IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Фонтан Герона своими руками
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение
Говорят, есть три вещи, на которые можно смотреть бесконечно – огонь, вода и звезды. Действие воды на человека можно назвать поистине магическим. Журчание фонтана снимает стресс, успокаивает и заставляет забыть о тревогах. Воздух у водоема всегда чист, свеж и прохладен. Наверное, каждый замечал, насколько легче дышать возле воды, как исчезают усталость и раздражение, как бодрит и одновременно умиротворяет нахождение вблизи моря, речки, озера или пруда. Да и не зря говорят, что вода – «очищает», «омывает», не только тело, но и душу.
Актуальность темы
Мы живем в очень сухом климате, и когда летом бывает очень жарко, так хочется услышать журчание воды, вдохнуть свежий прохладный воздух. Но, к сожалению, не везде это возможно. Поэтому я задумался, а можно ли изучив теорию об устройстве и принципе работы фонтанов самому изготовить «комнатный фонтан - декоративное устройство, дающее нам радость, ощущение уюта и комфорта, оказывающее благоприятное воздействие на здоровье».
Цель данного проекта: собрать модель фонтана и выяснить, от каких физических параметров зависит высота струи в нем.
Задачи исследования:
Собрать, изучить и отобрать информацию по данному вопросу
Познакомиться с историей фонтанов
Изучить принцип работы фонтана Герона;
Изготовить фонтан Герона;
Выяснить от каких параметров зависит высота струи в фонтане;
Найти практическое применение.
Гипотеза: Я предполагаю, что изучив устройство и принцип работы фонтана Герона, я смогу собрать модель фонтана.
Объект исследования: фонтан Герона.
Методы исследования: теоретический, экспериментальный, практический, анализ, обобщение.
II. Основная часть
История фонтанов
Вода, как основа жизни и дар богов, всегда притягивала человека своей мощью, красотой и чистотой. Древние цивилизации возникли преимущественно в жарких и засушливых регионах. Одновременно с ними появилась необходимость создания искусственных источников воды.
Природный фонтан, называемый гейзер или ключ, послужил основной для создания искусственных фонтанов. Изначально фонтаны в античном мире широко использовались в Египте, Персии, Месопотамии исключительно для питьевых и бытовых нужд, для полива и орошения. Они представляли собой емкость, куда стекала вода из искусственного отверстия или источника. В каждом богатом доме внутренний двор обычно украшал выложенный плиткой или камнем бассейн с фонтаном в центре.
Позже строительство фонтанов развилось также в Древнем Риме, так как обе страны имели тесные культурные связи. Но именно архитекторы Древнего Рима первыми научились делать фонтаны, создавая трубы, по которым подавалась вода под давлением, что приводило к появлению фонтана.
Только с началом Эпохи Возрождения фонтаны в Европе становятся частью архитектурного ансамбля, его ярким акцентом, а порой главным элементом. Римский стиль стал главным.
Постепенно новые веяния в архитектуре стали распространяться по всей Европе.
Наибольший рассвет ландшафтно-паркового искусства был, достигнут во Франции в 17 веке, его венцом стал Версаль – король регулярных парков, ставший основой для создания подобных дворцово-парковых ансамблей во всем мире.
В конце 17 века с приходом «романтизма» претерпело изменение и ландшафтное искусство. В моду вошли парки в «английском стиле», когда все наиболее приближено к «дикой» природе, без шика и помпезности. Архитектура водных источников также отличалась природной естественностью и простотой.
В современных фонтанах значительную роль играют передовые технологии, новые изобретения.
Теперь идеи искусства получили новое воплощение, соединив в себе задумки архитекторов, художников и специалистов высокотехнических областей. Новым веянием стала фееричная игра цвета, искусство освещения, сочетание музыки, света, динамики.
Фонтан Герона
Две тысячи лет назад Герон открыл эру механизации, создавая машины, которые до сих пор потрясают наше с вами воображение.
Герон жил в Александрии в те времена, когда этот город был самым многонациональным в мире. Это прекрасное место, где когда-то жила неотразимая царица Клеопатра, сосредоточило в своих недрах все знания классического мира. Великие умы приезжали сюда ради торговли самым ценным из богатств — ни золотом, ни рабами, ни серебром, a знаниями. Два тысячелетия назад это был центр мировой науки. Банком этих знаний была великая библиотека. Здесь были собраны труды греков, египтян и других народов. Свитки были заполнены баснями, стихами, трудами математиков и философов. Именно там хранились все изобретения Герона.
