Проектная работа по физике «Фонтан Герона»
творческая работа учащихся по физике

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ленинградской области

«Волховский многопрофильный техникум»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ УЧЕБНАЯ РАБОТА

ПО ФИЗИКЕ

«ФОНТАН ГЕРОНА»

Выполнил:

Богомолов Алексей Дмитриевич,

группа ТМ21-14

Руководитель:

Хлынцева Наталья Александровна,

преподаватель физики

Волхов

2022

Содержание

Введение        2

1. Законы гидростатики        2

2. Принцип работы фонтана Герона        2

3. Изготовление фонтана Герона        2

Заключение        2

Список использованных источников        2

Введение

Все, кто видел хотя бы раз фонтаны Петергофа, надолго запоминают фонтанное чудо, водную феерию. Но немногие знают, что петергофских фонтанов не было бы без уникального природного водовода. Как и 300 лет назад, сегодня фонтаны Петергофа работают без единого насоса и электричества, по принципу сообщающихся сосудов. Благодаря естественному перепаду высот, составляющему на Ижорской возвышенности в районе Ропши более 100 метров, вода в фонтанах без единого насоса под огромным гидростатическим напором сама взлетает ввысь. Фонтаны радуют нас игрой своих хрустальных струй, блеском солнца в каждой капле воды, журчанием и плеском, ощущением свежести и чистоты.

Фонтаны – это не только потрясающее зрелище, но и неоспоримая польза для человека. Шум воды оказывает благоприятное воздействие на нервную систему, успокаивает, снимает усталость и раздражение. Воздух возле фонтанов всегда чист, свеж и прохладен, так как брызги воды снижают количество содержащейся в воздухе пыли, повышают влажность воздуха, ионизируют его. Поэтому возле фонтанов дышится легче, что благоприятно сказывается на органах дыхания, предотвращая возникновение ряда заболеваний дыхательной системы человека.

 Под впечатлением от увиденного зрелища, мне захотелось сделать свой домашний фонтан. Поэтому в качестве гипотезы к проекту я выдвинул следующее предположение: если изучить принцип работы самого простого фонтана, то можно сконструировать домашний фонтан. И таким простейшим фонтаном, знакомый людям еще с древних времен, служит фонтан Герона.

Объект исследования – фонтан, предмет – конструкция фонтана Герона. Цель проектной работы – сконструировать фонтан Герона. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить законы гидростатики;
2. Изучить принцип работы фонтана Герона;
3. Изготовить фонтан Герона.

Методы исследования: теоретический анализ, экспериментальный.

1. Законы гидростатики

Гидростатика – это раздел механики, изучающий равновесие жидкостей. Одной из основных задач гидростатики является задача изучения распределения давления в жидкости. Зная это распределение, на основании законов гидростатики можно рассчитать силы, которые действуют со стороны этой жидкости на погруженные в нее тела, к примеру, на опоры моста, на стенки и дно сосуда, на подводную лодку. Также на законах гидростатики основано действие сифонов и фонтанов.

Основной закон гидростатики – зависимость давления жидкости от глубины – для несжимаемой жидкости в однородном поле тяготения имеет вид р = ρgh. Из этого закона следует равенство уровней в сообщающихся сосудах.

Сообщающиеся сосуды – это взаимодействующие друг с другом сосуды, которые имеют общее дно. Закон сообщающихся сосудов гласит, что в таких сосудах, какую бы форму они не имели, поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя находятся на одном уровне, то есть давление, оказываемое на стенки на любом горизонтальном уровне, является одинаковым. Достичь разного уровня однородной жидкости в сообщающихся сосудах можно с помощью перегородки между ними. Перегородка перекроет сообщение между сосудами, и тогда можно в один из них долить жидкость, чтобы уровень изменился. В данной ситуации возникает напор – давление, производимое весом столба жидкости высотой, равной разности уровней. И если убрать перегородку, то именно это давление станет причиной тому, что жидкость будет перетекать в тот сосуд, где ее уровень ниже, до тех пор, пока уровни не станут одинаковыми.

В жизни очень часто можно встретить естественный напор. И таких примеров довольно много. Например, им обладает вода в горных реках, когда падает с высоты. Плотина также является примером естественного напора. Чем она выше, тем больше будет напор воды, поднятой плотиной.

2. Принцип работы фонтана Герона

Фонтан – это природное (гейзер, родник, артезианская вода) или искусственно (проточный, циркуляционный) вызванное явление, заключающееся в истечении жидкости под действием оказываемого на нее давления, вверх или в сторону. Уже в древности люди задумывались о том, как создать искусственные фонтаны. С античных времен сохранились работы греческого механика Герона Александрийского, жившего в I – II в.в. н. э.

Фонтан Герона – это придуманный Героном Александрийским прибор, служащий одним из образцов знаний древних (за 200 лет до н. э.) в области гидростатики и аэростатики. Прибор состоит из трёх сосудов, помещённых прямо один над другим и сообщающихся между собой: два нижних закрытые, а верхний имеет форму открытой чаши. Средний сосуд практически полностью заполнен водой, также вода наливается в верхнюю чашу. Вода, по открытой трубке, доходящей фактически до дна, течет в нижний сосуд. Воздух в нижнем сосуде сжимается, повышая там давление. По трубке, идущей от верхней части нижнего сосуда практически до верхней части среднего сосуда, давление через воздух передается в средний сосуд. Повышение давления в среднем сосуде заставляет воду подниматься по трубке, проведённой почти от дна среднего сосуда в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бьёт фонтан.

