Принцип работы древних фонтанов

Принцип работы древних фонтанов

I. Теоретическая часть

1. История создания фонтанов………………………..………………………4

2. Силы давления жидкости………………………………………………. 4

3.1 Принцип действия сообщающихся сосудов……………………………6

3.2 Техническое устройство фонтанов…………………………………. 8

II. Практическая часть

2. Действие различных моделей фонтанов:

2.2 Фонтан при нагревании воздуха в колбе………………………….11

2.6 Механический фонтан……………………………………………. 13

IV. Приложение:

2. Это любопытно: первый в Иркутске света — звуковой фонтан…………16

Введение

Во все времена человек селился ближе к воде. Ведь вода — это жизнь! Поэтому фонтаны во все времена признавались лучшими элементами облагораживания среды обитания человека».

Но фонтаны это не только украшение парка, но и полезное изобретение. В конструкции фонтана задействованы: закон сообщающихся сосудов и способ передачи давления жидкостями и газами. Казалось бы, не особо замысловатое изобретение — фонтан, а, сколько сложного и интересного!

И у меня возникли вопросы: а как люди создали фонтаны? Как они работают? Можно ли самой сделать фонтан?

Я решил провести исследование по теме «Фонтаны», цель которого:

1. Расширить область личных знаний по теме «Сообщающие сосуды» (в том числе исторического и политехнического характера);

2. Использовать полученные знания для выполнения творческих заданий;

Для достижения поставленной цели мне необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить историю создания фонтанов;

2. Разобраться в устройстве и принципе действия фонтанов;

3. Познакомиться с давлением как движущей силой работы фонтанов;

4. Сделать простейшие модели действующих фонтанов.

Тема актуальна, т.к. применяем полученные знания по физике в практике.

Объект исследования: фонтаны Гипотеза:

Люди всегда трепетно относились к воде. Жизнь на земле без воды была бы просто невозможна. В большинстве религий вода считается символом очищения и новой жизни. Созерцание воды умиротворяет человека, настраивает его на философский лад и дарит положительные эмоции.

Фонтаны должны существовать.

Если мы узнаем, как делать фонтаны, то можем построить макеты для их демонстрации.

1. История создания фонтанов

Фонтан (от ит. fontana – от лат. fontis – источник) – струя жидкости или газа, выбрасываемая под давлением (словарь иностранных слов. – М.: Русский язык, 1990).

Впервые, фонтаны появились в Древней Греции и к эстетике не имели никакого отношения. Они служили источниками питьевой воды, охлаждали и увлажняли воздух, используя подводные реки, ключи и естественные перепады высот залегания воды.

В дальнейшем это дало толчок к развитию фонтанного зодчества и в Древнем Риме, поскольку обе империи тесно соприкасались в свое время. Местные мастера делали трубы из свинца, остававшегося в большом количестве после переработки серебряной руды. В последствии, за счет дешевизны технологии изготовления труб, фонтаны в Риме были повсюду.

Прекрасное действие, которое оказывает фонтан на людей, привело к повсеместному их распространению по всему миру. Ярким примером классических фонтанов служат фонтаны Версаля. Версаль, селение в 24 километрах от Парижа, был выбран королем Людовиком XIII для строительства скромного охотничьего замка, который в 1660г «Король-Солнце» Людовик XIV решил перестроить в роскошный дворцово-парковый ансамбль. Возведение Версаля продолжалось несколько десятилетий и потребовало не только невероятных денежных расходов, но и привлечения многих тысяч рабочих рук.

Семь столетий люди строили фонтаны по принципу сообщающихся сосудов. С начала 17 века фонтаны стали приводить в действие с помощью механических насосов, которые постепенно заменили паровые установки, а затем и электрические насосы.

2.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.

Прикрывая пальцем, отверстие открытого водопровод­ного крана, мы ощущаем силу давления жидкости на па­лец. Боль в ушах, которую испытывает пловец, нырнувший на большую глубину, вызвана силами давления воды на ба­рабанную перепонку уха. Термометры для измерения тем­пературы в глубине моря должны быть очень прочными, чтобы давление воды не раздавило их.

