Ворота между океанами

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Ворота между океанами

Верходанов А.А. 1
1МАОУ «СОШ №7 с углубленным изучением английского языка»
Шустер И.И. 1
1МАОУ «СОШ №7 с углубленным изучением английского языка» г. Перми
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Панамский канал «Ворота между океанами» - соединяет Панамский залив Тихого океана с Карибским морем и Атлантическим океаном [4].

Строительство Панамского канала стало одним из крупнейших и сложнейших строительных проектов, осуществлённых человеком. Работы по строительству канала шли с 1881 по 1914 год. Панамский канал оказал большое влияние на развитие судоходства и экономики в Западном полушарии и во всём мире. Благодаря Панамскому каналу морской путь например из Нью-Йорка в Сан-Франциско сократился с 22,5 тыс. км до 9,5 тыс. км [9].

Панамский канал — совокупность шлюзов, рукотворное судоходное русло, созданное в самом узком месте Панамского перешейка. Шлюз – это «лифт» для судов. Схематический чертеж шлюза был найден еще у Леонардо да Винчи. В западной Европе шлюзы начали строить в 16 веке, а в России – в 18 веке [2].

Шлюзы – камеры, расположенные между водоемами с различными уровнями воды. Чтобы добраться до другого уровня, судно должно зайти в шлюз, который отгорожен двумя водными непроницаемыми воротами. Уровень воды в шлюзе выравнивается по закону сообщающихся сосудов. Когда шлюз полностью заполняется водой, судно выходит из шлюза и продолжает свой путь.

Использование в системе шлюзов канала, принципа сообщающихся сосудов, позволяет перемещать судно из одного водоема, с высоким уровнем воды в другой, с более низким уровнем воды, и наоборот. В случае большой разницы в уровнях водоемов устраивают целый ряд шлюзовых камер, работающих последовательно [4]. Работу таких шлюзовых камер можно описать с помощью строгой последовательности действий – алгоритма.

Какая последовательность действий (алгоритм) используется в работе шлюзов Панамского канала?

Алгоритм работы шлюзовых камер Панамского канала, я изучу в своей работе.

Цель работы:

Узнать принцип работы Панамского канала и алгоритм работы шлюзовых камер.

Задачи:

Узнать: историю создания Панамского канала;

Познакомиться с принципом работы Панамского канала;

Рассмотреть алгоритм работы шлюзовых камер Панамского канала;

Познакомиться с «Законом сообщающихся сосудов». Узнать применение сообщающихся сосудов;

В практической части работы провести опыты с сообщающимися сосудами.

Содержание работы:

История создания Панамского канала

Когда суда шли из Атлантики в Тихий океан через мыс Горн, что на самом дальнем краю Южной Америки, им приходилось проделывать крюк в 22,5 тыс. км, рис.1а. Поэтому прорыли Панамский канал (рис.1б), который пересек Американский континент в самом узком месте примерно посередине между южной и северной его частями и дал возможность судам проходить из Атлантического океана в Тихий океан.

а б

Рис.1

Первое строительство канала

В 1879 году строительство Панамского канала возглавил Фердинанд Лессепс.Работы начались 1 января 1881 года по проекту, не предусматривающему строительство шлюзов. В проекте не были учтены многие геологические и гидрологические особенности региона. Панамский перешеек является одним из самых сложнейших геологических участков земной поверхности — гористый, покрытый непроходимыми джунглями и глубокими болотами. Строители постоянно упирались в горы и возвышенности, которые нужно было равнять и углублять до уровня мирового океана. Мешали оползни, а имеющееся оборудование быстро ржавело в тропическом климате, выходило из строя. Живущие в панамских джунглях москиты являлись разносчиками жёлтой лихорадки и малярии. Это привело к заболеваниям рабочих.

В 1889 году все работы по строительству Панамского канала были прекращены. [5].

Второе строительство канала

Джон Фрэнк Стивенс выдвинул идею шлюзов, что было гораздо дешевле по-сравнению с вгрызанием в землю до уровня мирового океана (1904 год).Организовал работы по осушке болот, вырубке джунглей и сожжению травы. Были созданы условия для людей, готовых работать на строительстве канала. Работы продлились в общей сложности 10 лет и завершились в 1914 году.

С момента своего открытия в 1920 году Панамский канал до сих пор остается одним из сложнейших инженерных объектов в мире. [5, 7]. Панамский канал играет огромную роль в морских перевозках.Среднее время прохода судна по каналу - 9 часов, минимальное - 4 часа 10 минут. Максимальная пропускная способность - 48 судов в сутки.

