Фонтаны бьют струей вверх

Фонтан. Виды и устройство. Работа и форма струи. Особенности

Фонтан – природное или искусственное явление, представляющее собой истечение жидкости струей вертикально вверх или с небольшим уклоном в сторону, что вызвано в результате оказания на нее давления. Природные фонтаны также называют гейзерами. Искусственно созданные являются, как правило, декоративными строениями, устанавливаемыми с целью украшения ландшафта или интерьера.

Как устроен и работает фонтан

Схематически строение и принцип действия фонтана можно описать как устройство с резервуаром, из которого вода подается под давлением на распыляющую ее форсунку. В результате формируется видимая струя определенной формы направленная горизонтально вверх или с уклоном. Бьющая вода после потери инерции от выталкивающих ее сил падает обратно вниз, и собирается в чаше устройства. Оттуда она снова стекает в резервуар, где повторно подается под давлением через форсунку. Это непрерывный процесс, происходящий одновременно. Часть объема воды выталкивается в струю, и сразу же возвращается обратно до того как жидкость закончится.

Это механизм круговорота воды. В качестве резервуара в ней может использовать бассейн, емкость или целый водоем. Если жидкость забирается из изолированной емкости, то в результате испарения объем в ней постепенно снижается. В конечном счете, это приведет к остановке фонтана. В связи с этим емкость нуждается в периодическом доливании жидкости.

Для обеспечения подачи воды в конструкции фонтана предусматривается насос. Он прокачивает воду из резервуара на форсунку. Насос работает за счет электроэнергии. Описанная конструкция фонтана является упрощенной. Многие устройства существенно сложнее. К примеру, их насос может иметь систему программного управления. За счет этого обеспечивается синхронизация силы бьющей струи с музыкой или яркой цветной декоративной подсветкой.

Отличия между проточными и циркуляционными фонтанами

Циркуляционный фонтан по сути является классическим. Он предусматривает перекачку воды по кругу циркуляционным насосом. Это закрытая система, обычно не оснащаемая стоком. Поскольку в ней постоянно прокачивается один и тот же объем воды, то она достаточно быстро становится грязной. Она не является питьевой. Иногда такие системы предусматривают подключение к канализации. Это обеспечивает удобное и быстрое осушение резервуара и чаши. Это необходимо при подготовке фонтана к зимовке.

За счет циркуляции одного и того же объема воды обеспечение работы циркуляционного фонтана обходится существенно дешевле. После наполнения, все затраты сводятся только к периодическому доливанию объема для компенсации испарения, а также оплате электроэнергии потребляемой насосом. Более сложные устройства также потребляет электричество на обеспечение подсветки и музыкального сопровождения.

Проточные более дорогостоящие в плане обеспечения работы. Они проталкивают через форсунку свежую воду. При этом использованная жидкость отводится в канализацию или водоем. Такое решение чаще всего используется для организации работы питьевых фонтанов. Те прокачивают чистую воду, которую можно пить. Как правило, сила струи в таких устройств небольшая. За счет этого с них можно удобно и безопасно пить, соблюдая гигиенический режим.

Проточные фонтаны могут забирать воду из подземного источника, находящегося в непосредственной близости. Это может быть естественный ключ, скважина, колодец. Чаще всего они просто подсоединяются к централизованному водопроводу.

Системы дополнительного оснащения фонтана

Внедрение в работу фонтанов современных технологий и различных физических принципов позволяет корректировать их работу. В результате зрелищность от работы фонтана многократно возрастает.

В зависимости от технического решения, примененного в конструкции, кроме обычных классических фонтанов, также существуют более сложные:

• Цветомузыкальный.
• Авангардный.
• Шутиха.
• Швейцарский.
• Без брызг.
• С генератором тумана.
• С ДУ.

Цветомузыкальный фонтан является достаточно дорогостоящим и сложным устройством. Высота и подсветка его струи корректируется автоматикой, которая управляется программным обеспечением. Перепады высоты столба воды, цвета и яркости подсветки связываются с музыкальным сопровождением. Таким способом оснащают много городских фонтанов. Однако в таком режиме они, как правило, работают в вечерние часы, так как в дневное время цветная подсветка остается невидимой.

Авангардные используют эффект зависшего потока воды. Для этого используется стекло высокой прозрачности. Широкая струя подается на него и отбившись спокойно стекает. За счет этого создается впечатление, что из фонтана бьет широкая тонкая полоса воды, которая в один момент застыла. Движение в ней выдает только легкая рябь. Это менее затратная в плане реализации конструкция, которую можно использоваться в домашних садовых фонтанах.

