IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ворота между океанами
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
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