Как устроен Панамский канал

На канале используется система затворов, или шлюзовых камер, которые поочередно наполняются водой и осушаются, чтобы дать возможность судам подняться и преодолеть гористый перешеек, рис.2. Для этого задействованы еще и электровозы, которые с помощьюносовых и кормовых линий протаскивают суда через каждый затвор [5, 7].

Рис.2 Схема Панамского канала

Когда корабль направляется в Тихий океан, то из Карибского моря по трем шлюзовым камерам Панамского канала он должен подняться в озеро Гатун. Перед этим насосы последовательно наполняют водой каждую из трех камер длиной 1000 футов и шириной 110 футов. Перед заходом в затворы Педро-Мигеля и Мирафлорес весь процесс будет повторен, но в обратном порядке. И тогда судно вновь окажется на уровне моря.

Алгоритм работы шлюзовых камер озера Гатун

В смежных шлюзовых камерах, отделенных друг от друга шлюзовыми воротами, вода стоит на одном уровне.Под воротами проходит подводный канал, соединяющий обе камеры; его можно открывать и закрывать. При открывании подводного канала обе камеры превращаются в сообщающиеся сосуды, и вода, перетекая из камеры с более высоким уровнем в камеру с более низким уровнем, устанавливается на одном уровне. Тогда и открываются шлюзовые ворота, и судно переводится из одной камеры в другую.

Рассмотрим алгоритм перемещения судна в шлюзовых камерах озера Гатун (рис.3):

открываются I входные ворота (рис.3а), судно заходит в I камеру (рис.3б);

I входные ворота закрываются (рис.3в);

открывается перепускной клапан во II камере (рис.3г); II входные ворота открываются (рис.3д) судно переходит в II камеру;

открывается перепускной клапан в III камере (рис.3е);

III входные ворота открываются (рис.3ж) судно переходит в III камеру;

III входные ворота закрываются (рис.3з),открывается перепускной клапан, открываются IV входные ворота, и корабль может продолжать путь.

а б

в г

д е

ж з

Рис. 3 Шлюзовые камеры озера Гатун:

Алгоритм перемещения с верхнего течения в нижнее осуществляется падением воды в камере, рис.4:

Открывается верхний шлюз, и пространство между шлюзами заполняется водой. Корабль проходит мимо шлюза (рис.4а);

Верхний шлюз закрывается. Затем медленно открывается нижний шлюз. Вода вытекает, и уровень воды понижается до уровня, находящегося за нижним шлюзом. Корабль проходит мимо шлюза (рис.4б);

- На рис.4в. повторяется предыдущая операция. Корабль может продолжать путь.

а

б

в

Рис.4 Перемещение судна с верхнего течения в нижнее

Устройство систем шлюзовых камер

Шлюз – гидротехническое сооружение, которое обеспечивает переход судна с одного уровня на другой, рис.5а.Шлюзовые камеры канала имеют бетонные стены толщиной 50 футов и массивные двустворчатые ворота V-образной формы, рис.5б. Вода поступает в камеру и откачивается из нее по системе труб и клапанов, см. схему на рис.6.

а

б

в

г

д

Рис.5 Шлюзование

Когда уровень воды в одном затворе сравняется с уровнем воды в другом (рис.5в), открываются стальные ворота и корабль переходит из камеры в камеру, рис.5г. Шлюзы устроены по принципу сообщающихся сосудов, рис.6.

Рис.6 Схема шлюзования

Закон сообщающихся сосудов

В смежных шлюзовых камерах, отделенных друг от друга шлюзовыми воротами, вода стоит на разных уровнях, рис.7а. Под воротами проходит канал, соединяющий обе камеры; его можно открывать и закрывать.

а б

Рис.7

При открывании канала обе камеры превращаются в сообщающиеся сосуды и вода, перетекая из камеры с более высоким уровнем в камеру с более низким, устанавливается на одном уровне в обеих камерах, рис.7б. Тогда можно открыть шлюзовые ворота и перевести судно из одной камеры в другую.

Закон сообщающихся сосудовгласит:в сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.

Если рассмотреть рисунок 8, все сосуды имеют разную форму, но одна особенность делает их похожими друг на друга: отдельные части всех этих сосудов имеют соединение, заполненное жидкостью.

а б в

Рис.8

Итак, сосуды, имеющие общую (соединяющую их) часть, заполненную покоящейся жидкостью, называются сообщающимися. Рассмотрим опыт. Соединим два стеклянных сосуда резиновой трубкой и, зажав трубку в середине, нальем в один из сосудов воду (рис. 9а).