Ни одна из его машин не сохранилась до наших дней, и мы почти ничего не знаем o самом изобретателе, но имеем представления о ero чудесных творениях, ведь описания этих машин дошли до нас в виде копий тех свитков, что писал Герон.
Среди ero изобретений есть такие, которые предназначаются для дома, a другие использовались как развлечение на званых обедах, некоторые производили спецэффекты в театре (звенели, жужжали, свистели, создавали звуки животных и так далее).
Одно из них — красивая чудо-чаша в храме, из которой бил фонтан. Нигде не было видно никаких подводящих труб, а внутри — механизмов. Удивительное творение античного изобретателя Герона Александрийского — «вечный» фонтан.
Его основным достоинством является то, что он работает благодаря естественным законам природы, не затрачивая при этом сторонней энергии.
Устройство фонтана и принцип действия
Такой фонтан состоит минимум из трех емкостей. Каждая емкость фонтана служит для определенной цели.
Фонтан Герона начинается с чаши. Она представляет собой миску, наполненную водой, из которой отходит тонкая трубка, направленная в нижнюю емкость. Именно по ней вода начинает свое движение. Из нее по тонкой трубке вода поступает в пустую емкость, расположенную в самом низу фонтана.
Нижняя емкость пуста. Она служит для достижения двух целей:
1) Стекающая с чаши вода сжимает содержащийся в ней воздух и тем самым создает давление, необходимое для выталкивания воды струей вверх.
2) В ней накапливается вода, которая, поднимаясь вверх, создает давление воздуха, поднимающегося по тонкой трубке, и попадает в верхнюю емкость, наполненную водой. Отсюда воздух выталкивает воду, которая движется по трубке в чашу с водой и создает струю, что видна над поверхностью жидкости.
Фонтан Герона может работать очень долго, но емкости приходится менять местами. Потому что нижняя часть постепенно наполняется водой, а верхняя - воздухом, а значит, перестает создаваться нужное давление.
Как видите, все достаточно просто, и не исключением является даже принцип изготовления фонтана Герона своими руками. В элементарном варианте он собирается из пластиковых бутылок и прозрачных трубочек – естественно, нужна будет чаша, установочная конструкция и различные мелочи, с которыми мы разберемся по ходу изучения вопроса, как сделать фонтан Герона своими руками?
3. Создание модели фонтана, проведение и результаты экспериментов
Технологическая карта изготовление фонтана
|
№ |
Фото |
Наименование операции |
|
1 |
Для создания фонтана Герона нам понадобится: дрель; пластиковые трубки разного диаметра герметик или термоклей, клей; обычные пластиковые бутылки - 2 - 3 шт |
|
|
2 |
Разрезаем одну бутылку пополам. Верхняя часть с горлышком послужит резервуаром для фонтана (чаша). |
|
|
3 |
Склеиваем две крышки от бутылок |
|
|
4 |
При помощи дрели делаем два отверстия |
|
|
5 |
Нижнюю и среднюю бутылки соединяем между собой при помощи клея в области горловин (склеиваем крышки, предварительно приклеив их к горловине). |
|
|
6 |
Одну бутылку склеиваем с крышкой «чаши» и просверливаем 2 отверстия. В отверстия вставляем трубочки. |
|
|
7 |
В верхнюю чашу наливаем столько же воды, сколько входит во вторую бутылку. Вода будет стекать в нижнюю часть. Чтобы ее вернуть в центр фонтана, достаточно перевернуть конструкцию. Когда вся жидкость окажется в центральном резервуаре, остается созерцать на живой фонтан, без внешних источников питания. Для запуска следующего цикла, в верхнюю чашу добавляется немного жидкости, вода из верхней чаши попадает в нижнюю бутылку, выталкивая воздух во вторую емкость. |
|
|
За счет давления воздушных масс, во второй бутылке вода вынуждена искать выход. Этим выходом служит трубка; вода поступает в трубку, поднимается вверх и образуется фонтан. |
Зависимость высоты струи фонтана от диаметра отверстия наконечника
(высота воды в сосуде одинаковая во всех опытах)
Вода в среднем сосуде находится на одной и той же высоте H, внутренний диаметр наконечника d.
|
№ испытания |
Диаметр наконечника (d)см |
Высота струи (Н) см |
|
1 |
0,3 |
3 |
|
2 |
0,1 |
7 |
Вывод: чем меньше диаметр выходного отверстия трубочки, тем выше бьёт струя фонтана.
