Исследовательский проект "Загадки сифона"

ГОРОДСКАЯ МЕЖШКОЛЬНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«Я-исследователь»

Секция «Физика»

Тема «Загадки сифона»

Самара, 2015 г.

Содержание:

Введение                                                                                                     2 стр.

I.Теоретическая часть.                                                                               3-7стр

1.История сифона.                                                                                                                                                

2. Теоретическое обоснование принципа работы сифона.                    

3. Применение сифонов.                                                                

II. Практическая часть:                                                                              10-13 стр.

1. Изготовление сифона.                                                                    
2. Экспериментальное обоснование принципа работы сифона.
3. Атмосферное давление или прочность жидкости?
4. Изучение диффузии с помощью сифона.

III.Заключительная часть:                                                                      14-16 стр.

Выводы.

Список использованной литературы.                                                  

Приложение.

Введение

Нет ничего проще обычного сифона – это всего лишь трубка, по которой жидкость перетекает из верхнего сосуда в нижний. Но действие сифона связано с фундаментальными свойствами газов и жидкостей, находящихся на поверхности Земли: атмосферным и гидростатическим давлением, текучестью, прочностью на разрыв. Несмотря на простоту устройства, опыты с сифоном и просто с изогнутой трубкой обнаруживают целый ряд их интересных свойств, в литературе не описанных.

Поэтому выяснение физических причин сифонного эффекта не так просто, как кажется на первый взгляд.

Цель моей работы:  экспериментальное исследование  свойств сифона.

Задачи:

1. Изучить литературу, описывающую принцип действия сифона
2.  Изготовить модель сифона и датчика давления.
3. Провести опыты с сифоном и выяснить

а) как работа сифона зависит от атмосферного давления,

б) ) как работа сифона зависит от разрыва струи жидкости,

в) применить сифон для изучения диффузии.

Гипотеза: для описания свойств сифона применима модель сифона жидкостного обыкновенного.

Методы исследования.

  1.Анализ литературы.

   2.Обобщение полученной информации.

   3.Эксперимент

1.История сифона.

Древнегреческий миф рассказывает о том, как сын Зевса, правитель древней Лидии Тантал был наказан богами за преступления и обречен на вечные мучения. Прикованный к стене, и стоя по горло в воде, он не мог напиться: как только он нагибался к воде, она опускалась вниз … Вечные муки Тантала! Еще в древности была изготовлен сосуд «Чаша Тантала». Великий французский математик, физик и философ Рене Декарт, живший в начале 17 века, так описывает в своем трактате «Правила для руководства ума» виденную им где-то удивительную чашу: « … была устроена некогда виденная нами чаша, в центре ее возвышалась колонна, на коей была водружена статуя Тантала, как бы намеревающегося напиться: хотя налитая вода прекрасно держалась в этой чаше, пока не поднималась настолько высоко, что могла бы попасть в рот Тантала, однако лишь только она достигала губ несчастного, вся она тотчас же вытекала».
Но, чтобы не оказаться когда-либо в таком положении, давайте познакомимся с древнейшим изобретением человечества – сифоном.
Это устройство было описано еще Героном Александрийским.
А в музее Метрополитен города Нью-Йорка демонстрируется японская «чаша Тантала» - образец сифона 3000-летней давности. Все прекрасно, если она заполнена не полностью – тогда это обыкновенная чашка. Но, если пожадничать и налить жидкости много, начинается самопроизвольное опорожнение чаши! Она освобождается от жидкости прежде, чем Вы сможете это выпить! Слово «сифон» переводится с греческого как «трубка». В наше время под сифоном понимают изогнутую трубку с коленами разной длины, по которой можно перелить жидкость из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с более низким уровнем. Верхняя часть трубки расположена выше уровня жидкости в верхнем сосуде. Чтобы сифон начал работать, необходимо его предварительно заполнить жидкостью. Сифон позволяет выливать жидкость из сосуда без его опрокидывания.

Чаша Пифагора, также известная как Справедливая Чаша или Стакан Пифагора является одним из уникальных изобретений философа, математика и мистика, Пифагора Самосского. Чаша Пифагора – это специальный сосуд, который заставляет человека пить только в умеренных количествах.

Если человек заполняет кружку только до определенного уровня, он может пить. Если он заполняет выше нормы, то содержимое выливается. 

Кружка Пифагора выглядит как обычная кружка для питья. За исключением того, что в ней есть в центре колонка. Центральная колонка расположена на уровне риски. Внутри колонки проходит канал соединяющий отверстие в её нижней части на дне кружки с выходным отверстием.

