Фонтаны как физическое явление

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 как физическое явление

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ФОНТАНОВ

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Введение

Огонь, вода, земля, воздух- вокруг четырех природных стихий вращается вся жизнь. Человек давно научился использовать их себе на пользу. Каждый из нас воспринимает журчание воды, так же как тиканье часов, пляшущие языки пламени или плывущие по небу облака, строго индивидуально. Это зависит от темперамента человека, его настроения и самочувствия. Звукводы, как правило, позволяет расслабиться и успокоиться, зарядиться новыми силами и задуматься.

Однажды мне в руки попала книга для чтения по физике. [3] Листая её, я увидела, что в домашних условиях можно сделать фонтан. Меня заинтересовали два вопроса: как работает фонтан и смогу ли я сама при помощи взрослых сделать его дома. Актуальна эта тема еще и потому, что сейчас популярно иметь дома декоративные фонтаны.

Объект исследования: фонтан

Предмет исследования: принцип работы различных фонтанов

Цель: выявление особенностей работы проточного фонтана и фонтана Герона

Задачи:

1. изучить различные источники информации по данной теме;

2. изучить принцип работы проточного фонтана и фонтана Герона;

3. провести эксперимент; проанализировать, сделать выводы.

Гипотеза: если мы узнаем, как работает фонтан, то, возможно, сможем построить макет для его демонстрации

Методы исследования: эксперимент, наблюдение, анализ, обобщение.

Глава 1. Общая характеристика фонтанов

1.1. Фонтаны: история возникновения

Первые 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.

Подобные фонтаны использовали и в Месопотамии и Персии, славившимися своими прекрасными садами. Здесь на Востоке они получали еще большую популярность.

Огромные значения фонтаны имели в Китае и Японии. В создание знаменитого японского сада Киото участвовали монахи буддисты. Каждый элемент этого сада – несет в себе особое значение и вызывает у посетителей определенное настроение и состояние души.

Ландшафтной и архитектурной основой фонтанов и садов в Европе послужили персидские сады. В средние века сады появлялись при монастырях и подобно персидскому саду делились на четыре части – для цветов, трав, овощных культур и фруктовых деревьев. В середине сада был расположен колодец или фонтан – место уединения, размышления и молитвы для послушников монастыря. Но в основном, как и в Древнем мире, в Средневековье фонтаны использовались как источники водоснабжения – для полива и питья.

Только с началом Эпохи Возрождения фонтаны в Европе становятся частью архитектурного ансамбля, его ярким акцентом, а порой главным элементом.

В современных фонтанах значительную роль играют передовые технологии, новые изобретения. [5]

1.2. Как работают фонтаны?

Устройство фонтана основано на принципе сообщающихся сосудов. (приложение, рисунок 1) В сообщающихся сосудах любой формы и сечения поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне.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. (приложение, рисунок 1)

Фонтан Герона. (Приложение, рисунок 2)Прибор состоит из трёх сосудов, помещённых прямо один над другим и сообщающихся между собой: два нижних закрытые, а верхний имеет форму открытой чаши, в которую наливается вода, а также и в средний сосуд, через отверстие в дне чаши, потом закрываемое. По открытой трубке, идущей от дна чаши почти до дна самого нижнего сосуда, вода течёт из чаши вниз и, сжимая находящийся там воздух, увеличивает тем его упругость. Нижний сосуд сообщён со средним посредством открытой трубочки, начинающейся в верхнем дне его и идущей до верхнего дна среднего сосуда, так что находящийся здесь над поверхностью воды воздух также сжимается. Производя давление на воду, воздух заставляет её подниматься из среднего сосуда по особой трубке, проведённой почти от его дна в верхнюю чашу, где из конца этой трубки, возвышающейся над поверхностью воды, и бьёт фонтан. 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 фонтана, падающая в чашу, течёт из неё по трубке в нижнее отделение прибора, где уровень воды постепенно повышается, и потому высота давящего столба, измеряемая от названного уровня до уровня воды в чаше, постепенно уменьшается; уровень же воды в среднем сосуде, по мере расходования воды фонтаном, понижается. По этим двум причинам высота фонтана постепенно убывает и, наконец, движение воды прекращается.

Столб воды в верхнем сосуде до её поверхности в нижнем, создает избыточное давление в нижнем сосуде. Сжатый воздух из нижнего сосуда передает полученное давление в средний сосуд. (приложение, рисунок 2)

1.3. Виды фонтанов

Естественные. Известны естественно образовавшиеся фонтаны, называющиеся гейзерами — как, например, на Камчатке.

Техногенные. Искусственно созданным фонтаном является фонтанирующая нефтяная скважина. Батареи из множества водяных фонтанов горячей воды используются для её охлаждения на тепловых электростанциях. Декоративные. В обиходе фонтаном называют специфическое гидротехническое сооружение, как правило, выполняющее декоративную функцию. Утилитарную функцию имеют питьевые фонтанчики, позволяющие обеспечить повышенную гигиеническую безопасность при утолении жажды массовым потребителем. Питьевые фонтаны используются для обеспечения питьевого режима в учебных заведениях, в производственных цехах. Музыкальные. Музыкальный фонтан — тип фонтанa, имеющий эстетический дизайн и создающий, в соединении с музыкой, художественное представление. Эффект достигается с помощью пересечения волн воды и световых эффектов, создаваемых прожекторами или лазерами. [2]

1.4. Фонтаны в повседневной жизни

Красивый фонтан — это прекрасное лекарство от стрессов, от суеты повседневной жизни горожан, оазис покоя и радости, место для отдыха и самосозерцания. [5]

Глава 2. Экспериментальные основы проекта

Из предложенных принципов работы фонтанов, мы построили проточный фонтан, работающий на законе сообщающихся сосудов, а также фонтан Герона.

2.1.Создание макета «Город фонтанов» (на основе сообщающихся сосудов)

Оборудование: (приложение, рис. 3; фото 1-6)

Ёмкость для сбора воды, 2 пластиковых бутылки одинакового размера (резервуары для воды), трубка от капельницы, трубка для аквариума,

2 наконечника от гелиевой ручки, 2 наконечника от капельницы, картон, клей, цветная бумага, ёмкость для фонтана, декоративное оформление.

Разработка технологического процесса

1. Подготовка рабочего места, инструментов, материалов.

2.Закрепить две пластиковых бутылки (резервуары для воды) на опорах.

3. Прикрепить к ним в первом случае – 2 трубочки от капельницы, во втором случае – 2 трубочки от аквариума.

4. Вывести трубочки через ёмкость для сбора воды

5. Прикрепить к трубочкам в первом случае наконечник от капельницы, во втором случае – наконечник от гелиевой ручки.

6. Придать эстетичный вид сооружению.

7. Провести эксперимент.

Исследования: Опыт №1 (приложение, фото 7, 8, 9, 10)

«Зависимость высоты струи в фонтане от взаимного расположения сообщающихся сосудов»

Ход работы: меняя высоту резервуара, при постоянном диаметре отверстия мы измеряли высоту струи фонтана.

Источник