Ввиду огромных сил давления на большой глубине корпус подводной лод­ки должен иметь гораздо большую прочность, чем корпус надводного корабля. Силы давления воды на днище судна поддерживают судно на поверхности, уравновешивая дей­ствующую на него силу тяжести. Силы давления действуют на дно и на стенки сосудов, наполненных жидкостью: на­лив в резиновый баллон ртуть, мы видим, что его дно и стенки выгибаются наружу.

Наконец, 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.

3. Давление

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.

Будем обозначать давление буквой р. Если сила давления на данный участок равна F, а площадь участ­ка равна S, то давление выразится формулой

Если силы давления распределены равномерно по не­которой поверхности, то давление одно и то же в каждой ее точке. Таково, например, давление на поверхности порш­ня, сжимающего жидкость.

Нередко, однако, встречаются случаи, когда силы дав­ления распределены по поверхности неравномерно. Это значит, что на одинаковые площади в разных местах поверхности действуют разные силы.

Нальем воду в сосуд, в боковой стенке которого сделаны одинаковые отверстия. Мы увидим, что нижняя струя вытекает на большее расстояние, верхняя – на меньшее. Это значит, что в нижней части сосуда давление больше, чем в верхней части.

3.1 Принцип действия сообщающихся сосудов.

Сосуды, имеющие между собой сообщение или общее дно, принято называть сообщающимися.

Возьмем ряд сосудов различной формы, соединенных в нижней части трубкой. 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.

В жизни они встречаются довольно часто: различные кофейники, лейки, водомерные стекла на паровых котлах, шлюзы, водопровод, коленом согнутая труба – всё это примеры сообщающихся сосудов.

Принцип действия сообщающихся сосудов лежит в основе работы фонтанов.

3.2Техническое устройство фонтанов

Сегодня мало кто задумывается, как функционируют фонтаны. Мы настолько привыкли к ним, что, проходя мимо, лишь окидываем небрежно взглядом.

И действительно, что здесь особенного? Серебристые струи воды, под напором, взмывают в высь и рассыпаются на тысячи хрустальных брызг. Но на самом деле все не так уж просто. Фонтаны бывают водометные, каскадные, механические, фонтаны- шутихи (например, в Петергофе), разной высоты, формы и у каждого есть свое название.

Раньше все фонтаны были прямоточными, то есть работали напрямую от водопровода, сейчас применяется «оборотное» водоснабжение, с использованием мощных насосов. Струятся фонтаны тоже по-разному: динамическими струями (могут менять высоту) и статическими струями (струя на одном уровне).

В основном фонтаны сохраняют свой исторический облик, только «начинка» у них современная. Хотя, конечно же, строили их раньше тоже на славу, один из таких примеров — фонтан в Александровском саду.

Ему уже 120 лет, но часть труб сохранилась в хорошем состоянии.

II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Модель фонтана — изготовление фонтана

Используя свойства сообщающихся сосудов, можно построить модель фонтана.

Рис. 7. Модель фонтана.

Для этого необходимы резервуар с водой, например широкая банка 1, резиновая или стеклянная трубка 2, бассейн из низкой жестяной банки 3.

Чем выше поднят резервуар и тоньше выходное отверстие, тем выше будет бить струя воды. Поэтому для фонтана лучше использовать пипетку, сняв с нее резинку.

2. Уксусный фонтан

Колбу на ¾ заполнить столовым уксусом, бросить в него несколько кусочков мела, быстро закупорить пробкой с вставленной в нее стеклянной трубкой. Из трубки забьет фонтан.

3. Фонтан Coca-Cola ( был изобретен мной)

Так как уксус имеет специфический запах, то мы его заменили на Coca-Cola и ментос. Результат будет еще более наглядным. (личное изобретение)

Колбу на ¾ заполнить Coca-Cola, бросить в него несколько таблеточек ментоса, быстро закупорить пробкой с вставленной в нее стеклянной трубкой. Из трубки забьет фонтан.

Современный город нельзя представить без фонтана.

Уличные, площадные фонтаны

Одним из любимейших гидротехнических сооружений человечества всегда были фонтаны. Фонтаны придумали в жарких странах – с целью чисто практической: в летний зной струи воды, бьющие вверх, несут спасительную прохладу. Они не утратили своей популярности и до сегодняшнего дня.

