Принцип работы фонтана физика 7 класс

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

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