Когда кружка заполняется, жидкость поднимается по каналу до верхней части центральной колонки, согласно закону о сообщающихся сосудах. Пока уровень жидкости не поднимается выше уровня камеры, кружка функционирует, как обычно. Если уровень поднимается выше, то гидростатическое давление создает сифон и через канал вся жидкость выливается наружу. 

Считается, что Пифагор придумал эту кружку, чтобы все рабы пили одинаково, так как на Самосе было мало воды. Наливать нужно до определённой отметки, а если перельёшь, то вода полностью вытекает из кружки.

Также существует мнение, что Пифагор изобрел чашу для того, чтобы пьяницы не пили сверх меры.

В чем же принцип работы сифона?
Сначала вода наполняет банку, трубка еще наполнена воздухом, и вода не вытекает. Когда трубка в банке покроется водой, вода начинает вытекать через трубку. Вытекание прекратится тогда, когда уровень воды в банке понизится до самого края изогнутой трубки, и в нее попадет воздух.

Действие сифона прекращается, если в трубку проникнет воздух ( или давление столба жидкости в трубке от вершины изгиба до уровня жидкости в сосуде станет меньше атмосферного давления).

Скорость вытекания воды через трубку должна быть больше, чем скорость поступления воды в банку.

В природе также встречаются "природные сифоны". Например, в штате Вайоминг (США) есть местная природная достопримечательность. Через каждые 20 минут происходит извержение вод из подземного источника, которое длится 18 минут. После извержения в течение 20 минут происходит наполнение внутреннего подземного водоема сточными водами с поверхности. Затем наступает переполнение сифона и новое извержение воды. Кроме того сифоном называют прибор, представляющий собой сосуд для газированных напитков, имеющий трубку с краном, расположенном наверху ее, доходящую практически до самого дна.
В своем доме мы видим сифоны каждый день, а иногда и используем их , но уже в другом качестве.
Сифоны или водяные (иначе гидравлические) затворы используются, например, в наших квартирах, как обязательная часть сантехнического оборудования. Они препятствуют проникновению в квартиру запахов из канализационной системы. Сифоны подключаются на выходе ванны или раковины, как дополнительное оборудование, а в унитазе роль сифона выполняет изгиб корпуса, т.е. изгиб канализационного слива в основании унитаза. Гидравлический затвор сифона всегда должен быть заполнен водой, и именно этот слой воды не дает проникать посторонним запахам в жилое помещение.
Когда еще используется сифон? 
В аквариумном деле, когда необходимо сменить воду в аквариуме, не опрокидывая его.
Сифон "в чести" и у виноделов, где применяется для разлива вина из огромных бочек в бутылки. Большие бочки не поднять и не опрокинуть для переливания вина, а если внизу бочки сделать кран, то в бутылки попадет осадок со дна. Здесь удобнее использовать сифон.
Сифоны используют и в технике, например, в нефтяных трубопроводах, по которым самотеком движется жидкость, при пересечении ими холмов и других возвышенностей, это позволяет избежать сильного углубления труб или рытья тоннелей. Такой сифон - это большая изогнутая металлическая или бетонная труба, опущенная концами в основную трубу с нефтью по обеим сторонам холма и имеющая вверху вентиль для выкачивания скапливающегося воздуха. 
Принцип сифона издавна использовали в водяных часах. С помощью такого автоматического устройства запросто можно было отмеривать равные промежутки времени. 
Такой сифон - автомат легко изготовить даже самому: в донышке небольшой жестяной банки или пластиковой бутылки надо сделать отверстие и вплотную вставить в него конец резиновой или пластиковой гнущейся трубки, остальную часть трубки надо изогнуть внутри банки так, чтобы второй ее конец был почти у самого дна. 
Ставим банку под струю воды, банка начинает наполняться, но как только уровень воды в банке достигнет верхней части изогнутой трубки (!!!), вода начнет вытекать через трубку, пока банка не опустеет. Затем заполнение банки водой начнется вновь, и опять полное опорожнение …и т.д. и т.п.
Сифон будет работать, как часы, если струя втекающей в банку воды будет тоньше, чем струя, вытекающая через трубку.

2. Теоретическое обоснование принципа работы сифона.

Рассказывают, что знаменитый  американский физик Роберт Вуд еще мальчишкой начинал свои увлекательные эксперименты именно с сифона…

рис 1    

Несложное гидравлическое устройство - сифон  - известно более двух тысяч лет. В простейшем случае оно представляет собой U-образную трубку с коленами разной длины. Сифон работает по принципу сообщающихся сосудов (см. рис 1). Для обеспечения работоспособности сифон необходимо предварительно заполнить жидкостью. Единственное условие: чтобы жидкость начала течь, ее поверхность в сливаемой емкости обязательно должна быть выше уровня пустого сосуда[3].  

