IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Из прошлого в настоящее - фонтан Герона
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Я очень люблю летом вместе с родителями отдыхать у реки или на берегу моря. Воздух рядом с водоёмом наполнен прохладой и свежестью. У воды дышится легко, она бодрит и успокаивает.
Но что же делать тем, у кого нет возможности поехать отдохнуть на реку или на море. Оказывается, что такое место можно найти и в городе. Очень приятно в жаркий летний день отдохнуть на лавочке у фонтана. Вода весёлыми струйками подпрыгивает вверх, брызги разлетаются во все стороны и с громким плеском возвращаются обратно. Воздух вокруг наполнен блестящими каплями живительной влаги. Мне стало интересно, как работает фонтан?
Я решил узнать, а можно ли самому сделать фонтан, который будет стоять у меня дома.
Предмет исследования: фонтан, его устройство и назначение.
Цель работы: собрать действующую модель фонтана.
Задачи:
1) познакомиться с историей фонтанов и их значением;
2) изучить принцип действия фонтана Герона;
3) собрать фонтан в домашних условиях и исследовать возможности его работы при произведенных изменениях конструкции.
В ходе исследования мы выдвинули гипотезу: изучив принцип работы фонтана Герона, сможем ли мы собрать новую модель фонтана, которая будет работать без тепловой и электрической энергии и более удобную в использовании.
Методы исследования:
1.Изучение источников и литературы;
2.моделирование;
3.эксперимент;
4.наблюдение.
Работа состоит из введения, двух глав, списка и источников литературы.
Глава 1.Фонтаны
История появления фонтанов.
Вода является основой жизни. С древних времён люди считали её даром богов. Она притягивала человека своей мощью.
Древние цивилизации возникли в жарких и засушливых регионах, где вода была на вес золота. Так возникла необходимость создания искусственного источника воды. Основой для его создания послужил природный фонтан – гейзер.
Рис.1. Гейзер
В античном мире фонтаны использовали для питьевых и бытовых нужд, как резервуары для орошения. Они представляли собой ёмкость, в которую стекала вода из источника.
Позже фонтаны начинают приобретать декоративные черты: внутреннюю поверхность фонтанных чаш выкладывают плиткой, а струи уже не просто поднимаются вверх, а бьют из пасти экзотических животных или фантастических рыб.
Римляне первыми применили в устройстве фонтанов насосы.
В период Возрождения фонтаны распространились по всей европейской территории. Каждый крупный монастырь оборудовал на своей территории фонтан. Он служил местом для отдыха, молитв и размышлений монахов. Богато украшенный скульптурами фонтан становится обязательным элементом королевского дворца и городского пейзажа.
Рис.2. Античный фонтан
В это время фонтаны уже не служат источниками питьевой воды, полива и орошения. Для подачи воды в фонтан используются водоподъемные колеса и помпы.
С появлением электрических моторов появилась возможность подавать струю воды на большую высоту, включать и выключать подачу воды по специальному расписанию. Использование различных по форме и количеству труб позволяет создавать водные поверхности разнообразной формы и красоты, похожие на цветы, грибки, спирали, горки, одуванчики. Подсветка и звук привели к появлению эффектных водных шоу и представлений.
Рис.3. Современный фонтан
Ученые определили, что мельчайшие брызги воды насыщают воздух вокруг фонтана отрицательными ионами, которые благотворно влияют на организм человека. Поэтому рядом с фонтаном улучшается настроение и легко дышится.
1.2. Фонтан Герона.
Изучая литературу, я узнал о том, что в древнеарабских рукописях есть рассказ об античном изобретателе, математике и механике Героне Александрийском, который жил во второй половине I века н.э. Он прославился своими удивительными изобретениями. Герон сконструировал паровой двигатель, автоматы для раздачи, роботов, шприц, автоматические двери и многое другое.
Меня заинтересовало одно из них – чудо – чаша в храме, из которой бил фонтан. Откуда же бралась вода, если нигде не было видно ни труб, ни механических устройств? А как же закон всемирного тяготения?
Рис.4. Герон Александрийский
Фонтан Герона состоял из трех сосудов, помещенных один над другим и соединённых между собой. Два нижних сосуда были закрыты, а верхний сосуд имел форму открытой чаши, в которую наливалась вода. Также вода наливалась и в средний сосуд, позже закрываемый. По трубке, идущей от дна чаши почти до дна нижнего сосуда, вода текла из чаши вниз и, сжимая находящийся там воздух, увеличивала его упругость. Нижний сосуд был сообщен со средним посредством трубки, по которой давление воздуха передавалось в средний сосуд. Производя давление на воду, воздух заставлял ее подниматься из среднего сосуда по трубке в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бил фонтан. Вода фонтана, падающая в чашу, текла из нее по трубке в нижний сосуд, где уровень воды постепенно повышался, а уровень воды в среднем сосуде понижался. Вскоре фонтан переставал работать. Чтобы запустить его заново, надо было поменять местами нижний и средний сосуды.
Рис.5. Фонтан Герона
Глава 2.Создание фонтана
2.1.Изменение конструкции фонтана.
Изучив работу фонтана Герона, мы решили сконструировать свой фонтан.
В классической конструкции фонтана Герона все сосуды расположены на разной высоте. При этом слив воды из чаши фонтана происходит в самый нижний сосуд, а из среднего сосуда вода фонтанирует через сопло. Чтобы фонтан продолжал работать, нужна трудоемкая процедура либо по смене сосудов, либо по сливу воды из нижнего сосуда и наполнению верхнего.
Мы решили изменить конструкцию, для того чтобы смена чаш не была такой тяжёлой и не удобной.