Шутиха – это развлекательный контактный фонтан. Струи воды в нем бьют в разные стороны, причем постоянно меняют направление в произвольном порядке. Как правило, он устанавливается на площадях и городских парках. Обычно устройство не имеет выступающей надземной чаши. За счет этого в зону разбрызгивания можно без проблем подойти. Шутиха плескает в желающих, меняет силу и направление струи. За счет этого служит развлечением в жаркие дни. Проект такого фонтана достаточно дорогостоящий в реализации.

Швейцарские фонтаны отличаются от обычных тем, что в качества их чаши и резервуара используется целый водоем. Это может быть искусственное сооружение, река, озеро и т.д. Под водную гладь устанавливается насос. Он забирает воду прямо из водоема и выталкивает ее через форсунку. В результате над водой появляется высокая струя. Поскольку оборудование спрятано, то все выглядит как природное явление. Однако в ветреную погоду при достаточно сильных волнах форсунка все же просматривается. Для удешевления системы форсунки могут изначально располагаться слегка выше уровня воды в водоеме. За счет этого возможно использовать менее мощное насосное оборудование. Насос может закрепляться к каркасу, установленному на дно водоема. Если оно слишком глубоко, то подобные фонтаны делаются плавающими.

Фонтан без брызг работает практически по такому же принципу, как и авангардный. Данное устройство не рассчитано на контакт, так как в его системе просматриваются прозрачные стеклянные нити или трубки. Подаваемая насосным оборудованием струя под небольшим давлением заворачивается и стекает обратно по стеклу. За счет этого она не разбрызгивается. Часто такие устройства проектируются так, чтобы вода подавалась по прозрачной трубке, после чего стекала вниз по ее внешним стенкам. Это создает визуальный обман. Со стороны кажется, что поток берется ниоткуда с воздуха и падает сверху вниз, а не выталкивается изначально со стороны чаши. Достаточно ярким представителем подобных фонтанов является «магический кран». В нем на вершине трубки подачи закрепляется водопроводный кран. За счет этого кажется, что вода течет из него, хотя тот не подсоединен к видимым трубам.

Фонтан с генератором тумана оснащается ультразвуковым оборудованием. Оно создает мельчайшие капли, за счет чего основная струя окутывается туманом. Это смотрится очень эффектно. Густой туман перекрывает распыляющее оборудование, полностью скрывает техническую составляющую фонтана.

Домашние садовые фонтаны могут дополнительно оснащаться пультом дистанционного управления. За счет этого их можно включить беспроводным способом, не подавая питание на насос вручную. Также такие устройства часто предусматривают возможность изменения подсветки, силы бьющей струи или автоматических режимов.

Виды фонтанов в зависимости от формы бьющего потока

Обычные фонтаны могут оснащаться разными типами распыляющих форсунок. За счет этого меняется форма струи.

В зависимости от того, какой формы поток формируется, различают следующие основные разновидности фонтанов:

• Струйный.
• Колокол.
• Тюльпан.
• Рыбий хвост.
• Тиффани.
• Полусфера.
• Кольцо.

В струйном используется сужающая трубу насадка. За счет этого поток на выходе сужается и выходит наружу под более высоким давлением. За счет этого создаются невысокие тонкие струи. Как правило, они направлены вертикально вверх или с легким уклоном в центр чаши.

Струя колокол формирует полусферу. Она спадает практически сплошным колоколом. Струя этого типа невысокая. Обычно используются в садах или как центральная фигура в больших городских фонтанах.

Тюльпан — очень похоже на колокол, но за счет немного другого наклона при распылении вода распадается на брызги, не достигнув чаши. В результате формируется подобие цветка.

Струя рыбий хвост подразумевает разделение основного потока на несколько тонких. Те создают в них купол из решеток. Форма такого фонтана практически как у полусферного, но поверхность воды не является сплошной.

Тиффани – это сложная струя, сочетающая в себе одновременно колокол и рыбий хвост. Причем на форсунке формирующей полусферу подается более высокое давление.

Фонтан со струей полусфера имеет форму созревшего одуванчика. Это достигается за счет каркаса распылителей, формирующих шар. При включенном фонтане они практически не заметны.

Кольцо предусматривает наличие распылителя в виде трубы сваренной в кольцо. По ее периметру ввариваются отдельные выходы, каждый из которых оснащается сужающим соплом. Как следствие при подаче воды формируется множество струйных потоков выставленных по кругу, и направленных в центр чаши. За счет этого создается визуальное сходство с кольцом.