Несмотря на простоту устройства, опыты с сифоном и просто с изогнутой трубкой обнаруживают целый ряд их интересных свойств, в литературе не описанных. Если заполненный водой сифон поместить в сосуд с водой коротким коленом, вода начнет вытекать из отверстия длинного колена. Ее течение происходит под действием разности давлений, действующих на объем жидкости в верхней части трубки. Давление со стороны короткого колена p1 = p0 - rgh1, со стороны длинного p2 = p0 - rgh2, где p0 - атмосферное давление, rg - удельный вес жидкости, h - длина колена. Разность давлений ∆p = rg∆h тем больше, чем ниже опущено длинное колено сифона (см. схему 1).

Тем не менее, несмотря на простоту устройства, опыты с сифоном и просто с изогнутой трубкой обнаруживают целый ряд их интересных свойств, в литературе не описанных.

Чем объясняется действие сифона?

На оба конца трубки воздух давит с одинаковой силой, и вода в них была бы в равновесии, если бы оба отверстия были на одном уровне. Но так как один конец сифона ниже другого, столб жидкости в нем тяжелее, чем в коротком колене. Поэтому вода выливается из этого более длинного конца, а атмосферное давление вгоняет воду в отверстие короткого конца. Таким образом, вода как бы непрерывно втягивается в короткий конец. На самом деле это давление наружного воздуха вгоняет воду в короткую трубку.

Опыт с сифоном очень хорошо произвести, воспользовавшись силиконовой трубкой. Тогда можно наблюдать, что чем ниже опускать свободный конец трубки, тем быстрее будет выливаться вода, а если поднять конец трубки до уровня более короткой части сифона, вода совсем перестанет выливаться. Если же этот подвижной конец поднять вместе со вторым сосудом выше поверхности жидкости в верхнем сосуде, то вся вода из сифона выльется в верхний сосуд обратно.

Практическая часть.

1. Изготовление сифона.

На подъемный столик поставила банку с водой., рядом со столиком – пустую банку. Взяла силиконовый шланги целиком погрузила его в воду так, чтобы он полностью заполнился водой. Один конец остался под поверхностью воды в банке, а второй – над нижней банкой ниже уровня воды и убрала палец. При этом из открытого конца шланга начинает течь вода. Вода перетекает из верхней банки до тех пор, пока не обнажится верхний конец шланга. Повторила опыт, взяв шланг около метра, перебросила через кронштейн штатива, с помощью резиновой  груши удалила воздух. Сифон опять заработал. Значит, работу сифона обеспечивает разность давлений.

2. Принцип действия сифона.

Если правый конец трубки будет на уровне жидкости в верхней баночке, столб воды в трубке находится в равновесии. Это демонстрирует опыт: вода перестает течь, если конец трубки поднять.  Объясняется это тем, что давление, действующее на поверхность воды в верхней баночке, и давление в конце свисающей трубки одинаковы и равны атмосферному давлению. А если в правом колене сифона ниже уровня воды в верхней баночке  есть жидкость, то она тянет весь столб жидкости в трубке за собой вниз. Это похоже на то, как длинный конец стальной цепочки, перевешивающийся через край баночки, вытягивает всю цепочку вниз. Но цепочка не разрывается, потому что её звенья связаны между собой. Почему же не разрывается столб жидкости? Дело в том, что его с обоих концов сторон сжимает атмосферное давление. Если проделать в трубке отверстие, в него зайдет воздух, столб жидкости разорвется в этом месте и сифон работать не будет.

Что же гонит воду из сосуда вверх на довольно значительную высоту, обеспечивая работу сифона? Представьте сифон, состоящий из трубки, полностью заполненной жидкостью, нижний конец которой перекрыт заслонкой. Давление на поверхность жидкости равно атмосферному. Такое же давление будет внутри сифона на уровне воды в сосуде. Но на уровне заслонки давление в сифоне больше атмосферного. Значит, на заслонку действует направленная вниз сила.

Из приведенного объяснения следует, что выше уровня воды в сосуде давление  в сифоне должно быть меньше атмосферного. Чтобы подтвердить это следствие теоретического объяснения экспериментом, нужно уметь оценить давление жидкости в сифоне.  

3. Экспериментальное  обоснование действия сифона.

Для измерения давления внутри сифона  из пластиковой бутылки изготовила воронку, на широкое отверстие натянула кусок мягкой резины, а в другой конец вставила силиконовый шнур.

Заполнила датчик водой.

А). Опустила датчик давления ниже уровня воды в банке, его резиновая пленка выпукла наружу. 