Фонтан на участке около дома обычно становится очень привлекательным местом для его обитателей. Красивый фонтан — это лучшее лекарство от стрессов и суеты повседневной жизни. Слушая умиротворяющие звуки льющейся воды, созерцая её плавные потоки, человек получает возможность забыть о повседневных проблемах и хлопотах, отвлечься от беспокойств и переживаний, которыми наполнена жизнь в современном городе. Фонтан становится оазисом покоя и радости, местом для отдыха и самосозерцания.

Цветомузыкальные фонтаны – это сложные комплексы с применением автоматики. Высота и форма струй, цветовое оформление задаются с помощью программного обеспечения.

Интерьерные, комнатные фонтаны

Размещение фонтана в своем жилище становится центром интерьера жилого помещения, красивый фонтан обычно превращается в любимое место для отдыха всей семьи. Ведь нет ничего более умиротворяющего, чем спокойное созерцание льющейся воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью моей работы было расширение области личных знаний по теме «Сообщающие сосуды» (в том числе исторического и политехнического характера); использование полученных знаний для выполнения творческого задания; подбор задач по теме «Давление в жидкостях и газах. Сообщающие сосуды».

В ходе работы я ответил на вопрос: что является движущей силой работы фонтанов и, используя полученные знания, смог создать различные действующие модели фонтанов.

Выполнение работы включило в себя следующие элементы:

Изучение специальной литературы по теме исследования;

Уточнение задач опыта;

Подготовка необходимого оборудования и материалов;

Подготовка объекта исследования;

Анализ полученных результатов;

Выяснение значения полученных результатов для практики;

Выяснение возможных путей применения полученных результатов на практике.

Данная работа является одним из средств развития интереса к изучению физики, воспитания у школьников интереса к массовым профессиям. Полученный материал может быть использован при проведении уроков физики, истории.

Теоретическая подготовка к опыту и анализ полученных результатов потребовали от меня комплекса знаний по физике, математике, техническому конструированию. Это сыграло большую роль в повышении моей образовательной подготовки.

Список использованных источников:

Бурмин Г. Штурм абсолютного нуля /Москва, «Детская литература», 1989г.

Кабардин О.Ф., Кабардина С.И., Шеффер Н.И. Факультативный курс физики /Москва, «Просвещение», 1982г.

Источник

Как работали фонтаны в древности

Сердце современных фонтанов — насос, однако, первые фонтаны появились задолго до появления электрических насосов и электричества. Революцией в мире гидростатики и аэростатики послужила разработка фонтана Герона — прибора, созданного Героном Александрийским за 200 лет до нашей эры. Этот прибор представляет собой своеобразный гидравлический насос.

Принцип работы фонтана Герона заключается в следующем: в вертикальной плоскости располагаются 3 сосуда, сообщающихся между собой при помощи труб. Верхний сосуд имеет форму чаши, в то время как два нижних сосуда закрыты. Вода наливается в чашу, и через отверстие на дне стекает вниз к первому сосуду, минуя второй. За счет напора воды, протекающей сквозь систему, в нижней и средней чашах создается избыточное давление, которое выталкивает воду на поверхность из нижнего сосуда, и она вновь попадает в верхний. Это изобретение древнегреческого ученого Герона Александрийского часто называют «вечным фонтаном». Но как известно, вечный двигатель не существует, поэтому, рано или поздно, вода из среднего сосуда окажется в нижнем, и действие прибора прекратится.

Фонтаны Древней Греции, Рима, Египта и других государств функционировали за счет гидравлических насосов: множество выдающихся ученых работали над вопросами из области механики жидкости, так, представитель древнегреческой школы Ктесибий, изобрел первый поршневой насос для создания струй большого напора. Это изобретение нашло применение и в сооружении фонтанов.

Источник

Исследовательская работа «Мир фантанов»

Разделы: Физика

Класс: 7

Ключевые слова: исследовательская деятельность , фонтаны

Витченко Екатерина,
ученица 7 класса

Руководитель:
Казарцева Анна Викторовна,
учитель математики и физики

Введение

Актуальность

Волнующее море, тихое глубокое горное озеро, ручей — все это излюбленные места отдыха многих людей. Водопады, фонтаны, водоемы обладают завораживающим эффектом. К сожалению, мы не всегда можем позволить себе отправиться на берег ручья или горного водопада, поэтому любую возможность воссоединения с природой необходимо воплощать.