Источник

Фонтаны бьют струей вверх

Выявление зависимости высоты струи фонтана от физических параметров

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Наш город небольшой, но очень красивый. Здесь много достопримечательностей и даже загадочных мест. Совсем недавно появилось еще одно у спорткомплекса «Атлет» — уличный фонтан. Летом здесь собирается много народа. Кто катается на велосипеде, кто гуляет с собачкой, кто разрезает воздух на роликах, кто-то на скейте, а кто-то просто гуляет. Фонтан не обычный, а музыкальный. На его открытии собрался почти весь город, ведь, шутка ли, таких водных объектов в Заполярье — по пальцам пересчитать. Первые струи воды взмыли вверх под игру духового оркестра. Наблюдая, за тем как ввысь поднимались струи воды, я задумался о принципе его работы.

Актуальность: самостоятельно изготовить «комнатный фонтан», который улучшит микроклимат в доме, подарит нам радость, ощущение уюта и комфорта. Движущаяся вода, которая тихонько плещется или брызжет вверх, окажет успокаивающее воздействие.

Объектная область исследования: давление жидкостей.

Объект исследования: сообщающиеся сосуды.

Предмет исследования: комнатный фонтан.

Изучение информационных источников и уточнение темы: в процессе работы над данной темой была проанализирована основная учебная и научно-популярная литература, которая позволила осмыслить и осуществить выполнение учебно-исследовательской работы. Знакомство с литературой в первую очередь было начато с энциклопедий, из которых получил представление об основных вопросах, к которым примыкает избранная тема. Много интересной информации почерпнул из книги Род Ферринг «Настольные фонтаны».

Экспериментальные исследования требуют формулирования гипотезы. Предварительный анализ проблемы позволил выдвинуть гипотезу: если изучить устройство и принцип работы фонтана Герона, я смогу собрать модель «комнатного фонтана».

Из гипотезы вытекает цель исследования: определить физические параметры, от которых зависит высота струи воды в фонтане.

В соответствии с объектом, предметом и целью исследования были поставлены следующие задачи:

Собрать и изучить материал по теме, используя различные источники информации.

Изготовить модель фонтана.

Установить зависимость высоты струи фонтана от физических параметров.

Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

В процессе работы использовались следующие методы исследования: теоретические (анализ, синтез), эмпирические (конструирование, моделирование). Практическая значимость исследования заключается в использовании полученных результатов на уроках и факультативных занятиях по физике при изучении темы «Давление».

Статья имеет следующую структуру: в первой теоретической главе изложены и проанализированы наиболее общие положения, касающиеся данной темы. Во второй практической главе приведены результаты экспериментов.

ГЛАВА I . ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Что такое фонтан?

Фонтан (от лат. Fontana в значении «источник», «родник», «ключ») — природное или искусственно созданное явление, заключающееся в истечении жидкости (обычно воды), под действием оказываемого на неё давления, вверх или в сторону. В последнем случае, особенно, когда истечение жидкости происходит относительно спокойно, такой фонтан относят к категории источников. В ряде случаев такой источник называют ключом. Первым фонтаном, пожалуй, можно называть родник, который первобытный человек перегородил несколькими камнями, уложенными в месте выхода воды. В результате этой нехитрой манипуляции водный поток становился уже, но напор его увеличивался, струйка воды изгибалась, что удобно для наполнения водой глиняных кувшинов [5]

П ервые фонтаны возникли в Древнем Египте и Месопотамии, о чем свидетельствуют изображения на древних надгробиях. Изначально они использовали для полива выращиваемых культур и декоративных растений. Египтяне сооружали фонтаны во фруктовых садах возле дома, где они устанавливались посреди прямоугольного пруда. На протяжении долгих веков (до конца 19 века) фонтан сохранял практическое, утилитарное значение как основной источник водоснабжения, хотя со временем и приобретал отдельные эстетические черты – от украшений из грубых скульптурных форм до настоящих произведений искусств во времена Древней Греции, Древнего Рима и более поздних цивилизаций. До наших же дней фонтан дошёл уже как элемент чисто декоративного оформления пространства [5].

С античных времён сохранились работы греческого механика Герона Александрийского, жившего в I – II в. н. Одним из устройств, описанных учёным, был волшебный фонтан Герона. Главное чудо этого фонтана заключалась в том, что вода из фонтана била сама, без использования какого-либо внешнего источника воды.

Г еронов фонтан состоит из открытой чаши и двух герметичных сосудов расположенных под чашей. Каждая емкость фонтана служит для определенной цели. Фонтан Герона начинается с чаши. Она представляет собой миску, наполненную водой. Из верхней чаши в нижнюю ёмкость идёт полностью герметичная трубка. Именно по ней вода начинает свое движение. С верхней чаши вода по трубке начинает стекать в нижнюю ёмкость, вытесняя оттуда воздух.