Вывод: Давление в нижней части больше атмосферного.

          Б) Расположила датчик на уровне воды – пленка становится плоской.

Вывод: Давление в сифоне равно атмосферному

В) Подняв датчик выше уровня воды в банке, обнаружила, что пленка вогнулась внутрь воронки.

Вывод: Давление в сифоне меньше атмосферного.

Результат измерения давления внутри сифона совпадает с теорией: работу сифона обеспечивает атмосферное давление.

4. Как работа сифона зависит от разрыва струи жидкости.

Столб воды в длинном колене сифона перетягивает воду, находящуюся в коротком, поскольку  вода обладает значительной прочностью на разрыв. Если же столб воды в сифоне разорвать, то действие сифона прекратится. Это утверждение можно проверить на опыте.

Разрезав шланг сифона, вставила его концы в шприц без иглы, но с поршнем. Закрепила в штативе и грушей выкала воздух, пока шланги не заполнились водой. В шприце бьет фонтанчик, но очень бысто сифон перестанет работать.

Этот контрольный опыт еще раз показывает, что основной причиной действия сифона является атмосферное давление.

5. Применение сифона для изучения диффузии.

Опыт №1 Взяла два стакана с равным количеством воды. Налила в U-образную трубку сифона воду, перевернула ее, заткнув пальцами отверстия, и опустила оба колена в стаканы. Никакого движения жидкости по трубке, разумеется, не будет - разность давлений отсутствует. Далее в одном стакане заменила чистую воду на раствор  чернил (в ней присутствует загуститель - глицерин плотностью 1,26 г/см3), то за счет диффузии краситель  проник в трубку и в конце концов попал во второй стакан. Затем изменила условия опыта: поместила в трубку сифона фитиль - скрученную жгутом полоску марли.  

         Результат: Процесс диффузии прошел гораздо быстрее.

Опыт №2 Поставила четыре U-образных сифона трубками вверх и заполнила его водой до одинаковой высоты – 10 см. В одном колене каждого сифона размешала одинаковый объем чернил. Во второй сифон аккуратно насыпала немного песка, в третий – немного сол). В четвертый опустила две проволочки, подсоединенные к источнику постоянного тока с напряжением 3В так, чтобы его минус оказался в окрашенной воде.

   За счет естественного процесса диффузии вода в другом колене первого

сифона равномерно окрасилась примерно через 75 часов (см. таблицу 1 в приложении). Во втором сифоне процесс диффузии закончился через 5  часов. В третьем сифоне процесс диффузии завершен по прошествии 5,5  часов.  По сравнению с первым  процесс диффузии  во втором и третьем сифонах протекает очень быстро. Можно было бы предположить, что при падении частиц соли и песка сквозь воду происходит ее перемешивание, ускоряющее процесс диффузии.  Но возможно здесь имеют место какие-то другие процессы.

В четвертом сифоне процесс диффузии закончился через два часа.  В этом сифоне я осуществила электрофорез (от электро... и греч. phoresis — несение, перенесение) - направленное движение ионов и коллоидных частиц под действием внешнего электрического поля.

Электрофорез, важнейшая разновидность электрокинетических явлений, был открыт Ф. Ф. Рейссом  в 1807 году и сегодня широко применяется в промышленности, медицине и научных исследованиях. Электрофорез -   метод физиотерапии, при котором на организм оказывается одновременное воздействие постоянным током и лекарственными веществами. Особенность электрофореза состоит в том, что частицы лечебного раствора вводятся через кожу или слизистые оболочки именно под действием  внешнего электрического поля [3].   .

Вывод: Скорость процесса диффузии увеличивается при присутствии в жидкости частиц твердого вещества. Диффузия жидкостей при наличии электрического поля протекает очень быстро.

Заключение

Практическое значение исследования в том, что оно может быть использовано на уроках физики при изучении атмосферного давления, во внеклассных мероприятиях, на занятиях кружка. Вызовет интерес к физике и заставит учеников поглядеть на простые вещи « новым взглядом».

Список использованной литературы.

1. Перельман Я.И. «Знаете ли вы физику?»
2. Журнал «Потенциал» №11 2012 г. В.В. Майер, Е.И. Вараксина «Исследование свойств сифона обыкновенного»
3. Журнал «Наука и жизнь» № 10 2004 г. В. Свиридов «Загадки сифона»
4. Учи физику «Сифон» http://uchifiziku.ru/2012/10/11/sifon/
5. Сифон / http://wikipedia.org/wiki/%E8%F4%EE%ED

Приложение:

Таблица №1 Зависимость скорости протекания диффузии от условий.