Зависимость высоты струи от уровня воды в среднем сосуде
(диаметр отверстия наконечника одинаковый во всех опытах)
Отношение h/H сохраняется, как 1/2 во всех измерениях.
Вывод: чем выше уровень воды в сосуде (резервуаре с водой), тем выше бьёт струя фонтана.
Я живу не далеко от туристического комплекса «Курулуур». «Курулуур» (по- якутски) в переводе - водопад. Это не большой, но глубокий каскад водопадов, находящийся на речке Мэнда (приток реки Лена). Очень шумный с порогами и каменистыми берегами. Летом это удивительное место для отдыха и купания в жару. Но еще больше впечатляют ледяные сталактиты и сталагмиты зимой многочисленных водопадов и окружающих скал. На Курулууре такие вот «зимние водопады», и вода даже сейчас капает. Я решил сделать декор фонтана, как зимние сталагмиты. Сталагмиты сделал строительного монтажного пены, фонтан сделал съемного типа. Тогда воду снизу можно будет переливать наверх. После покрасил гуашью. Нужно направить поток воды так, чтобы текла она прямо на горку. Так будет смотреться гораздо эффектнее. (см.приложении)
III. Заключение, вывод и практическая значимость
В результате проведенной работы я узнал, как образуется фонтан Герона. Основа его работы содержит принцип действия сообщающихся сосудов, а подъём воды происходит за счёт разности высоты воды в сообщающихся сосудах. Я изготовил модель фонтана Герона и провел несколько экспериментов по изучению свойств фонтана. Исследовав, от чего зависит высота струи фонтана, я пришел к выводу струя фонтана будет выше, если:
выше уровень воды в водяном хранилище (резервуаре с водой),
меньше диаметр выходного отверстия трубочки
Фонтан прост в исполнении и доступен. Имея незаурядные подручные материалы, можно без труда создать этот маленький «шедевр» и (не без помощи фантазии, разумеется) превратить его в настоящее произведение искусства. Он хорош как в доме, так и на улице. Ведь он работает без электричества. Удобен он и в роли наглядного представления некоторых физических законов, ведь, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Работает он совершенно бесшумно и не отвлекает. Фонтан Герона может быть актуален и в наши дни, хотя и был придуман две тысячи лет назад. Это не просто наглядное представление некоторых физических законов, это, при желании, декоративное и полезное украшение интерьера, «изюминка» вашего дома или участка.
Практическая значимость: на основе предложенной идеи с использованием дополнительных средств можно будет изготовить фонтан на дачном участке или в загородном доме. Зона отдыха есть в любой квартире, и, конечно же, её украшением может стать фонтан. Он может также украсить холл школы, офиса или больницы. Модель фонтана может быть использована и как учебное пособие на уроках физики.
IV. Список использованных источников и литературы
Десять самых красивых фонтанов мира [Электронный ресурс].URL: https://butzananna.wordpress.com/
Интернет-урок. Сообщающиеся сосуды. [Электронный ресурс].URL: http://interneturok.ru/ru/school/physics/7-klass/bdavlenie-tverdyh-tel-zhidkostej-i-gazovb/soobschayuschiesya-sosudy
История фонтанов [Электронный ресурс]. URL:http://www.mako.ru/?show_aux_page=361
Фонтан. Сообщающиеся сосуды. Схема. [Электронный ресурс].URL: http://vauto.pp.ua/?p=176
Фонтаны: фото самых красивых фонтанов в мире [Электронный ресурс]. URL: http://romantic-online.com/blog/8/332.html
http://www.admvol.ru/Gallery/Gorod_tsvetov_i_fontanov.asp (Официальный сайт администрации г.Волжского)
Приложение
Зимние сталагмиты.