ФОНТАН (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к демонстрационным устройствам и, в частности, к наглядным пособиям для изучения законов физики, а также может быть использовано как сувенирная продукция.
Устройство относится к фонтанам периодического действия, не снабженным внешним источником энергии для функционирования (работы). В устройстве применен принцип действия фонтана Герона Александрийского.
Фонтан Герона Александрийского известен уже две тысячи лет, но не всякий человек, который волей судьбы связан с физикой, знаком с древнегреческим чудом. Этот фонтан в отличие от всех других фонтанов уникален. Он создает впечатление вечного фонтана!
Одним из устройств, описанных ученым древней Греции Героном Александрийским, был волшебный фонтан. Удивительным было то, что вода из фонтана била сама, без использования какого-либо внешнего источника воды. Вот поэтому на фонтан Герона Александрийского мы обратили внимание.
Актуальность нашей работы заключается в теоретическом и практическом характере решения проблемы: доскональное изучение принципа действия фонтана Герона Александрийского позволит лучше понять процессы, происходящие в нем, убедиться в справедливости закона сохранения энергии, увидеть цепочку причинно-следственных связей, приводящих к наблюдаемому эффекту «вечного фонтана». Все это поможет формировать научное мировоззрение.
Известны устройства, позволяющие воплотить указанный принцип путем соединения трубопроводами сосудов, имеющихся в составе школьного набора для демонстрации физических опытов, например, www.rascaz.com или www.steampunker.ru (см. фиг.1).
Описание графического материала
На фиг.1 изображена конструкция прототипа в двух вариантах исполнения.
На фиг.2 изображено устройство фонтана в соответствии с первым вариантом.
На фиг.3 изображено устройство фонтана в соответствии со вторым вариантом.
На фиг.4 изображено устройство фонтана в соответствии с третьим вариантом.
На фиг.5 изображено устройство фонтана в соответствии с четвертым вариантом.
На фиг.6 изображено устройство фонтана в соответствии с пятым вариантом.
Принятые обозначения.
1 - верхняя емкость.
2 - средняя емкость.
3 - нижняя емкость.
4 - трубопровод с форсункой.
5 - трубопровод из верхней емкости в нижнюю.
6 - трубопровод из нижней емкости в среднюю.
7 - герметичная пробка.
h - высота столба воды.
1
h - высота столба воды между уровнями в верхней емкости и средней емкости.
2
h - высота столба воды между уровнями в верхней емкости и нижней емкости.
p - давление.
изб.
p - избыточное давление.
p - плотность.
g - коэффициент пропорциональности (гравитационная постоянная).
Подробное описанеие устройств
Недостатком известных устройств является недостаточная зрелищность.
Для получения более зрелищного воплощения разработано несколько вариантов устройства.
Согласно первому варианту, фонтан состоит из верхней емкости, средней емкости и нижней емкости. Верхняя емкость соединена трубопроводом с нижней емкостью. Нижняя емкость соединена трубопроводом со средней емкостью. Нижняя и средняя емкости герметично закрыты. Средняя емкость содержит один или более трубопровод с форсункой для формирования струи жидкости.
Особенностью конструкции является то, что
- средняя емкость помещена внутрь трубопровода, соединяющего верхнюю и нижнюю емкости;
- соединительный трубопровод между верхней и нижней емкостью является несущим (силовым) элементом конструкции
- корпус верхней емкости и корпус нижней емкости являются несущими (силовыми) элементами конструкции;
- для начального заполнения средняя и нижняя емкости снабжены герметичными пробками.
Согласно второму варианту, фонтан состоит из верхней емкости, средней емкости и нижней емкости. Верхняя емкость соединена трубопроводом с нижней емкостью. Нижняя емкость соединена трубопроводом со средней емкостью. Нижняя и средняя емкости герметично закрыты. Средняя емкость содержит один или более трубопровод с форсункой для формирования струи жидкости.
Особенностью конструкции является то, что
- средняя емкость помещена внутрь верхней емкости;
- нижняя емкость является основанием конструкции;
- соединительные трубопроводы являются несущими (силовыми) элементами конструкции
- корпус верхней емкости и корпус нижней емкости являются несущими (силовыми) элементами конструкции.
- для начального заполнения средняя и нижняя емкости снабжены герметичными пробками.