а б в

Рис.9

Теперь откроем зажим и проследим за перетеканием воды из одного сосуда в другой, сообщающийся с первым. Мы увидим, что вода будет перетекать до тех пор, пока поверхности воды в обоих сосудах не установятся на одном уровне (рис. 9б). Если один из сосудов оставить закрепленным в штативе, а другой поднимать, опускать или наклонять в сторону, то, как только движение воды прекратится, ее уровни в обоих сосудах окажутся одинаковыми (рис. 9в) [8].

На практике сообщающиеся сосуды применяются часто. Принцип действия сообщающихся сосудов используется при сооружении шлюзов, который подробно разобран при описании работы Панамского канала, и, в разных технических устройствах: водопроводах с водонапорной башней; водомерных стеклах; гидравлическом прессе; фонтанах; сифонах под раковиной, «водяных затворах» в системе канализации и др. Рассмотрю несколько примеров.

Примеры использования закона сообщающихся сосудов

По принципу сообщающихся сосудов работает водопровод с водонапорной башней. На относительно большой высоте устанавливается бак с водой, от бака идут водопроводные трубы, закрываемые кранами, рис.10а.

а б

в

Рис.10

В водомерных стеклах (рис.10б) паровой котел и водомерное стекло являются сообщающимися сосудами. Очень часто принцип сообщающихся сосудов используют в фонтанах, рис.10в.Благодаря перепаду высот, постепенному сужению труб и закону сообщающихся сосудов, вода под напором и попадает в фонтаны.

Практическая часть:

Чтобы проверить закон сообщающихся сосудов, сделал опыт как на рис.9б. Опыт №1: взял прозрачный шланг, налил подкрашенную жидкость рис.11а.

Опыт подтвердил: в сообщающихся сосудах поверхность жидкости находится на одном уровне (рис.11б).

а б

Рис.11

В опыте №2 проверю свойство сообщающихся сосудов (рис.12), что независимо от формы сосудов, жидкость устанавливается на одном уровне.

Рис.12 Сообщающиеся сосуды

Для проведения опыта №2 изготовил макет (рис.13): деревянные рейки (9 шт.), 4 пластиковые трубки разных диаметров: 5, 7, 9 и 13 мм, банка стеклянная (1 шт.), крышки пластиковые (3 шт.), воронки (4 шт.), синий краситель.

Сначала соединю между собой сосуды (трубки) диаметром 13 и 9 мм. Сосуды установлены в банку через отверстия необходимых диаметров, предусмотренных в крышке. Сосуды или трубки имеют общую (соединяющую их) часть (банку), благодаря чему жидкость может свободно перетекать из одной трубки в другую, рис.13а. Для заполнения сосудов (трубок) предусмотрены воронки, закрепленные на деревянных рейках.

В прозрачных трубках сложно рассмотреть прозрачную воду, поэтому повторил этот же опыт с подкрашенной водой: для сосудов диаметром 13 и 9мм (рис.13б), для сосудов диаметром 5 и 7 мм (рис.13в), для сосудов диаметром 13 и 5 мм (рис.13г).

а б

в г

Рис.13 Опыт №2

Опыт подтвердил:в неподвижных сообщающихся сосудах однородная жидкость всегда устанавливается на одинаковом уровне независимо от формы сосудов.

Выводы:

В своей работе я узнал историю создания Панамского канала;

Познакомился с принципом работы Панамского канала;

Рассмотрел, алгоритм работы шлюзовых камер Панамского канала;

Узнал закон сообщающихся сосудов; применение сообщающихся сосудов в быту;

В практической части создал собственный макет и провел опыты с сообщающимися сосудами.

Список литературы:

1.[электронный ресурс] «Долгий путь Панамского канала /Наука и жизнь» №2 2011.

2.[электронный ресурс] https://phscs.ru/physics7/communicating-vessels

3.[электронный ресурс] https://rosuchebnik.ru/material/urok-fiziki-soobshchayushchiesya-sosudy-7499/

4. [электронный ресурс] https://pikabu.ru/story/kak_rabotaet_panamskiy_kanal_3153541

5.[электронный ресурс]http://information-technology.ru/sci-pop-articles/27-transport/6210-ustrojstvo-panamskogo-kanala

6.[электронный ресурс] ttps://www.nkj.ru/archive/articles/19213/

7.[электронный ресурс] https://ikaketosdelano.ru/kak-ustroen-panamskij-kanal/

8.[электронный ресурс] https://www.yaklass.ru/p/fizika/7-klass/davlenie-tverdykh-tel-zhidkostei-i-gazov-11881/soobshchaiushchiesia-sosudy-vodoprovod-shliuzy-11888/re-94c0b50d-8b0f-439c-ba58-0146a1d1fcd5https://www.youtube.com/watch?v=cN55TrrJF6E

18

Просмотров работы: 12