Поскольку сама нижняя ёмкость полностью герметична, то воздух выталкиваемой водой по герметичной трубке передаёт воздушное давление в среднюю чашу. Давление воздуха в средней ёмкости выталкивает воду, и фонтан начинает работать [5]

Силы давления жидкости .

Повседневный опыт учит нас, что жидкости действуют с известными силами на поверхность твердых тел, соприкасающихся с ними. Эти силы мы назы­ваем силами давления жидкости. Силы давления действуют со стороны одних частей жидкости на другие. Это значит, что если мы удалили какую-либо часть жидкости, то для сохранения равновесия оставшейся части нужно было бы приложить к образовавшейся поверхности определенные силы. Необходимые для поддержания равновесия силы равны силам давления, с которыми удаленная часть жидкости действовала на оставшуюся часть [2]

Силы давления на стенки сосуда, заключающего жидкость, или на поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, не приложены в какой-либо определенной точке поверхности. Они распределены по всей поверхности соприкосновения твердого тела с жидкостью. Поэтому сила давления на данную поверхность зависит не только от степени сжатия соприкасающейся с ней жидкости, но и от размеров этой поверхности. Для того чтобы охарактеризовать распределение сил давления независимо от размеров поверхности, на которую они действуют, вводят понятие давления. Давлением на участке поверхности называют отношение силы давления, действующей на этот участок, к площади участка. Очевидно, давление численно равно силе давления, приходящейся на участок поверхности, площадь которого равна единице. Давление обозначается буквой р. Если сила давления на данный участок равна F, а площадь участ­ка равна S , то давление выразится формулой

Принцип действия сообщающихся сосудов.

Сосуды, имеющие между собой сообщение или общее дно, принято называть сообщающимися. Если наливать жидкость в один из них, жидкость перетечет по трубкам в остальные сосуды и установится во всех сосудах на одном уровне. Объяснение заключается в следующем. Давление на свобод­ных поверхностях жидкости в сосудах одно и то же; оно равно атмосферному давлению. Таким образом, все свобод­ные поверхности принадлежат одной и той же поверхно­сти уровня и, следовательно, долж­ны находиться в одной горизон­тальной плоскости. Если же жидкость в сообщающихся сосудах находится на разных уровнях (это можно достичь, если поставить между сообщающимися сосудами перегородку или зажим и долить жидкость в один из сосудов), то создается так называемый напор жидкости. Напор – это давление, которое производит вес столба жидкости высотой, равной разности уровню. Под действием этого давления жидкость, если убрать зажим или перегородку, будет перетекать в тот сосуд, где ее уровень ниже, до тех пор, пока уровни не сравняются [1]

Сообщающиеся сосуды и фонтан.

Принцип действия сообщающихся сосудов лежит в основе работы фонтанов. Воду собирают в емкость расположенную выше бассейна фонтана. При этом давление воды на выходе из фонтана будет равно разнице высот воды. Соответственно чем больше разница этих высот, тем сильнее давление и выше бьет струя фонтана. Так же на высоту струи фонтана влияет диаметр выходного отверстия фонтана. Чем оно меньше, тем выше бьет фонтан.

ГЛАВА II . ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Изготовление фонтана.

Цель: изготовить модель фонтана с использованием пластиковых бутылок.

Оборудование: 3 пластиковых бутылки, 3 коктейльные трубочки диаметром 5 мм, наконечники из-под капельниц, герметик.

Этапы проведения работы:

Берём одну пластиковую бутылку а (на дно бутылки приклеиваем диск для устойчивости).

Склеиваем две крышки от бутылок между собой.

Просверливаем в склеенной крышке два отверстия.

Вставляем в одно отверстие трубочку диаметром 5 мм до дна бутылки (1).

Во второе отверстие второй бутылки протягиваем трубочку (2) диаметром 5 мм на 2 -3 см от крышки.

Берём вторую пластиковую бутылку ( b ). На дне бутылки вырезаем круглое отверстие диаметром 2-3 см , приклеиваем крышку.

Из бутылки ( c ) вырезаем емкость в форме чаши и вставляем трубочку так, чтобы она доходила до горлышка второй бутылки ( b ) и немного выступала над чашей.

На конце трубочки крепиться наконечник от капельницы.

Все соединения тщательно герметизируем [5]

Фоторепортаж проведения работы:

2.2. Экспериментальная часть

Цель: определить зависимость высоты струи от уровня воды в среднем сосуде (диаметр отверстия наконечника одинаковый во всех опытах)

Источник