Согласно третьему варианту, фонтан состоит из верхней емкости, средней емкости и нижней емкости. Верхняя емкость соединена трубопроводом с нижней емкостью. Нижняя емкость соединена трубопроводом со средней емкостью. Нижняя и средняя емкости герметично закрыты. Средняя емкость содержит один или более трубопровод с форсункой для формирования струи жидкости.
Особенностью конструкции является то, что
- средняя емкость конструктивно соединена с верхней емкостью и помещена под верхней емкостью;
- нижняя емкость является основанием конструкции;
- соединительные трубопроводы являются несущими (силовыми) элементами конструкции;
- корпус верхней емкости и корпус нижней емкости являются несущими (силовыми) элементами конструкции;
- среднюю и нижнюю емкости соединяют два или более трубопровода;
- средняя емкость содержит два или более трубопровода с форсункой для формирования струи жидкости;
- для начального заполнения средняя и нижняя емкости снабжены герметичными пробками.
Согласно четвертому варианту, фонтан состоит из верхней емкости, средней емкости и нижней емкости. Верхняя емкость соединена трубопроводом с нижней емкостью. Нижняя емкость герметично закрыта. Средняя емкость содержит один или более трубопровод с форсункой для формирования струи жидкости.
Особенностью конструкции является то, что
- средняя емкость находится внутри нижней емкости;
- средняя емкость открыта сверху;
- корпус верхней емкости и корпус нижней емкости являются несущими (силовыми) элементами конструкции;
- для начального заполнения и удаления жидкостей нижняя емкость снабжена герметичной пробкой.
Согласно пятому варианту, фонтан состоит из верхней емкости, средней емкости и нижней емкости. Верхняя емкость соединена трубопроводом с нижней емкостью. Нижняя емкость герметично закрыта. Средняя емкость содержит один или более трубопровод с форсункой для формирования струи жидкости.
Особенностью конструкции является то, что
- средняя емкость находится внутри нижней емкости;
- средняя емкость открыта сверху;
- трубопровод из средней емкости проложен внутри трубопровода, соединяющего верхнюю и нижнюю емкости;
- корпус верхней емкости и корпус нижней емкости являются, несущими (силовыми) элементами конструкции;
- для начального заполнения и удаления жидкостей нижняя емкость снабжена герметичной пробкой.
Принцип работы всех устройств одинаковый. Устройства работают следующим образом.
2
Фонтан Герона состоит из открытой верхней емкости и двух герметичных емкостей расположенных под верхней. Из верхней емкости в нижнюю емкость идет герметичная трубка. Если налить в верхнюю емкость воды, то она по трубке начнет стекать в нижнюю емкость, вытесняя оттуда воздух. Нижняя емкость полностью герметична. Воздух, выталкиваемый водой, по герметичной трубке, передаст воздушное давление в среднюю емкость. Давление воздуха в средней емкости будет выталкивать из нее воду, и фонтан начнет работать, достигнув высоты, большей чем h.
2
c
2
c
1
Для начала работы, в верхнюю чашу требуется налить воды. В дальнейшем, для работы фонтана используется вода, выходящая из средней емкости. Подъем воды происходит на гораздо большую высоту, что, на первый взгляд, кажется невозможным. Ведь на это должно потребоваться гораздо большее давление. Фонтан, казалось бы, не должен работать. Герон догадался передавать давление воды из нижнего сосуда, в средний сосуд не водой, а воздухом. Поскольку вес воздуха значительно ниже веса воды, потери давления на этом участке получаются очень незначительными, и поэтому вода из средней емкости поднимается на высоту h+h. Высота h+h, без учета потерь давления в трубках, будет равна высоте напора воды h.
1
2
изб.
1
2
1
2
Избыточное статическое давление, когда сопло закрыто, равно разности давлений, создаваемых столбами воды h и h: p=pgh-pgh=pg(h-h), p - давление, p - плотность, g - коэффициент пропорциональности (гравитационная постоянная), h - высота столба воды.
c
1
2
Таким образом, чтобы струя била максимально высоко (h=max), необходимо, чтобы h>>h, то есть как можно выше поднять среднюю емкость. Вода из верхней емкости, под действием гравитации стекает в нижнюю емкость. Время работы подобных фонтанов не бесконечно, в итоге вся вода из верхнего сосуда перетечет в нижний, и фонтан перестанет работать.
Устройство промышленно применимо, поскольку состоит из промышленно производимых частей и может выпускаться в промышленных масштабах.