Исследовательская работа по физике Фонтан Герона

Введение

Актуальность работы. Не перестаёт быть актуальным рассказ древних рукописей о творении античного изобретателя Герона Александрийского. Это чудо-чаша, из которой бьёт фонтан, практически вечный. Снаружи не видно никаких труб, подводящих воду, и ни каких механизмов, которые могут быть задействованы внутри фонтана.
На воздух, как и на любое тело, находящиеся на Земле, действует сила тяжести. Воздух тоже обладает весом, и верхние слои воздуха сжимают нижние слои. Согласно закону Паскаля, верхние слои одинаково, по всем направлениям оказывают давление на нижние слои.
Каждый слой атмосферы испытывает давление со стороны всех верхних слоёв. При этом, земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, испытывают атмосферное давление. Существованием атмосферного давления можно объяснить многие явления, к примеру, действие шприца, медицинского инструмента. Жидкость набирают в шприц, надавливают на поршень шприца, выдавливая воздух, иголку шприца опускают в жидкость, поднимают поршень и за поршнем поднимается жидкость. Именно таким образом можно рассматривать принцип работы фонтана [2].
Цель работы: собрать действующую модель фонтана и рассмотреть физические параметры высоты полученной струи воды.
Задачи исследования:
1. Рассмотреть устройство и принцип действия фонтана Герона.
2. Изучить порядок изготовления фонтана Герона.
3. Описать область применения фонтана Герона.
4. Рассмотреть порядок проведения исследования.
5. Проанализировать результаты исследования.
Гипотеза исследования заключается в предположении о том, что фонтан Герона продолжит работать до тех пор, пока не кончится вода в верхней чаше и не наполнит нижний сосуд до краёв. Тогда нужное давление перестанет создаваться. Возобновить работу фонтана можно будет в том случае, если переставят сосуды.
Практическая значимость исследования может заключаться в том, что, изучив принцип действия работы фонтана, можно будет собрать действующий фонтан на даче или в загородном доме.
Структура работы. Работа состоит из теоретической и практической части, списка использованной литературы и приложений.  
Глава 1. Теоретическая часть исследования работы «Фонтан Герона»

1.1. Устройство и принцип действия фонтана Герона

Каждая емкость фонтана служит определённым целям. Чаша фонтана Герона представляет собой миску, наполненную водой. Из миски отходит тонкая трубка, которая направлена в нижнюю емкость. По ней вода начинает своё движение. В пустой ёмкости накапливается вода, которая, поднимаясь вверх, создает давление воздуха, поднимающегося по тонкой трубке. Вода попадает в верхнюю емкость, которая наполнена водой. Воздух выталкивает воду, которая движется по трубке в чашу с водой и создает струю. Струя видна над поверхностью жидкости (Приложение 1).
Фонтан может работать долго, при условии, если ёмкости будут менять местами. Если это не осуществлять, нижняя ёмкость постепенно наполнится водой, а верхняя – воздухом. В этом случае будет отсутствовать необходимое давление.
Принцип действия работы фонтана заключается в следующем. Фонтан Герона состоит из трех стеклянных сосудов: наружного, среднего и внутреннего. Все они помещены один внутри другого. Наружный сосуд имеет форму открытой чаши, в которую наливается вода. Вода скрывает два сосуда склеенных между собой. Образуются вакуум и термоизоляция между водой из первого сосуда и воздухом в третьем сосуде [3].
Третий сосуд является рабочей емкостью. В нём находятся два отверстия, вверху и внизу. В верхнее отверстие плотно вставляется трубка, до дна сосуда. В нижнем отверстии расположен клапан. Под действием атмосферного явления, вода из наружного сосуда, через клапан поступает во внутренний третий сосуд. При этом, вода сжимает, находящийся между трубкой и наружными стенками сосуда воздух. Это происходит до тех пор, пока атмосферное давление не выровняется в первом и третьем сосудах.
Солнечные лучи образуют водяную лупу, которая представляет собой две стеклянные линзы, наполненные водой. Лучи проходят через первый и второй сосуды, постепенно усиливаются и нагревают стенки третьего сосуда и воздух в сосуде Воздух в третьем сосуде расширяется и выталкивает воду из третьего сосуда по трубке, образуя фонтан.
Уровень воды в первом сосуде повышается. Соответственно, повышается атмосферное давление воды в первом сосуде. Как только нарушено равенство атмосферного давления в первом сосуде и давление воздуха в третьем сосуде, вода через клапан поступает в чашу. Она охлаждает и сжимает воздух в третьем сосуде, и этот процесс непрерывно повторяется.
Таким образом, можно говорить о том, что в данном физическом явлении энергия солнечных лучей преобразуется в движение воды. Фонтан при этом работает постоянно, без видимых глазу механизмов (Приложение 2, Приложение 4).