Рисунок 1. Схема фонтана Герона

Высота фонтана, в идеальных условиях, равна разнице уровней поверхности воды в среднем и нижнем сосудах. Но трение жидкости, движущейся в трубках, и другие причины уменьшают высоту фонтана. Вода из верхней чаши поступает в нижний сосуд, где уровень воды постепенно повышается, и потому высота давящего столба постепенно уменьшается; уровень воды в среднем сосуде также понижается. По этим двум причинам высота фонтана постепенно убывает и, наконец, движение воды прекращается. Чтобы фонтан продолжил работу, нужно средний и нижний сосуды поменять местами.

3. Изготовление фонтана Герона

После изучения принципа работы фонтана Герона, я  решил изготовить свой фонтан. После тщательного изучения всевозможных конструкций, было принято решение изготовить фонтан из пластиковых бутылок.

Для изготовления фонтана потребовались:

1. Пластиковые бутылки – 3 шт., 138 руб.
2. Трубочки для коктейлей – 4 шт., 4 руб.
3. Клей для пистолета – 1 шт., 38 руб. 70 коп.
4. Клей-Пистолет
5. Паяльник
6. Ножницы
7. Канцелярский нож
8. Лейкопластырь

Изучив конструкцию фонтана Герона, я распределил все действия на этапы.

Рисунок 2. Фонтан Герона из бутылок

 1 Этап: я приготовил рабочее место и разложил все необходимое оборудование.

2 Этап: первым делом нужно было сделать отверстия в крышках бутылок. Для этого я воспользовался паяльником. Две крышки я склеил сразу между собой, чтобы в них получились одинаковые отверстия. Третью крышку я приклеил на дно одной из бутылок. Так как жало паяльника оказалось слишком толстым, отверстия в крышках получились больше диаметра трубочек. В дальнейшем из-за этого могут возникнуть трудности с герметизацией сосудов. Далее нужно было подготовить трубочки. Одну трубочку пришлось чуть-чуть нарастить. Для этого я немного надрезал одну трубочку и вставил в нее другую. Место соединения заклеил лейкопластырем и прошелся сверху клеем для достаточной герметизации. Все трубочки я подрезал согласно схеме. Дальше нужно было просунуть трубочки в отверстия крышек и правильно их расположить. После этого требовалось очень хорошо загерметизировать оставшееся отверстие вокруг трубочек, чтобы опять же обеспечить непроницаемость. Последним делом нужно было сделать из бутылки воронку для того, чтобы вливать воду в фонтан, и установить ее сверху. Выровняв трубочки, я тщательно загерметезировал все отверстия  клеем. После герметизации каждого отверстия я проверял, насколько хорошо клей держит воду, чтобы в дальнейшем не было сюрпризов в виде подтеков и не пришлось начинать работу сначала.

3 Этап: закончив работу с конструкцией фонтана, я подождал некоторое время для того, чтобы клей окончательно подсох. Для проверки фонтана на работоспособность, я залил в воронку воду, пока нижняя бутылка не наполнилась водой. Далее я перевернул фонтан, чтобы из нижней бутылки вода перелилась по трубочке в среднюю бутылку. Поставив фонтан вертикально, я добавил воду в воронку. Фонтан заработал. Хоть время работы фонтана и составило 40 секунд, радости не было предела.

В целом у меня ушло на создание данного фонтана несколько попыток: две попытки создания вертикального фонтана и одна попытка создания горизонтального фонтана. Все эти фонтаны имели проблемы с герметичностью отверстий между сосудами и перегибом трубочек. И только с четвертой попытки фонтан заработал как ему и положено.

Себестоимость данного фонтана составила 180 руб. 70 коп.

Заключение

В результате проделанной работы я узнал, как работает фонтан Герона. Основной принцип его работы – действие сообщающихся сосудов. Мною была изготовлена действующая модель фонтана Герона. Фонтан прост в изготовлении и доступен, хотя пришлось побороться с трудностями при герметизации сосудов. Также данный прибор наглядно демонстрирует некоторые физические законы гидростатики. Еще фонтаны являются частью мер при создании комфортной, экологически безопасной среды обитания человека, поэтому так замечательно, что возле Волховского многопрофильного техникума вновь функционирует фонтан.

Список использованных источников

1. https://ru.wikipedia.org
2. https://peterhofmuseum.ru
3. https://light-fizika.ru/index.php
4. https://xn--q1aac7b.xn--p1ai2059-60.pdf
5. https://www.youtube.com

Отзыв об исследовательской учебной работе

Богомолова Алексея Дмитриевича, ГБПОУ ЛО «ВМТ»

на тему: Фонтан Герона

Исследовательская учебная работа посвящена исследованию и изготовлению фонтана Герона.

Актуальность исследования определяется полезными свойствами фонтанов на здоровье человека.

При работе над учебным исследованием Алексей продемонстрировал заинтересованность в изучении материала на тему, по которой у него имеется необходимая или интересная информация.

Структура работы отражает выделение основных понятий, связанных с темой исследования.

Поставленные задачи исследования выполнены полностью в соответствии с требованиями.

Полученные результаты могут применяться в качестве дополнительного материала в практике школьного обучения.

Оформление работы полностью соответствует требованиям, изложенным в Положении о конференции.

В процессе взаимодействия с руководителем исследования Алексей проявил себя как заинтересованный исследователь, умеющий качественно и своевременно выполнять все рекомендации руководителя.

Наибольший интерес в исследовании представляет функционирующая модель фонтана Герона.

Руководитель исследовательской учебной работы:

Хлынцева Наталья Александровна