Недавно я изучила тему «Сообщающиеся сосуды», и возникла идея, которую я решила воплотить в реальность, создав свой собственный фонтан. История возникновения и создания фонтанов началась еще в Древней Греции, и продолжается по сей день. Фонтаны повсеместно встречаются в нашей жизни, они украшают площади, улицы, парки, внутренние и внешние помещения зданий. Тема моего исследовательского проекта «Мир фонтанов». Созданную нами в ходе выполнения проекта модель можно будет использовать в кабинете физики для демонстрации работы фонтана.

Цель: создать и исследовать модель фонтана для демонстрации применения закона сообщающихся сосудов.

Задачи:

• изучить историю возникновения фонтанов
• рассмотреть назначение и виды фонтанов;
• изучить физические основы работы фонтана;
• сконструировать фонтан своими руками;
• исследовать зависимость высоты струи от уровня воды и положения резервуара.

Объект исследования: фонтан.

Предмет исследования: зависимость высоты струи от уровня воды и положения резервуара.

Гипотеза: высота струи воды зависит от уровня воды и положения резервуара.

Методы исследования: Поисковый (сборы информации по теме), систематизация, анализ информационных ресурсов, практическая работа (изучение зависимости высоты струи от положения резервуара), ИКТ (создание презентации).

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. История возникновения фонтанов

Фонтан — природное или искусственно вызванное явление, заключающееся в истечении жидкости (обычно воды), под действием оказываемого на неё давления, вверх или в сторону. Или можно так же сказать фонтан – устройство, в котором вода бьет из источника, попадает в чашу какого-либо вида и, как правило, используется вновь. Фонтан – латинского слова «Fons» , что означает источник, родник, начало, первопричина.

Почти вся история человечества связана с фонтанами. На заре цивилизации они не были предметом роскоши или украшения быта. Например, жители Месопотамии оборудовали садовые фонтаны и использовали их в качестве ирригационных систем. Особой славой овеяны и фонтаны Древнего Египта. Документально это подтверждено надгробной живописью. Египтяне придавали фонтанам как практическую, так и декоративную значимость. Очень популярны были садовые фонтаны в древней Персии IV тыс. до н.э., давшие пищу для творчества мастеров ковроткачества. Как персидские сады – подобие рая на Земле, так и непревзойденные персидские ковры призваны были воссоздавать 4 сущности – воду, растения, цветы и музыку.

Персидским садам и фонтанам исторически суждено было оказать заметное влияние на европейскую архитектуру. Солдаты Рима, принимавшие участие в восточных походах, по-видимому, так ярко живописали устройство персидских садов и фонтанов, что некое их подобие вскоре появилось и в Древнем Риме. Римляне хорошо поработали над их усовершенствованием. Из обожженной глины они изготавливали трубы, внутреннюю поверхность фонтанных чаш выкладывали плиткой, а струи уже не просто так взмывали и ниспадали, но били из пасти экзотических животных или фантастических рыб. Кстати, римляне первыми начали применять в устройстве фонтанов насосы.

В период Эпохи Возрождения фонтаны в Европе украшают собою архитектурные ансамбли. Мало того, нередко на них делается основной упор, они становятся ключевой деталью. Главенствует римский стиль. Истинной законодательницей моды в архитектуре и, в частности, в искусстве создания так называемых регулярных парков (т.е. симметричных, имеющих геометрически правильные планы) с целыми фонтанными системами, стала Франция. Классический пример – Версаль XVII в. Фонтаны Версаля возникли в одно время с городом. Их строили, вооружившись последними научными достижениями того времени, одновременно обеспечивая изящество исполнения. Именно версальские фонтаны подвигли Петра I на замысел Петергофа:

Забил Петродворец из всех своих фонтанов.
Воды хоть отбавляй у золотых титанов.
Им заменяют мысль, слова и поцелуи
Летящие из уст сверкающие струи.

Надо признать, что фонтаны Петергофа в чем-то превзошли свой французский прототип. В них представлено множество одно- и многоструйных фонтанов, солирующих, парных, сгруппированных в ряды, фонтанов в виде водяных колоколов и столпов. Рисунки струй не повторяются, это веера, букеты, завесы и т.д. Различны Петергофские фонтаны и по звучанию – от чуть слышимого шелеста до оглушительного торжествующего гула.

1.2 Фонтаны нашего времени

Современные фонтаны многолики: одни, словно отдавая дань веку техники и машин, вобрали в себя сложность инженерии и конструктивизма, другие, напротив, – стремятся к естественности, дикой природе.

