А. Родина — М.: Просвещение, 2003. — 160 с.
Физика (7 класс)/Давление - Режим доступа: https://ru.wikiversity.org/wiki/
Phys Book: Электронный учебник физики - Режим доступа: http://www.physbook.ru/index.php/
7. Приложения
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
Схема устройства фонтана.
Рис. 9
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 12