В нашей конструкции нет верхнего и нижнего сосуда. Оба сосуда расположены на одной высоте, сразу под чашей фонтана. Такая конструкция позволяет использовать сосуды попеременно. В зависимости от того, какой сосуд полнее, туда и переставляется сопло фонтана. Таким образом, сосуды не меняются местами, как в классической модели фонтана, а переставляется сопло. Такое конструктивное техническое решение позволило стационарно установить емкости, жестко скрепив их с чашей фонтана.
2.2.Материалы для сборки фонтана
Для сборки действующей модели мы использовали самые простые и доступные материалы и заготовки, требующие минимальной переделки:
- для изготовления чаши фонтана использовался небольшой пластиковый контейнер прямоугольной формы;
- для изготовления нижних сосудов взяты две одинаковые пластиковые бутылки объёмом 1,4 литра;
- для воздуховода и двух водоводов взяты пластиковые трубки с гофрированными участками;
- для сопла фонтана взят корпус от шариковой ручки.
Рис.6. Материалы для сборки фонтана
2.3. Сборка фонтана
Вначале между собой были скреплены нижние емкости фонтана, и между этими же емкостями была установлена трубка воздуховода. После установки воздуховода, отверстия были плотно заклеены клеем «Герметик» для устранения утечек воздуха.
Затем через отверстия в дне чаши фонтана и через отверстия в крышках нижних емкостей были установлены водоводы из пластиковых трубок. Для предотвращения выливания воды, отверстия были так же плотно заклеены клеем «Герметик». Водоводы выполнены таким образом, что в любой из них вкручивается сопло, которое сделано из корпуса от пластиковой шариковой ручки.
Рис.7. Наш фонтан
2.4.Исследование работоспособности изменённой модели фонтана Герона.
Для того чтобы наш фонтан начал работать, в один из нижних сосудов было залито максимальное количество воды (не допуская залива отверстия воздуховода). Другой сосуд был совсем пустым, и в него началась подача воды из чаши фонтана. Тут же струя воды начала выплёскиваться из сопла – фонтан начал работать.
2.5. Исследование технических характеристик фонтана.
1) Исследование зависимости высоты струи фонтана от разности уровней воды в сосудах.
Это исследование выявило прямую зависимость между уменьшением разности уровней воды в сосудах и уменьшением высоты самого фонтана. Вода из сопла полностью переставала выливаться при выравнивании уровня воды в обоих сосудах. И наоборот, максимальная высота струи фонтана была при наибольшей разности уровней в емкостях. При исследовании данной модели удалось достичь высоты струи фонтана в 11 см, однако максимум продлился всего лишь 5 секунд, так как разность уровней в сосудах меняется достаточно быстро.
2)Исследование продолжительности работы фонтана от технических особенностей конструкции.
Это исследование выявило две технических особенности разработанной конструкции, наиболее сильно влияющих на продолжительность работы фонтана.
Во-первых, это объем сосудов. Чем больше, сосуд, тем дольше он должен наполняться водой, подающейся из чаши фонтана. И одновременно, из сосуда, имеющего большой объем, вода дольше вытесняется через сопло – фонтан дольше работает.
Во-вторых, на продолжительность работы фонтана очень сильно влияет пропускная способность сопла, то есть какой объем воды может пройти через эту пластиковую трубку за определенный отрезок времени. При этом, чем тоньше струя фонтана, тем дольше он работает. То есть для длительной работы фонтана Герона выходное отверстие сопла должно быть достаточно не большим. У созданной модели размер выходного отверстия сопла равен 2 миллиметрам.
Наша модель фонтана, с объёмом сосудов 1,4 литра и размером выходного отверстия сопла 2 мм, работала 5 минут 12 секунд.
Вывод: нам удалось собрать действующий фонтан. Изменения, внесённые в конструкцию фонтана, позволили установить ёмкости стационарно и жёстко скрепить их с чашей фонтана. Чтобы фонтан постоянно работал, сосуды не нужно менять местами, как в классической модели, а достаточно переставить сопло.
Для того чтобы фонтан работа дольше нужно взять ёмкости большие по объёму, а выходное отверстие сопла по диаметру должно быть не большим.
Заключение
Не смотря на то, что изобретению Герона Александрийского уже более двух тысяч лет, его работа имеет научный и практический смысл даже в настоящее время. Прибор Герона не использует привычные для нас виды энергии. Он не нуждается в тепловой или электрической энергии.
Нетрадиционные виды энергии, которые Герон талантливо заставил работать в своем приборе, могут быть использованы и в наше время.
Экономия энергии сейчас является очень важной задачей во всем мире. Многие ученые ищут нетрадиционные способы использования энергии, и опыт Герона вполне может помочь в этом.
Главной задачей моей работы являлось исследование возможности фонтана работать при произведенных изменениях конструкции.
Собранная конструкция показала устойчивую работу фонтана. Модель получилась действительно действующей.
Список источников и литературы
http://www.mirfontanov.ru/fountain_history.html - история создания фонтанов
http://kuznica.com/velikie-mastera/140-chudesnye-izobreteniya-gerona-aleksandrijskogo изобретения Герона
http://fb.ru/article/283347/fontan-gerona-svoimi-rukami - фонтан Герона своими руками
http://ru.wikipedia.org/ - всемирная энциклопедия, гейзеры, родники, артезианские колодцы
http://www.1000fontan.ru/catalog-fontan/shema/work/ - сайт о фонтанах
http://phscs.ru/physics7/
Гальперштейн Л. Забавная Физика :учебное пособие /1993. – 255 с.
Кабардин О.Ф., Кабардина С.И., Шеффер Н.И. Факультативный курс физики /Москва, «Просвещение», 1982г
Перельман Я.И. Занимательная физика / Я.И. Перельман – М.: Центрполиграф, 2010 г.