• Самый знаменитый фонтан в Риме — фонтан Треви. Он завершает собой акведук Аква Вирго, построенный еще до рождества Христова. Центральная фигура фонтанной композиции – Нептун, бог моря у древних римлян. Он управляет колесницей в форме морской раковины, в которую запряжены морские коньки.
• Фонтаны, построенные в Италии, знамениты на весь мир, в том числе и благодаря своей древности. «Фонтан Дракона», расположенный в «вилле д»Эсте», к примеру, был построен в 1572-м году. Парки и фонтаны Тиволи являются прародителями для многих фонтанов по всему свету, но и сейчас остаются одними из красивейших на всей планете.
• О фонтанах Санкт-Петербурга можно говорить бесконечно, без них сложно представить северную столицу. Центральное место в композиции большого каскада занимает знаменитый фонтан Самсон, раздирающий пасть льву. День святого Самсона, победившего льва совпал с разгромом шведов под Полтавой 27 июня 1709 года Большой каскад составляют 64 фонтана, 255 скульптур, барельефов, маскаронов и других декоративных архитектурных деталей, что позволяет считать это фонтанное сооружение одним из самых крупных в мире.
• Высокий Женевский фонтан стал символом города довольно быстро. Его высота 140 метров, а скорость выброса воды составляет 200 км/ч. Изначально фонтан располагался выше по реке Роны и был мало известен, но стоило властям города перенести его поближе к центру города и сделать из него туристический аттракцион, и теперь без этого фонтана Женеву представить невозможно.
• Фонтан Дубай — музыкальный фонтан, расположенный рядом с небоскрёбом Бурдж-Халифа. Это один из самых больших и высоких фонтанов в мире. Высота его струй достигает 150 метров, примерно высоты 50-го этажа. И тем не менее, это всего лишь одна пятая высоты небоскрёба. Фонтан подсвечен 50 цветными прожекторами и 6000 источниками освещения.
• Один из самых знаменитых фонтанов Америки расположен в Лас Вегасе – это фонтан «Bellagio», который дает представления каждый вечер. Именно так – на шоу, которое дает этот фонтан на берегу большого искусственного озера, съезжаются туристы со всего мира. Фонтан «танцует» под музыку известных певцов.

1.3. Назначение и виды фонтанов

В знойную погоду фонтан освежает воздух и создаёт положительный психологический эффект, он очищает воздух от пыли, способствуя облегчению дыхания.

Защищает от постороннего шума, так как звуки журчащей воды приятно заглушают посторонние раздражающие звуки. Фонтан способен качественно увлажнять воздух, что хорошо сказывается на здоровье.

Естественно, фонтан – это развлечение: изменяющиеся фонтанные композиции способны развлекать человека (особенно цветомузыкальными водными шоу). Фонтаны являются превосходной забавой как для детей, так и для взрослых. И, наконец, фонтаны будучи частью ландшафтного или архитектурного дизайна служат средством привлечения внимания.
Существует несколько видов фонтанов:

• Естественные (естественно образовавшиеся фонтаны, называющиеся гейзерами).
• Техногенные (батареи из множества водяных фонтанов горячей воды используются для её охлаждения на тепловых электростанциях)
• Искусственные (фонтанирующая нефтяная скважина).
• Декоративные (специфическое гидротехническое сооружение, как правило, выполняющее декоративную функцию).

В нашем городе тоже действует декоративные фонтаны, которые находится на бульваре Гагарина «Каменный цветок», на площади у Ледового дворца «Подмосковья» «Каскадный», на площади у бассейна «Дельфин», в микрорайонах: Красный строитель, Цемгигант, Лапатинский.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Зависимость высоты струи от уровня воды в резервуаре относительно расположения бассейна фонтана

Сосуд с водой находится на одной и той же высоте H, диаметр пластиковой трубочки d один и тот же, d₁ стеклянного наконечника постоянен.

H = 81cм – высота дна резервуара; высота воды в сосуде H₂= 17 см;
d = 4мм – внутренний диаметр пластиковой трубочки;
d₁= 1,1мм – внутренний диаметр стеклянного наконечника

Таблица 1.
Результаты зависимости высоты струи от уровня воды в резервуаре

Источник